新型大塑性变形复合挤扭过程数值模拟分析

第２卷第２期　精密成形］　程　２Ｏｌ０年３月　Ｊ（）ＵＲＮＡＬ（）Ｆ　ＮＥＴＳＨＡＰＥ　Ｆ０ＲＭｌＮＧ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　新型大塑性变形复合挤扭过程数值模拟分析　王成，李萍，李晓，章凯　（合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥２３０００９）　摘要：针对挤扭（Ｔｗｉｓｔ　Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ，ＴＥ）过程试样变形不均匀，结合挤扭和挤压工艺提出了复合挤扭　（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｔｗｉｓｔ　Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ，ＣＴＥ）新型大塑性变形工艺。运用有限元分析法对纯铝在室温下进行数值模　拟，获得了应力应变分布，载荷行程曲线，并对工艺进行改进消除了头部难变形区域。结果表明复合挤扭工　艺可以有效地降低均匀系数，改进后的工艺可以获得变形均匀的试样。　关键词：复合挤扭（ＣＴＥ）；大塑性变形（ＳＰＤ）；均匀系数；数值模拟　中图分类号：ＴＧ３７６．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４　６４５７（２０１０）０２—００３９　０４　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａ　Ｎｅｗ　Ｓｅｖｅｒｅ　Ｐｌａｓｔｉｃ　ＤｅｆＯｒｍａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｎａｍｅｄ　ａｓ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｔｗｉｓｔ　Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ＷＡＮＧ　Ｃｈｅｎｇ，Ｌｊ　Ｐｉｎｇ，ＬＪ　Ｘｉａｏ。ＺＨＡＮＧ　Ｋａｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ｎｅｗ　ｓｅｖｅｒｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ（ＳＰＤ）ｐｒｏｃｅｓｓ　ｎａｍｅｄ　ａｓ　ＣｒＩ、Ｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｍｂｉｎｅｓ　ｔｈｅ　Ｔｗｉｓｔ　Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｗｉｔｈ　Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ａｇａｉｎｓｔ　ｔｈｅ　ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＴＥ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｐｕｒｅ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＴＥ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｖｉａ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ａｍｏｕｎｔ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｓｔａｉｎ，ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　１ｏａｄ—　ｓｔｒｏｋｅ　ｃｕｒｖｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ＴＥ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗａｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｏ　ａｖｏｉｄ　ｔｈｅ　ｓｔａｇｎａｎｔ　ｚｏｎｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｒｅ　ｖｅａｌ　ｔｈａｔ　ＣＴＥ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃａｎ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ．Ａ　ｓａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂ—　ｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｔｗｉｓｔ　Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ（ＣＴＥ）；ｓｅｖｅｒｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ（ＳＰＤ）；ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅ—　ｓｅａｒｃｈ　超细晶材料因其独特的微观组织结构而具有优　得具有大角度晶界的亚微米甚至纳米的晶粒结构。　异的力学和物理性能，已成为材料领域研究的热点　由于大塑性变形方法都存在试样变形不均匀的缺　之一Ｌ１　。研究表明，传统的塑性变形（如轧制、挤　点，因此为了获得组织分布均匀的细晶材料，往往需　压等）虽然也能够细化晶粒，但只能获得小角度晶界　要进行多道次成形，使得生产难以实现自动化生产，　的亚结构。大塑性变形（Ｓｅｖｅｒｅ　Ｐｌａｓｔｉｃ　Ｄｅｆｏｒｍａ　效率较低。针对上述２种工艺各自的优缺点，文中　ｔｉｏｎ，ＳＰＤ）技术通过一些特殊的成形方法可以获　将挤扭工艺与挤压结合，提出一种制备超细晶材料　收稿Ｅｔ期：２０１０　０１　０８　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０８７５０７２）　作者简介：王成（１９８８一），男，安徽宣城人，硕士研究生，主要研究方向为精密塑性成形新技术。　精密成形工程　２Ｏ１Ｏ年３月　的新工艺一复合挤扭法。并用有限元法对纯铝　ＭＴＥ进行模拟仿真，分析了复合挤扭工艺的可行　性及优势，获得了相应的载荷时间曲线、等效应力应　变分布，并对工艺进行了改进消除了头部难变形区。　３模拟结果及分析　３．１变形特征　变形的一般过程如图２所示，第１次挤扭变形　如图２ａ所示，试样仅发生挤扭变形，变形主要在边　１　工艺分析　挤扭作为一种细化晶粒的有效手段，受到越来　越广泛的研究和重视　］。由于挤扭变形过程中试　样的运动方向没有发生改变，因而有利于实现自动　化生产。挤扭变形主要在边缘处，芯部变形相对较　小，因此要获得组织分布均匀的块体超细晶材料，　增大芯部的变形是关键。平模挤压时试样的芯部　先发生变形，边缘处的金属后进入通道发生变形，　挤扭后进行挤压可以有效增大芯部的变形量。由　于挤压过程中，表层往往出现粗晶环和小角度晶　界　８］，考虑到挤扭变形的特点，再进行一次挤扭变　形以获得组织分布均匀的块体超细晶材料，复合　挤扭示意如图１所示，截面上浅色方块用来反映　挤扭的旋转角度ａ。　９　６　●■■ＩＩ焉糍　糟重■■曩囊誓ｌ■■■■●　■　能　∞　截丽变化　图１复合挤扭工艺示意　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ＣＴＥ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　２有限元建模　根据图１所给尺寸，建立数值模拟模型，在实验　过程中，材料符合刚塑性模型，模具变形量很小，设　定为刚性材料。挤扭过程中，模具和试样温度均为　２Ｏ℃且不考虑热交换。模拟中螺旋通道ａ一９０。，　一５０。保持不变，试样尺寸为２０　ｍｍ×２０　ｍｍ×４０　ｍｍ。冲头的速度设为１　ｍｍ／ｓ，模具和材料的摩擦　接触处理采用常剪切模型，摩擦因子ｍ取０．１。　Ｉ警　叠　量　等效应变　一　０　图２变形的一般过程　Ｆｉｇ．２　Ｇｅｎｅｒａｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＴＥ　缘处，芯部的变形很小；试样挤扭变形完毕后进入挤　压阶段如图２ｂ所示，试样的中间部分先与边缘部分　被挤入通道产生变形以累积应变量；挤压变形结束　后试样进入第２次挤扭如图２ｃ所示，挤压完成后的　金属流入螺旋通道；变形终了的试样如图２ｄ所示。　由图２可以看出复合挤扭工艺可以明显增大芯部的　应变量，试样的头部为难变形区。　３．２载荷行程曲线　Ｂ　变形的载荷行程曲线如图３所示，结合变形特　征，载荷行程曲线可以分为３个阶段，第１阶段为挤　３０　２０　、　迄　ｌＯ　行程／ｍｉｌｌ　图３　ＣＴＥ载荷分布　Ｆｉｇ．３　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏａｄ　ｏｆ　ＣＴＥ　扭变形，试样进入螺旋通道后由于形状的制约载荷　第２卷　第２期　王成等：新型大埋性变形复合挤扭过程数值模拟分析　稳定增大到５０００　Ｎ；第２阶段为挤压阶段，随着金　属被挤入，载荷逐步增大到２５０００　Ｎ；第３阶段为第　２次挤扭，载荷进一步增大，达到稳定值２８０００　Ｎ。　分析可知载荷增大主要发生在挤压阶段，所以挤压　力的影响因素（如挤压速度、挤压比等）都会影响到　复合挤扭变形的载荷。　３．３　应变分布　为了讨论变形程度的均匀性，引入变形均匀系　数ｄ：　ｅ…～￡ｍｉｎ　ｄ一——　ａ、ｅ　式中：￡　、ｅ　、　分别为试样横截面２５个节点（如　图４所示）的最大、最小和平均等效应变。ａ越大表　图４选取点示意　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｐｏｉｎｔｓ　明变形越不均匀，反之则越均匀。分别在３个变形　过程刚结束截面上选取２５个点，求得￡…、￡…、ｅ　值见表ｌ。　镰　表１　截面的等效应变最大、最小、平均值及变形均匀系数　Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｈｅ　１ＴｌａＸｉ１ＴＩＵ￣１，ｍｉｎｉｍｕｎ　ａｎｄ　ａｖｅｒａｇｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｓｔｒａｉｎ　ｏｆ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ　由表１可以看出第１次挤扭试样的变形最不均　匀，挤压变形后均匀度有所改善，第２次挤扭后变形　已趋于均匀分布。这也表明复合挤扭工艺可以有效　地改善变形不均匀，以获得组织分布均匀的块体超　细晶材料。　３．４应力分布　试样变形时的等效应力分布和纵剖面上等效应　力分布分别如图５ａ、ｂ所示。由图５可知：应力螺旋　等效应力　等效府力／ＭＰａ　，Ｍｐａ　Ａ＝　００　ｉ　曰　ｌ６．９　Ｃ：３３．８　９０．１　Ｄ＝５０．７　Ｅ＝６７．５　Ｆ：８４．４　４５．０溪　Ｇ＝１０１　Ｈ＝１１８　１＝ｌ３５　㈣ｉ　ａ应力总体分布　ｈ纵剖面等效应力分布　图５　ＣＴＥ过程中试样等效应力场分布　Ｆｉｇ．５　Ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓａｍｐｌｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ＣＴＥ　ｃｈａｎｎｅｌ　通道的棱角处和挤压口较大（约为１３５　ＭＰａ），其余　区域应力分布较为均匀且数值不大。因此，在模具　设计时挤压口应采用较大的圆角过渡，以防止模具　破环，提高模具寿命。　３．５工艺的改进　从图１中可以看出变形过程中试样的头部变形　量一直都很小，对材料利用率和试样的组织均匀性　都是不利的。因此在此工艺基础上对变形过程中试　样施加一个大小为２００００　Ｎ的背压力。工艺改进前　后的试样的等效应变分布比较如图６所示，施加背　压后头部难变形区域基本消失。　髫　ａ改进前　ｈ改进后　图６　改进前后试样等效应变分布　Ｆｉｇ．６　Ｓｔｒａｉｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　等。蔓效直　精密成形工程　２０１０年３月　５３５吨发电机转子在一重连浇成功　２００９年ｌ１月上旬，经过一重铸锻钢公司炼钢分厂全体干部职工１７　ｈ的连续奋战，为东电生产的液重５３５　ｔ的电站转子　钢锭在炼钢分厂现场四包钢水连浇成功。这是炼钢分厂自６月份成功冶炼浇注５８０　ｔ低压转子钢锭以后，第一支超过５００　ｔ　以上的大钢锭。铸锻钢公司党委书记赵林、副总裁王明旭在现场观看了浇注全过程。　为保证此项钢锭浇注任务能够顺利进行，炼钢分厂于１ｏ月底开始着手准备，根据生产月计划指令，全员上下高度重视，　做好思想发动，提升全员重视程度。为确保生产的万无一失，分厂厂长提出建立５３５　ｔ电站转子钢锭的“一把手工程”，确立了　以厂长王明旭为组长，各工段、科办一把手为第一责任人的专项工作领导小组，并明确成员职责，确定生产组织原则，全力做　好前期准备工作，将具体计划步骤落实到责任人。生产、技术、设备、安全等部门制定保证措施，在计划编制、指挥协调、指令　下达、工艺交底、技术准备、设备检查、安全保障和现场服务等方面细化操作环节和特殊要求；铸锭、动力、电炉、精炼炉等工段　制定过程控制方案，分解工作任务，明确操作者和责任人。按照核电标准，对原材料、钢包、冶金附具等的专项检查执行由铸　锻钢公司技术质量部、检查站、分厂技术办、工段等单位共同参与的四方联检制度。分厂使用满足工艺要求的原材料，选用清　洁、优质的废钢和生铁，铁合金和辅料达到烘烤效果，认真检查电炉炉体和热兑包、精炼包的使用状况，确保浇注系统清洁、干　燥，冶金附具磨光、吹净。为避免在生产过程中出现安全事故，安技部门加大现场检查督导力度。设备部门对主要使用设备　重点检查，为浇注成功提供了保证。　（摘自中国锻造网）