畢業(yè)設計--扭擠變形的數(shù)值模擬及模具設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　扭擠變形的數(shù)值模擬及模具設計</p><p>　　系部：機械材料系 </p><p>　　專業(yè)名稱：材料成型及控制工程 </p><p><b>　　班級：</b></p><p>&

2、lt;b>　　學號：</b></p><p><b>　　作者: </b></p><p><b>　　指導教師:</b></p><p>　　2010 年 06 月 08 日</p><p>　　扭擠變形的數(shù)值模擬及模具設計</p><p&

3、gt;　　Numerical simulation of the twist extrusion process and die design</p><p>　　畢業(yè)論文（設計）任務書</p><p>　　指導教師： 職稱：講師 </p><p>　　2010年 3月 10日 </p><p>　　畢業(yè)設計（論文

4、）題目：扭擠變形的數(shù)值模擬及模具設計</p><p>　　1.課程性質(zhì)（請在相應的選項上打勾）□縱向課題□已簽約的橫向課題□未簽約的橫向課 題□實驗室建設課題√模擬性課題□學生自選人文課題</p><p>　　2.課題類型（請在相應的選項上打勾）□工程設計（實踐）□理論研究□實驗研究□計算 機軟件設計√綜合</p><p>　　一、畢業(yè)設計（論文）內(nèi)容及要求（包括原

5、始數(shù)據(jù)、技術要求、達 到的指標和應做的實驗等）</p><p>　　1 提供條件： 模擬軟件。</p><p>　　2 設計內(nèi)容與要求:</p><p>　　(1) 通過 DEFORM-3D 軟件對扭擠材料變形進行有限元模擬， 分析其等效應變及載荷等各場量的變化；</p><p>　　(2) 通過數(shù)值模擬分析螺距對等效應變及載荷等場量的影響；

6、</p><p>　　(3) 通過數(shù)值模擬分析圓角半徑對等效應變及載荷等場量的影 響；</p><p>　　(4) 通過數(shù)值模擬分析摩擦對等效應變及載荷等各場量的影響；</p><p>　　(5) 通過數(shù)值模擬分析轉角對等效應變及載荷等各場量的影響；</p><p>　　(6) 通過數(shù)值模擬分析多道次扭擠對等效應變及載荷等各場量 的影響；&l

7、t;/p><p>　　(7) 通過數(shù)值模擬分析連續(xù)扭擠時等效應變及載荷等各場量的 變化；</p><p>　　(8) 對扭擠模具進行簡易設計，畫出其設計簡圖。</p><p>　　二、完成后應交的作業(yè)</p><p>　　1. 畢業(yè)設計論文一份（不少于 1.5 萬字）；</p><p>　　2. 外文譯文一篇（不少于 50

8、00 英文單詞）；</p><p><b>　　三、完成日期及進度</b></p><p>　　自 2010 年 3 月 15 日起值至 2010 年 6 月 13 日止 進度安排：</p><p>　　2010.3.15～3.26文獻檢索、閱讀及翻譯；</p><p>　　2010.3.29～6.4軟件學習，模擬方

9、案確定及數(shù)值模擬；</p><p>　　2010.6.7～6.11撰寫論文及評閱；</p><p>　　2010.6.12～6.13答辯。</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　扭擠是大塑性變形工藝的一種 ，采用有限元法對純鋁在室溫下的扭擠變形 進行了模擬 。結果表明 ，扭擠過程中 ，變形主

10、要發(fā)生在棱角處 ，邊緣處應變遠 遠大于中心部位 。中心部分的應變值隨著摩擦增大略微增大 ；邊緣處的應變值 隨摩擦系數(shù)的增大增加顯著 。隨著螺距的增加 ，橫截面上的等效應變和最大載 荷都明顯減小 。轉角越大 ，等效應變和扭擠載荷都顯著增大 。圓角半徑由 1mm 增大至 2mm 時試樣橫截面上的等效應變減小，等效應變分布更均勻，最大載 荷也更小一點 ，說明圓角相對于尖角更加優(yōu)越 。扭擠過程中試樣溫升隨擠壓速 度的增大而增加 。數(shù)值模擬結果對

11、于扭擠工藝的制訂和模具設計具有一定的指 導意義。 </p><p>　　關鍵詞：扭擠；劇烈塑性變形；數(shù)值模擬；模具設計 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Twist extrusion is one of the large plastic deformation processes. Twist ex

12、trusion deformation of Al 1100 were simulated by finite element method (FEM) at room temperature. The results show that the deformation occurred mainly at the four corners during twist extrusion, and the effective strain

13、 is larger at the corners than the center. The effective strain in the center increases slightly with the increase of friction coefficient, but it increases obviously at the corners. The effective strain </p><

14、;p>　　Keywords:Twistextrusion;Severeplasticdeformation;Numerical simulation; die design</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 緒 論 ................................................

15、............................................... 1</p><p>　　1.1 概述 .......................................................................................................... 1</p><p>　　1.2 主要的S

16、PD方法1</p><p>　　1.2.1 等徑角擠壓 ........................................................................................ 1</p><p>　　1.2.2 往復擠壓 .....................................................

17、....................................... 2</p><p>　　1.2.3 連續(xù)約束板帶剪切 ............................................................................. 3</p><p>　　1.2.4 等徑角軋制 .........................

18、............................................................... 3</p><p>　　1.2.5 累積疊軋 ............................................................................................ 4</p><p>　　1.2

19、.6 高壓扭轉 ............................................................................................ 5</p><p>　　1.3 扭擠工藝 ....................................................................................

20、.............. 6</p><p>　　1.3.1 扭擠工藝技術原理 ............................................................................. 6</p><p>　　1.3.2 扭擠工藝變形特點 ...............................................

21、.............................. 6</p><p>　　1.3.3 扭擠工藝目前存在的問題及前景展望 ............................................... 8</p><p>　　1.4 有限元模擬的發(fā)展狀況 .....................................................

22、...................... 8</p><p>　　1.5 本文主要研究內(nèi)容 ................................................................................... 9</p><p>　　第二章 扭擠變形的數(shù)值模擬 .....................................

23、.......................... 10</p><p>　　2.1 有限元模擬軟件DEFORM簡介10</p><p>　　2.2 扭擠變形數(shù)值模擬的方案和步驟 .......................................................... 10</p><p>　　第三章 模擬結果與分析 ......

24、.................................................................. 13</p><p>　　3.1 變形過程與變形特征 ............................................................................. 13</p><p>　　3.1.1 變形過

25、程 .......................................................................................... 13</p><p>　　3.1.2 應變分布 ..........................................................................................

26、 14</p><p>　　3.1.3 載荷分布 .......................................................................................... 15</p><p>　　3.2 摩擦的影響 .......................................................

27、..................................... 15</p><p>　　3.3 螺距的影響 ............................................................................................ 17</p><p>　　3.4 螺旋轉角的影響 ...............

28、...................................................................... 19</p><p>　　3.5 多道次扭擠 ............................................................................................ 19</p><p&

29、gt;　　3.6 連續(xù)扭擠 ................................................................................................ 21</p><p>　　3.7 圓角的影響 ........................................................................

30、.................... 22</p><p>　　3.8 扭擠變形過程中試樣溫升 ...................................................................... 24</p><p>　　3.9 模具設計 ...................................................

31、............................................. 25</p><p>　　結 論 ............................................................................................................. 28</p><p>　　致 謝 ......

32、....................................................................................................... 29</p><p>　　參 考 文 獻 ...................................................................................

33、............ 30</p><p><b>　　第一章緒 論</b></p><p><b>　　概述</b></p><p>　　晶粒細化及織構控制是改善 、提高金屬材料性能的有效途徑之一 。采用傳 統(tǒng)的鍛造 、擠壓 、軋制以及隨后的再結晶退火處理工藝 ，盡管其晶粒尺寸最小 可達l0um并形成變形織構或再結

34、晶織構，但仍難以滿足對高性能材料的要求。 采用劇烈塑性變形[1](Severe Plastic Deformation, SPD)技術制備的材料通常具 有超細晶(Ultra-Fine Grains, UFG)組織 ，可獲得晶粒尺寸小于1um的UFG材料并 形成一些特殊的織構 ，因此具有優(yōu)異的力學性能和使用性能 ，這主要是由SPD 技術的變形特征所決定的[2]。在SPD工藝中 ，作用于材料上的真應變可超過4.0， 所以這些經(jīng)過大塑性

35、變形后的材料可具有 UFG組織。 </p><p>　　現(xiàn)介紹幾種SPD工藝，目前，已經(jīng)開發(fā)的SPD工藝技術主要有如下：等徑 角擠壓(Equal Channel Angular Extrusion or Pressing, ECAE or ECAP)工藝、往 復擠壓 (Reciprocating Extrusion, RE) 工藝、連續(xù)約束板帶剪切 (Continuous Confined Strip Shear

36、ing, C2S2)工藝 、等徑角軋制(Equal Channel Angular Rolling, ECAR)工藝 、累積疊軋(Accumulative Roll Bonding, ARB)工藝 、高壓扭轉(High Pressure Torsion, HPT)工藝 、多向鍛造(Multiple Forging, MF)工藝 、循 環(huán)擠壓壓 縮(Cyclic Extrusion Compression, CEC)工藝等。 </p

37、><p><b>　　主要的SPD方法</b></p><p><b>　　等徑角擠壓</b></p><p>　　等徑角擠壓 [3] 作為一種通過大塑性變形獲得大尺寸 UFG塊體材料的有效 方法之一，是20世紀80年代初由前蘇聯(lián)科學家Segal等[4-5]在研究鋼的微觀組織 和變形織構時提出的。ECAP工藝是通過2個軸線相交

38、且截面尺寸相等的通道， 將被加工材料擠出，其基本原理如圖 1-1所示。在加工過程中，因通道轉角的 作用 ，材 料發(fā)生剪切變形從而產(chǎn)生大的剪切應變 ，由此導致位錯[4]的重排而使 晶粒得到細化并形成新的剪切變形織構。 </p><p><b>　　往復擠壓</b></p><p>　　圖 1-1 等 徑角 擠壓示 意圖 </p><p>　　往

39、復擠壓通常是將坯料放入擠壓筒內(nèi) ，通過兩個沖頭的往復作用 ，使坯料 反復擠壓和鐓粗變形，從而得到 超細、等軸的超細晶組織 [6] ，如圖 1-2所示。 往復擠壓具有 ：①反復變形后材料的形狀尺寸不變 、變形量不受尺寸限制 、可 以獲得大應變 ；②能夠制備大體積均勻細晶材料 ；③材料在變形過程中基本處 于壓應力狀態(tài) ，有利于消除原始組織的各種缺陷 ，應用于鎂合金等難變形材料 具有優(yōu)勢；④能夠連續(xù)變形、操作簡單、生產(chǎn)率高、易于工業(yè)應用。 &

40、lt;/p><p>　　往復擠壓可有效細化純鋁的晶粒 ，但材料的硬度提高不大 。這和 Hall-Petch 關系不符 。這是由于往復擠壓過程中高的擠壓溫度和大量積累的應變以及純鋁 的高層位錯 ，使得在擠壓過程中 ，純鋁晶粒發(fā)生了動態(tài)回復 。晶粒和晶界處的 位錯密度很低。 </p><p>　　RE純鋁與 ECAP純鋁相比，延伸率大大提高。 ECAP純鋁在擠壓兩道次以 后，由于加工硬化和位錯密度

41、的大量 增加，延伸率急劇下降。但是， RE純鋁 在一道次擠壓后延伸率為45.16％非但沒有下降 ，相比鑄態(tài)(約為40％)還有所增 加。這也和 RE擠壓過程中動態(tài)回復的軟化作用 有關。純鋁是面心立方結構， 有 12個滑移系，因此晶粒細化對塑性的影響不大。對于 RE純鋁，極低的位錯 密度導致了加工硬化速率的降低 ，達到極限抗拉強度的時間更長 ，在斷裂之前 塑性變形可以充分進行并產(chǎn)生縮頸 ，因而得到了更大的延伸率 。另外 ，在一道 次 RE純

42、鋁的拉伸試樣上出現(xiàn)了明顯的變形條紋 ，這說明整個拉伸區(qū)都發(fā)生了 變形 ，這 有利于吸收更多的能量 ，減少縮頸區(qū)域的應力集中 ，進一步延緩塑性 斷裂的發(fā)生，提高純鋁的延伸率。 </p><p>　　圖 1-2 往復 擠壓 示 意圖 </p><p>　　1.2.3 連續(xù)約束板帶剪切</p><p>　　與連續(xù)剪 切（Conshearing）工 藝類似 ，Lee等[

43、7]提出另一種連續(xù)ECAP工藝 即 C2S2工藝。 C2S2工藝也能夠?qū)崿F(xiàn)帶材的連續(xù)簡單剪切 變形，其基本裝置 如 圖 1-3所示。在該工藝中，采用普通的雙 輥軋機作為送料裝置，但為了將材料 順利送入 ECAP模具，需在下輥表面加工出凹槽以增大其表面粗糙度。因此， 與普通軋制板 、帶材相比 ，該工藝所制備的樣品表面質(zhì)量非常差 。與Conshearing 工藝類似，其通道夾角也較大，一般在100°～140°之間。采用該

44、工藝對鋁及其 合金 、鋼 等的研究表明 ，可獲得與ECAP材料類似的 UFG組織和剪切變形織構。 </p><p><b>　　等徑角軋制</b></p><p>　　圖 1-3 連 續(xù)約 束板帶 剪切 示意圖 </p><p>　　上述第 3種工藝雖然可實現(xiàn)板、帶材的連 續(xù)剪切變形，產(chǎn)生大的塑性變形 從而獲得 UFG組織并形成剪切變形織構

45、，進而大大改善和提高材料的性能 。但 同時可看到 ，對 于Conshearing工藝 ，需 要用帶有行星輥的特殊軋機來實現(xiàn) ，而 C2S2工藝由于在軋輥表面有凹形槽，嚴 重影響了帶材的表面質(zhì)量。此外，對 于 C2S2工藝還需借助送料輥與帶材之間 的摩擦力來提供變形力，增大了模具 損耗 ，增 加了模具加工精度要求 。結合這些工藝的優(yōu)缺點 ，程永奇在對鎂合金 板材的研究中提出了一種連續(xù)ECAP工藝即ECAR工藝 ，并針對鎂合金的變形特 點設

46、計了在普通雙輥熱軋機上進行實驗的ECAR裝置 ，如 圖1-4所示 。該工藝采 </p><p>　　用普通雙輥熱軋機，將ECAR模具安裝于軋機出口處，ECAR模具與 ECAP模具 類似，主要結構參數(shù)包括進口和出口通道高度 H、兩通道夾角 θ 、通道內(nèi)側圓 弧半徑 r、通道外側圓弧角 ψ 和半徑 R。在 ECAR過程中，板材首先通過兩軋輥 </p><p>　　產(chǎn)生一定的軋制壓下變形 ，然后

47、利用板材與軋輥之間的摩擦力將板材送入模具 進口通道 ，并使之通過模具轉角 ，發(fā)生剪切變形 。該工藝的關鍵在于防止板材 發(fā)生剪切變形時失穩(wěn)起皺 ，而模具結構 、通道與板材間的摩擦力以及板材與通 道之間的間隙均對板材的皺褶有很大影響。 </p><p><b>　　累積疊軋</b></p><p>　　圖 1-4 等 徑角 軋制示 意圖 </p><

48、p>　　ARB工藝的主要原理如圖 1-5所示，其具體過程如下：首先在對板材進行 普通的軋制變形后 ，將板材均分為兩份并疊加 ，然后再軋制至原來的厚度 ，如 此反復進行 ，從而可實現(xiàn)很大的變形而厚度不發(fā)生變化 。因此 ARB工藝不僅是 一個軋制變形過程，還包含一個焊合的過程(疊軋焊合)。所以為了取得好的焊 合效果，獲得良好的結合界面，在每道次疊軋前，必須對材料進行表面處理， 采用鋼絲刷等去除材料表面的油污、雜質(zhì)、氧化物等。 <

49、/p><p>　　研究表明 ，在ARB工藝中材料并不存在難以焊合的問題 ，對于低碳鋼甚至 在室溫下也可產(chǎn)生良好的焊合 。但是 ，為了能取得好的焊合效果 ，表面處理是 必不可少的 。此外 ，在每道次疊軋過程中還存在一個臨界壓下量 ，當壓下量低 于該值時難以充分焊合 。雖然臨界壓下量取決于材料 、變形溫度等 ，但一般每 道次的壓下量必須超過 35%，所以與普通軋制相比該工 藝的軋制力比較大。 ARB工藝除了要求軋機具有較

50、大的功率以實現(xiàn)每道次大壓下量的疊軋焊合外， </p><p>　　對設備并無其它特殊要求。在 ARB工藝中，一個嚴重的問題就是開裂。因為 ARB工藝的累積總應變很大且其應力狀態(tài)又較差 ，所以板材常常會發(fā)生邊裂現(xiàn) 象，特別是在軋制道次較多時。在某些材料如 Al-Mg合金中，其 邊部裂紋往往 會擴展至板材中心，在這種情況下就不可能繼續(xù)進行ARB加工。但研究表明， 對于大多數(shù)金屬材料而言 ，通過一些技術改進則可避免裂紋

51、的產(chǎn)生 ，從而可制 得成形良好的大尺寸板材。目前，ARB工藝已成功用于鋁合金、銅合金、鎳、 鋼等材料的制備。 </p><p><b>　　高壓扭轉</b></p><p>　　圖 1-5 累積 疊軋 示 意圖 </p><p>　　HPT工藝 [8] 是通過壓桿向置于固定不動的模 具中的盤狀材料施加很高的 壓力同時壓桿作旋轉運動 ，從而實現(xiàn)

52、扭轉剪切變形的一種工藝 ，其基本原理如 圖 1-6所示。在 HPT工藝中，盤狀試樣可在高達幾 個吉帕的壓力下發(fā)生扭轉變 形 。在變形過程中 ，試樣的尺寸不發(fā)生改變 ，所以在試樣的外側可引入很大的 剪切應變 。由于模具的作用 ，材料在許用壓力和試樣外層壓力的作用下 ，在類 似于靜壓力的條件下發(fā)生剪切變形 ，因 此盡管其應變量較大 ，試樣仍不易發(fā)生 破裂。 </p><p>　　從圖 1-6不難看出，材料的剪切應變是

53、由壓 桿的旋轉所引入的，因此剪切 應變量的大小隨材料所處位置的半徑不同而不同，應變速率也是如此，所以 HPT工藝制備材料存在從中心向外側組織不均勻的現(xiàn)象 。但由于HPT工藝通常 只用于小薄片盤狀試樣的加工 ，對這種 組織的不均勻性可忽略 ，因此該工藝也 不具備實際的應用價值 ，但或許具有一定的科學研究價值 。目 前HPT工藝已成 </p><p>　　功用于鋁合金、銅、鋼等塊體UFG材料的制備。 </p&g

54、t;<p><b>　　1.3 扭擠工藝</b></p><p>　　圖 1-6 高壓 扭轉 示 意圖 </p><p>　　扭擠工藝 [9-13] 最初在 1999年由烏克蘭科學家 Y. Beygelzimer教授及其研究 團隊提出并于2004年應用于細化材料晶粒 。該工藝獨特的結構設計可用來制備 在某一維方向上具有很大尺寸的零件 (包括任意非圓形

55、截面形狀零件及帶有 內(nèi) 孔的近圓柱體零件等 )，同時可獲得精度較高的輪 廓外形，是機械加工半成品 零件的一種有效方法 。迄今為止 ，這 也是僅用其他任何一種大塑性變形工藝都 還不能滿足此項要求、生產(chǎn)具有特殊輪廓外形零件的一種獨特工藝方法[14-18]。</p><p>　　1.3.1 扭擠工藝技術原理</p><p>　　扭擠變形時 ，具有非圓形橫截面的試樣，經(jīng)兩端為非圓形通道 、中間為

56、螺 旋通道的模具后 ，被最終擠出 。隨著變形過程的進行 ，試樣將產(chǎn)生劇烈的塑性 變形 ，其 橫截面先沿某一方向扭轉一定的角度 ，然后再沿反方向扭轉相同的角 度，一道次應變幅值大小約為該道次所獲總應變量的 1/2。這點與圓盤狀試樣 的高壓扭轉變形類似 ，即若將試樣沿垂直于其橫截面的方向均勻分割成若干個 薄片狀小試樣 ，則該變形工藝可視為若干個循環(huán)高壓扭轉變形的集合 。與ECAP 相同的是 ，由于一道次變形后 ，試樣橫截面的形狀和尺寸均未發(fā)

57、生變化 ，因此 可利用多道次重復變形，以積累更大的塑性應變來改善材料的微觀組織結構， 進而提高其力學性能。 </p><p>　　1.3.2 扭擠工藝變形特點</p><p>　　如上所述，扭擠工藝在某些方面可視 為三維方向上的高壓扭轉 (HPT)，而 </p><p>　　從其工藝基本原理上看，每一道次的扭擠變形又都與等徑角擠壓(ECAP)類似。 相對于其他大塑

58、性變形法而言，扭擠工藝具有一系列不可比擬的顯著優(yōu)點。 </p><p>　　從材料所處的應力-應變狀態(tài)來看，扭擠工藝具有如下特點： </p><p>　　1) 扭擠變形時，試樣有兩個簡單剪切平面，分別垂直和平行于其軸線 方 向 ，不同于ECAP變形(只含有一個剪切平面 ，且與軸向約呈45°～60°角)。因此， 該變形工藝可使材料獲得特殊結構的顯微組織 ，若將ECAP和T

59、E兩種工藝結合 起來，還可以得到多種不同的變形工藝路徑。 </p><p>　　2) 扭擠變形時，試樣橫截面應變梯度很大，這點與高壓扭轉(HPT)極為相 似 。雖然目前關于應變梯度對材料微觀組織和力學性能影響的研究尚少 ，但現(xiàn) 有的研究結果已充分表明，大的應變梯度有利于細化材料晶粒并提高其韌性。 對Al合金的實驗研究結果發(fā)現(xiàn) ，扭擠后試樣橫截面上的晶粒尺寸和微觀硬度分 布非常均勻。 </p><

60、;p>　　3)與 ECAP不同的是，扭擠變形時，位于試 樣橫截面上的變形金屬將發(fā)生 劇烈的塑性流動 ，由此所獲得的均勻組織結構和優(yōu)良力學性能對于粉末材料的 變形尤為有利，可以顯著提高粉末材料的固結致密效果。 </p><p>　　4)扭擠變形中 ，試樣表面呈明顯的非單調(diào)變化 ，即當試樣被擠入螺旋通道 時，表面尺寸約增大70%～80%，當其從螺旋通道被擠出時，表面又將恢復原 狀 。變形體表面一系列的變化將對其

61、微觀組織結構產(chǎn)生重大影響 ，可利用該方 法，將不同的金屬元素滲入到材料表層。 </p><p>　　從工藝技術應用的角度來看，扭擠工藝具有以下特點： </p><p>　　1)一些帶有內(nèi)孔等特殊輪廓外形的零件，可通過扭擠工藝實現(xiàn)大塑性變 </p><p><b>　　形。</b></p><p>　　2)扭擠變形后 ，變

62、形體嚴重扭曲變形部分(頭尾兩端部)相對于ECAP變形要 </p><p>　　小很多，這對于多道次重復變形十分有利。 </p><p>　　3)扭擠工藝可在現(xiàn)有標準的擠壓設備上實現(xiàn) ，此時只需將橫截面尺寸逐漸 減小的普通擠壓模，更換為帶有螺旋通道的擠壓模即可。 </p><p>　　4)與 ECAP不同的是，扭擠變形過程并不改 變試樣的運動方向，因此易于 將其應用到

63、現(xiàn)有的生產(chǎn)線的操作。 </p><p>　　1.3.3 扭擠工藝目前存在的問題及前景展望</p><p>　　利用扭擠工藝制備塊體超細晶材料雖然已被證明是一種行之有效的方法， 但相對于其他大塑性變形法而言 ，目前扭擠工藝各方面的研究還很不成熟 ，主 要存在如下幾個方面的問題： </p><p>　　1) 扭擠模具結構較為復雜，螺旋通道部位 加工難度大，實驗中模具

64、磨損 比較嚴重，壽命較低。 </p><p>　　2) 扭擠過程本身是不連續(xù)的 ，每道次之間需要人工操作 ，生產(chǎn)效率較低， 有必要研究開發(fā)設計多通道扭擠模具，以實現(xiàn)一次扭擠產(chǎn)生連續(xù)剪切變形。 </p><p>　　3) 扭擠變形后材料容易產(chǎn)生強烈的各向異 性，通常需要由后續(xù)工藝或多 道次重復變形加以消除。 </p><p>　　4) 目前的研究主要集中在扭擠工

65、藝、材料 顯微組織、力學性能及其演化 等方面 ，對其變形機制 、晶粒細化機理 、工藝影響因素等方面的研究尚不全面。 </p><p>　　上述問題在一定程度上限制了扭擠工藝的廣泛應用 ，但隨著未來研究工作 的進一步深入 ，相信這些問題將會逐漸得到解決 ，扭擠的應用范圍和工業(yè)化應 用前景會更加廣闊。 </p><p>　　1.4 有限元模擬的發(fā)展狀況</p><p>

66、;　　隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的迅速發(fā)展 ，作為一個毛坯生產(chǎn)企業(yè)在新的歷史條件下面臨 著更多的壓力 ，一方面要接受零部件廠商的降價要求 ，另一方面還要承受原材 料的漲價 ；作為一心追求企業(yè)利潤最大化的企業(yè)主們 ，一直為怎么最大程度減 少研發(fā)、生產(chǎn)的成本困擾著。3D模擬技術就是在這一背景下產(chǎn)生的，它為技 術降成本創(chuàng)造了條件。 </p><p>　　金屬成形三維有限元模擬系統(tǒng)[19-20]包括前處理 、有限元分析及求解和后處 理

67、三個模塊 。前處理模塊主要包括材料模型的選擇 、單元類型的選擇 、模具幾 何模型的建立及試樣的有限元網(wǎng)格劃分和重劃分等；有限元分析及求解模塊， 包括定義分析類型、約束條件 、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項、計算應力 、應變、撓 曲等 ；后 處理模塊主要是將計算的結果進行圖形顯示 、曲線表格輸出等 。其中 的關鍵技術是幾何模型的建立 、單元類型的選擇、網(wǎng)格的劃分與重劃分 、接觸 和摩擦問題等。 </p><p>　　壓縮 3

68、D模擬技術是指利用計算機對壓縮成形 過程進行仿真計算，可以全 面了解壓縮過程的金屬流動情況 ，金屬在模具中的充滿情況并預測壓縮過程中 的損傷分布和可能產(chǎn)生的缺陷的形式及位置 ，給設計者提供工藝分析和模具設 計的科學依據(jù)，從而可以提高模具設計的質(zhì)量和縮短模具設計周期。 </p><p>　　1.5 本文主要研究內(nèi)容</p><p>　　近10多年來 ，國內(nèi)外興起一研究熱點 ，即采用劇烈塑性

69、變形來獲得亞微米、 納米級晶粒 ，在保持較好的塑韌性下 ，顯著地提高材料的強度[21-26]。但 關于 扭 擠的研究還非常不充分 ，尤其各工藝參數(shù)對扭擠變形情況的影響 ，而工藝參數(shù) 的影響對于我們深刻認識扭擠變形規(guī)律 ，認識 其對組織 、性能的影響以及扭擠 工藝的制訂有重要影響，對于推動該工藝的工業(yè)化應用有重要意義。 </p><p>　　鑒于數(shù)值模擬在模擬金屬塑性成形過程中的優(yōu)勢 ，以及有限元分析在其他 劇烈塑

70、性變形方法模擬時的可靠性[27-31]，本文擬通過使用 DEFORM-3D有限元 </p><p>　　模擬軟件對扭擠變形過程進行模擬 ，雖然針對扭擠變形過程進行了部分模擬[10,</p><p>　　12]，但仍然不夠系統(tǒng)，因此本文主要分析摩擦、螺距、螺旋轉角、圓角大小等 對扭擠變形應變大小 、分布以及載荷等的影響 ，并分析連續(xù)扭擠 ，多道次扭擠 和扭擠過程中試樣溫升的影響，并將模擬結果

71、進行對照。 </p><p>　　第二章扭擠變形的數(shù)值模擬</p><p>　　2.1 有限元模擬軟件DEFORM簡介</p><p>　　DEFORM (Design Environment for Forming)通用有限元分析軟件是目前世界上公 認應用最廣、功能最強的金屬塑性成形工藝模擬軟件。到現(xiàn)在為止，DEFORM 軟件 根據(jù)其應用領域的不同可分為以下幾

72、種：DEFORM-2D（二維）、DEFORM-3D（三 維）、DEFORM-PC（微機版）、DEFORM-PC Pro（Pro 版）和 DEFORM-HT（熱處 理）。</p><p>　　DEFORM 的功能可分為成形分析和熱處理。成形分析主要包括冷、溫、熱鍛的 成形和熱傳導耦合分析；剛性、彈性和熱粘塑性材料模型，特別適用于大變形成形分 析。彈塑性材料模型適用于分析殘余應力和回彈問題；完整的成形設備模型可以分析

73、 液壓成形、錘上成形、螺旋壓力成形和機械壓力成形；以及多變形體模型允許分析多 個成形試樣或耦合分析模具應力，并提供豐富的材料數(shù)據(jù)庫，包括各種鋼、鋁合金、 鈦合金和超合金；提供材料流動、模具充填、成形載荷、模具應力、纖維流向、缺陷 形成和韌性破裂等信息等。對于熱處理方面，DEFORM 可模擬正火、退火、淬火、 回火、滲碳等工藝過程；預測硬度、晶粒組織成分、扭曲和含碳量；專門的材料模型 用于蠕變、相變、硬度和擴散；也可以輸入頂端淬火數(shù)據(jù)來預

74、測最終產(chǎn)品的硬度分布； 以及可以分析各種材料晶相，每種晶相都有自己的彈性、塑性、熱和硬度屬性等。</p><p>　　近年來 DEFORM-3D 已廣泛應用于金屬鍛造、拉拔、擠壓、軋制等塑性加工工 藝的數(shù)值模擬之中。金屬塑性成形的理論基礎是彈塑性力學，而近十年來塑性成形技 術最大的發(fā)展就是數(shù)值模擬技術的應用，尤其是有限元技術在塑性成形中的成功應 用。隨著計算機技術，有限元法等各種先進技術的不斷進展，數(shù)值模擬方法必

75、將在體 積成形的理論研究和工程應用中發(fā)揮重大的作用。DEFORM-3D 有限元分析軟件適用 于各種常見的 UNIX 工作站平臺（HP，SGI，SUN，DEC，IBM）和 Windows-NT 微 機平臺。可以分析復雜的三維材料流動模型。用它來分析那些不能簡化為二維模型的 問題尤為理想[32]。</p><p>　　2.2 扭擠變形數(shù)值模擬的方案和步驟</p><p>　　在本次模擬前，首

76、先要在Pro/e軟件中進行實體造型，建立模具和坯料的實體信息，</p><p>　　并將其保存副本，格式為.STL，坯料尺寸為為10×10×50 mm3。 為了考慮不同摩擦系數(shù)的影響，對10×10×50 mm3的試樣進行了6組模擬，摩擦系</p><p>　　數(shù)f分別為0，0.15，0.2，0.3，0.4，0.5，螺距為10mm，螺旋轉角為90

77、76;，下壓速度為</p><p><b>　　1mm/s。</b></p><p>　　為了考慮不同螺距的影響，對10×10×50 mm3的試樣進行了3組模擬，螺距l(xiāng)分別為 10mm，20mm，30mm，摩擦系數(shù)為0.2，螺旋轉角為90°，下壓速度為1mm/s。</p><p>　　為了考慮不同螺旋轉角的影響，對

78、10×10×50 mm3的試樣進行了2組模擬，螺旋轉 角a分別為90°和180°，螺距為20mm，摩擦系數(shù)為0.2，下壓速度為1mm/s。</p><p>　　為了考慮不同模具通道圓角的影響，對10×10×50 mm3的試樣進行了3組模擬，圓 角半徑r分別為1mm，2mm和3mm，螺距為10mm，摩擦系數(shù)為0.2，螺旋轉角為90°， 下壓速度為

79、1mm/s。</p><p>　　此外，還進行了多道次、連續(xù)扭擠及扭擠試樣溫升的模擬。 在模擬過程中模具視為剛體，坯料視為變形體，扭擠是在室溫下進行，除扭擠坯</p><p>　　料溫升的模擬外，不考慮模具與坯料及坯料和環(huán)境的傳熱問題，即等溫條件下進行。 扭擠變形模擬模型如圖2-1所示。</p><p>　　模擬的主要步驟如下：</p><p&g

80、t;　　圖2-1 扭擠的有限元模型</p><p>　　1．在 DEFORM-3D 中導入建立的模擬模型包括試樣、上模和下模，并按照國際 單位轉化模型尺寸。</p><p>　　2．在 DEFORM-3D 前處理中，需要對試樣和上下模之間的關系進行定位，將網(wǎng) 格劃分設為 15000，再對各模型進行參數(shù)設置，包括坯料材料設為純鋁 1100，上模運 動速度設為 1mm/s，在本次模擬中步距取

81、 0.1mm，并設置好相應的摩擦系數(shù)，然后進 行模擬。</p><p>　　3．完成Running后，可在后處理界面查看模擬結果。如是多道次扭擠，完成第一 次扭擠后，在進行第二道次扭擠時，需要重新進入前處理界面，進入選擇最后一次的 步數(shù)，然后對上模的位置進行調(diào)整，與試樣下截面接觸。再調(diào)整試樣與上下模之間的 接觸容差，測定上模的向上壓量（每次擠壓量為50mm）。保存KEY文件，退出前處理 界面，即可運行第二道次的扭

82、擠過程。如此進行多道次扭擠過程的模擬。</p><p>　　4．模擬結束后，進行后處理。后處理是將模擬結果可視化，并輸出用戶所需的 模擬數(shù)據(jù)。進入 DEFORM-3D 的后處理界面，提取相關的數(shù)據(jù)和分布圖，最后在 Origin 繪圖軟件中分析前面提取的等效應變、載荷數(shù)據(jù)，制作相關圖表。</p><p>　　5．分類比較模擬結果，參照圖表，分析不同摩擦條件，不同螺距、螺旋轉角等 對扭擠后等效

83、應變、載荷的影響，試樣內(nèi)部累積應變及材料流動情況，并總結其規(guī)律。</p><p>　　第三章模擬結果與分析</p><p>　　3.1 變形過程與變形特征</p><p><b>　　變形過程</b></p><p>　　扭擠變形的一般過程如圖3-1所示，試樣尺寸10×10×50 mm3，摩擦系數(shù)

84、為0.2，螺 距為10mm，螺旋轉角為90°。從圖中可以看出，開始進入扭擠通道時，試樣四周首先 發(fā)生變形且在不斷旋轉前進，中心部分變形相對較小，隨著四周材料一起沿著擠壓軸 線流動。通過螺旋通道后，試樣在垂直通道內(nèi)朝著反方向旋轉，基本恢復到擠壓前的 形狀尺寸，試樣頭部基本保持平面。在扭擠時，模具的扭轉部分是變形區(qū)，處于上下</p><p><b>　　(b)</b></p>

85、;<p><b>　　(c)(d)</b></p><p>　　圖3-1 扭擠變形的一般過程</p><p>　　水平通道中的材料在進入變形區(qū)前和出了變形區(qū)后基本只做剛性平移，從圖3-1(d)可 以看出，試樣經(jīng)一次扭擠后等效應變沿擠壓軸向的分布是基本一致的，但在垂直扭擠 方向截面上的分布差異較大，四個棱角上的等效應變較大，變形較劇烈。這與通常所 見的

86、圓軸扭轉是類似的，因為扭轉的變形程度與距扭轉中心的距離是有關系的。距離 扭轉中心越遠，變形程度越大。從圖3-1還可以看出另外一個重要的特征，即扭擠前 后試樣的形狀幾乎不發(fā)生變化，這對于通過劇烈塑性變形方法制備塊體超細晶材料是 非常重要的。這樣，從理論上講就可以進行無數(shù)次的變形，而試樣的尺寸形狀變化不 大，從而極大的細化材料組織。眾所周知，在所有制備塊體超細晶材料的方法中，高 壓扭轉是細化材料組織最好的方法之一，制備的材料組織往往具有大角

87、度晶界，晶粒 細小，但最主要的缺陷是它制備的試樣的尺寸很小，而且不連續(xù)，限制了其進一步的 應用，而扭擠變形的性質(zhì)同樣為扭轉變形，與高壓扭轉類似，但扭擠可以制備較大尺 寸的塊體材料，具有良好的應用前景。</p><p><b>　　應變分布</b></p><p>　　為了更好地分析試樣在扭擠后應變的大小與分布，截取了扭擠后試樣縱、橫截面 等效應變分布圖，如圖3-2所示

88、。可以看出，扭擠后試樣縱橫截面上等效應變分布不 均勻，中心處應變較小，邊緣處較大，隨著離中心點距離的增加而急劇增大。試樣經(jīng) 過扭擠變形時，在垂直于擠壓軸線的截面上，金屬產(chǎn)生了渦流，且距軸線越遠，應變</p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖3-2 試樣扭擠后的等效應變分布 (a)縱截面；(b)橫截面</p><p>　

89、　越大，應變的梯度也較高(圖3-2(b))。</p><p><b>　　載荷變化</b></p><p>　　圖3-3所示為扭擠過程中載荷隨行程的變化曲線。從圖中可以看出，隨著沖頭的 下行，試樣開始經(jīng)歷了進入螺旋通道、擠出螺旋通道、剛性平移幾個階段。扭擠開始 時，試樣開始進入螺旋通道入口，由于模具形狀制約，在橫截面上發(fā)生劇烈的扭轉變 形，載荷快速增大。試樣頭部進入螺

90、旋通道，扭擠載荷繼續(xù)增大，但增幅減??；直至 頭部被擠出螺旋通道，試樣被迫進入出口通道，由于發(fā)生反向扭轉，變形劇烈程度再 次增加，載荷明顯增大。隨著試樣頭部在出口通道的剛性平移及未變形部分的減少， 載荷發(fā)生了一定程度的下降。扭擠過程中，對于10×10×50 mm3鋁1100試樣來說，最 大載荷小于20000N，作用在凸模上的壓強約為200MPa，擠壓這樣的試樣對于設備選 擇和模具材料選用都沒有難度。</p>

91、<p><b>　　25000</b></p><p><b>　　20000</b></p><p><b>　　15000</b></p><p><b>　　10000</b></p><p><b>　　5000</b

92、></p><p><b>　　0</b></p><p>　　0102030405060</p><p><b>　　行程S/mm</b></p><p>　　圖3-3 扭擠時的載荷-行程曲線</p><p>　　3.2 摩擦的影響</p>

93、<p>　　分析不同摩擦條件對擠壓過程的影響，對掌握變形分布規(guī)律，提高模具壽命等都 具有重要的指導意義。為了研究摩擦對試樣變形的影響，進行了 6 組不同摩擦條件的 模擬，摩擦系數(shù) f 分別取 0、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5。圖 3-4 所示為不同摩擦系數(shù)時 的等效應變分布圖。從圖中可以看出，試樣中的最大等效應變隨摩擦系數(shù)的增大總體 呈增大的趨勢，而試樣中的最小等效應變隨摩擦系數(shù)的變化較小，中心部分的應變值 隨

94、著摩擦增大略微增大；邊緣處的應變值隨摩擦系數(shù)的增加明顯增大。即摩擦的增大 對中心部位應變累積作用不明顯，而對邊緣處的影響顯著，且隨著摩擦的增大，試樣</p><p>　　橫截面上的應變分布不均勻性加劇。</p><p><b>　　(b)</b></p><p><b>　　(c)(d)</b></p>&

95、lt;p><b>　　(f)</b></p><p>　　圖3-4 不同摩擦系數(shù)扭擠后的等效應變分布 (a) f=0；(b) f=0.15；(c) f=0.2；(d) f= 0.3；(e) f=0.4；</p><p><b>　　(f) f=0.5</b></p><p>　　擠壓過程中所需的載荷與摩擦條件的關系如

96、圖 3-5 所示?？梢钥闯觯S著摩擦系</p><p>　　數(shù)的增加，扭擠過程中的最大載荷顯著增大；當摩擦系數(shù)由 0 增至 0.5 時，最大載荷 由 9010N 急劇增至 52570N，這對模具來說是極為不利的，載荷的增加將對模具的結 構設計和選材帶來影響，也使得模具失效的可能性增加，同時增加了能量的消耗，也 使得模具的磨損加劇。因此，從獲得均勻的內(nèi)部組織和延長模具的壽命方面來說，應 盡可能采用良好的潤滑條件。&

97、lt;/p><p><b>　　60000</b></p><p><b>　　50000</b></p><p><b>　　40000</b></p><p><b>　　30000</b></p><p><b>　　2

98、0000</b></p><p><b>　　10000</b></p><p><b>　　0</b></p><p><b>　　f=0</b></p><p>　　f=0.5 f=0.4</p><p><b>　　f=0.3

99、</b></p><p>　　f=0.2 f=0.15</p><p>　　0102030405060</p><p><b>　　行程S/mm</b></p><p>　　圖3-5 不同摩擦系數(shù)扭擠后的載荷-行程曲線</p><p>　　3.3 螺距的影響</p&

100、gt;<p>　　為了研究螺距對試樣變形的影響，做了 3 組模擬，螺距尺寸 l 分別為 10mm、20mm、 30mm。圖 3-6 所示為不同螺距扭擠后的等效應變分布圖。從圖中可以看出，隨著螺 距的增加，變形后試樣中的最大等效應變和最小等效應變均降低，最大等效應變降低 的更多，但等效應變的分布規(guī)律仍較為相似。雖然螺距的增加有利于降低變形試樣中 不同部位的變形差異，但也造成道次變形量相對較小，變形累積效率較低等缺陷，螺 距太

101、大時，由于道次變形量較小，就像等徑角擠壓時通道夾角過大時，即使累積相同 的應變也不能獲得細小、均勻具有大角度晶界的超細晶組織一樣，通過多道次扭擠能 否能獲得超細晶組織仍需試驗驗證。</p><p>　　圖3-7所示為不同螺距扭擠過程中的載荷-行程曲線?？梢钥闯?，隨著螺距的增大， 最大載荷由18763N下降到9124N，下降幅度較為明顯，這對模具設計來說是極為有利 的。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是，由于螺距的增大導致擠壓

102、時金屬流動阻力減小，道次</p><p>　　變形量減小，變形程度小，所需載荷明顯下降。因此，從獲得較為均勻的內(nèi)部組織和 延長模具的壽命方面來說，應盡可能采用適中的螺旋通道長度。</p><p><b>　　(b)</b></p><p><b>　　(c)</b></p><p>　　圖3-6

103、不同螺距扭擠后的等效應變分布(a) l=10mm；(b) l=20mm；(c) l=30mm</p><p><b>　　30000</b></p><p><b>　　25000</b></p><p><b>　　20000</b></p><p><b>　　

104、15000</b></p><p><b>　　l=10mm</b></p><p><b>　　10000</b></p><p><b>　　5000</b></p><p><b>　　0</b></p><p>

105、<b>　　l=30mm</b></p><p><b>　　l=20mm</b></p><p>　　0102030405060</p><p><b>　　行程S/mm</b></p><p>　　圖3-7 不同螺距扭擠時的載荷-行程曲線</p>

106、<p>　　3.4 螺旋轉角的影響</p><p>　　為了研究螺旋轉角對試樣變形的影響，并結合實際模具加工的情況，做了 2 組模 擬，螺旋轉角 a 分別為 90°和 180°。圖 3-8 所示為扭擠后的等效應變分布圖，圖 3-9 為扭擠后的載荷變化曲線。</p><p>　　180°相對于90°多轉了90°，也就是說試樣中心

107、部位和邊緣處累積的等效應變要比</p><p>　　90°增加。由圖3-8可以看出，螺旋轉角對扭擠等效應變有很明顯的影響，整個試樣中 的等效應變均明顯增加，邊緣處的等效應變增加的更加明顯。從理論上說，180°扭轉 相當于兩個90°扭轉的疊加，但從變形后的等效應變分布來看，包括邊緣和中心區(qū)域 的等效應變都不止是兩倍的關系，比兩倍還要大。</p><p>　　由圖

108、3-9可以看出，180°轉角相對于90°轉角，整體載荷明顯增加。這就提高了對 模具的要求，不僅180°的模具相對于90°的模具更難加工，而且就算加工出來，模具 的壽命也難以得到保證。</p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖3-8 不同螺旋轉角扭擠后的等效應變分布 (a) a= 90°；(b)

109、 a=180°</p><p>　　3.5 多道次扭擠</p><p>　　為了研究多道次扭擠對試樣變形的影響，做了一組四次扭擠的模擬。圖 3-10 所 示為不同道次扭擠后橫截面的等效應變分布。從圖中可以看出，不同道次扭擠后等效 應變的分布規(guī)律是一樣的，即中心等效應變較低，周圍等效應變較高，但多道次扭擠 后，最大等效應變和最小等效應變都增加，但最大等效應變增加更加明顯，也就是說

110、 多道次壓縮后等效應變的分布均勻性下降。即使如此，4 道次扭擠后大部分部位的等 效應變也可以達到 4 左右，說明扭擠變形累積應變的效率還是比較高的。圖 3-11 所</p><p><b>　　28000</b></p><p><b>　　24000</b></p><p><b>　　20000</b&

111、gt;</p><p><b>　　16000</b></p><p><b>　　12000</b></p><p><b>　　8000</b></p><p><b>　　4000</b></p><p><b>