等通道弯角挤压过程有限元分析与挤压模具优化设计

徐淑波，孙化鑫，任国成，景财年，李婷婷

(山东建筑大学材料科学与工程学院，山东济南 250101)

1 前言

材料的内在微观结构对外在宏观特性具有重要影响，根据Hall-Petch 公式，一般情况下材料晶粒平均几何尺寸越小其屈服强度和硬度越高[1-3]，因此，寻求可有效细化晶粒材料的工艺具有重要的应用前景。大塑性变形等通道挤压（ECAP）是制备高性能块体超细晶材料中发展最快的变形技术之一[4-7]。目前，变形材料以镁、铝、铜和锌及其合金为主,用钢铁材料进行ECAP 变形的试验较少[8-10]。这一过程是目前制备块状超细晶粒材料最有工业前景的工艺之一，其细化晶粒的机理在于使挤压件通过一个具有一定拐角的等横截面管道的模具反复挤出，从而在不改变挤压件横截面几何形状的基础上，使挤压件累积较高的应变达到晶粒细化，从而制备出无疏松孔洞的块体超细材料[11-13]。

如图1 所示，两个截面交叉角Φ 称为模具拐角，拐角圆弧的中心角ψ 称为模具圆心角，与模具圆心角半径r 一一对应，由于ECAP 过程主要是通过挤压累积等效应变有效地细化晶粒，因此，模具拐角Φ、中心角ψ 和中心角半径r 对挤压模具的晶粒细化等几何参数有重要影响。目前，对铝及铝合金、镁及镁合金、铜、钛、低碳钢等金属材料的研究主要采用ECAP 法[14]。结果表明，ECAP 处理后的晶粒较挤压前细化，强度、塑性、抗疲劳性能等综合性能得到提高。本文对等通道弯角挤压过程进行了大量的数值模拟分析，得出了上述工艺参数对挤压过程变形的影响，为优化模具形状、获得挤压件所需的变形分布提供了大量有效的结果和规律。

图1 ECAP 工艺示意图

但由于挤压过程中出现的一些热挤压现象，由于热挤压时会产生较高的温度，所以在挤压过程中也会产生较高的温度，如挤压温度过高，不利于大块超细晶材料的制备，同时在实际加工过程中模具寿命很低。因此，基于有限元分析的ECAP模具设计可以有效地提高模具的强度，使设计的模具既能满足冷挤压材料的变形抗力，又能满足ECAP 工艺的变形特性。本文通过改进具有预应力结构的模具，实现了等通道弯角冷挤压工艺。

2 ECAP 工艺有限元分析

实际工艺与模拟有所不同，为了获得能够匹配实际操作的工艺参数，通过有限元分析ECAP工艺就有很大的应用价值。

ECAP 工艺变形机理研究的最终目的是实现该工艺的工业化生产。因此研究ECAP 工艺，获得可用于指导实际工艺的变形机理具有重要的理论意义和应用价值。因此，通过有限元对ECAP 工艺进行分析十分必要。本文针对等方型通道弯角挤压过程进行模拟研究，故挤压过程为平面变形问题，采用商品化有限元软件CASFORM-2D/PC 进行模拟。试样尺寸选取为10mm×10mm×80mm，挤压材料为纯铝（99.99%），其应力-应变关系为σ¯＝Cε¯n，其中,C=170kg/mm2，n＝0.24,摩擦因子m为0.20，冲头向下的挤压速度为2mm/s。

2.1 模具拐角对挤压过程的影响

图2 为等通道弯角挤压过程的等效应力分布图，其中图2a 为模具拐角为90°的情况，图2b 为模具拐角为120°的情况。当模具拐为90°时，变形区的最大等效应力为141.67MPa，当模具拐角为120°时，变形区的最大等效应力为127.62MPa，因此，模具拐角90°时比模具拐角120°时的等效应力提高约11%。结果表明，当模具拐角为90°时，材料的变形抗力增大，挤压效果明显改善。从图2所示的轮廓线可以看出，变形主要集中在模具拐角处，变形梯度较大。因此，在模具强度能满足要求的情况下，尽可能采用角度为90°的模具，以提高累积变形的效果；对于变形抗力较大的挤压材料，模具拐角120°较为理想。

图2 等通道弯道挤压等效应力分布（r=5）

2.2 模具圆心角半径对挤压过程的影响

图3 所示为挤压件主要变形区横截面上的等效应变分布曲线。通过有限元分析，得出了模具圆心角半径对挤压件主要变形区等效应变的影响规律，得出了模具拐角90°和120°的最佳选择原则：圆角半径越小，挤压件截面间等效效应的变化差越小。但随着中心角半径的减小，一方面挤压件整体变形分布趋于均匀，得到的等效应变量逐渐增大；另一方面，空腔的膨胀力增大，会急剧增加。因此，ECAP 工艺设计应综合考虑或平衡模具圆心角半径对变形分布均匀性和模具寿命的影响。

3 ECAP 模具结构优化设计

在常温下对硬质材料进行挤压，对模具的要求很高。在对低碳钢挤出成形进行有限元分析过后，设计出符合其工艺的实验模具。

图3 等效应变分布曲线

ECAP 模具的工作环境极其恶劣。因此，硬质材料室温预挤压对模具的精度、强度、刚度和寿命提出了更高的要求。本文根据实验要求，通过对ECAP 挤压过程的有限元分析，得到了优化的模具几何尺寸和工艺参数，根据低碳钢挤压成型的基本要求设计了ECAP 挤压实验模具；模具和凸模是挤压超细晶材料的重要零件，在设计过程中应予以考虑。由于模具的变形条件很差，模具的常规结构有待改进，为了有效利用模具材料，保证其承载能力，选择了预应力复合模具结构。由于凸模的尺寸受挤压件几何尺寸的影响，凸模的强度和寿命不仅要从所用材料上考虑，而且要从凸模的结构设计上考虑。模具的装配图如图4 所示。

3.1 组合凹模优化设计

在挤压模具的所有零件中，模具与挤压接触直接涉及到变形过程，最重要的工作就是完成挤压零件的挤压，模具在巨大的、强烈的冲击和摩擦的压力下，是由拉应力、压应力和剪应力组合而成的不平衡的应力过程，同时由于ECAP 挤压工艺是通过侧向挤压工艺来进行挤压的，模具流道不同于一般的挤压成形，其工作条件非常恶劣。因此，模具的设计必须能有效地承受和分配载荷。

图4 等通道弯角挤压模具装配图

流道如转角挤压模，是按一定角度相交的流道截面，整个加工比较困难，所以凹模型腔的加工采用分块式，沿流道横截面分为前后模腔，在保证型腔加工精度的同时，降低了加工难度，最终实现了组合凹模采用预应力压套结构，能有效承受复杂的应力分布的凹模所受的影响。

如图5 所示，由于挤压过程是一个三向力，挤压在产生塑性变形的过程中，必然会产生弹性变形，挤压后的截面几何尺寸都比较好，比挤压前的尺寸略有增加，为避免挤出不能再进入挤出管，所以在设计过程中要使成管截面略大于管材横截面，即如图5 所示按d2＜d1＜d3的要求进行设计。

图5 凹模弯角型腔结构图

3.2 凹模预应力压套设计

模具种类很多，但为了提高模具的承载能力，有效地利用模具材料，冷挤压模具大多采用预应力套筒加强。如图6a 所示，单层压套复合模用于形状简单、变形程度小的场合。图6b 为双层套料预应力复合模具，用于形状复杂、变形程度大的场合。图6c 所示的三层压覆层预应力复合材料模具可以成功地应用于几乎所有属于特殊增强结构的金属和合金的挤压成形。

图6 常规分割式预应力组合凹模

综合考虑ECAP 挤压工艺特点，本文采用双层压套预应力组合凹模，如图7 所示。

由于等通道弯角挤压通过管道的弯曲作用使挤压件获得足够大的变形，因此不同于一般的挤压成形，在设计过程中挤压件是侧向挤出的，因此必须在压套上开孔，从而使挤出件能够顺利挤出，这使预应力套圈的强度受到一定程度的降低，因此要在压套设计中预留一定空间，避免应力集中产生的危害。同时为避免卸模时存留在凹模中的挤压件使各压套相互卡嵌，故一二层压套的开孔设计应如图7 所示开孔至底，其中D＝275mm，d1=150mm，u1=0.984，d2＝（2.45～3.25）d=223.75mm，考虑压套开孔，d2=230mm，u2==0.4674,u 为d 处径向过盈量。

图7 ECAP 改进分割式预应力组合凹模

3.3 等通道弯角挤压凸模优化设计

挤压实验的横向尺寸为10mm×10mm，对于通道等凸模转角挤压模具的设计，由于挤压截面尺寸决定了冲孔，因此凸模高得多，刚度是挤压过程中一个不可忽视的因素，考虑到挤压过程中工作条件恶劣的同时，必须加强凸模的强度。为此，本文采取了以下措施：（1）尽可能缩短凸模的长度。在挤出过程中，由于凸模长度的缩短，当凸模达到最大压力时，通过连续的回程不断地充满挤出机。（2）采用带导向装置的模具，避免因模具配合精度而造成凸模损坏。高径比较小的冲头如图8 所示，h为凸模高度，r 为凸模截面径向尺寸。

图8 ECAP 挤压模具凸模结构

4 结论

通过有限元分析，给出了凸模和预应力组合凹模等关键零件的基本尺寸，设计了等通道弯角挤压模具，能够满足铝、铜及其合金的冷挤压工艺要求。

（1）ECAP 变形主要集中在模具拐角处，且变形梯度较大，在模具强度满足要求的条件下，可采用拐角为90°的模具来提高累积变形效果。随着中心角半径的减小，挤出机整体变形随着中心角半径的增大逐渐趋于均匀分布，但空腔膨胀力会急剧增大。因此，ECAP 工艺设计应综合考虑或平衡中心角半径对挤压机变形均匀性和模具寿命的影响。

（2）ECAP 挤压是一种三向力，挤压产生塑性变形的过程中，不可避免地产生弹性变形，挤压后的截面几何尺寸都比挤压前略有增加，避免挤压件不能再次进入挤出线，所以在设计过程中要使管道的横截面略大于挤压管材的横截面。

（3）凹模预应力套圈应避免卸模时存留在凹模中的挤压件使各压套相互卡嵌，故一二层套圈的开孔设计应开孔至底；凸模的设计应尽量缩短长度。当凸模达到最大压力时，通过不断回程，反复填充挤压件连续挤出挤压件。