铝锂合金薄板微结构辊压微成形缺陷及其电致塑性效应数值模拟研究

汪鑫伟，高鹏永，石胜龙，刘琛，徐杰，王春举，李建伟，郭斌，单德彬

轻合金成形

铝锂合金薄板微结构辊压微成形缺陷及其电致塑性效应数值模拟研究

汪鑫伟1a,1b，高鹏永1b，石胜龙1b，刘琛1a，徐杰1b，王春举2，李建伟3，郭斌1a,1b，单德彬1b

（1.哈尔滨工业大学 a.空间环境与物质科学研究院 b.微系统与微结构制造教育部重点实验室，哈尔滨 150001；2.苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215131； 3.北京航星机器制造有限公司，北京 100013）

研究微结构形状及尺寸、压下量、温度、电流强度和电流路径对电流辅助辊压成形的影响规律，分析辊压过程中多物理场耦合行为，探究电致塑性效应对辊压成形的作用机理，并以此来解决薄板微结构形性协同控制关键问题。采用ABAQUS建立微结构辊压有限元模型，通过辊压成形数值模拟方法进行相关研究。首先设计了三因素三水平正交试验，探究了沟槽形状、沟槽深度、压下量对成形效果的影响。其次通过改变电流大小、对比辊对辊（R2R）和辊对板（R2P）2种电流路径、对比电流辅助辊压和等温辊压模拟试验来依次探究电流强度、电流路径、电流的非热效应对铝锂合金薄板微结构辊压成形过程中微结构填充率与板材翘曲高度等辊压成形缺陷的影响规律。在R2R电流路径下，电流分布于整个板厚空间，而在R2P电流路径下，电流主要分布于材料表面，2种路径下的温度与应力分布相似，但R2R下的峰值温度略高，约高20 ℃；峰值应力略小，约小35 MPa。当压下量与微沟槽宽度越大、沟槽形状越接近矩形时，辊压填充高度和翘曲高度均越大。在相同温度下，与等温辊压相比，电流辅助辊压微结构填充高度更高。三角形微沟槽在100 A、30%压下量时的辊压填充高度提升率高达7%。在等温辊压下，微结构填充时的塑性流动主要分布于表层；而在电流辊压下，微结构填充时的塑性流动在整个板厚范围内分布得较为均匀，且应力集中不明显。温度对辊压微结构薄板翘曲程度的改善作用较小，电致塑性效应大幅改善了微结构薄板辊压翘曲程度，翘曲高度减小约70%。从焦耳热均匀性角度来看，电流路径选择R2R更优。通过改变压下量、微沟槽宽度与形状可以改变微结构辊压成形效果。相较于等温辊压，电流辅助辊压可以提高辊压填充高度、减小板材翘曲高度，故其成形效果更好，说明电流非热效应可以促进辊压成形的进行。

铝锂合金；电流辅助；成形缺陷；微结构；电致塑性效应

近年来，越来越多的学者开始关注微结构辊压成形工艺，该工艺结合了传统的微压印工艺和辊压成形工艺，能够高效、低成本地实现大面积微结构制备[1]。微结构辊压成形主要有2种类型，即辊对辊与辊对平板成形工艺[2]。在辊对辊辊压成形方面，Hirt等[3-4]采用70～400 μm的钢丝缠绕工艺制备了表面阵列微结构压辊，并对宽20 mm、厚2 mm的Al 99.5和AlMg3板材进行了辊压成形。研究发现，当板材厚度减小55%时，可以辊压出高质量的半圆形阵列微沟槽结构，该微结构可用于飞行器壁面减阻，但局部钢丝断裂损坏、钢丝松动等问题会影响微沟槽的辊压成形质量。Zhou等[5]开发了桌面型辊对辊辊压成形装置，其中上压辊表面加工微沟槽阵列可用来辊压500 μm厚的AA5052铝合金薄板。其团队在薄板表面成形出宽100 μm、深20 μm的微沟槽阵列，同时发现上、下辊的相对速度对微沟槽的质量有显著影响。在辊对平板辊压成形方面，Gao等[6]通过纯铜表面的微沟槽成形实验，分析了辊表面微结构特征尺寸如槽宽（0.4～ 0.8 mm）、槽间距（0.8～1.2 mm）、圆角半径（0.1～ 0.3 mm）与材料晶粒尺寸对成形质量的影响，并从微沟槽尺寸与晶粒尺寸交互影响的角度，揭示了微结构辊压成形机理。研究发现，槽宽尺寸越小，成形越困难，微结构轮廓的不规则程度以及表面粗糙度随着晶粒尺寸和辊压深度的增大而增大；当微沟槽结构尺寸接近甚至达到金属材料晶粒尺寸数量级时，由于参与变形的各个晶粒具备各向异性，局部塑性流动表现出不均匀性，即材料在塑性变形过程中产生尺寸效应[7-8]。尺寸效应对材料塑性变形的影响在过去的20年里获得了广泛的共识，该效应成为微成形领域的研究难点和热点。总体上，尺寸效应不利于微结构的塑性成形，主要表现在它会降低成形性、增大工艺不稳定性、增加成形缺陷、降低成形精度以及加剧摩擦磨损等[9-10]。同时，微结构的成形通常要求材料在微小模具型腔中完全填充，由于受微小模具型腔约束、接触界面摩擦等影响，微结构的塑性成形行为更加复杂、变形抗力更大[11-12]。因此，在大面积阵列微结构辊压成形工艺中引入新的物理场，从而提高成形温度、减轻尺寸效应、改善材料成形极限是目前最有效的解决途径[13-14]。

铝锂合金材料是近年来航空航天材料中发展非常迅速的一种先进轻量化结构材料[15-16]，具有密度低、弹性模量高、比强度和比刚度高、疲劳性能好、耐腐蚀及焊接性能好等诸多优异性能[17]。用它代替常规的高强度铝合金可使结构质量减轻10%～20%，刚度提高15%～20%，燃油节约5.4%，飞行费用降低2.1%[18]。因此，近年来，铝锂合金在航空航天领域的轻量化进程中扮演着越来越重要的角色，并成为最热门的结构材料[17-19]。然而，由于铝锂合金具备室温塑性差、屈强比高、各向异性明显[20]、冷加工时容易开裂等缺点，其成形难度较大。目前铝锂合金只能成形较简单的零件，难以制造复杂的零部件及微结构，因此其应用受到一定程度的限制。

近年来，相关学者通过实验证明了电致塑性效应[21-22]，即当电流作用于微成形坯料后，电流与材料的相互作用可以抑制尺寸效应的发生并提高材料的塑性成形性能，具体表现为在材料成形过程中成形力降低、塑性提高、回弹减小等[23]。此外，电流还会产生非热的电致塑性效应[24]，可以促进材料流动。电流辅助塑性微成形技术具有可实现极端尺寸和优异性能微型构件或微结构批量制造的潜力[25-26]，在难变形铝锂合金薄板表面复杂微结构的成形及应用方面具有重要的研究前景。因此，本文建立了多参数交互作用下的铝锂合金薄板微结构电流辅助辊压有限元数值模型，分析了不同参数下的电流辅助辊压过程多物理场耦合行为，阐明了电致塑性效应对微结构填充率与板材翘曲等辊压成形缺陷影响的作用机理，以期对解决电流辅助辊压薄板微结构形性协同控制关键问题提供参考。

1 研究方案

1.1 材料及其性能

本文选用的材料为由西南铝业生产的O态2195铝锂合金板，板厚为2 mm，其化学成分如表1所示。

利用线切割技术切取10 mm×10 mm×2 mm的试样，经水砂纸打磨和抛光布机械抛光后，采用HF+HNO3+H2O（体积比为1︰4︰20）的混合溶液腐蚀3～5 s，用酒精冲洗、吹干后，获得2195铝锂合金薄板①、②、③面的金相组织，3个面的具体位置如图1a所示。采用OLYMPUS-SOL3550光学显微镜对铝锂合金薄板原始组织进行表征观察，结果如图1b～d所示。观察发现，①面（见图1b）的晶粒较为粗大，呈等轴状，无明显的拉长现象，而②面（见图1c）和③面（见图1d）的晶粒被拉长，呈纤维状分布，尺寸最大达到数百微米。原始的2195铝锂合金板金相呈现出典型的轧制态特点，晶界及晶粒内部弥散分布着大量的强化相。

表1 2195铝锂合金成分

Tab.1 Composition of 2195 Al-Li alloy wt.%

图1 2195铝锂合金原始板材金相组织

采用岛津AGXplus万能电子试验机对2195铝锂合金分别在常温、100 ℃、200 ℃和300 ℃下进行单向拉伸实验。拉伸试样尺寸如图2所示，标距长度为5 mm，拉伸应变率为10−3s−1，每组拉伸实验重复3次以减小测试误差。

图2 铝锂合金单向拉伸试样尺寸

室温下，2195铝锂合金试样拉伸方向与轧向呈0o、45o和90o时的真实应力-应变曲线如图3a所示。可以看出，材料的各向异性并不显著。常温、100 ℃、200 ℃和300 ℃下铝锂合金轧向试样的拉伸应力-应变曲线如图3b所示。可以看到，当温度在200 ℃以下时，材料呈现出加工硬化变形特点，说明此时温度升高导致的位错湮灭速率还不足以抵消塑性变形导致的位错增殖速率。当温度达到300 ℃时，材料呈现出明显的软化特征，说明此时材料发生了动态再结晶，材料的延伸率显著增大，塑性变形能力大大提高。不同拉伸条件下材料的屈服强度、抗拉强度和延伸率等性能指标如表2所示。

1.2 研究方案

微结构辊压成形数值模拟所要研究的变量及其参数如表3所示。首先设计了不同沟槽形状、沟槽深度、压下量的三因素三水平正交试验进行常规辊压成形数值模拟研究，选取缺陷显著的参数组进行电流辅助辊压成形与等温辊压成形的仿真研究。其次，为了研究电流路径的影响，分别对微结构辊压过程中辊对辊（R2R）和辊对板（R2P）[26]2种电流路径下的多物理场耦合行为进行仿真分析。最后，为了研究电流非热效应对铝锂合金薄板微结构辊压成形的影响规律，设计了微结构等温辊压数值模拟方案，其中将等温辊压的温度设置为接近电流辅助辊压时的焦耳热温度。考虑到2195铝锂合金在300 ℃时已发生再结晶软化（见图3），本文分别在100 ℃、200 ℃温度下进行了微结构的等温辊压模拟。电流辅助辊压时的电流强度参数分别为60、80、100 A，对应的平均焦耳热温度分别为140、200、240 ℃。

图3 2195铝锂合金不同状态下的真实应力-应变曲线

表2 2195铝锂合金拉伸力学性能

Tab.2 Tensile mechanical properties of 2195 Al-Li alloy

表3 微结构辊压数值模拟参数表

Tab.3 Numerical simulation parameters of microstructure roll forming

2 有限元模型

采用ABAQUS建立电流辅助辊压有限元模型，主要步骤包括几何创建、网格划分、材料属性定义、相互作用与边界条件设置、分析步创建等。

1）几何创建与网格划分。分别对电流辅助和非电流辅助辊压成形进行数值模拟分析，其中后者是前者的对照组。薄板微结构辊压成形有限元模型及电流路径示意图如图4所示。由图4a和图4b可知，模型分为微结构辊、平辊以及板料三部分，板料厚度为0.5 mm，平辊直径与微结构辊直径相同，均为40 mm。对于非电流辅助辊压模型（见图4a），由于不涉及传热和导电等因素，所以为节约计算时间和提高模型收敛性，采用动力学显式算法，且将轧辊均设定为刚体。对于电流辅助辊压模型（见图4b），由于需要考虑导电、传热、变形等多物理场耦合因素，所以采用隐式算法。采用离散刚体网格对图4a中的轧辊进行划分，而板料网格单元类型选为C3D8R；采用考虑了热-电-结构耦合的Q3D8R单元对图4b中的板料、平辊、微结构辊进行网格划分，如图4b中的放大图所示，对微结构齿进行网格加密处理。2种不同的电流路径分别如图4c和图4d所示。

2）材料属性定义。在本文的有限元模型中，针对板材和轧辊采用的热-电-结构多物理性能参数有温度（）、密度（）、弹性模量（）、热导率（）、电导率（）、比热容（）、热膨胀系数（），其数值分别如表4、表5所示。铝锂合金板材的塑性本构关系采用图3中的试验数据。

3）边界与接触定义。板材与轧辊接触面间相互作用的定义包括摩擦、接触电导率、接触热导率以及与环境间的辐射换热系数，它们之间的接触方式为面面接触，接触模型为罚函数摩擦模型，摩擦因数为0.2。接触面的接触电导率和热导率分别为33 172 Ω−1·mm−1和44 W/(m·K)，与环境间的辐射换热系数为1.134×10−9W/(m2·K4)。由于微结构尺寸远远小于板料的宽度，因此，为减小计算量，对板料进行对称边界建模，在对称面上施加平面应变约束。

图4 薄板微结构辊压成形有限元模型及电流路径示意图

表4 铝锂合金热-电-结构多物理性能参数

表5 Cr2Mo冷轧辊用钢热-电-结构多物理性能参数

Tab.5 Thermal-electrical-structural multi-physical performance parameters of Cr2Mo cold roll steel

3 结果与分析

3.1 电流辅助辊压过程多物理场耦合行为

在相同电流强度（100 A）和相同时刻（0.04 s）下，R2R和R2P 2种电流加载路径下2195铝锂合金薄板微结构的多物理场如图5所示。可以发现，R2R与R2P的电流密度场有很大不同，R2R的电流密度主要集中分布在辊、板接触区域，而R2P的电流密度则主要从辊、板接触区向板材接电端呈梯度分布，且R2P的电流密度峰值比R2R的更大，峰值区域则更小。不同于电流密度场，不同电流路径下温度场的分布规律较相似，均是辊、板接触区的温度最高，且该区与电流密度集中分布区完全重合。该区域由于电流密度集中而形成了局部的焦耳热热源区，而其他区域则是由焦耳热热源区温度沿板材轧向呈梯度递减扩散而形成的，但在整个辊压过程中，R2R的温度略高于R2P的，约高了25 ℃。由温度云图还可以看出，R2R的温度峰值区域占比更大且温度梯度更均匀，因此从焦耳热均匀性角度考虑，R2R更优。由图5c可知，R2R和R2P的应力分布基本一致，辊、板接触区因受微结构齿挤压而变形剧烈，应力峰值较大且较集中，而且R2R的应力峰值明显低于R2P的，这主要是因为在相同压下量下，在辊压过程中，R2R的温度始终高于R2P的。

在100 A电流及40%压下量下，辊压时R2R与R2P铝锂合金板截面上的等效应变场（PEEQ）、温度场（NT）及电流密度场（ECD）如图6所示。可知，峰值电流密度均位于微结构齿形接触区，电流密度以沿厚度方向梯度递减的方式贯穿分布于板材截面上，但R2R截面上的电流密度分布得更加集中，峰值电流密度区更小，且R2P的峰值电流密度要高于R2R的。对比图6b和图6e可以发现，在2种加载路径下，温度场的分布无明显差别，但R2R的峰值温度更高，这可能是因为R2R在微结构齿形接触区的电流密度更集中。此外，还可以看出，辊压变形区的金属流动规律一致，两者的等效应变场分布也无明显差别，唯一的区别是R2R的最大应变略高于R2P的，这与两者在峰值温度上的差别相对应。

铝锂合金薄板微结构R2P辊压成形的峰值温度与电流强度的关系如图7所示。可知，峰值温度随着电流强度的增大而增大，且在60～100 A下，焦耳热温度为100～300 ℃，低于铝锂合金形成大范围动态再结晶时的温度（见图3）。还可以发现，峰值温度随时间的延长而非线性增大，即在初始0.03 s间隔内，温度大幅上升，而在后续的0.03 s间隔内，温度上升幅度下降，这符合焦耳加热特征。此外，模拟结果表明，在辊压过程中，温度高低及温差大小会随沟槽阵列数目的增加而减小，这可能是因为接触面积增大导致散热加快和电流密度降低。

3.2 微结构填充率及其电致塑性效应

沟槽形状（三角形、椭圆形、矩形）、沟槽深度（100、200、300 μm）以及压下量（30%、40%、50%）3个因素对铝锂合金薄板微结构填充率的影响规律如图8所示。不同形状微沟槽辊压成形过程中的法向应变分量及反作用力如图9所示。由图8可知，随着压下量和沟槽深度的增大，微结构沟槽填充率明显增大，且在相同压下量和沟槽深度条件下，三角形、椭圆形、矩形的沟槽填充率依次增大。这可以通过图9中板材法向塑性应变分量（PE33）的差别进行解释：在相同压下量及沟槽深度下，三角形沟槽底部的法向压应变最小，而矩形沟槽底部的压应变最大；底部材料在挤压作用下沿着微沟槽侧壁向微结构型腔流动，产生法向向上的拉应变，因此，沿填充方向的正应变按照三角形、椭圆形、矩形的顺序依次增大，说明材料在三角形沟槽中受到沿沟槽侧壁的流动阻力最大，而在矩形中的最小，故填充率遵循图8中的规律。3种形状沟槽在辊压成形时轧辊上的反作用力如图9d所示。可以看出，在获得相同深度的微结构时，三角形轧辊受到的力最大，因此相应的材料流动阻力最大。

图5 不同电流路径下薄板微结构辊压成形的多物理场

图6 不同电流路径下薄板微结构辊压成形截面上的多物理场

图7 电流辅助辊压过程峰值温度与电流强度的关系

深度为200 μm的三角形微沟槽在等温辊压与电流辅助辊压下的微结构填充轮廓图及填充率与压下量之间的关系如图10所示。当压下量为40%时，不同辊压条件下薄板微结构法向塑性应变分量PE33分布云图如图11所示。由于微沟槽填充轮廓相差不大，仅选取中间2个沟槽的填充轮廓进行对比。观察图10可知，随着温度的升高，填充高度也在增大，表明温度的升高导致铝锂合金薄板塑性成形性能提高，从而改善了微沟槽的填充性能。在相同压下量下，100 A电流辅助辊压下的三角形微沟槽填充高度大于等温辊压的结果，在压下量为30%时最明显，提升率约为8.8%，但随着压下量的增大，电流辅助导致的填充率增大量逐渐减小，这可能与在微结构辊压成形填充极限下摩擦阻力显著增大有关。不同温度及电流强度下200 μm三角形微沟槽的填充率与压下量之间的关系如图10d所示。可以发现，在20、100、200 ℃的等温条件下，微沟槽辊压填充率随着压下量的增大而增大，但温度越高，填充率随压下量增大的幅度越不明显。此外，在大压下量下，填充率随温度的变化也同样遵循上述规律，该规律进一步说明，在填充极限下，摩擦阻力的作用主导了材料的填充行为。由图10d还可以看出，60 A与80 A电流辅助下的填充率分别高于100 ℃及200 ℃下等温辊压的结果，100 A时的填充率明显高于其他条件下的填充率。

图9 不同形状微沟槽辊压成形的法向应变分量及反作用力

图10 等温与电流辅助条件下三角形微沟槽（200 μm）辊压成形填充轮廓及其填充率

图11 相同压下量（40%）下不同辊压条件薄板微结构法向塑性应变分量PE33分布云图

产生上述现象的原因是电致塑性效应中的非热效应促进了材料在微结构型腔中的流动填充。对比观察图11中填充方向的塑性应变分量可知，在同一压下量下，等温辊压和电流辅助辊压在微结构填充区域的金属塑性流动行为存在明显差异。在等温辊压时，如图10a～c所示，塑性变形最剧烈的位置是微结构齿侧壁尖角处，此处材料压应变最大，且压应变呈对称分布，导致相邻的材料被反向挤压，产生最大的拉应变，使材料沿填充方向流入微结构型腔。此外还可看出，沿填充方向的材料塑性流动主要发生在板材表面较小的深度范围内，板材大部分底部区域的压应变大小一致，这说明板材底部区域只起到传递变形的作用，故金属塑性流动区域比较有限。在电流辅助辊压下，如图10d～f所示，虽然最大压应变仍然处在微结构齿侧壁尖角处，但最大压应变区没有呈对称分布，且明显向板厚的深度方向延伸，在沟槽下方的整个板厚范围内几乎都存在较大的压应变。同时，沟槽相邻处的材料由于受到沟槽材料的反向挤压作用而产生了最小压应变，促使材料沿填充方向流入微结构型腔，但与等温辊压不同的是，在板厚方向上很大范围内都存在与沟槽相邻区域相近的应变。因此，金属材料的流动范围几乎是整个板材厚度范围，这使电流辅助条件下的材料填充性能得以提高。

考虑到当电流强度参数为60、80、100 A时，电流辅助辊压对应的平均焦耳热温度分别为140、200、240 ℃，故选择同等温度下的等温辊压填充高度作为参照数据，计算电流辅助辊压下电致塑性效应导致的填充高度的增大率，结果如图12所示。可知，在不同压下量下，电致塑性效应的非热作用促进了微结构的填充，在电流为100 A、压下量为30%时该值高达7%。

图12 相同温度下等温辊压电流辅助导致的微结构填充高度增大率

3.3 板材翘曲及其电致塑性效应

在薄板微结构辊压过程中，微结构辊面和平辊面的接触差异导致板材不可避免地产生了翘曲变形缺陷。由于本研究中辊压试样的长度一致，所以可采用翘曲高度定量表征板材翘曲程度的大小。翘曲高度为板材轮廓线上最高点到轮廓线首尾连线的距离。对室温辊压过程进行了模拟，获得了沟槽形状、沟槽深度、压下量3个因素对翘曲高度的影响规律，如图13所示。可以看出，随着压下量和沟槽深度的增大，板材的翘曲高度显著增大；在相同压下量和沟槽深度下，三角形、椭圆形、矩形的翘曲高度依次增大。实际上，在辊压过程中，微结构辊和平辊作用在板材上的摩擦力不同，进而会导致板材上下面的金属流动速率不同，微沟槽深度、形状、压下量的变化均会导致金属塑性流动中的摩擦力发生变化，进而导致板材局部区域金属流动程度产生差异而影响翘曲高度，该设想可在图14中得到证明。在同一压下量下，三角形、椭圆形、矩形微结构沟槽的等效塑性应变PEEQ云图如图14a～c所示。可知，峰值应变均在沟槽底部圆角处，且两侧呈对称分布，矩形和椭圆形的PEEQ峰值相差不大，但三角形的明显低于前两者的，证明材料在三角形微结构沟槽中的局部流动程度不如在椭圆形和矩形中的剧烈。因此，等效塑性应变的局部分布差异是导致翘曲高度不同的直接原因。图14d为不同形状微结构辊在相同压下量及沟槽深度下的轧向反作用力，即摩擦力大小，可知，三角形微结构辊摩擦力明显低于矩形和椭圆形的，这进一步证明了三角形沟槽辊下材料塑性变形程度最轻，翘曲高度最小。

不同辊压条件下200 μm三角形微沟槽薄板翘曲轮廓与翘曲高度如图15所示。由图15a可以看到，温度的变化对薄板等温辊压翘曲的影响较小，这在图15b中也可以得到印证。观察图15b可知，与20 ℃的常温辊压相比，100 ℃和200 ℃下的翘曲高度增大比例非常小，当压下量为30%、40%、50%时，翘曲高度增大比例分别为2.5%、1.1%、1.25%，故温度对翘曲程度的影响几乎可以忽略。然而，在电流辅助辊压条件下，微结构薄板翘曲问题得到了明显的改善，如图15a所示，但R2P和R2R 2种电流路径下的板材翘曲轮廓一致。观察图15b可知，压下量的增大会导致翘曲高度增大，对比电流辅助辊压与等温辊压下的板材翘曲高度可知，无论在何种压下量下，电流辅助导致的翘曲高度都比等温辊压的小70%以上，这种大幅度的翘曲高度改善效果已无法通过电流导致的温度效应来解释。

选择同等温度下的等温辊压翘曲高度作为参照数据，计算电流辅助辊压下电致塑性效应导致的翘曲高度减小率，其结果如图16所示。可知，在不同压下量下，电致塑性效应的非热作用改善了微结构薄板辊压的翘曲程度，翘曲高度的减小幅度约为70%。在同一压下量（40%）下，等温与电流辅助时微结构薄板辊压截面区的等效塑性应变PEEQ与Mises的应力分布如图17所示。可以看到，与等温辊压相比，在电流辅助辊压过程中，铝锂合金薄板微结构局部处金属的塑性流动行为发生了很大改变，具体表现如下：1）虽然两者最大的塑性变形区均在微结构沟槽底角处，但电流辅助条件下的最大变形区明显大于等温辊压条件下的，塑性变形从微沟槽接触面向板材深度方向延伸的距离远远大于等温条件下的；2）电流作用下辊压变形区的最大PEEQ明显低于等温条件下的，甚至同一深度处的塑性应变大小均小于等温辊压的，这说明电流辅助辊压下的局部塑性变形更加均匀。为进一步分析导致上述现象的原因，对等温辊压与电流辅助辊压板厚切面上的Mises应力云图进行对比观察，发现等温辊压下沟槽底角处出现了应力集中现象，由于沟槽处存在挤压与反挤压作用，所以应力集中区沿板材表面呈周期性对称分布；而在电流辅助辊压条件下，最大应力区不在沟槽底角处，沟槽齿形区与板厚左右两侧的应力最大，最小应力区位于板厚切面的中心并呈类X形对称分布。因此，可以认为在电流辅助辊压条件下，应力分布更加分散，应力集中不明显，材料流动均匀性更好，故其翘曲程度更小。

图13 微结构薄板翘曲高度与沟槽形状、深度及压下量之间的关系

图14 不同形状微沟槽辊压成形的等效塑性应变云图及摩擦力

图16 相同温度下等温辊压电流辅助导致的薄板翘曲高度减小率

4 结论

采用数值模拟研究了2195铝锂合金薄板微结构电流辅助辊压成形效果，分析了电流辅助辊压过程中的多物理场耦合行为及薄板微结构辊压成形缺陷影响规律，研究了电流路径、电流强度、微沟槽深度、微沟槽形状、压下量等因素对薄板微结构电流辅助辊压微成形缺陷的影响规律，阐明了微结构填充率、板材翘曲等辊压成形缺陷的电致塑性效应作用机理。主要结论如下：

1）在R2R电流路径下，电流分布于整个板厚空间，而在R2P电流路径下，电流主要分布于材料表面，2种路径下的温度与应力分布相似，但R2R的峰值温度略高，约高20 ℃；峰值应力略小，约小35 MPa。

2）当压下量与微沟槽宽度越大、沟槽形状越接近矩形时，辊压填充高度和翘曲高度越大。

3）在相同温度下，电流辅助辊压微结构填充高度大于等温辊压的，三角形微沟槽在100 A与30%压下量时的辊压填充高度提升率高达7%。

4）温度对辊压微结构薄板翘曲程度的改善作用较小，电致塑性效应大幅改善了微结构薄板辊压翘曲程度，翘曲高度减小约70%。

5）在等温辊压下，微结构填充时的塑性流动区域主要分布于表层；而在电流辊压下，微结构填充时的塑性流动区域在整个板厚范围内分布得较为均匀，且应力集中不明显。

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Numerical Simulation on Electrically-assisted Roll Micro-forming Defects of Micro-structures and Electroplastic Effects on Al-Li Alloy Sheets

WANG Xin-wei1a,1b, GAO Peng-yong1b, SHI Sheng-long1b, LIU Chen1a, XU Jie1b, WANG Chun-ju2, LI Jian-wei3, GUO Bin1a,1b, SHAN De-bin1b

(1.a. Laboratory for Space Environment and Physical Sciences, b. Key Laboratory of Micro-Systems and Micro-Structures Manufacturing, Ministry of Education, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Soochow University, Jiangsu Suzhou 215131, China; 3. Beijing Hangxing Machinery Manufacture Limited Corporation, Beijing 100013, China)

The work aims to study the effect of microstructure shape and size, reduction, temperature, current intensity and current path on electrically-assisted roll forming, analyze the coupling behavior of multiple physical fields in the roll forming process, and clarify the mechanism of electroplastic effect in roll forming, so as to solve the key problem of the synergistic control of the accuracy and property of micro-structures on sheets. ABAQUS was used to establish a finite element model, and the related research was carried out by numerical simulation of roll forming. Firstly, an orthogonal experiment with three factors and three levels was designed to explore the effect of groove shape, groove depth and reduction on forming. Then, the effect of current intensity, current path and non-thermal effect on microstructure rolling defects of Al-Li alloy sheet such as microstructure filling rate and sheet warping height was explored, by changing the magnitude of current, comparing roll-to-roll (R2R) connection and roll-to-plate (R2P) connection, and comparing electrically-assisted and isothermal roll forming simulation tests. The current density for the R2R was distributed across the whole thickness of the sheet, while it tended to be distributed on the surface in the R2P. The distributions of temperature and stress for the two connection modes were similar, but compared with R2P, R2R had a slightly higher peak temperature of about 20 ℃ and a slightly lower peak stress of about 35 MPa. When the roll forming reduction and the width of micro-groove were larger, and the groove shape was closer to rectangle, the groove filling height and the sheet warping height were larger. The filling height of microstructure by electrically-assisted roll forming at the same temperature was higher than that by isothermal case, and the filling height of triangular microgrooves could be increased by up to 7% at 100 A and 30% reduction. The plastic flow tended to be located at the surface layer in the isothermal roll forming of micro-structures, while the microstructure filling was uniform throughout the thickness direction, and the stress concentration was not obvious by electrically-assisted case. Temperature had little effect on the warping degree of the rolled sheet, while the electroplastic effect greatly reduced the warping height of the rolled sheet, causing about 70% reduction of the warping height. According to the above results, the following conclusions can be drawn. R2R is better current path from the view of Joule heating uniformity. The roll forming effect on microstructure can be changed by varying the forming reduction, the width and shape of micro-grooves. Compared with the isothermal case, the electrically-assisted roll forming can improve the filling height of micro-structures and reduce the warping height of sheets, which shows better formability since the non-thermal effect of current plays a promoting role in roll forming defect control.

Al-Li alloy; electrically-assisted; forming defects; micro-structures; electroplastic effect

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.010.010

TG335.5+5

A

1674-6457(2023)010-0082-13

2023-07-31

2023-07-31

黑龙江省自然科学基金优秀青年项目（YQ2020E014）

Heilongjiang Provincial Natural Science Foundation of China (YQ2020E014)

汪鑫伟, 高鹏永, 石胜龙, 等. 铝锂合金薄板微结构辊压微成形缺陷及其电致塑性效应数值模拟研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(10): 82-94.

WANG Xin-wei, GAO Peng-yong, SHI Sheng-long, et al. Numerical Simulation on Electrically-assisted Roll Micro-forming Defects of Micro-structures and Electroplastic Effects on Al-Li Alloy Sheets[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(10): 82-94.

责任编辑：蒋红晨