等径角挤压工艺的无网格数值模拟研究

第15卷第2期2008年4月塑性工程学报J OU RNAL OF PL ASTICIT Y EN GIN EERIN GVol115　No12Apr1　2008等径角挤压工艺的无网格数值模拟研究3(山东大学材料科学与工程学院,济南　250061)　管延锦　赵国群　路　平(烟台汽车工程职业学院,烟台　150001)　曹　伟(杭州电子科技大学机械工程学院,杭州　310018)　吴　欣摘　要:等径角挤压(Equal Channel Angular Pressing,ECAP)工艺,是一种通过材料的剧烈塑性变形,获得大块超细晶材料的有效方法。

采用无网格伽辽金法对等径角挤压工艺进行了数值模拟研究,分析了挤压过程中材料的流动规律,研究了模具圆心角、挤压件与模具间的摩擦状况对ECA P挤压效果的影响。

随着模具圆心角的减小,挤压件的等效应变增大并且变得更加均匀,但是模具圆心角越小,挤压载荷越大,严重影响模具的使用寿命;摩擦状况对挤压件的等效应变的影响较小,对挤压载荷影响显著。

无网格模拟分析结果与实验结果吻合良好。

关键词:等径角挤压;ECA P;无网格伽辽金法;数值模拟中图分类号:T G376 文献标识码:A 文章编号:100722012(2008)022*******Numerical study on equ al channel angular pressingbased on element2free G alerkin methodGUAN Yan2jin　ZHAO Guo2qun　L U Ping(Mold&Die Engineering Technology Research Center,Shandong University,Jinan　250061　China)CAO Wei(Jining Automobile Engineering Vocational Technology College,Yantai　150001　China)WU Xin(School of Mechanical engineering,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou　310018　China)Abstract:The equal channel angular pressing(ECAP)is an effective method to obtain ultra2fine grain materials using severe plas2 tic deformation.The equal channel angular pressing process is simulated numerically based on the rigid2plastic/viscoplastic ele2 ment2f ree G alerkin(EF G)method.Numerical results such as material flow patterns of the forming process,effective strain,ef2 fective stress and effective strain2rate distributions are obtained.The influence of curve angleΨand f rictional status on the form2 ing effect of ECAP is studied.The effective strains become larger and more uniform with the increase of the curve angleΨ.On the other hand,the forming load increases greatly with the increase of the curve angleΨ.The effective strains change slightly with the change of the f rictional status between the die and the workpiece.However,the f rictional status influences greatly the forming load.K ey w ords:equal channel angular pressing;ECA P;element2f ree G alerkin(EF G)method;numerical simulation3国家自然科学基金资助项目(50575125);国家杰出青年基金资助项目(50425517)。

管延锦　E2mail:guan_yanjin@sdu1edu1cn作者简介:管延锦,男,1969年生,山东诸城人,山东大学模具工程技术研究中心,教授,博士,主要进行材料加工过程数值模拟技术的研究收稿日期:2007208216;修订日期:2007210225　引　言等径角挤压工艺(Equal Channel Angular Pressing,ECA P)是由前苏联科学家Segal教授等[123]在20世纪70年代末提出的,其最初的目的是在不改变材料横截面的情况下产生剧烈的塑性变形,从而使材料的重复变形成为可能。

20世纪90年代初期,这种方法被Valiev教授等[426]进一步发展和完善,成为制备块体超细晶材料的一种新工艺。

近年来该工艺受到了众多专家学者的关注和研究,大量研究表明,ECA P工艺可以制备出致密、界面洁净的块体超细晶材料,为超细晶材料的科学研究提供了必要条件。

目前,数值模拟技术已经成为研究各种成形工艺过程的强力手段,通过数值模拟可以定量研究材料的流动和相关场量的分布,以及在成形过程中的变化规律,对于掌握成形的变形机理、合理确定成形工艺、保证模具设计的合理性等,具有重要的指导作用。

国内外许多学者已采用有限元方法对ECA P工艺进行了数值模拟研究工作[729],但是由于有限元方法是基于单元的数值分析方法,在大变形塑性成形过程数值模拟中,当工件变形到一定程度,有限元网格往往会产生畸变现象,处理网格畸变最有效的方法是进行网格再划分,然而网格再划分不仅会影响计算效率,还会影响模拟精度,甚至出现模拟失真。

无网格法是近年来出现的一种新颖的数值分析方法,具有稳定性强,分析精度高的特点。

该方法仅仅采用基于点的近似,而不需要节点的连接信息,因此,不仅避免了繁琐的单元网格生成,而且提供了连续性好、形式灵活的场函数,同时其前处理过程也比有限元法更为简单,在处理弹塑性、裂纹扩展、移动界面、高速碰撞以及具有大变形特征的金属体积成形问题时,显示出了巨大的优越性和广阔的发展前景,非常适合ECA P工艺等剧烈塑性变形工艺的分析[10213]。

因此,本文采用自行开发的刚(粘)塑性无网格伽辽金方法分析程序,实现了等径角挤压工艺的无网格数值模拟,不仅得到了挤压过程中材料的流动情况、等效应变、等效应力、等效应变速率的变化及其分布情况,而且通过无网格方法研究了模具圆心角、摩擦状况等对等径角挤压工艺的影响规律,为等径角挤压工艺提供了一种新的、有效的数值模拟方法。

1　等径角挤压工艺ECA P法采用的模具是由两个具有相同形状和相等横截面积的通道,按照一定的角度相互交截而成的,模具拐角记为Φ,模具圆心角记为Ψ,如图1所示[7]。

挤压时,将与凹模通道壁润滑良好的坯料放入垂直通道中,用带有冲头的液压机向下挤压坯料,当坯料经过两通道的交角时,就会产生近似于纯剪切的变形,如图2a所示。

按照成形过程中挤压件各部分不同的变形特点,将垂直通道分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个区域,水平通道分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ3个区域,如图2b所示。

由于ECA P工艺主要靠挤压件累积的等效应变对其晶粒进行有效细化,因此,模具拐角Φ、圆心角Ψ等模具几何参数对于挤压件的晶粒细化具有重要影响。

定量地了解和掌握模具参数对挤压件内部应变分布、应变大小等的影响规律,对于有效地确定挤压工艺和使挤压件获得合理的应变分布、大小,进而获得所要求的晶粒细化效果是十分重要的。

采用数值模拟技术可以全面掌握挤压全过程金属的流动规律和场量的大小与分布,能够快速获得模具几何参数对挤压件场量分布的影响,进而达到优化模具参数的目的。

2　数值模拟分析忽略模具的变形,认为冲头、凹模为刚性接触体。

冲头做垂直方向的平动,运动速度为2mm/s。

由有关实验和理论分析可知[14],当挤压速度较低(1mm/s～10mm/s)时,由于工件与模具之间的摩擦而导致挤压过程中变形温度的升高可忽略不计,61塑性工程学报第15卷因此变形过程可以看作等温过程(本次模拟即按等温过程处理)。

等径角挤压过程中,坯料沿厚度方向的应变因受到模具约束其值为零,因此,ECA P过程可视为平面应变过程。

挤压材料选用工业纯铝(99199%),假设材料为刚塑性,挤压件的几何尺寸为10mm×10mm×80mm,在常温下其应力应变关系为σ=170ε0124 M Pa。

挤压件离散为81×11个节点,采用线性基函数,3×3高斯积分,圆形影响域,影响域半径为210mm,时间步长为0125s,故每次压下量为015mm。

模具拐角定为90°,模具圆心角为37°。

211　等径角挤压的变形过程及特点图3和图4分别给出了无摩擦时的载荷2行程曲线以及不同压下行程时的金属流动图。

图5给出了摩擦系数为0112、模具拐角为90°、模具圆心角为37°时,不同压下行程挤压件的等效应变分布。

从图中可以看出,等径角挤压过程中载荷的变化可分3个阶段。

图3　摩擦系数为0时的载荷2行程曲线Fig13　The load2stroke curve when thef rictional coefficient is0第一阶段:载荷快速增加阶段。

这一阶段以坯料的充填过程为主。

在挤压过程的初始阶段,坯料高度方向略有减小。

在Ⅰ区,材料逐渐充满通道,最终与通道紧密贴合,在Ⅱ、Ⅲ区的材料则发生了类似于不对称的自由镦粗变形,坯料开始向Ⅳ区方向发生变形。

此时,虽然坯料发生了一定的塑性变形,但坯料的内部(特别是处于Ⅰ区的坯料)存在着很大的三向压应力,两通道交角剪切区域的材料的最大剪应力尚不完全满足屈服准则,如图4b所示。

第二阶段:载荷缓慢增加阶段。

随着载荷的继续增加,坯料内部三向压应力继续增大,由于Ⅳ区对坯料没有约束,位于Ⅱ、Ⅲ区的剪切区域坯料的切应力增加很快,载荷达到最大值。

位于剪切区域的材料完全满足了屈服准则,发生了沿整个截面的剪切变形,坯料向Ⅳ区的水平通道“突破”,开始流动。