1．引言
近年來，鎂合金冶煉技術的發(fā)展使材料質量不斷提高，成形技術的進步使生產成本得以下降。鎂合金是工業(yè)應用中最輕的金屬結構材料之一，具有較高的比強度、比剛度以及良好的鑄造、切削加工和尺寸穩(wěn)定性等性能，在航空工業(yè)和汽車工業(yè)中得到廣泛應用。變形鎂合金所具有良好綜合性能，得到了汽車工業(yè)、電子等行業(yè)的青睞，隨著成形技術的日趨完善，其應用前景十分看好。同時，全球各國的大型企業(yè)、研究機構大都使用了不同的模擬軟件對所要研究和開發(fā)的產品、新技術等進行預先的模擬。數值模擬已經成為塑性成形必不可少的一個重要分析方法，為金屬塑性成形研究的成功打下了堅實的基礎。
2．剛塑性有限元的理論基礎
剛塑性有限元法的理論基礎是剛塑性材料變分原理，它認為：在所有動可容的速度場中，使能量泛函取得駐值的速度場就是真實的速度場。用剛塑性材料模式進行變形分析時，為了克服體積不可壓縮條件θ=0所引起的應力計算困難，一般采用在泛函式中引人Lagrange乘子或一個懲罰項來消除體積不可壓縮條件。拉格郎日乘子法利用乘子將體積不可壓縮條件引入位能泛函，采用修正的罰函數法，即在罰函數法的基礎上，將要求體積應變速率在單元內處處很小的條件，放松成單元內的平均值很小，因此，具有較好的穩(wěn)定性。用剛塑性有限元求解大變形問題時，材料應滿足下列假設：①忽略材料的彈性變形；②材料的本構關系為Levy-Mises方程；③材料均質且各向同性；④材料變形過程中體積不變；⑤不計體積力和慣性力；⑥加載條件（加載面）給出剛性區(qū)與塑性區(qū)的界限。
3．擠壓工藝的確定及有限元模擬分析
3.1成形的數值模擬
由擠壓件圖（圖1）分析，零件為軸對稱盤類零件，為了提高生產效率，降低成本及能源消耗，擬采用正、反和鐓擠同時進行的一次擠壓成形工藝。本文采用Superform軟件對此工藝的可行性加以驗證，分別對摩擦系數、凹模圓角、成形溫度、變形速度進行了模擬分析。由于工件是軸對稱件，所以選取零件的一半進行模擬分析（圖2）。
3.2模擬分析
3.2.1摩擦系數對成形的影響
在其他變形條件相同的情況下，摩擦條件的改變對工件內等效應變的分布情況影響不顯著，但是隨著摩擦系數的增大，與模具相接觸的工件區(qū)域大小基本不變，工件內部大變形區(qū)域隨著摩擦條件的惡化而擴大，工件內變形不均勻的趨勢加?。▓D3）。這是因為工件表面摩擦條件的惡化導致工件表層金屬的流動性能下降，模具型腔的充填完全依賴工件內部的金屬流動來實現。但是由于等溫擠壓工藝中工件內部金屬的流動性能較好，隨著表面摩擦條件的惡化，工件內部具有最大等效應力的區(qū)域，雖然也隨著摩擦因子的增大而擴大，但整體上摩擦的影響不顯著。
3.2.2凹模圓角對成形的影響
根據現有設備及條件，采用在400℃下，摩擦系數0.15，凸模運動速度0.6mm/s的條件下，對AZ31材料擠壓進行模擬，發(fā)現凹模如圖2中所列出的三個圓角R1，R2，R3是影響成形的主要因素。當R2取值≤5mm時，向③區(qū)域流動金屬的縫隙過小導致在③區(qū)域內發(fā)生填充不滿現象，當R2取值>6mm時，則盤形部分成形過早完成同樣導致③區(qū)域填充不足；當R3取值>4mm時在①區(qū)域發(fā)生金屬疊加現象（圖4），這是因為③區(qū)域為最后充滿的區(qū)域，當其他區(qū)域充滿時，向③區(qū)域流動的金屬會突然加速，由于R2取值過大導致①區(qū)域金屬流動速度大于⑥區(qū)域的流動速度，流人①區(qū)域的金屬少于流出的金屬，這樣一來在R1處的金屬和模具倆次分離流向③區(qū)域，隨著③區(qū)域金屬不斷增加，金屬流動速度降低，⑥區(qū)域的金屬慢慢填補①區(qū)域流走金屬所留下的空隙，從而發(fā)生了金屬疊加現象；當R3取值<4mm時，流向③區(qū)域的金屬流動速度過慢，導致成形困難；當Rl取值>5mm時，會在②區(qū)域發(fā)生金屬疊加現象（圖5），這是因為當其他區(qū)域充滿時，向③區(qū)域流動的金屬會突然加速，由于R1取值過大，金屬流動速度增加得太快，導致④區(qū)域金屬向②區(qū)域流動與⑥區(qū)域流進來的金屬發(fā)生疊加，當R1取值<5mm時，③區(qū)域成形困難。通過模擬發(fā)現當RI取5mm，R2取6mm，R3取4mm時工件成形比較均勻，是凹模的最佳取值方案（圖6）。
3.2.3變形溫度的影響
在200℃、300℃、350℃、380℃、400℃五種不同溫度下，采用相同參數對其進行擠壓模擬（摩擦系數0.15、凸模運動速度為默認值）。由圖7可知當溫度從200℃升高到300℃時，擠壓力降低很大；溫度從300℃到400℃范圍內擠壓力變化不大。但從圖8可知隨著溫度的升高，擠壓時的等效應力有明顯的降低，那么擠壓時所做的功就少，當溫度在380℃-400℃范圍內時，等效應力也不再發(fā)生變化?？傮w來看，溫度升高對變形是有利的。
3.2.4凸模運動速度（變形速度）的影響
變形速度在1mm/s，5mm/s，8mm/s，10mm/s，15mm/s下，采用相同參數對其進行了擠壓模擬（摩擦系數0.15、溫度380℃）。由圖9可以看出，隨著變形速度的增加，擠壓力抗力沒有發(fā)生明顯變化，但是當變形速度超過10mm/s時，變形抗力會突然增加，這說明鎂合金不適合在較高速度下變形。只要保證在一定的速度范圍內，提高變形速度可以有效地提高生產效率。
4．結論
（1）對摩擦系數的模擬表明，摩擦系數每降低或增加0.1，擠壓時所需的最大擠壓力降低或增加5%-10%，因此，良好的潤滑能極大的降低擠壓力。
（2）在成形過程中，凹模圓角半徑為R1=5mm，R2=6mm，R3=4mm時，能保證模腔完全充滿，內壁不會出現縮頸現象，凸模臺階式結構能夠降低擠壓力，同時改善擠壓效果。
（3）在成形過程中，在其他條件相同的情況下，隨著變形溫度的升高，變形趨于均勻化，等效應力隨之減小，其分布也趨于均勻化。隨著變形速度的增大，可以使變形趨于均勻化，但變形速度過大會加劇變形的不均勻性，等效應力隨之增大，而且分布的不均勻性加大。
（4）通過模擬可知一次擠壓成形是可以實現的，同時了解了在成形全過程的金屬流動情況，為實際生產提供了有利的技術條件，起到了指導生產的作用。
（轉載）
