c6鈦合金筒形件反擠壓過(guò)程數(shù)值分析

鈦粉為t6-它是一種含糊不清、強(qiáng)鈦和黃金的復(fù)合金。具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐高低溫等特點(diǎn)?？稍?00440下使用長(zhǎng)期保險(xiǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航空航天、國(guó)防、汽車(chē)等領(lǐng)域。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)TC6鈦合金的鍛造成形工藝和性能開(kāi)展了大量的研究工作。但關(guān)于TC6的反擠壓工藝研究較少,而鈦合金熱導(dǎo)率低,其擠壓熱變形比銅合金、鋁合金等擠壓變形過(guò)程復(fù)雜。本文基于剛塑性有限元理論和DEFORM3D軟件,建立了筒形件反擠壓過(guò)程熱—力耦合有限元分析模型,研究了TC6合金筒形件反擠壓過(guò)程中溫度、擠壓速度、摩擦等工藝參數(shù)對(duì)載荷變化以及應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)分布規(guī)律,本研究對(duì)TC6鈦合金反擠壓工藝參數(shù)優(yōu)化和實(shí)際生產(chǎn)具有一定的理論指導(dǎo)意義。1初步建模理論與建模1.1初始速度場(chǎng)的選擇剛塑性材料的變分原理是有限元法求解的理論基礎(chǔ),它依據(jù)能量泛函取駐值時(shí)的真實(shí)速度場(chǎng)求解場(chǎng)變量,Markov變分原理可表述為:設(shè)變形體的體積為V、表面積為S,在力面S取得極小值所得的速度場(chǎng)則為滿(mǎn)足要求的精確解剛塑性有限元計(jì)算需要選擇初始速度場(chǎng),在選擇初始速度場(chǎng)時(shí),速度邊界條件容易滿(mǎn)足,而體積不可壓縮條件則比較難以滿(mǎn)足。對(duì)于體積不可壓縮條件,常見(jiàn)的處理方法有Lagrange乘子法、罰函數(shù)法和體積不可壓縮法。本文采用Lagrange乘子法求解反擠壓變形過(guò)程,Lagrange乘子法是用附加的Lagrange乘子λ,將體積不可壓縮條件引入泛函式(1),然后求泛函的一階變分等于零從而尋求真實(shí)應(yīng)力分布。1.2有限元模型建立筒形件具有軸對(duì)稱(chēng)性,因而采用1/4坯料進(jìn)行建模分析。反擠壓過(guò)程屬于金屬體積大變形,因而網(wǎng)格容易發(fā)生畸變,為提高計(jì)算精度,采用網(wǎng)格局部重劃分技術(shù)。建立的有限元模型如圖1所示。有限元模型的單元數(shù)為52934,節(jié)點(diǎn)數(shù)為10989。數(shù)值計(jì)算中采用的其它參數(shù)為:模具預(yù)熱溫度300℃;環(huán)境溫度為20℃;凸模速度為1、10、50mm/s;摩擦因子為0.1、0.3、0.5;變形溫度為850、900、950℃。2結(jié)果與討論2.1局部網(wǎng)格劃分大、變形大模型反擠壓結(jié)束后網(wǎng)格如圖2所示。由圖可以看出,雖然反擠壓過(guò)程是大變形過(guò)程,金屬體積轉(zhuǎn)移量大,但由于采取了局部網(wǎng)格重新劃分技術(shù),變形后網(wǎng)格分布較為均勻,沒(méi)有出現(xiàn)折疊和撕裂。坯料中心軸向特征點(diǎn)P1、P2、P3(圖1)發(fā)生軸向變形,坯料中心區(qū)域特征點(diǎn)P4發(fā)生軸向和徑向變形,特征點(diǎn)P7變形量最大,而特征點(diǎn)P5的金屬直接轉(zhuǎn)移到筒壁頂端,變形量最小。2.2穩(wěn)態(tài)變形初始階段不同擠壓參數(shù)下反擠壓過(guò)程載荷—位移曲線如圖3所示。由圖可以看出,各種工藝條件下的載荷—位移曲線分布趨勢(shì)基本相同,變形過(guò)程大概可分為三個(gè)階段:接觸階段、初始變形階段、穩(wěn)定變形階段。接觸階段凸模下行與坯料接觸,坯料在凸、凹模之間充分接觸和定位,該階段坯料變形量極小,載荷增加緩慢;隨著凸模繼續(xù)下行,金屬試件開(kāi)始發(fā)生變形,由于需要克服點(diǎn)陣阻力和加工硬化的作用,所需的載荷急劇增加,即為變形的初始階段;變形發(fā)生后,由于變形溫度較高,因而發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶使其變形抗力減小,軟化過(guò)程和加工硬化過(guò)程幾乎平衡,變形進(jìn)入穩(wěn)定階段,載荷變化幅度不大,即為變形穩(wěn)定階段;穩(wěn)定變形階段后期,由于坯料與凹模接觸面積增加較多,摩擦力阻力增大,載荷又略有增加。由圖3(a)可以看出,隨著摩擦增加,穩(wěn)態(tài)變形時(shí)擠壓力增加,摩擦因子越大,穩(wěn)定變形后期擠壓力增加愈明顯;摩擦因子為0.5時(shí),穩(wěn)態(tài)變形初始階段擠壓力約為1.1MN,相比摩擦因子0.1和0.3增加了0.3和0.1,由于摩擦熱效應(yīng),變形過(guò)程抗力降低使其繼續(xù)增加對(duì)穩(wěn)態(tài)變形擠壓力增加影響減弱。由圖3(b)可以看出,當(dāng)凸模速度較小時(shí),穩(wěn)態(tài)變形載荷約為0.9MN;隨著凸模速度增加,軟化速度小于加工硬化速度使其擠壓載荷增加;當(dāng)凸模速度較大(50mm/s)時(shí)擠壓力又反而降低,這主要是由于瞬態(tài)熱效應(yīng)使金屬變形過(guò)程軟化速度大于硬化速度。由圖3(c)可以看出,擠壓載荷隨著溫度的升高而降低,相比摩擦和變形速度,在熱傳導(dǎo)和接觸換熱作用下,溫度易于趨于一致,因而溫度對(duì)穩(wěn)定變形階段后期的擠壓載荷影響較小。2.3圓角和筒壁變形特點(diǎn)圖4所示為不同工藝參數(shù)條件下的等效應(yīng)力分布。由圖可以看出,整個(gè)變形過(guò)程,應(yīng)力沒(méi)有發(fā)生明顯的應(yīng)力集中,變形結(jié)束后,等效應(yīng)力主要集中在坯料底部和凸凹模圓角處,而筒壁部分在變形結(jié)束后的應(yīng)力值較小,表明變形主要是圓角部位的剪切變形和底部的壓縮變形。隨著摩擦增加,底部中心粘著區(qū)增加,圓角部位應(yīng)力分布梯度增加;凸模變形速度較小時(shí),圓角和筒壁區(qū)域應(yīng)力分布梯度較大,底部應(yīng)力分布梯度較小,較小的凸模變形速度有利于壓縮變形,不利于剪切變形;隨著變形溫度升高,圓角部位應(yīng)變梯度先減少后增加。2.4凸模下行溫度和等效應(yīng)變圖5所示為不同工藝參數(shù)下等效應(yīng)變分布。由圖可以看出,不同工藝參數(shù)條件下,等效應(yīng)變分布規(guī)律基本相同,筒壁頂端金屬位于自由變形區(qū),沒(méi)有產(chǎn)生明顯塑性變形和加工硬化,應(yīng)變值達(dá)不到所需要求,造成筒形壁軸向變形不均勻;凸模圓角部位金屬發(fā)生較大的轉(zhuǎn)移和塑性變形,在剪切和摩擦作用下應(yīng)變值最大;底部金屬內(nèi)外側(cè)均受到擠壓和模具接觸摩擦作用,應(yīng)變值位于中間,而底部中心金屬受到摩擦作用屬于粘著區(qū),變形較小。由圖5(a)~(c)可知,隨著摩擦因子增加,筒壁軸向分布梯度增加,厚度方向應(yīng)變分布梯度減小,摩擦因子過(guò)大時(shí),應(yīng)變分布梯度明顯增加,變形不均勻。由圖4(d)、(b)、(e)可以看出,凸模下行速度對(duì)變形均勻性影響較為復(fù)雜,一方面隨著凸模速度增加,瞬間熱效應(yīng)增加,從而使金屬流動(dòng)性增強(qiáng),有利于變形均勻性;另一方面由于摩擦作用使內(nèi)外層金屬流動(dòng)速度差值增加,而且變形速度增加有可能使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不能順利完成,反而不利于均勻變形。由圖5(f)、(b)、(g)可知,整體等效應(yīng)變分布梯度較小,適合均勻性變形,主要原因是變形溫度過(guò)低時(shí),由于模具和坯料之間換熱作用使部分區(qū)域動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不能完全進(jìn)行,而溫度較高時(shí),部分區(qū)域容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大。各特征點(diǎn)(圖2)等效應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。由圖可知,凸模下行與坯料接觸,此時(shí)坯料沒(méi)有變形,隨著凸模繼續(xù)下行,坯料底部邊緣區(qū)域(P7)在凸、凹模作用下首先產(chǎn)生微小變形,然后隨著變形量增加,該區(qū)域應(yīng)變值一直增加,直到變形終了階段,應(yīng)變趨于平穩(wěn),該區(qū)域產(chǎn)生較大的剪切變形,累積應(yīng)變較大,組織性能較好;變形進(jìn)行的初始階段,坯料邊緣的中心區(qū)域(P6)應(yīng)變值急劇增加,金屬轉(zhuǎn)移進(jìn)入筒壁后,應(yīng)變值基本不發(fā)生變化,不產(chǎn)生進(jìn)一步塑性變形;坯料頂部邊緣(P5)開(kāi)始進(jìn)行變形時(shí),發(fā)生微小應(yīng)變,然后進(jìn)入凸、凹模間隙,不產(chǎn)生塑性變形,組織性能較差。坯料中心區(qū)域上下表面(P1、P3)處于粘著區(qū),發(fā)生壓縮變形,由于摩擦存在,變形量較小,而中心區(qū)域(P2、P4)屬于易變形區(qū),應(yīng)變較大。3筒壁變形規(guī)律(1)基于三維剛塑性有限元熱—力耦合模型和局部網(wǎng)格重劃分技術(shù),分析了TC6鈦合金筒形件不同工藝參數(shù)下載荷變化和應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律,變形后網(wǎng)格分布較為均勻。由于摩擦作用坯料軸心上下表面屬于難變形區(qū),金屬主要產(chǎn)生軸向壓縮變形,坯料徑向中心區(qū)域?qū)儆谝鬃冃螀^(qū),金屬發(fā)生軸向和徑向壓縮變形,坯料邊緣金屬屬于自由變形區(qū),特別是邊緣底部金屬變形量最大。(2)反擠壓變形分為三個(gè)階段:接觸階段、初始變形階段、穩(wěn)定變形階段。接觸階段坯料變形量極小,載荷增加緩慢,變形的初始階段載荷急劇增加,變形發(fā)生后,動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶使其變形抗力減小,軟化過(guò)程和加工硬化過(guò)程幾乎平衡,變形進(jìn)入穩(wěn)定階段,載荷變化幅度不大。摩擦因子和凸模速度增加以及溫度降低使得穩(wěn)定變形階(下轉(zhuǎn)第103頁(yè))(上接第100頁(yè))段增加,當(dāng)變形速度過(guò)大時(shí),瞬態(tài)熱效應(yīng)顯著,反而導(dǎo)致載荷降低。(3)等效應(yīng)力主要集中在坯料底部和凸、凹模圓角處,而筒壁部分變形結(jié)束后的應(yīng)力值較小,整個(gè)變形過(guò)程,應(yīng)力沒(méi)有發(fā)生明顯的應(yīng)力集中。不同工藝參數(shù)條件下,等效應(yīng)變分布規(guī)律基本相同,筒壁頂端金屬位于自由