作者：李超群
就镁合金管材的制造而言，特别是薄壁和高精度的镁合金管材，挤压相对于轧制、锻造等塑性成形方法，能更有效地改善镁合金的塑性，细化晶粒组织，提高合金强度，且挤压管件尺寸精度高，表面质量好[5-8] 。但前对挤压方法的研究尚不够深入，应用规模还十分限。ZHENG X W等[9] 采用正向挤压方法制备出外为110 mm，内径为90 mm的Mg-3. ONd-0. 22n-0.4镁合金管材。但正向挤压时坯料与挤压筒摩擦较大，属流动不均，使挤压制品沿长度和断面方向上的组织能不均匀。反向挤压不存在上述缺点，且挤压时能耗低，可获得更大的变形程度或挤压变形抗力更高的料[10]。
镁合金挤压变形是一个复杂的热力耦合过程，随着有限元方法(FEM)的发展，将计算机辅助设计(CAE)运用到镁A金的挤压过程当中，可以最大程度模拟实际挤压情况，考察不同参数对挤压过程的影响，确定最佳工艺，可取代传统的试错方法，达到节省费用、提高产品质量的效果。因此，成为研究镁合金挤压工艺较好的分析工具[11-13]。LAPOVOK R Y等[14]采用FEM确定了最大挤压速度的极限值。王新等[15]通过数值模拟和有限元方法建立了 AZ31B管材的挤压极限图。
吴志林等[16]通过Deform-3D软件对A280镁合金的挤压成形进行了数值模拟并进行了挤压试验，通过试 验验证了A280镁合金静液挤压扩展成形工艺方法的可行性与数值模拟的挤压成管材为例，利用Deform-3D软件对4种温度下不同挤压速度的情况进行了模拟，并在自行设计制造的静液挤压机上进行试验，得到的管材外形完整，内外表 面质量良好，验证了数值模拟结果的合理性与工艺的可行性。孙颖迪等[18]基于Deform-3D与A231镁合金材料模型对镁合金电池筒的反挤压成形过程进行数值模拟，并根据优化工艺进行反挤压成形试验验证，发现成形的筒形件表面质量较好，硬度、强度等指标均合格。同时，从筒件侧壁组织可以看出，A231镁合金晶粒组织经挤压变形已明显细化，说明Deform有限元分析能够为镁合金反挤压成形提供依据。本课题通过制定不司坯料温度、模具预热温度、挤压速度、模角等工艺参数，应用Deform-3D有限元模拟软件，实现A231镁合金管材反挤压精密成形，模拟得到外径为9.8 mm、壁厚为1.9 mm的镁合金薄壁管材，确定了最佳挤压工艺参数，为镁合金管材挤压工艺的制定提供了参考依据[19]。有限元模拟
1.1 刚塑性有限元几何模型的建立
组合模具及坯料示意图见图1。各参数见表1。应用Solidworks三维实体造型软件分别建立了模具、挤压筒和坯料的三维实体几何模型，并分别保存为“STL”格式。
1.2模拟参数设置
为了研究挤压温度、挤压速度和模角对反挤压成形过程的影响，分别进行了不同挤压温度、挤压速度、模角的模拟。挤压温度分别为230、250、270、290、310℃；挤压速度分别为1、3、5、7、9 mm/s;模角分别为300、400、450、500、60。为防止坯料与模具之间的温差太大而使坯料温度下降过快，需对模具进行预热，模具温度略低于坯料温度。A231镁合金材料的属性参数见表2。模拟的其他主要参数见表3。
2 结果分析
2.1温度场、损伤及流动速率分析
挤压中间过程中的温度场、损伤因子及流动速率分布情况见图2。从图2a看出，原始坯料与模口接触处和管材刚挤出处温度较高。这是由于模具对坯料做的功，除了使坯料产生塑性变形外，还可转化为坯料的内能，当热量来不及散失时便使坯料温度升高，管材刚从模口挤出时由于产生的变形量很大，并且摩擦生热导致温度较高，这些地方恰恰容易产生表面质量缺陷甚至开裂等加工缺陷。从图2b看出，坯料与模具接触处和管材挤出后的损伤因子较大，说明这地方开裂的概率大。因此在镁合金反挤压时挤压速度不能太大，否则可能导致挤出的管材出现裂纹。从图2c看出，反挤压中主要是与模口接触处的材料流动剧烈，管材主要由这部分材料流出模口形成，而下半部分坯料流动速率不大。这与实际情况相吻合。
2.2挤压温度对挤压工艺的影响
图3是不同参数与挤压温度的关系。从图3a可以看出，随着挤压温度即坯料预热温度的升高，挤压终了温度的最小值逐渐升高，但终了温度的最大值呈现微小波动情况，说明坯料预热温度对挤压最大温升的影响不明显。从图3b看出，随着坯料预热温度的升高，最小等效应力变化不大，最大等效应力明显减小，因此等效应力的差值相应减小，等效应力的分布也趋于均匀化。而且随着挤压温度的升高，合金变形抗力减小，从而使得总的变形力也相应减小，图3c可以看出，挤压力的峰值降低也很明显。
2.3挤压速度对挤压工艺的影响
图4是不同参数与挤压速度的关系。由图4a得知，随着挤压速度的增大，挤压件各部分的流动速率增长较快，金属变形越不均匀。材料的流动速率不能太大，否则容易出现孔洞、挤压缩尾等缺陷，且所需设备的功率也增大。分析图4b可知，挤压的终了温度随着挤压速度的升高而明显增大，主要是因为挤压速度增大，单位时间内对坯料做的功增加，塑性功转变为内能增多，而热量还来不及散失，所以挤压终了温度升高较明显。
2.4模角对挤压工艺的影响
图5为不同参数对模角的影响。从图5看出，当模角逐渐增大时，金属的流动速率升高，即流动变得更不均匀了。这是由于模角较大时，挤压死区的高度很大，死区与流动金属的摩擦作用强，流动趋于不均匀。图5b表明，随着模角的增大，由于摩擦面积减小即摩擦力变小，从而使挤压力减小。而模角对挤压终了温度的影响不大，见图5c。
2.5参数优化
选取不同挤压温度、挤压速度、模角进行正交试验，具体参数见表4。
分析表4可知欲使最大挤压力尽量小且最高温升不超过镁合金的过热温度450℃，选择第7组较恰当，即挤压温度为310℃、挤压速度为1 mm／s、模角为600。
3 结 论
(1)反挤压坯料的主要变形是模口附近的扇形区域．此处的坯料经过大变形后挤出模口形成管材，温度急剧升高，容易产生开裂、表面质量差等挤压缺陷。
(2)管材内残余应力和最高温升均随着挤压温度的增大而增大；挤压速度增大时，金属的流动速率和管材的最高温升均增大；增大模角可降低挤压力而减小模角，可使材料流动均匀。
(3)对不同挤压温度、挤压速度和模角进行试验，分析后得出最佳的挤压工艺参数：挤压温度为310℃、挤三速度为1mm／s、模角为600。
4 摘要
根据A231镁合金流动应力一应变曲线建立了材料模型，应用Deform-3D软件A231镁合金薄壁管材反挤压过程进行了有限元模拟，分析了挤压过程中坯料和管材内部温度场、损伤因子及流动速率的分布情况，着重探讨了不同挤压温度、挤压速度和模角对最高温升等效应力、流动速率及挤压力峰值的影响。结果表明，A231镁合金薄壁管材反挤压的最佳工艺参数：挤压温度为310℃、挤压速度为1 mm/s、模角为600。
