高雷雷 张金中 沙磊 孙阳
[1.中国石油大学（华东）机电工程学院；2．山东省无石棉摩擦材料技术研究推广中心]
摘要 建立了不同模具外角半径、模具内角半径与不同摩擦因数条件下的AZ31镁合金等通道转角挤压有限元模型，分析了摩擦应力在整个挤压过程中的变化规律，研究了模具外角半径、模具内角半径及摩擦因数对ECAE挤压过程中摩擦应力变化曲线峰值与稳定值的影响。以AZ31镁合金为试验对象进行了挤压试验，对模拟结果进行了验证，并提出了减小摩擦应力提高挤压成功率的措施。结果表明，试样左侧摩擦应力最大值与试样右侧摩擦应力最大值随试样移动距离变化呈现出不同的变化特征。模具内角半径变化对试样右侧摩擦应力最大值变化曲线的峰值及稳定值有重要影响，而模具外角半径变化对试样左侧摩擦应力最大值变化曲线的峰值有重要影响。摩擦因数对摩擦应力变化曲线的峰值与稳定值均有重要影响。
关键词 AZ31镁合金；等通道转角挤压；摩擦应力；峰值；稳定值
镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天、汽车、电子电器等领域具有广泛的应用价值。近年来，国内外学者采用大塑性变形工艺制备高性能镁合金做了大量工作。在现有大塑性变形加工工艺中，等通道转角挤压(Equal Channel Angular Extrusion，简称ECAE)法，由于其采用纯剪切变形方式来细化材料的微观组织，且具有不改变试样形状、可多次重复进行、显著细化材料微观组织等优点。但该工艺存在实际挤压时，若工艺参数选择不合适，易导致试样表面在摩擦应力作用下出现较严重的裂纹，导致挤压成功率较低。
实际进行ECAE挤压试验时，一般在模具内角及模具外角处各设计一个过渡圆角，以减小挤压过程中产生摩擦应力对挤压的不利影响。研究者对具有不同模具内角、外角半径及不同摩擦因数的ECAE过程进行了有限元模拟，但多侧重于模具外角半径与内角半径变化对试样内部应变、挤压力大小与晶粒细化效果的影响，模具半径及摩擦因数变化对摩擦应力的影响及在整个挤压过程中摩擦应力的变化规律的研究还未见报道。
本课题建立了不同模具外角半径、内角半径与不同摩擦因数条件下的ECAE有限元分析模型，对ECAE过程中摩擦应力随试样移动距离的变化规律及模具半径与摩擦因数对摩擦应力变化曲线峰值与稳定值的影响进行了研究，并进行了试验验证。
1 分析模型建立及试验
1.1有限元模型建立
采用有限元分析软件ANSYS建立了不同模具内角Ri、不同模具外角R。，与不同摩擦因数u下AZ31镁合金的等通道转角挤压的二维分析模型，见图1，与试样接触的模具表面采用target169单元，AZ31镁合金试样表面采用contactl 71单元，试样与模具非接触面选用plane182单元。实际挤压时，为减小裂纹产生，试样与模具表面润滑状态良好时摩擦因数u一般小于0. 10，故模拟时将摩擦因数从0.01开始逐步增加至0. 10，每次的增加量为0.01。为了模拟模具或试样表面损坏等极端情况，模拟了摩擦因数为0. 15、0.20和0. 25时的挤压过程。模具内角≠变化·范围为110。～130。，模具外角半径R。，变化范围为0～10 mm，模具内角半径Ri变化范围为0～10 mm，试样横截面尺寸为10 mm×100 mm，与后续的试样尺寸一致。模拟时试样移动距离d<20 mm时其增量为1 mm，d≥20 mm后其增量为10 mm。
1.2试验材料
试验材料为AZ31镁合金棒材，其化学成分见表1。从棒材上切割试样，试样尺寸为10 mm×10 mm×100mm。对试样进行表面光洁处理，试样表面粗糙度R。=0. 8～6.3um。
1.3试验方法
通过更改AZ31镁合金试样与模具表面粗糙度与改变润滑剂涂覆来改变试样与模具表面的摩擦因数。挤压时加热温度为300℃，加热时间为30 min，试样与模具达到加热温度与保温时间后，在液压万能试验机上对试样进行挤压试验。
2 结果分析与讨论
2.1摩擦应力在挤压过程中的变化
图2是模具内角为110。时，ECAE挤压过程中试样与模具表面摩擦应力在不同移动距离下的大小与分布。为了便于分析与讨论，将摩擦应力分为试样左侧摩擦应力与试样右侧摩擦应力，并取其最大值进行讨论（分别表示为SL和SR）。由图2可以看出，挤压刚开始时，试样最下端开始进入通道转角处，试样最下端与模具外角半径R（，接触，试样在模具外角半径与挤压力作用下出现轻微弯曲变形的趋势，故试样下端两侧在转角处产生摩擦应力，而试样其余部位摩擦应力较小，可忽略不计。当d=5 mm时，SI，约为41 MPa，SR值约为11.1 MPa（见图2a）。当d=11 mm时，在竖直通道内试样左侧A处摩擦应力大小及分布面积出现轻微增大，而转角处摩擦应力数值呈现出显著增大趋势，此时SI.增加至307 MPa，SR增加至66.4 MPa（见图2b）。d= 30 mm与d=60 mm时竖直通道内A处摩擦应力大小继续增加，而SL分别为84.5 MPa与79.8 MPa，与d=11 mm时相比显著减小；SR为74.9 MPa与71.5 MPa，与d=11mm时相比变化较小。由图2还可以看出，SR均产生于转角处附近。
图3为不同模具内角与不同摩擦因数条件下摩擦应力最大值随d的变化规律曲线(R．，=10 mm，Ri=5mm)。由图3可以看出，在不同模具角度与不同摩擦因数条件下，当d<20 mm时，SL随着d的增加呈现出先显著增加后显著减小的变化趋势，而SR随d的增加呈现出缓慢增加的变化趋势，两者在此过程中均存在一个最大值，且S．。显著大于SR。以≠=110。，u=0.1条件下的S．，与SR曲线变化为例，发现随着d的增加，SL由d=0 mm时的O MPa快速增加至d=12 mm时的423 MPa，随后又快速减小至d= 20 mm时的110MPa; SR由d=0时的0MPa缓慢增加至d=12 mm时的73 MPa，至d=20 mm时其值为118 MPa，d=12mm时SL与SR数值相差高达350 MPa。当d≥20mm时，SL与SR均呈现出较小的波动，即S．．与SR随d的变化趋于一稳定值，且d超过20 mm后，SL与SR的数值大小相接近。由图3还可以看出，在较高摩擦因数条件下Sl。与SR随d的变化均高于较低摩擦因数条件下S．。与SR，即摩擦因数增加会导致ECAE挤压过程中摩擦应力最大值的增加。
2.2 Ri对峰值及稳定值的影响
由图3分析可知，当d<20 mm时S，。与SR变化曲线存在一个峰值。而当d≥20 mm后两者变化曲线存在一个稳定值。为了便于说明，后续讨论中摩擦应力变化曲线峰值以SP表示，稳定值以Ss表示。图4为不同模具角度与不同摩擦因数条件下摩擦应力曲线峰值SP随内角半径Ri的变化规律（Rc，=10 mm）。可以看出，随着模具内角半径Ri的增加，右侧SP呈现出一定下降趋势。左侧SP在不同摩擦因数条件下呈现出不同变化特征。当u=0. 05与u=0.10时，左侧S，随内角半径Ri增加无明显变化；摩擦因数u=0.15时，当Ri较小时，左侧SP随Ri增加略有下降，当R．超过一定值后，右侧SP随Ri增加显著下降。模拟结果表明，模具内角半径Ri增加可在一定程度上减小右侧SP的大小，但对于左侧SP，仅在较大模具内角半径与较高摩擦因数时才能减小其大小。
图5为不同模具角度与不同摩擦因数条件下摩擦应力曲线稳定值Ss随内角半径Ri的变化规律(Ro=10 mm)。可以看出，随着Ri的增加，右侧Ss与左侧Ss呈现出不同变化特征。当R1<5 mm时，右侧Ss随着R1增加显著下降；当Ri≥5 mm后，Ss随Ri增加下降趋势趋于平缓。试样左侧Ss随着Ri增加变化特征不明显。由图5还可以看出，当R1<5 mm时，左侧Ss与右侧Ss数值相差较大，当R．≥5 mm后左侧Ss与右侧Ss数值接近。
图4与图5的分析结果表明，模具内角半径R．的变化主要影响试样右侧SP与Ss，而对试样左侧SP与Ss影响较小。这是因为模具内角半径Ri变化会引起挤压过程中试样右侧与模具在转角处的接触面积的变化。随着RI增加，试样右侧与模具接触面积也随之增大，接触面积的增加可减轻挤压过程中在试样右侧产生的摩擦应力集中，摩擦应力可分布于较大面积的试样与模具内部，故随着模具内角Ri增加，右侧SP与Ss均呈下降趋势。
2.3 Ro对峰值及稳定值的影响
图6为不同模具角度与不同摩擦因数条件下摩擦应力曲线峰值S，随外角半径Ro的变化规律(Ri=5mm)。由图6可以看出，随着Ro的增加，试样右侧SP及试样左侧SP呈现出不同变化特征。左侧SP总体上随着R．，增加而减小，且当Rn超过一临界值后SP显著减小，不同模具角度及不同摩擦因数条件下该临界值不同。当R。，由0增至5 mm时，SP减小了7%，而当R c，由5 mm增至10 mm时，SP减小了23%，即Rf，超过5mm后S，减小明显。当摩擦因数u=0.05与u=0.1时，R．，超过5 mm后SP开始显著下降，而当u=0.15时，当Ru超过7 mm后才开始出现显著下降。不同模具角度及不同摩擦因数条件下，试样右侧SP随着R c，变化无明显变化，SP基本保持一恒定值，Ro对右侧的SP影响可忽略不计。
图7为不同模具角度与不同摩擦因数条件下摩擦应力曲线稳定值Ss随外角半径R。，的变化规律(Ri=5mm)。可以看出，随着R．，的增加，试样右侧与试样左侧Ss均随着Ru的变化无明显规律，但试样左侧Ss随R。变化的波动幅度要大于试样右侧Ss随R c，变化的波动幅度。
由图6和图7可知，当Ro发生变化时，主要影响试样左侧SP的变化，对试样右侧SP及对左右两侧的稳定值Ss影响较小。即R。，仅对移动距离d<20 mm内产生的最大摩擦应力有影响。这是因为d<20 mm时为挤压初期，此时试样由竖直通道经过转角处开始逐步进入斜通道。当R．，增加时，导致转角处试样最下端左侧在经过转角处时其曲率半径变大，试样与模具接触面积增加，削弱了摩擦应力集中，故左侧SP随R．，的增加而减小。而当d≥20 mm时，试样下端已由竖直通道进入斜通道，转角处由于试样变形与模具在转角处存在一定间隙，转角处无摩擦应力产生，此时摩擦应力分布主要集中在斜通道内，故模具外角半径R．，变化对左右两侧的稳定值均无显著影响。
2.4摩擦因数对峰值及稳定值的影响
图8为不同模具内角条件下SP随摩擦因数u的变化规律（Ro=10 mm，Ri=5 mm）。由图8可以看出，右侧SP随摩擦因数增大呈现出线性增加的趋势。当u<0.1时，左侧SP随摩擦因数增大也基本符合线性增大特征；当u≥0.1后，左侧SP呈现出随摩擦因数增大而显著增加的变化。由图8还可以看出，当摩擦因数较小时，左右两侧的SP数值相差较小，而随着摩擦因数增大，左右两侧的SP数值相差越来越大。
图9为不同模具内角条件下摩擦应力最大值变化曲线稳定值Ss随摩擦因数的变化规律（R．、=10 mm，R1=5 mm）。由图9可以看出，左侧Ss与试样右侧Ss均随摩擦因数增加呈现出线性增加的变化。与摩擦因数对SP影响不同的是，随着摩擦因数增大，左右两侧的Ss数值比较接近，两者随摩擦因数增大数值相差不大。
由图8与图9可知，Ss与SP均随摩擦因数u的增加而增加，且左侧SP当摩擦因数超过一定数值后会急剧增加，造成挤压过程中产生较大的摩擦应力。模具在实际挤压过程中，模具表面会随着挤压次数增加出现摩擦因数增加现象。因此实际ECAE挤压时，若摩擦因数经过多道次挤压后出现增加现象，则应采取一定措施减小摩擦因数，以减小挤压过程中由于摩擦因数增加引起的摩擦应力大小，可避免表面在摩擦应力作用下出现裂纹现象。
2.5 实际挤压结果
图10为采用不同摩擦因数u与不同模具外角半径R。条件下对AZ31镁合金进行实际挤压后的外观形貌。可以看出，在较高摩擦因数与较小R。条件下，试样表面产生较多较深的裂纹，挤压未成功(见图10a)；在增加模具外角半径与减小摩擦因数后，试样表面仍产生裂纹，但裂纹深度有所减小（见图10b）；当进一步减小摩擦因数与增加外角半径后，试样表面无裂纹，ECAE可顺利完成挤压。
3 结论
(1) ECAE挤压过程中，试样左侧摩擦应力最大值随试样移动距离增加呈现出先显著增加后显著减小最后趋于一稳定值的变化特征；试样右侧摩擦应力最大值随试样移动距离增加呈现出先增加后趋于一稳定值的变化特征。
(2)模具内角半径的变化主要影响试样右侧摩擦应力峰值与稳定值，而对试样左侧摩擦应力峰值与稳定值影响较小；模具外角半径R。变化主要影响试样左侧摩擦应力峰值大小，对试样右侧摩擦应力峰值SP及对左右两侧的稳定值影响较小。
(3)随着摩擦因数增加，摩擦应力曲线的峰值与稳定值均随摩擦因数的增加而增加，且左侧峰值当摩擦因数超过一定数值后会急剧增加，造成挤压过程中产生较大的摩擦应力。
(4)减小摩擦因数与增加模具外角半径可显著减小ECAE挤压过程中摩擦应力的峰值大小，避免试样表面出现裂纹，提高挤压成功率。
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