畢業(yè)設(shè)計(jì)--扭擠變形的數(shù)值模擬及模具設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　扭擠變形的數(shù)值模擬及模具設(shè)計(jì)</p><p>　　系部：機(jī)械材料系 </p><p>　　專業(yè)名稱：材料成型及控制工程 </p><p><b>　　班級(jí)：</b></p><p>&

2、lt;b>　　學(xué)號(hào)：</b></p><p><b>　　作者: </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師:</b></p><p>　　2010 年 06 月 08 日</p><p>　　扭擠變形的數(shù)值模擬及模具設(shè)計(jì)</p><p&

3、gt;　　Numerical simulation of the twist extrusion process and die design</p><p>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)</p><p>　　指導(dǎo)教師： 職稱：講師 </p><p>　　2010年 3月 10日 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文

4、）題目：扭擠變形的數(shù)值模擬及模具設(shè)計(jì)</p><p>　　1.課程性質(zhì)（請(qǐng)?jiān)谙鄳?yīng)的選項(xiàng)上打勾）□縱向課題□已簽約的橫向課題□未簽約的橫向課 題□實(shí)驗(yàn)室建設(shè)課題√模擬性課題□學(xué)生自選人文課題</p><p>　　2.課題類型（請(qǐng)?jiān)谙鄳?yīng)的選項(xiàng)上打勾）□工程設(shè)計(jì)（實(shí)踐）□理論研究□實(shí)驗(yàn)研究□計(jì)算 機(jī)軟件設(shè)計(jì)√綜合</p><p>　　一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及要求（包括原

5、始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、達(dá) 到的指標(biāo)和應(yīng)做的實(shí)驗(yàn)等）</p><p>　　1 提供條件： 模擬軟件。</p><p>　　2 設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求:</p><p>　　(1) 通過(guò) DEFORM-3D 軟件對(duì)扭擠材料變形進(jìn)行有限元模擬， 分析其等效應(yīng)變及載荷等各場(chǎng)量的變化；</p><p>　　(2) 通過(guò)數(shù)值模擬分析螺距對(duì)等效應(yīng)變及載荷等場(chǎng)量的影響；

6、</p><p>　　(3) 通過(guò)數(shù)值模擬分析圓角半徑對(duì)等效應(yīng)變及載荷等場(chǎng)量的影 響；</p><p>　　(4) 通過(guò)數(shù)值模擬分析摩擦對(duì)等效應(yīng)變及載荷等各場(chǎng)量的影響；</p><p>　　(5) 通過(guò)數(shù)值模擬分析轉(zhuǎn)角對(duì)等效應(yīng)變及載荷等各場(chǎng)量的影響；</p><p>　　(6) 通過(guò)數(shù)值模擬分析多道次扭擠對(duì)等效應(yīng)變及載荷等各場(chǎng)量 的影響；&l

7、t;/p><p>　　(7) 通過(guò)數(shù)值模擬分析連續(xù)扭擠時(shí)等效應(yīng)變及載荷等各場(chǎng)量的 變化；</p><p>　　(8) 對(duì)扭擠模具進(jìn)行簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)，畫(huà)出其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。</p><p>　　二、完成后應(yīng)交的作業(yè)</p><p>　　1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文一份（不少于 1.5 萬(wàn)字）；</p><p>　　2. 外文譯文一篇（不少于 50

8、00 英文單詞）；</p><p><b>　　三、完成日期及進(jìn)度</b></p><p>　　自 2010 年 3 月 15 日起值至 2010 年 6 月 13 日止 進(jìn)度安排：</p><p>　　2010.3.15～3.26文獻(xiàn)檢索、閱讀及翻譯；</p><p>　　2010.3.29～6.4軟件學(xué)習(xí)，模擬方

9、案確定及數(shù)值模擬；</p><p>　　2010.6.7～6.11撰寫(xiě)論文及評(píng)閱；</p><p>　　2010.6.12～6.13答辯。</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　扭擠是大塑性變形工藝的一種 ，采用有限元法對(duì)純鋁在室溫下的扭擠變形 進(jìn)行了模擬 。結(jié)果表明 ，扭擠過(guò)程中 ，變形主

10、要發(fā)生在棱角處 ，邊緣處應(yīng)變遠(yuǎn) 遠(yuǎn)大于中心部位 。中心部分的應(yīng)變值隨著摩擦增大略微增大 ；邊緣處的應(yīng)變值 隨摩擦系數(shù)的增大增加顯著 。隨著螺距的增加 ，橫截面上的等效應(yīng)變和最大載 荷都明顯減小 。轉(zhuǎn)角越大 ，等效應(yīng)變和扭擠載荷都顯著增大 。圓角半徑由 1mm 增大至 2mm 時(shí)試樣橫截面上的等效應(yīng)變減小，等效應(yīng)變分布更均勻，最大載 荷也更小一點(diǎn) ，說(shuō)明圓角相對(duì)于尖角更加優(yōu)越 。扭擠過(guò)程中試樣溫升隨擠壓速 度的增大而增加 。數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)

11、于扭擠工藝的制訂和模具設(shè)計(jì)具有一定的指 導(dǎo)意義。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：扭擠；劇烈塑性變形；數(shù)值模擬；模具設(shè)計(jì) </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Twist extrusion is one of the large plastic deformation processes. Twist ex

12、trusion deformation of Al 1100 were simulated by finite element method (FEM) at room temperature. The results show that the deformation occurred mainly at the four corners during twist extrusion, and the effective strain

13、 is larger at the corners than the center. The effective strain in the center increases slightly with the increase of friction coefficient, but it increases obviously at the corners. The effective strain </p><

14、;p>　　Keywords:Twistextrusion;Severeplasticdeformation;Numerical simulation; die design</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 緒 論 ................................................

15、............................................... 1</p><p>　　1.1 概述 .......................................................................................................... 1</p><p>　　1.2 主要的S

16、PD方法1</p><p>　　1.2.1 等徑角擠壓 ........................................................................................ 1</p><p>　　1.2.2 往復(fù)擠壓 .....................................................

17、....................................... 2</p><p>　　1.2.3 連續(xù)約束板帶剪切 ............................................................................. 3</p><p>　　1.2.4 等徑角軋制 .........................

18、............................................................... 3</p><p>　　1.2.5 累積疊軋 ............................................................................................ 4</p><p>　　1.2

19、.6 高壓扭轉(zhuǎn) ............................................................................................ 5</p><p>　　1.3 扭擠工藝 ....................................................................................

20、.............. 6</p><p>　　1.3.1 扭擠工藝技術(shù)原理 ............................................................................. 6</p><p>　　1.3.2 扭擠工藝變形特點(diǎn) ...............................................

21、.............................. 6</p><p>　　1.3.3 扭擠工藝目前存在的問(wèn)題及前景展望 ............................................... 8</p><p>　　1.4 有限元模擬的發(fā)展?fàn)顩r .....................................................

22、...................... 8</p><p>　　1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容 ................................................................................... 9</p><p>　　第二章 扭擠變形的數(shù)值模擬 .....................................

23、.......................... 10</p><p>　　2.1 有限元模擬軟件DEFORM簡(jiǎn)介10</p><p>　　2.2 扭擠變形數(shù)值模擬的方案和步驟 .......................................................... 10</p><p>　　第三章 模擬結(jié)果與分析 ......

24、.................................................................. 13</p><p>　　3.1 變形過(guò)程與變形特征 ............................................................................. 13</p><p>　　3.1.1 變形過(guò)

25、程 .......................................................................................... 13</p><p>　　3.1.2 應(yīng)變分布 ..........................................................................................

26、 14</p><p>　　3.1.3 載荷分布 .......................................................................................... 15</p><p>　　3.2 摩擦的影響 .......................................................

27、..................................... 15</p><p>　　3.3 螺距的影響 ............................................................................................ 17</p><p>　　3.4 螺旋轉(zhuǎn)角的影響 ...............

28、...................................................................... 19</p><p>　　3.5 多道次扭擠 ............................................................................................ 19</p><p&

29、gt;　　3.6 連續(xù)扭擠 ................................................................................................ 21</p><p>　　3.7 圓角的影響 ........................................................................

30、.................... 22</p><p>　　3.8 扭擠變形過(guò)程中試樣溫升 ...................................................................... 24</p><p>　　3.9 模具設(shè)計(jì) ...................................................

31、............................................. 25</p><p>　　結(jié) 論 ............................................................................................................. 28</p><p>　　致 謝 ......

32、....................................................................................................... 29</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn) ...................................................................................

33、............ 30</p><p><b>　　第一章緒 論</b></p><p><b>　　概述</b></p><p>　　晶粒細(xì)化及織構(gòu)控制是改善 、提高金屬材料性能的有效途徑之一 。采用傳 統(tǒng)的鍛造 、擠壓 、軋制以及隨后的再結(jié)晶退火處理工藝 ，盡管其晶粒尺寸最小 可達(dá)l0um并形成變形織構(gòu)或再結(jié)

34、晶織構(gòu)，但仍難以滿足對(duì)高性能材料的要求。 采用劇烈塑性變形[1](Severe Plastic Deformation, SPD)技術(shù)制備的材料通常具 有超細(xì)晶(Ultra-Fine Grains, UFG)組織 ，可獲得晶粒尺寸小于1um的UFG材料并 形成一些特殊的織構(gòu) ，因此具有優(yōu)異的力學(xué)性能和使用性能 ，這主要是由SPD 技術(shù)的變形特征所決定的[2]。在SPD工藝中 ，作用于材料上的真應(yīng)變可超過(guò)4.0， 所以這些經(jīng)過(guò)大塑性

35、變形后的材料可具有 UFG組織。 </p><p>　　現(xiàn)介紹幾種SPD工藝，目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)的SPD工藝技術(shù)主要有如下：等徑 角擠壓(Equal Channel Angular Extrusion or Pressing, ECAE or ECAP)工藝、往 復(fù)擠壓 (Reciprocating Extrusion, RE) 工藝、連續(xù)約束板帶剪切 (Continuous Confined Strip Shear

36、ing, C2S2)工藝 、等徑角軋制(Equal Channel Angular Rolling, ECAR)工藝 、累積疊軋(Accumulative Roll Bonding, ARB)工藝 、高壓扭轉(zhuǎn)(High Pressure Torsion, HPT)工藝 、多向鍛造(Multiple Forging, MF)工藝 、循 環(huán)擠壓壓 縮(Cyclic Extrusion Compression, CEC)工藝等。 </p

37、><p><b>　　主要的SPD方法</b></p><p><b>　　等徑角擠壓</b></p><p>　　等徑角擠壓 [3] 作為一種通過(guò)大塑性變形獲得大尺寸 UFG塊體材料的有效 方法之一，是20世紀(jì)80年代初由前蘇聯(lián)科學(xué)家Segal等[4-5]在研究鋼的微觀組織 和變形織構(gòu)時(shí)提出的。ECAP工藝是通過(guò)2個(gè)軸線相交

38、且截面尺寸相等的通道， 將被加工材料擠出，其基本原理如圖 1-1所示。在加工過(guò)程中，因通道轉(zhuǎn)角的 作用 ，材 料發(fā)生剪切變形從而產(chǎn)生大的剪切應(yīng)變 ，由此導(dǎo)致位錯(cuò)[4]的重排而使 晶粒得到細(xì)化并形成新的剪切變形織構(gòu)。 </p><p><b>　　往復(fù)擠壓</b></p><p>　　圖 1-1 等 徑角 擠壓示 意圖 </p><p>　　往

39、復(fù)擠壓通常是將坯料放入擠壓筒內(nèi) ，通過(guò)兩個(gè)沖頭的往復(fù)作用 ，使坯料 反復(fù)擠壓和鐓粗變形，從而得到 超細(xì)、等軸的超細(xì)晶組織 [6] ，如圖 1-2所示。 往復(fù)擠壓具有 ：①反復(fù)變形后材料的形狀尺寸不變 、變形量不受尺寸限制 、可 以獲得大應(yīng)變 ；②能夠制備大體積均勻細(xì)晶材料 ；③材料在變形過(guò)程中基本處 于壓應(yīng)力狀態(tài) ，有利于消除原始組織的各種缺陷 ，應(yīng)用于鎂合金等難變形材料 具有優(yōu)勢(shì)；④能夠連續(xù)變形、操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)率高、易于工業(yè)應(yīng)用。 &

40、lt;/p><p>　　往復(fù)擠壓可有效細(xì)化純鋁的晶粒 ，但材料的硬度提高不大 。這和 Hall-Petch 關(guān)系不符 。這是由于往復(fù)擠壓過(guò)程中高的擠壓溫度和大量積累的應(yīng)變以及純鋁 的高層位錯(cuò) ，使得在擠壓過(guò)程中 ，純鋁晶粒發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù) 。晶粒和晶界處的 位錯(cuò)密度很低。 </p><p>　　RE純鋁與 ECAP純鋁相比，延伸率大大提高。 ECAP純鋁在擠壓兩道次以 后，由于加工硬化和位錯(cuò)密度

41、的大量 增加，延伸率急劇下降。但是， RE純鋁 在一道次擠壓后延伸率為45.16％非但沒(méi)有下降 ，相比鑄態(tài)(約為40％)還有所增 加。這也和 RE擠壓過(guò)程中動(dòng)態(tài)回復(fù)的軟化作用 有關(guān)。純鋁是面心立方結(jié)構(gòu)， 有 12個(gè)滑移系，因此晶粒細(xì)化對(duì)塑性的影響不大。對(duì)于 RE純鋁，極低的位錯(cuò) 密度導(dǎo)致了加工硬化速率的降低 ，達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度的時(shí)間更長(zhǎng) ，在斷裂之前 塑性變形可以充分進(jìn)行并產(chǎn)生縮頸 ，因而得到了更大的延伸率 。另外 ，在一道 次 RE純

42、鋁的拉伸試樣上出現(xiàn)了明顯的變形條紋 ，這說(shuō)明整個(gè)拉伸區(qū)都發(fā)生了 變形 ，這 有利于吸收更多的能量 ，減少縮頸區(qū)域的應(yīng)力集中 ，進(jìn)一步延緩塑性 斷裂的發(fā)生，提高純鋁的延伸率。 </p><p>　　圖 1-2 往復(fù) 擠壓 示 意圖 </p><p>　　1.2.3 連續(xù)約束板帶剪切</p><p>　　與連續(xù)剪 切（Conshearing）工 藝類似 ，Lee等[

43、7]提出另一種連續(xù)ECAP工藝 即 C2S2工藝。 C2S2工藝也能夠?qū)崿F(xiàn)帶材的連續(xù)簡(jiǎn)單剪切 變形，其基本裝置 如 圖 1-3所示。在該工藝中，采用普通的雙 輥軋機(jī)作為送料裝置，但為了將材料 順利送入 ECAP模具，需在下輥表面加工出凹槽以增大其表面粗糙度。因此， 與普通軋制板 、帶材相比 ，該工藝所制備的樣品表面質(zhì)量非常差 。與Conshearing 工藝類似，其通道夾角也較大，一般在100°～140°之間。采用該

44、工藝對(duì)鋁及其 合金 、鋼 等的研究表明 ，可獲得與ECAP材料類似的 UFG組織和剪切變形織構(gòu)。 </p><p><b>　　等徑角軋制</b></p><p>　　圖 1-3 連 續(xù)約 束板帶 剪切 示意圖 </p><p>　　上述第 3種工藝雖然可實(shí)現(xiàn)板、帶材的連 續(xù)剪切變形，產(chǎn)生大的塑性變形 從而獲得 UFG組織并形成剪切變形織構(gòu)

45、，進(jìn)而大大改善和提高材料的性能 。但 同時(shí)可看到 ，對(duì) 于Conshearing工藝 ，需 要用帶有行星輥的特殊軋機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) ，而 C2S2工藝由于在軋輥表面有凹形槽，嚴(yán) 重影響了帶材的表面質(zhì)量。此外，對(duì) 于 C2S2工藝還需借助送料輥與帶材之間 的摩擦力來(lái)提供變形力，增大了模具 損耗 ，增 加了模具加工精度要求 。結(jié)合這些工藝的優(yōu)缺點(diǎn) ，程永奇在對(duì)鎂合金 板材的研究中提出了一種連續(xù)ECAP工藝即ECAR工藝 ，并針對(duì)鎂合金的變形特 點(diǎn)設(shè)

46、計(jì)了在普通雙輥熱軋機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的ECAR裝置 ，如 圖1-4所示 。該工藝采 </p><p>　　用普通雙輥熱軋機(jī)，將ECAR模具安裝于軋機(jī)出口處，ECAR模具與 ECAP模具 類似，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括進(jìn)口和出口通道高度 H、兩通道夾角 θ 、通道內(nèi)側(cè)圓 弧半徑 r、通道外側(cè)圓弧角 ψ 和半徑 R。在 ECAR過(guò)程中，板材首先通過(guò)兩軋輥 </p><p>　　產(chǎn)生一定的軋制壓下變形 ，然后

47、利用板材與軋輥之間的摩擦力將板材送入模具 進(jìn)口通道 ，并使之通過(guò)模具轉(zhuǎn)角 ，發(fā)生剪切變形 。該工藝的關(guān)鍵在于防止板材 發(fā)生剪切變形時(shí)失穩(wěn)起皺 ，而模具結(jié)構(gòu) 、通道與板材間的摩擦力以及板材與通 道之間的間隙均對(duì)板材的皺褶有很大影響。 </p><p><b>　　累積疊軋</b></p><p>　　圖 1-4 等 徑角 軋制示 意圖 </p><

48、p>　　ARB工藝的主要原理如圖 1-5所示，其具體過(guò)程如下：首先在對(duì)板材進(jìn)行 普通的軋制變形后 ，將板材均分為兩份并疊加 ，然后再軋制至原來(lái)的厚度 ，如 此反復(fù)進(jìn)行 ，從而可實(shí)現(xiàn)很大的變形而厚度不發(fā)生變化 。因此 ARB工藝不僅是 一個(gè)軋制變形過(guò)程，還包含一個(gè)焊合的過(guò)程(疊軋焊合)。所以為了取得好的焊 合效果，獲得良好的結(jié)合界面，在每道次疊軋前，必須對(duì)材料進(jìn)行表面處理， 采用鋼絲刷等去除材料表面的油污、雜質(zhì)、氧化物等。 <

49、/p><p>　　研究表明 ，在ARB工藝中材料并不存在難以焊合的問(wèn)題 ，對(duì)于低碳鋼甚至 在室溫下也可產(chǎn)生良好的焊合 。但是 ，為了能取得好的焊合效果 ，表面處理是 必不可少的 。此外 ，在每道次疊軋過(guò)程中還存在一個(gè)臨界壓下量 ，當(dāng)壓下量低 于該值時(shí)難以充分焊合 。雖然臨界壓下量取決于材料 、變形溫度等 ，但一般每 道次的壓下量必須超過(guò) 35%，所以與普通軋制相比該工 藝的軋制力比較大。 ARB工藝除了要求軋機(jī)具有較

50、大的功率以實(shí)現(xiàn)每道次大壓下量的疊軋焊合外， </p><p>　　對(duì)設(shè)備并無(wú)其它特殊要求。在 ARB工藝中，一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題就是開(kāi)裂。因?yàn)?ARB工藝的累積總應(yīng)變很大且其應(yīng)力狀態(tài)又較差 ，所以板材常常會(huì)發(fā)生邊裂現(xiàn) 象，特別是在軋制道次較多時(shí)。在某些材料如 Al-Mg合金中，其 邊部裂紋往往 會(huì)擴(kuò)展至板材中心，在這種情況下就不可能繼續(xù)進(jìn)行ARB加工。但研究表明， 對(duì)于大多數(shù)金屬材料而言 ，通過(guò)一些技術(shù)改進(jìn)則可避免裂紋

51、的產(chǎn)生 ，從而可制 得成形良好的大尺寸板材。目前，ARB工藝已成功用于鋁合金、銅合金、鎳、 鋼等材料的制備。 </p><p><b>　　高壓扭轉(zhuǎn)</b></p><p>　　圖 1-5 累積 疊軋 示 意圖 </p><p>　　HPT工藝 [8] 是通過(guò)壓桿向置于固定不動(dòng)的模 具中的盤(pán)狀材料施加很高的 壓力同時(shí)壓桿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ，從而實(shí)現(xiàn)

52、扭轉(zhuǎn)剪切變形的一種工藝 ，其基本原理如 圖 1-6所示。在 HPT工藝中，盤(pán)狀試樣可在高達(dá)幾 個(gè)吉帕的壓力下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變 形 。在變形過(guò)程中 ，試樣的尺寸不發(fā)生改變 ，所以在試樣的外側(cè)可引入很大的 剪切應(yīng)變 。由于模具的作用 ，材料在許用壓力和試樣外層壓力的作用下 ，在類 似于靜壓力的條件下發(fā)生剪切變形 ，因 此盡管其應(yīng)變量較大 ，試樣仍不易發(fā)生 破裂。 </p><p>　　從圖 1-6不難看出，材料的剪切應(yīng)變是

53、由壓 桿的旋轉(zhuǎn)所引入的，因此剪切 應(yīng)變量的大小隨材料所處位置的半徑不同而不同，應(yīng)變速率也是如此，所以 HPT工藝制備材料存在從中心向外側(cè)組織不均勻的現(xiàn)象 。但由于HPT工藝通常 只用于小薄片盤(pán)狀試樣的加工 ，對(duì)這種 組織的不均勻性可忽略 ，因此該工藝也 不具備實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值 ，但或許具有一定的科學(xué)研究?jī)r(jià)值 。目 前HPT工藝已成 </p><p>　　功用于鋁合金、銅、鋼等塊體UFG材料的制備。 </p&g

54、t;<p><b>　　1.3 扭擠工藝</b></p><p>　　圖 1-6 高壓 扭轉(zhuǎn) 示 意圖 </p><p>　　扭擠工藝 [9-13] 最初在 1999年由烏克蘭科學(xué)家 Y. Beygelzimer教授及其研究 團(tuán)隊(duì)提出并于2004年應(yīng)用于細(xì)化材料晶粒 。該工藝獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可用來(lái)制備 在某一維方向上具有很大尺寸的零件 (包括任意非圓形

55、截面形狀零件及帶有 內(nèi) 孔的近圓柱體零件等 )，同時(shí)可獲得精度較高的輪 廓外形，是機(jī)械加工半成品 零件的一種有效方法 。迄今為止 ，這 也是僅用其他任何一種大塑性變形工藝都 還不能滿足此項(xiàng)要求、生產(chǎn)具有特殊輪廓外形零件的一種獨(dú)特工藝方法[14-18]。</p><p>　　1.3.1 扭擠工藝技術(shù)原理</p><p>　　扭擠變形時(shí) ，具有非圓形橫截面的試樣，經(jīng)兩端為非圓形通道 、中間為

56、螺 旋通道的模具后 ，被最終擠出 。隨著變形過(guò)程的進(jìn)行 ，試樣將產(chǎn)生劇烈的塑性 變形 ，其 橫截面先沿某一方向扭轉(zhuǎn)一定的角度 ，然后再沿反方向扭轉(zhuǎn)相同的角 度，一道次應(yīng)變幅值大小約為該道次所獲總應(yīng)變量的 1/2。這點(diǎn)與圓盤(pán)狀試樣 的高壓扭轉(zhuǎn)變形類似 ，即若將試樣沿垂直于其橫截面的方向均勻分割成若干個(gè) 薄片狀小試樣 ，則該變形工藝可視為若干個(gè)循環(huán)高壓扭轉(zhuǎn)變形的集合 。與ECAP 相同的是 ，由于一道次變形后 ，試樣橫截面的形狀和尺寸均未發(fā)

57、生變化 ，因此 可利用多道次重復(fù)變形，以積累更大的塑性應(yīng)變來(lái)改善材料的微觀組織結(jié)構(gòu)， 進(jìn)而提高其力學(xué)性能。 </p><p>　　1.3.2 扭擠工藝變形特點(diǎn)</p><p>　　如上所述，扭擠工藝在某些方面可視 為三維方向上的高壓扭轉(zhuǎn) (HPT)，而 </p><p>　　從其工藝基本原理上看，每一道次的扭擠變形又都與等徑角擠壓(ECAP)類似。 相對(duì)于其他大塑

58、性變形法而言，扭擠工藝具有一系列不可比擬的顯著優(yōu)點(diǎn)。 </p><p>　　從材料所處的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)來(lái)看，扭擠工藝具有如下特點(diǎn)： </p><p>　　1) 扭擠變形時(shí)，試樣有兩個(gè)簡(jiǎn)單剪切平面，分別垂直和平行于其軸線 方 向 ，不同于ECAP變形(只含有一個(gè)剪切平面 ，且與軸向約呈45°～60°角)。因此， 該變形工藝可使材料獲得特殊結(jié)構(gòu)的顯微組織 ，若將ECAP和T

59、E兩種工藝結(jié)合 起來(lái)，還可以得到多種不同的變形工藝路徑。 </p><p>　　2) 扭擠變形時(shí)，試樣橫截面應(yīng)變梯度很大，這點(diǎn)與高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)極為相 似 。雖然目前關(guān)于應(yīng)變梯度對(duì)材料微觀組織和力學(xué)性能影響的研究尚少 ，但現(xiàn) 有的研究結(jié)果已充分表明，大的應(yīng)變梯度有利于細(xì)化材料晶粒并提高其韌性。 對(duì)Al合金的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn) ，扭擠后試樣橫截面上的晶粒尺寸和微觀硬度分 布非常均勻。 </p><

60、;p>　　3)與 ECAP不同的是，扭擠變形時(shí)，位于試 樣橫截面上的變形金屬將發(fā)生 劇烈的塑性流動(dòng) ，由此所獲得的均勻組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)良力學(xué)性能對(duì)于粉末材料的 變形尤為有利，可以顯著提高粉末材料的固結(jié)致密效果。 </p><p>　　4)扭擠變形中 ，試樣表面呈明顯的非單調(diào)變化 ，即當(dāng)試樣被擠入螺旋通道 時(shí)，表面尺寸約增大70%～80%，當(dāng)其從螺旋通道被擠出時(shí)，表面又將恢復(fù)原 狀 。變形體表面一系列的變化將對(duì)其

61、微觀組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響 ，可利用該方 法，將不同的金屬元素滲入到材料表層。 </p><p>　　從工藝技術(shù)應(yīng)用的角度來(lái)看，扭擠工藝具有以下特點(diǎn)： </p><p>　　1)一些帶有內(nèi)孔等特殊輪廓外形的零件，可通過(guò)扭擠工藝實(shí)現(xiàn)大塑性變 </p><p><b>　　形。</b></p><p>　　2)扭擠變形后 ，變

62、形體嚴(yán)重扭曲變形部分(頭尾兩端部)相對(duì)于ECAP變形要 </p><p>　　小很多，這對(duì)于多道次重復(fù)變形十分有利。 </p><p>　　3)扭擠工藝可在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的擠壓設(shè)備上實(shí)現(xiàn) ，此時(shí)只需將橫截面尺寸逐漸 減小的普通擠壓模，更換為帶有螺旋通道的擠壓模即可。 </p><p>　　4)與 ECAP不同的是，扭擠變形過(guò)程并不改 變?cè)嚇拥倪\(yùn)動(dòng)方向，因此易于 將其應(yīng)用到

63、現(xiàn)有的生產(chǎn)線的操作。 </p><p>　　1.3.3 扭擠工藝目前存在的問(wèn)題及前景展望</p><p>　　利用扭擠工藝制備塊體超細(xì)晶材料雖然已被證明是一種行之有效的方法， 但相對(duì)于其他大塑性變形法而言 ，目前扭擠工藝各方面的研究還很不成熟 ，主 要存在如下幾個(gè)方面的問(wèn)題： </p><p>　　1) 扭擠模具結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，螺旋通道部位 加工難度大，實(shí)驗(yàn)中模具

64、磨損 比較嚴(yán)重，壽命較低。 </p><p>　　2) 扭擠過(guò)程本身是不連續(xù)的 ，每道次之間需要人工操作 ，生產(chǎn)效率較低， 有必要研究開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)多通道扭擠模具，以實(shí)現(xiàn)一次扭擠產(chǎn)生連續(xù)剪切變形。 </p><p>　　3) 扭擠變形后材料容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的各向異 性，通常需要由后續(xù)工藝或多 道次重復(fù)變形加以消除。 </p><p>　　4) 目前的研究主要集中在扭擠工

65、藝、材料 顯微組織、力學(xué)性能及其演化 等方面 ，對(duì)其變形機(jī)制 、晶粒細(xì)化機(jī)理 、工藝影響因素等方面的研究尚不全面。 </p><p>　　上述問(wèn)題在一定程度上限制了扭擠工藝的廣泛應(yīng)用 ，但隨著未來(lái)研究工作 的進(jìn)一步深入 ，相信這些問(wèn)題將會(huì)逐漸得到解決 ，扭擠的應(yīng)用范圍和工業(yè)化應(yīng) 用前景會(huì)更加廣闊。 </p><p>　　1.4 有限元模擬的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>

66、;　　隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展 ，作為一個(gè)毛坯生產(chǎn)企業(yè)在新的歷史條件下面臨 著更多的壓力 ，一方面要接受零部件廠商的降價(jià)要求 ，另一方面還要承受原材 料的漲價(jià) ；作為一心追求企業(yè)利潤(rùn)最大化的企業(yè)主們 ，一直為怎么最大程度減 少研發(fā)、生產(chǎn)的成本困擾著。3D模擬技術(shù)就是在這一背景下產(chǎn)生的，它為技 術(shù)降成本創(chuàng)造了條件。 </p><p>　　金屬成形三維有限元模擬系統(tǒng)[19-20]包括前處理 、有限元分析及求解和后處 理

67、三個(gè)模塊 。前處理模塊主要包括材料模型的選擇 、單元類型的選擇 、模具幾 何模型的建立及試樣的有限元網(wǎng)格劃分和重劃分等；有限元分析及求解模塊， 包括定義分析類型、約束條件 、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)、計(jì)算應(yīng)力 、應(yīng)變、撓 曲等 ；后 處理模塊主要是將計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行圖形顯示 、曲線表格輸出等 。其中 的關(guān)鍵技術(shù)是幾何模型的建立 、單元類型的選擇、網(wǎng)格的劃分與重劃分 、接觸 和摩擦問(wèn)題等。 </p><p>　　壓縮 3

68、D模擬技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)壓縮成形 過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，可以全 面了解壓縮過(guò)程的金屬流動(dòng)情況 ，金屬在模具中的充滿情況并預(yù)測(cè)壓縮過(guò)程中 的損傷分布和可能產(chǎn)生的缺陷的形式及位置 ，給設(shè)計(jì)者提供工藝分析和模具設(shè) 計(jì)的科學(xué)依據(jù)，從而可以提高模具設(shè)計(jì)的質(zhì)量和縮短模具設(shè)計(jì)周期。 </p><p>　　1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　近10多年來(lái) ，國(guó)內(nèi)外興起一研究熱點(diǎn) ，即采用劇烈塑性

69、變形來(lái)獲得亞微米、 納米級(jí)晶粒 ，在保持較好的塑韌性下 ，顯著地提高材料的強(qiáng)度[21-26]。但 關(guān)于 扭 擠的研究還非常不充分 ，尤其各工藝參數(shù)對(duì)扭擠變形情況的影響 ，而工藝參數(shù) 的影響對(duì)于我們深刻認(rèn)識(shí)扭擠變形規(guī)律 ，認(rèn)識(shí) 其對(duì)組織 、性能的影響以及扭擠 工藝的制訂有重要影響，對(duì)于推動(dòng)該工藝的工業(yè)化應(yīng)用有重要意義。 </p><p>　　鑒于數(shù)值模擬在模擬金屬塑性成形過(guò)程中的優(yōu)勢(shì) ，以及有限元分析在其他 劇烈塑

70、性變形方法模擬時(shí)的可靠性[27-31]，本文擬通過(guò)使用 DEFORM-3D有限元 </p><p>　　模擬軟件對(duì)扭擠變形過(guò)程進(jìn)行模擬 ，雖然針對(duì)扭擠變形過(guò)程進(jìn)行了部分模擬[10,</p><p>　　12]，但仍然不夠系統(tǒng)，因此本文主要分析摩擦、螺距、螺旋轉(zhuǎn)角、圓角大小等 對(duì)扭擠變形應(yīng)變大小 、分布以及載荷等的影響 ，并分析連續(xù)扭擠 ，多道次扭擠 和扭擠過(guò)程中試樣溫升的影響，并將模擬結(jié)果

71、進(jìn)行對(duì)照。 </p><p>　　第二章扭擠變形的數(shù)值模擬</p><p>　　2.1 有限元模擬軟件DEFORM簡(jiǎn)介</p><p>　　DEFORM (Design Environment for Forming)通用有限元分析軟件是目前世界上公 認(rèn)應(yīng)用最廣、功能最強(qiáng)的金屬塑性成形工藝模擬軟件。到現(xiàn)在為止，DEFORM 軟件 根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域的不同可分為以下幾

72、種：DEFORM-2D（二維）、DEFORM-3D（三 維）、DEFORM-PC（微機(jī)版）、DEFORM-PC Pro（Pro 版）和 DEFORM-HT（熱處 理）。</p><p>　　DEFORM 的功能可分為成形分析和熱處理。成形分析主要包括冷、溫、熱鍛的 成形和熱傳導(dǎo)耦合分析；剛性、彈性和熱粘塑性材料模型，特別適用于大變形成形分 析。彈塑性材料模型適用于分析殘余應(yīng)力和回彈問(wèn)題；完整的成形設(shè)備模型可以分析

73、 液壓成形、錘上成形、螺旋壓力成形和機(jī)械壓力成形；以及多變形體模型允許分析多 個(gè)成形試樣或耦合分析模具應(yīng)力，并提供豐富的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，包括各種鋼、鋁合金、 鈦合金和超合金；提供材料流動(dòng)、模具充填、成形載荷、模具應(yīng)力、纖維流向、缺陷 形成和韌性破裂等信息等。對(duì)于熱處理方面，DEFORM 可模擬正火、退火、淬火、 回火、滲碳等工藝過(guò)程；預(yù)測(cè)硬度、晶粒組織成分、扭曲和含碳量；專門的材料模型 用于蠕變、相變、硬度和擴(kuò)散；也可以輸入頂端淬火數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)

74、測(cè)最終產(chǎn)品的硬度分布； 以及可以分析各種材料晶相，每種晶相都有自己的彈性、塑性、熱和硬度屬性等。</p><p>　　近年來(lái) DEFORM-3D 已廣泛應(yīng)用于金屬鍛造、拉拔、擠壓、軋制等塑性加工工 藝的數(shù)值模擬之中。金屬塑性成形的理論基礎(chǔ)是彈塑性力學(xué)，而近十年來(lái)塑性成形技 術(shù)最大的發(fā)展就是數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用，尤其是有限元技術(shù)在塑性成形中的成功應(yīng) 用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，有限元法等各種先進(jìn)技術(shù)的不斷進(jìn)展，數(shù)值模擬方法必

75、將在體 積成形的理論研究和工程應(yīng)用中發(fā)揮重大的作用。DEFORM-3D 有限元分析軟件適用 于各種常見(jiàn)的 UNIX 工作站平臺(tái)（HP，SGI，SUN，DEC，IBM）和 Windows-NT 微 機(jī)平臺(tái)?？梢苑治鰪?fù)雜的三維材料流動(dòng)模型。用它來(lái)分析那些不能簡(jiǎn)化為二維模型的 問(wèn)題尤為理想[32]。</p><p>　　2.2 扭擠變形數(shù)值模擬的方案和步驟</p><p>　　在本次模擬前，首

76、先要在Pro/e軟件中進(jìn)行實(shí)體造型，建立模具和坯料的實(shí)體信息，</p><p>　　并將其保存副本，格式為.STL，坯料尺寸為為10×10×50 mm3。 為了考慮不同摩擦系數(shù)的影響，對(duì)10×10×50 mm3的試樣進(jìn)行了6組模擬，摩擦系</p><p>　　數(shù)f分別為0，0.15，0.2，0.3，0.4，0.5，螺距為10mm，螺旋轉(zhuǎn)角為90

77、76;，下壓速度為</p><p><b>　　1mm/s。</b></p><p>　　為了考慮不同螺距的影響，對(duì)10×10×50 mm3的試樣進(jìn)行了3組模擬，螺距l(xiāng)分別為 10mm，20mm，30mm，摩擦系數(shù)為0.2，螺旋轉(zhuǎn)角為90°，下壓速度為1mm/s。</p><p>　　為了考慮不同螺旋轉(zhuǎn)角的影響，對(duì)

78、10×10×50 mm3的試樣進(jìn)行了2組模擬，螺旋轉(zhuǎn) 角a分別為90°和180°，螺距為20mm，摩擦系數(shù)為0.2，下壓速度為1mm/s。</p><p>　　為了考慮不同模具通道圓角的影響，對(duì)10×10×50 mm3的試樣進(jìn)行了3組模擬，圓 角半徑r分別為1mm，2mm和3mm，螺距為10mm，摩擦系數(shù)為0.2，螺旋轉(zhuǎn)角為90°， 下壓速度為

79、1mm/s。</p><p>　　此外，還進(jìn)行了多道次、連續(xù)扭擠及扭擠試樣溫升的模擬。 在模擬過(guò)程中模具視為剛體，坯料視為變形體，扭擠是在室溫下進(jìn)行，除扭擠坯</p><p>　　料溫升的模擬外，不考慮模具與坯料及坯料和環(huán)境的傳熱問(wèn)題，即等溫條件下進(jìn)行。 扭擠變形模擬模型如圖2-1所示。</p><p>　　模擬的主要步驟如下：</p><p&g

80、t;　　圖2-1 扭擠的有限元模型</p><p>　　1．在 DEFORM-3D 中導(dǎo)入建立的模擬模型包括試樣、上模和下模，并按照國(guó)際 單位轉(zhuǎn)化模型尺寸。</p><p>　　2．在 DEFORM-3D 前處理中，需要對(duì)試樣和上下模之間的關(guān)系進(jìn)行定位，將網(wǎng) 格劃分設(shè)為 15000，再對(duì)各模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括坯料材料設(shè)為純鋁 1100，上模運(yùn) 動(dòng)速度設(shè)為 1mm/s，在本次模擬中步距取

81、 0.1mm，并設(shè)置好相應(yīng)的摩擦系數(shù)，然后進(jìn) 行模擬。</p><p>　　3．完成Running后，可在后處理界面查看模擬結(jié)果。如是多道次扭擠，完成第一 次扭擠后，在進(jìn)行第二道次扭擠時(shí)，需要重新進(jìn)入前處理界面，進(jìn)入選擇最后一次的 步數(shù)，然后對(duì)上模的位置進(jìn)行調(diào)整，與試樣下截面接觸。再調(diào)整試樣與上下模之間的 接觸容差，測(cè)定上模的向上壓量（每次擠壓量為50mm）。保存KEY文件，退出前處理 界面，即可運(yùn)行第二道次的扭

82、擠過(guò)程。如此進(jìn)行多道次扭擠過(guò)程的模擬。</p><p>　　4．模擬結(jié)束后，進(jìn)行后處理。后處理是將模擬結(jié)果可視化，并輸出用戶所需的 模擬數(shù)據(jù)。進(jìn)入 DEFORM-3D 的后處理界面，提取相關(guān)的數(shù)據(jù)和分布圖，最后在 Origin 繪圖軟件中分析前面提取的等效應(yīng)變、載荷數(shù)據(jù)，制作相關(guān)圖表。</p><p>　　5．分類比較模擬結(jié)果，參照?qǐng)D表，分析不同摩擦條件，不同螺距、螺旋轉(zhuǎn)角等 對(duì)扭擠后等效

83、應(yīng)變、載荷的影響，試樣內(nèi)部累積應(yīng)變及材料流動(dòng)情況，并總結(jié)其規(guī)律。</p><p>　　第三章模擬結(jié)果與分析</p><p>　　3.1 變形過(guò)程與變形特征</p><p><b>　　變形過(guò)程</b></p><p>　　扭擠變形的一般過(guò)程如圖3-1所示，試樣尺寸10×10×50 mm3，摩擦系數(shù)

84、為0.2，螺 距為10mm，螺旋轉(zhuǎn)角為90°。從圖中可以看出，開(kāi)始進(jìn)入扭擠通道時(shí)，試樣四周首先 發(fā)生變形且在不斷旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，中心部分變形相對(duì)較小，隨著四周材料一起沿著擠壓軸 線流動(dòng)。通過(guò)螺旋通道后，試樣在垂直通道內(nèi)朝著反方向旋轉(zhuǎn)，基本恢復(fù)到擠壓前的 形狀尺寸，試樣頭部基本保持平面。在扭擠時(shí)，模具的扭轉(zhuǎn)部分是變形區(qū)，處于上下</p><p><b>　　(b)</b></p>

85、;<p><b>　　(c)(d)</b></p><p>　　圖3-1 扭擠變形的一般過(guò)程</p><p>　　水平通道中的材料在進(jìn)入變形區(qū)前和出了變形區(qū)后基本只做剛性平移，從圖3-1(d)可 以看出，試樣經(jīng)一次扭擠后等效應(yīng)變沿?cái)D壓軸向的分布是基本一致的，但在垂直扭擠 方向截面上的分布差異較大，四個(gè)棱角上的等效應(yīng)變較大，變形較劇烈。這與通常所 見(jiàn)的

86、圓軸扭轉(zhuǎn)是類似的，因?yàn)榕まD(zhuǎn)的變形程度與距扭轉(zhuǎn)中心的距離是有關(guān)系的。距離 扭轉(zhuǎn)中心越遠(yuǎn)，變形程度越大。從圖3-1還可以看出另外一個(gè)重要的特征，即扭擠前 后試樣的形狀幾乎不發(fā)生變化，這對(duì)于通過(guò)劇烈塑性變形方法制備塊體超細(xì)晶材料是 非常重要的。這樣，從理論上講就可以進(jìn)行無(wú)數(shù)次的變形，而試樣的尺寸形狀變化不 大，從而極大的細(xì)化材料組織。眾所周知，在所有制備塊體超細(xì)晶材料的方法中，高 壓扭轉(zhuǎn)是細(xì)化材料組織最好的方法之一，制備的材料組織往往具有大角

87、度晶界，晶粒 細(xì)小，但最主要的缺陷是它制備的試樣的尺寸很小，而且不連續(xù)，限制了其進(jìn)一步的 應(yīng)用，而扭擠變形的性質(zhì)同樣為扭轉(zhuǎn)變形，與高壓扭轉(zhuǎn)類似，但扭擠可以制備較大尺 寸的塊體材料，具有良好的應(yīng)用前景。</p><p><b>　　應(yīng)變分布</b></p><p>　　為了更好地分析試樣在扭擠后應(yīng)變的大小與分布，截取了扭擠后試樣縱、橫截面 等效應(yīng)變分布圖，如圖3-2所示

88、。可以看出，扭擠后試樣縱橫截面上等效應(yīng)變分布不 均勻，中心處應(yīng)變較小，邊緣處較大，隨著離中心點(diǎn)距離的增加而急劇增大。試樣經(jīng) 過(guò)扭擠變形時(shí)，在垂直于擠壓軸線的截面上，金屬產(chǎn)生了渦流，且距軸線越遠(yuǎn)，應(yīng)變</p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖3-2 試樣扭擠后的等效應(yīng)變分布 (a)縱截面；(b)橫截面</p><p>　

89、　越大，應(yīng)變的梯度也較高(圖3-2(b))。</p><p><b>　　載荷變化</b></p><p>　　圖3-3所示為扭擠過(guò)程中載荷隨行程的變化曲線。從圖中可以看出，隨著沖頭的 下行，試樣開(kāi)始經(jīng)歷了進(jìn)入螺旋通道、擠出螺旋通道、剛性平移幾個(gè)階段。扭擠開(kāi)始 時(shí)，試樣開(kāi)始進(jìn)入螺旋通道入口，由于模具形狀制約，在橫截面上發(fā)生劇烈的扭轉(zhuǎn)變 形，載荷快速增大。試樣頭部進(jìn)入螺

90、旋通道，扭擠載荷繼續(xù)增大，但增幅減??；直至 頭部被擠出螺旋通道，試樣被迫進(jìn)入出口通道，由于發(fā)生反向扭轉(zhuǎn)，變形劇烈程度再 次增加，載荷明顯增大。隨著試樣頭部在出口通道的剛性平移及未變形部分的減少， 載荷發(fā)生了一定程度的下降。扭擠過(guò)程中，對(duì)于10×10×50 mm3鋁1100試樣來(lái)說(shuō)，最 大載荷小于20000N，作用在凸模上的壓強(qiáng)約為200MPa，擠壓這樣的試樣對(duì)于設(shè)備選 擇和模具材料選用都沒(méi)有難度。</p>

91、<p><b>　　25000</b></p><p><b>　　20000</b></p><p><b>　　15000</b></p><p><b>　　10000</b></p><p><b>　　5000</b

92、></p><p><b>　　0</b></p><p>　　0102030405060</p><p><b>　　行程S/mm</b></p><p>　　圖3-3 扭擠時(shí)的載荷-行程曲線</p><p>　　3.2 摩擦的影響</p>

93、<p>　　分析不同摩擦條件對(duì)擠壓過(guò)程的影響，對(duì)掌握變形分布規(guī)律，提高模具壽命等都 具有重要的指導(dǎo)意義。為了研究摩擦對(duì)試樣變形的影響，進(jìn)行了 6 組不同摩擦條件的 模擬，摩擦系數(shù) f 分別取 0、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5。圖 3-4 所示為不同摩擦系數(shù)時(shí) 的等效應(yīng)變分布圖。從圖中可以看出，試樣中的最大等效應(yīng)變隨摩擦系數(shù)的增大總體 呈增大的趨勢(shì)，而試樣中的最小等效應(yīng)變隨摩擦系數(shù)的變化較小，中心部分的應(yīng)變值 隨

94、著摩擦增大略微增大；邊緣處的應(yīng)變值隨摩擦系數(shù)的增加明顯增大。即摩擦的增大 對(duì)中心部位應(yīng)變累積作用不明顯，而對(duì)邊緣處的影響顯著，且隨著摩擦的增大，試樣</p><p>　　橫截面上的應(yīng)變分布不均勻性加劇。</p><p><b>　　(b)</b></p><p><b>　　(c)(d)</b></p>&

95、lt;p><b>　　(f)</b></p><p>　　圖3-4 不同摩擦系數(shù)扭擠后的等效應(yīng)變分布 (a) f=0；(b) f=0.15；(c) f=0.2；(d) f= 0.3；(e) f=0.4；</p><p><b>　　(f) f=0.5</b></p><p>　　擠壓過(guò)程中所需的載荷與摩擦條件的關(guān)系如

96、圖 3-5 所示?？梢钥闯觯S著摩擦系</p><p>　　數(shù)的增加，扭擠過(guò)程中的最大載荷顯著增大；當(dāng)摩擦系數(shù)由 0 增至 0.5 時(shí)，最大載荷 由 9010N 急劇增至 52570N，這對(duì)模具來(lái)說(shuō)是極為不利的，載荷的增加將對(duì)模具的結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)和選材帶來(lái)影響，也使得模具失效的可能性增加，同時(shí)增加了能量的消耗，也 使得模具的磨損加劇。因此，從獲得均勻的內(nèi)部組織和延長(zhǎng)模具的壽命方面來(lái)說(shuō)，應(yīng) 盡可能采用良好的潤(rùn)滑條件。&

97、lt;/p><p><b>　　60000</b></p><p><b>　　50000</b></p><p><b>　　40000</b></p><p><b>　　30000</b></p><p><b>　　2

98、0000</b></p><p><b>　　10000</b></p><p><b>　　0</b></p><p><b>　　f=0</b></p><p>　　f=0.5 f=0.4</p><p><b>　　f=0.3

99、</b></p><p>　　f=0.2 f=0.15</p><p>　　0102030405060</p><p><b>　　行程S/mm</b></p><p>　　圖3-5 不同摩擦系數(shù)扭擠后的載荷-行程曲線</p><p>　　3.3 螺距的影響</p&

100、gt;<p>　　為了研究螺距對(duì)試樣變形的影響，做了 3 組模擬，螺距尺寸 l 分別為 10mm、20mm、 30mm。圖 3-6 所示為不同螺距扭擠后的等效應(yīng)變分布圖。從圖中可以看出，隨著螺 距的增加，變形后試樣中的最大等效應(yīng)變和最小等效應(yīng)變均降低，最大等效應(yīng)變降低 的更多，但等效應(yīng)變的分布規(guī)律仍較為相似。雖然螺距的增加有利于降低變形試樣中 不同部位的變形差異，但也造成道次變形量相對(duì)較小，變形累積效率較低等缺陷，螺 距太

101、大時(shí)，由于道次變形量較小，就像等徑角擠壓時(shí)通道夾角過(guò)大時(shí)，即使累積相同 的應(yīng)變也不能獲得細(xì)小、均勻具有大角度晶界的超細(xì)晶組織一樣，通過(guò)多道次扭擠能 否能獲得超細(xì)晶組織仍需試驗(yàn)驗(yàn)證。</p><p>　　圖3-7所示為不同螺距扭擠過(guò)程中的載荷-行程曲線。可以看出，隨著螺距的增大， 最大載荷由18763N下降到9124N，下降幅度較為明顯，這對(duì)模具設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是極為有利 的。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是，由于螺距的增大導(dǎo)致擠壓

102、時(shí)金屬流動(dòng)阻力減小，道次</p><p>　　變形量減小，變形程度小，所需載荷明顯下降。因此，從獲得較為均勻的內(nèi)部組織和 延長(zhǎng)模具的壽命方面來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡可能采用適中的螺旋通道長(zhǎng)度。</p><p><b>　　(b)</b></p><p><b>　　(c)</b></p><p>　　圖3-6

103、不同螺距扭擠后的等效應(yīng)變分布(a) l=10mm；(b) l=20mm；(c) l=30mm</p><p><b>　　30000</b></p><p><b>　　25000</b></p><p><b>　　20000</b></p><p><b>　　

104、15000</b></p><p><b>　　l=10mm</b></p><p><b>　　10000</b></p><p><b>　　5000</b></p><p><b>　　0</b></p><p>

105、<b>　　l=30mm</b></p><p><b>　　l=20mm</b></p><p>　　0102030405060</p><p><b>　　行程S/mm</b></p><p>　　圖3-7 不同螺距扭擠時(shí)的載荷-行程曲線</p>

106、<p>　　3.4 螺旋轉(zhuǎn)角的影響</p><p>　　為了研究螺旋轉(zhuǎn)角對(duì)試樣變形的影響，并結(jié)合實(shí)際模具加工的情況，做了 2 組模 擬，螺旋轉(zhuǎn)角 a 分別為 90°和 180°。圖 3-8 所示為扭擠后的等效應(yīng)變分布圖，圖 3-9 為扭擠后的載荷變化曲線。</p><p>　　180°相對(duì)于90°多轉(zhuǎn)了90°，也就是說(shuō)試樣中心

107、部位和邊緣處累積的等效應(yīng)變要比</p><p>　　90°增加。由圖3-8可以看出，螺旋轉(zhuǎn)角對(duì)扭擠等效應(yīng)變有很明顯的影響，整個(gè)試樣中 的等效應(yīng)變均明顯增加，邊緣處的等效應(yīng)變?cè)黾拥母用黠@。從理論上說(shuō)，180°扭轉(zhuǎn) 相當(dāng)于兩個(gè)90°扭轉(zhuǎn)的疊加，但從變形后的等效應(yīng)變分布來(lái)看，包括邊緣和中心區(qū)域 的等效應(yīng)變都不止是兩倍的關(guān)系，比兩倍還要大。</p><p>　　由圖

108、3-9可以看出，180°轉(zhuǎn)角相對(duì)于90°轉(zhuǎn)角，整體載荷明顯增加。這就提高了對(duì) 模具的要求，不僅180°的模具相對(duì)于90°的模具更難加工，而且就算加工出來(lái)，模具 的壽命也難以得到保證。</p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖3-8 不同螺旋轉(zhuǎn)角扭擠后的等效應(yīng)變分布 (a) a= 90°；(b)

109、 a=180°</p><p>　　3.5 多道次扭擠</p><p>　　為了研究多道次扭擠對(duì)試樣變形的影響，做了一組四次扭擠的模擬。圖 3-10 所 示為不同道次扭擠后橫截面的等效應(yīng)變分布。從圖中可以看出，不同道次扭擠后等效 應(yīng)變的分布規(guī)律是一樣的，即中心等效應(yīng)變較低，周圍等效應(yīng)變較高，但多道次扭擠 后，最大等效應(yīng)變和最小等效應(yīng)變都增加，但最大等效應(yīng)變?cè)黾痈用黠@，也就是說(shuō)

110、 多道次壓縮后等效應(yīng)變的分布均勻性下降。即使如此，4 道次扭擠后大部分部位的等 效應(yīng)變也可以達(dá)到 4 左右，說(shuō)明扭擠變形累積應(yīng)變的效率還是比較高的。圖 3-11 所</p><p><b>　　28000</b></p><p><b>　　24000</b></p><p><b>　　20000</b&

111、gt;</p><p><b>　　16000</b></p><p><b>　　12000</b></p><p><b>　　8000</b></p><p><b>　　4000</b></p><p><b>