阻燃镁合金挤压模具及模拟分析.docx
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阻燃镁合金挤压模具及模拟分析
阻燃镁合金挤压模具及模拟分析结题报告
报告学生：
李明泽
指导老师：
曾小勤教授、董杰副教授、周娜研究生
1、综述
镁合金是最轻的金属结构材料，其密度低、比强度高、比刚度好，在航空、航天、汽车、交通、电子和家电等行业具有极其重要的应用价值和前景。
可以起到很好的节能减排作用。
但是镁合金化学性质活泼，在高温下极易与氧气发生燃烧反应，这种性质会产生很多潜在威胁，因此，镁合金在很多地方的使用受到限制。
阻燃镁合金成为发展的一个趋势
目前，镁合金的产品大都采用铸造的方式获得，也有新型的半固态成型工艺。
利用塑性变形获得较少，这是因为大多数镁合金具有密排六方结构晶格，对称性低，室温滑移系少，因此冷成型能力较差。
由于压铸工艺生产的镁合金零件无法满足高性能结构件的精确度及组织性能要求。
而挤压等塑性变形镁合金组织细密、无铸造缺陷，材料性能相对十分优异，是镁合金成型的发展方向。
镁合金的塑性成形性能与晶体结构、晶粒大小和成型温度都有很密切的关系。
与常规镁合金相比，阻燃镁合金中因一些特殊高熔点相的纯在而表现出某些重要的塑性变形特征。
同时，塑性变形对阻燃镁合金中沉淀相得析出有一定的影响。
2、挤压工艺
典型的影响工艺的参数有温度和挤压速率。
温度是影响镁合金挤压塑性成形性能最重要的因素。
与铝合金有很大不同的是，镁合金的低温变形能力大不如铝，这是因为铝合金具有12个几何滑移系和5个独立滑移系。
而镁合金只有3个几何滑移系和2个独立滑移系。
在低于498k时，多晶镁的塑性变形仅限于通过2个基面方向滑移和2个锥面方向孪生来实现。
其不易产生宏观屈服而易在晶界处产生大的应力集中，表现出加工脆性。
当变形量大时，就会沿孪生区域或大晶粒基面产生局部穿晶断裂。
因此在室温下，冷变形量一般为（10~20）%。
在高于498k时，院子振动幅度加大，产生了新的滑移面和滑移方向，塑性大大提高，有利于加工变形。
同时，由于发生回复再结晶而造成软化，提高了塑性变形能力。
因此，镁合金的压力加工都在高温下进行。
一般来说，变形温度升高时合金制品的强度降低而塑性提高。
因此，在实际操作中需要测定不同温度下成型后的镁合金材料的强度和塑性，比较得到更好的成型参数。
为了模拟不同的参数对挤压的影响，需得到材料的不同条件下应力应变曲线，实验中采用等温热压缩试验得到。
如图1，随着应变速率的增加，屈服强度增加。
随着变形程度的增加，流变应力增加到某一峰值，然后缓慢的下降到一个稳定值，此种类型的应力应变曲线属于动态再结晶型。
在不同应变速率下，由于动态软化的程度随着变形速率的增加而降低，导致了硬化程度的上升，流动应力上升，强度增加。
图1：
镁合金在不同应变数率下的挤压应力应变曲线
如图2，相同变形速率下300℃和400℃的应力应变曲线。
图中可以看到随着温度的上升，屈服强度降低，这是因为随着温度升高，热激活的作用加强原子间的临界切应变减弱，加上再结晶的软化作用，导致流变应力下降。
图2：
镁合金在不同温度下的应力应变曲线
3、模具设计
镁合金的挤压设备和铝合金的挤压设备基本相同。
3．1模具材料的选用：
模具的材料选择直接影响到模具的寿命。
由于镁合金的热挤压，对于模具有一定的要求：
1须具有足够的高温强度，在500℃的挤压变形过程中，不能发生屈服变形和断裂。
而且能保证挤压制品的尺寸精度。
2具有良好的抗磨损性能，在高温高强度的挤压下，不能出现磨损，特别是工作带。
3抗疲劳性，能够经受反复的挤压。
4良好的导热性能，由于热挤压中会产生大量的摩擦热和挤压热，如果不能快速的传导热量，将引起模具的过烧。
降低使用寿命。
除此之外，材料还应具有良好的抗回火稳定性，抗腐蚀性，较低的膨胀系数，良好的工艺制作性能，和合理的价格。
目前，我国常用于热挤压的模具材料是3Cr2W8V，4Cr5MoSiV1（即H13）等高温耐热钢。
表1为国内外常用热挤压模具材料。
表1：
国内外常用热挤压模具材料
3Cr2W8V钢含有较多的易形成碳化物的铬、钨元素，因此在高温下有较高的强度和硬度，在650℃时硬度达HB300，但其韧性和塑性较差。
钢材断面在80mm以下可以淬透。
这对表面层需要有高硬度、高耐磨性的大型顶锻模、热压模、平锻机模已是足够了。
这种钢的变相温度较高，抵抗冷热交变的耐热疲劳性良好。
这种钢可用来制作高温下高应力、但不受冲击负荷的凸模、凹模如平锻机上用的凸凹模、镶块、铜合金挤压模、压铸用模具，如反挤压的模具；还可以供作高温下受力的热金属切刀等。
4Cr5MoSiV1钢是一种空冷硬化的热作模具钢，也是所有热作模具钢中使用最广泛的钢号之一该钢具有较高的热强度和硬度。
在中温条件具有很好的韧性、热疲劳性能和一定的耐磨性，在较低的奥氏体化温度条件下空淬，热处理变形小，空淬时产生氧化铁皮的倾向小，而且可以抵抗熔融铝的冲蚀作用。
该钢广泛用于制造热挤压模具和芯棒、模锻锤的锻模、锻造压力机模具，精锻机用模具镶块以及合金的压铸模。
5CrNiMo钢具有良好的韧性、强度和高耐磨性。
由于钢中含有钼，因而对回火脆性并不敏感。
从600℃缓慢冷却下来以后，冲击韧性仅稍有降低。
该钢具有良好的淬透性。
该种钢用来制造各种大、中型锻模。
该种钢易形成白点，需要严格控制冶炼工艺及锻轧后的冷却制度。
5CrMnMo钢具有与5CrNiMo钢类似的性能，淬透性较差。
此外在高温下工作时，其耐疲劳性逊于5CrNiMo钢。
此钢适于制造要求具有较高耐磨性的各种类型锻模（边长≤400mm）。
要求韧性较高时，可采用电渣重熔钢。
实际模具用料如表2。
编号
零件名
材料
技术要求
1
凸模、凹模、凹模内套
H13
（即Cr5MoSiV1）
HRC51-53
2
凹模外套
5CrNiMo
HRC45-47发黑处理
3
导向2
5CrMnMo
HRC43-47
4
导向1
3Cr2W8V
HRC43-47
5
底座
45钢
发黑处理
6
衬垫筒、凸模内套、垫头
40Cr
HRC43-47
7
凸模外套、紧固盘、插销、拉杆
40Cr
HRC43-47发黑处理
8
上顶板、垫块
40Cr
HRC28-32发黑处理
表2：
模具实际用料表：
3．2模具结构
凹模设计有9个
挤压比分别为25，20、15。
每个挤压比分别有3个挤压角180°、120°、100°。
模具组装结构如图3。
图3：
，模具总装配体
4、模拟分析
4．1有限元分析的基本步骤：
1定义形函数
，进而通过单元节点变量a描述单元域内连续的变量
。
2定义单元材料的响应，如应力、应变和热流等。
3形成单元矩阵，建立单元与外界环境的平衡关系。
4集成，将覆盖结构全域的所有单元的刚度矩阵和节点外力对平衡的贡献集成，建立整体结构的平衡方程。
5求解平衡方程。
指定一些节点位移后，可将平衡方程按已知节点位移和未知的场分量分解成两部分。
6回代，根据计算出的节点变量，带入第二步的表达式中，获得单元应变、应力和热流等量。
有限元的计算结果与单元密度和单元类型（即形函数）的选择密切相关。
Marc模拟进行过程如图4，首先根据需要模拟的尺寸建立模型并划分网格，然后根据流变应力应变曲线和热力学参数输入材料特性，接着定义各种接触条件和初始条件，最后提交运算分析。
图4：
模拟过程示意图
4．2模型简化及建立
在模拟中，为了加快模拟速度，简化运算。
需要对模型进行简化。
模型建立中使用了几个假设：
1镁合金均质各向同性，没有缺陷。
免去了各种缺陷带来的模拟复杂化。
2模具为刚性模具，无热膨胀和挤压变形。
因为模具工作时能达到1500MPa左右的屈服强度，强度和硬度高
3不计体积力和惯性力。
4材料服从Mises屈服准则，且等向强化。
5套筒在挤压过程中为恒温，实际情况下套筒处于加热环境中，在于环境和坯料的热交换中可视为恒温。
图5为实际建立的模型：
图5：
计算模型
为提高精度，模型采用四边形四节点轴对称单元，模拟中会产生大变形，所以在挤压过程中定义了自适应网格划分。
这能够很好的解决模拟过程中的单元畸变严重的问题，特别是在挤压过程中的出口地方，畸变最为严重，且易发生穿透等问题。
4．3模拟参数
模拟参数如表3。
材料：
阻燃镁合金
杨氏模量：
46GPa
泊松比：
0.274
热膨胀：
温度/℃
系数/1/k
25
24e-6
200
27e-6
300
29e-6
400
30e-6
热导率：
温度/℃
热导率/W/mm.k
25
30e-3
200
44e-3
300
46e-3
模具与镁合金热传导：
100e-3W/mm.k
密度：
1.78e-3kg/mm2
比热容：
1000J/kg.k
摩擦系数：
0.15
其他工艺参数：
坯料长度（mm）
262
坯料直径（mm）
60
出料直径（mm）
6，6.7，7.75
挤压比
25，20，15
挤压温度（℃）
300，350，400
挤压杆速率（mm/s）
1，5，10
角度（°）
180，120，100
表3：
模拟参数
4．4变形过程描述
表4：
模拟挤压过程
接触时可以看到接触点由于挤压和摩擦的原因温度上升，产生了较高的应力。
由于模具和坯料之间存在着较大的空隙，所以挤压到一定阶段由于挤压力的增加，坯料增粗，将空隙填满。
在坯料的前端，出现了复杂的应力场。
变形时可以看到工作带附件的温度最高，应力最强，在工作带附件，材料达到屈服，同时产生了很大的应变。
出口处已经有了40℃左右的温升。
在挤压出料的稳定阶段，应力分布已经趋于稳定，可以看见出料区域表面是经过了变形最大的区域，中心区域变形最小。
同样，温度场也是边部温度高，中心低。
出口最大温度随挤压过程而变化，在挤压进行到变形阶段时，温度急剧上升，到挤压进入平稳出料阶段时，出口温度趋于稳定。
见图6。
图6：
出口温度随步长变化图
5、模拟数据分析
5．1挤压温度的影响
表5：
挤压温度模拟图
300℃挤压温度图与应力图（角度120度，挤压比25，挤压速度1mm/s）
最大出口温度458℃
400℃挤压温度图与应力图（角度120度，挤压比25，挤压速度1mm/s）
最大出口温度510℃
分析300℃和400℃可以发现300℃的温升比较大，这是因为在300℃时，坯料的屈服应力更大，挤压力更大，从而使300℃的温升加大。
5．2挤压速率的影响
表6：
挤压速率的影响
挤压速率1mm/s（角度120度，挤压比25，挤压温度300℃）
最大出口温度458℃
挤压速率5mm/s（角度120度，挤压比25，挤压温度300℃）
最大出口温度466℃
挤压速率10mm/s（角度120度，挤压比25，挤压温度300℃）
最大出口温度509℃
在较低的挤压速度下，坯料能够充分地和模具传热，从而降低了出口温度。
在较高的挤压速度时，坯料和模具之间的传热受到限制，而且在大变形速率下，坯料的强度增加了，受到更大的挤压力，从而增加了出口温度。
5．3挤压比的影响
表7：
挤压比的影响
挤压比25（角度120度，挤压速率1mm/s，挤压温度300℃）
最大出口温度458℃
挤压比20（角度120度，挤压速率1mm/s，挤压温度300℃）
最大出口温度423℃
挤压比15（角度120度，挤压速率1mm/s，挤压温度300℃）
最大出口温度418℃
挤压比也是从变形速率方面影响出口温度的，挤压比越小，变形速率越小出口温度越小，挤压比越高，变形速率越大，出口温度越高。
由表中即可见不同挤压比的出口温度满足这一理论。
由于三者变化并不是很大，所以出口温度也相差不多。
5．4挤压角的影响
表8：
挤压角的影响
角度180度（挤压比15，挤压速率1mm/s，挤压温度300℃）
最大出口温度413℃
角度180度（挤压比15，挤压速率1mm/s，挤压温度300℃）
最大出口温度458
角度180度（挤压比15，挤压速率1mm/s，挤压温度300℃）
最大出口温度490℃
这组数据比较反常。
6、结论
通过模拟不同条件下的挤压温度场，从最高出口温度可以判断材料是否过热从而造成挤压裂纹等问题。
有限元模拟本质上是通过应力应变曲线来模拟各种条件下的实际情况。
各种能改变应力应变曲线的因素都能相应改变最终结果。
合适的挤压温度，较小的挤压速率，小的挤压比，合适的挤压角能防止挤压热裂纹。
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