AZ31B镁合金轧制过程的模拟及参数优化
来源:用户上传
作者:
[摘 要]本文通过数值模拟方法研究了AZ31B镁合金轧制过程中温度及压下量对其成型的影响。采用两轧辊单道次轧制成型工艺，利用ABAQUS/Explicit建立板材和轧机的三维有限元模型。模拟结果显示板材温度为450℃、压下量为25%是较为合理的轧制参数。
[关键词]轧制成型；数值模拟；温度；压下量
中图分类号：TG376 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）07-0101-02
引言
轧制成型是一种塑性加工方法，是将板材减薄的有效方法，在很多材料成型薄板的过程中都有应用。镁合金是最轻的结构金属，AZ31B镁合金由于强度高，塑形好，广泛应用航空航天，汽车及其他领域[1]。镁合金在常温下变形困难，但是随着温度升高剪切应力急剧减小，在温度达到200℃以上时，塑形明显提高。研究镁合金轧制时温度的变化非常重要，因此本次模拟主要研究镁合金板材温度分别为250℃，350℃，450℃，550℃对板材成型质量的影响[2]。镁合金内部组织和综合性能也受压下量的影响很大，一般情况随着轧制变形量的逐渐增大，镁合金内部晶粒尺寸也在慢慢变小，并且大小形状也变得均匀，当压下量过大时，薄板边缘很容易出现开裂表面产生裂纹状况，影响板材成型质量[3]。因此本次模拟主要研究压下量分别为10%，25%，40%对镁合金板材的影响。现有文献主要应用有限元软件Sumperform、ANSYS、Msc.Marc等软件模拟分析AZ31B镁合金轧制过程中的各参数对成型结果影响[4-8]。而本文主要利用ABAQUS/Explicit软件对镁合金轧制过程中各参数的影响分析。
1.有限元模型的建立
为研究AZ31B镁合金板材轧制时温度的变化以及轧制道次对其影响。轧辊的工作直径为 170mm，辊面宽度为300mm，轧辊转速为400mm/s，轧辊的表面温度为200℃。取AZ31B镁合金板料长、宽、高分别为100mmx65mmx10mm，材料的基本参数如表1所示。
AZ31B镁合金的密度1.78 ，泊松比为0.3，工作环境温度为20℃，板材与轧辊之间的摩擦系数为0.35，板材与空气之间的热交换系数为0.16 ，轧板的初始速度为200mm/s，轧板与轧辊之间的导热系数为11 。AZ31B镁合金轧制过程属于大变形问题，因此采用ABAQUS/Explicit建立板材和轧机的三维有限元模型，轧輥设置为解析刚体，材料的属性主要设置密度、弹性模量与温度关系、应力应变随温度变化、膨胀系数与温度关系、传导率与温度关系、比热与温度关系等。分析步设置为动力、温度-位移显示分析。网格形状选择六面体-扫略进阶算法，单元类型选择温度-位移耦合和C3D8RT。
2.成型规律分析
2.1轧板温度的影响
模拟轧制温度对成型结果的影响的数值模拟参数如下：轧辊的压下量为25%，轧辊的温度为200℃，模拟时改变轧板的温度分别为250℃、350℃、450℃、550℃。后处理过程中分析步在0.16s时分别得到轧板的应力、等效塑形应变、轧制力和轧板厚度。
从表2中可以明显看出当轧制温度为250℃时，板材应力值最大即214.4MPa，此时成型的板材质量最差，而当轧制温度在450℃-550℃时板材应力最大值减小，成型的板材质量较好。由表2中可以看出随着轧板温度的升高轧辊最大轧制力逐渐减小，轧制力越小此时轧制温度合理。当温度为450℃时最大塑性应变最小，塑性应变越小此时温度越合适。轧制后板材厚度理论值应为7.5mm，由于AZ31B镁合金在受热过程中的塑形非常好，很容易导致轧制后会发生塑性回弹现象，故实际值大于理论值。通过分析显示不同轧制温度对板材的影响主要反映在轧制力和塑性应变上，轧制力越小此时轧制温度合理，同时塑性应变均匀且较小也表明轧制温度合理，符合实际生产需求。故最佳轧制时轧板温度为450℃。
2.2轧辊压下量的影响
压下量是一个非常重要的工艺参数，压下量太小需要多道次轧制生产效率低，压下量太大会产生严重的板材变形，导致镁合金板材成型效果不好。模拟不同压下量对成型结果的影响的数值模拟参数如下：轧板的温度保持450℃不变，轧辊的温度为200℃，模拟时改变轧辊的压下量分别为10%、25%、40%。后处理过程中分析步在0.2s时分别得到轧板的应力、等效塑形应变、轧制力和轧板厚度。
从表3中可以看出随着压下量的增加，轧制力显著增大，由于力的相互作用，大的轧制力容易导致轧辊边玩，那样将加大边部的减薄量，同时，大的压下量要求设备的精度和轧制力也较大。随着压下量的增大，减薄率也逐渐增大，当压下量为40%时，ZA31B镁合金会发生明显的回弹，不能达到理想的减薄量，故轧制压下量不能太大。当压下量为10%和25%时，从表中可以看出最大应力值和减薄率几乎接近。但是当压下量10%时，则需要增加轧制道次才能达到理想的减薄量，从而导致轧制效率的降低，也符合生产需求。故最适轧制压下量为25%。
3.结论
本文主要利用ABAQUS软件，建立三维几何模型具体模拟了板料温度、轧制压下量等参数对AZ31B镁合金板材的轧制成型影响。有如下结论：
（1）随着轧板温度的升高，轧制后轧板的最大塑性应变逐渐趋于稳定，在350℃-450℃之间，最大塑性应变最小。同时在450℃左右，最大轧制力也最小。综合考虑将板材温度设定为450℃左右最为合适。
（2）随着压下量的增加，板材的最大塑性应变和轧制力均有较大变化，尤其是轧制力变化较大，压下量从25%增加到40%，轧制力增加将近2倍。同时轧制后的减薄率也发生很大的回弹现象，导致轧制效率降低。综合考虑将轧制压下量设定为25%左右较为合适。
参考文献
[1]姚素娟，张英，褚丙武，等.镁及镁合金的应用和研究[J].世界有色金属，2005（1）；26-30.
[2]刘桂荣.AZ31镁合金板材轧制数值模拟[D].沈阳理工大学，2008.
[3]李立云.AZ31镁合金薄板温轧过程的数值模拟研究[D].天津职业技术师范大学，2016.
[4]方霖.镁合金板材轧制及数值模拟分析[D].重庆大学，2010.
[5]姚力.AZ31B镁合金温辊轧制数值模拟与实验研究[D].燕山大学，2017.
[6]丁源.ABAQUS有限元分析从入门到精通.清华大学出版社，2016.
[7]张丁非，徐杏杏，兰伟，等AZ31镁合金轧制工艺的研究[J].材料工程，2011（11）；68-73.
[8]钱鹏.AZ31镁合金板材制备及组织性能的研究[D].哈尔滨工业大学，2009.
作者简介
赵平 男 ，湖北十堰人，硕士研究生。研究方向：轧制成型。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15272486.htm
