电液颤振对冷挤压塑性成形件金属流线及晶粒组织的影响
2015-10-29杨庆华洪潇潇王志恒鲍官军胡新华薛军义
杨庆华 洪潇潇 王志恒 鲍官军 胡新华 薛军义
浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,杭州,310032
电液颤振对冷挤压塑性成形件金属流线及晶粒组织的影响
杨庆华洪潇潇王志恒鲍官军胡新华薛军义
浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,杭州,310032
针对冷挤压成形过程中金属变形抗力大、模具易磨损等不足，提出一种新型冷挤压工艺，即在冷挤压成形过程中引入振动激励信号。运用DEFORM-3D有限元分析软件构建系统仿真模型，分别在有无施加颤振两种挤压方式下进行模拟仿真。仿真结果表明,施加颤振信号能促进金属的流动，金属流动速度达到62.4 mm/s，网格流线变形程度比传统挤压方式下的变形程度小。设计了电液式颤振冷挤压实验平台及模具，分别在有无施加颤振两种挤压方式下进行实验，并将所得成形零件用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，利用扫描电镜观察零件剖面。实验结果表明，施加颤振信号后，晶粒由原来的大小为3.3～5.0 μm细化到1.7～3.3 μm,晶粒变形更加均匀,变形组织更加细密，金属纤维组织变得更细更长。
冷挤压;有限元模拟;金属塑性成形;电液颤振;金属流线
0 引言
冷挤压技术已广泛应用于机械制造业，但在长期生产实践中，其不足之处逐渐显露出来：①成形抗力高,这对模具的材质及结构等提出了更高的要求；②模具损耗大，毛坯在冷挤压过程中受到三向压应力的作用，模具在巨大的压力作用下易磨损；③对冷挤压设备要求较高，由于冷挤压是在室温下靠压力机的压力成形，因此要求压力机要有较大的强度和刚度[1]。
基于上述普遍存在的问题,不少业内人士将振动加工技术[2]引入传统冷挤压加工过程。Mousavi等[3]研究了超声振动对正挤压过程的影响,通过有限元分析软件模拟不同的挤压速度、不同的振幅和频率下超声振动对材料流动应力、等效塑性应变分布及挤压力的影响,结果表明,施加超声振动后,当挤压速度低于临界速度时,挤压力和材料流动应力有所下降。Bunget等[4]为解决在摩擦力作用下难以获得理想的公差以及可用的模具材料无法承受施加的挤压力等问题,设计了一套超声振动微挤压设备，研究了超声振动对微挤压成形工艺的影响，结果表明,加载超声振动后，成形力显著下降，同时微成形件的表面质量有很大提高。
上述振动激励形式均采用超声波振动为载体，在小挤压力挤压及微挤压方面可以满足实验需求,但超声振动激振力小，无法应用到需要大挤压力的冷挤压过程中。目前,振动激励形式根据其振动动力元件的工作原理来看，主要分为机械式、电动式和电液式三种。电液激振与前两种相比，具有激振功率大，无级调幅、调频等优点[5]。本文引入一种采用阀芯双自由度阀控制液压缸的高频电液激振器[6],将其应用到需要大挤压力的冷挤压过程中。
1 振动对金属组织的影响
在金属塑性变形过程中引入振动信号主要会产生两种基本效应：体积效应和表面效应[7-8]。体积效应主要描述的是振动塑性变形时，塑性变形与材料内部组织状态之间的变化；而表面效应主要考虑的是外部因素，即振动加工时被加工零件与模具之间的摩擦力变化。本文主要研究金属塑性成形过程中的体积效应。
金属塑性成形是晶体在切应力的作用下，通过滑移面上的位错运动实现的。冷挤压塑性成形过程中施加振动信号，金属晶体产生剧烈变形，其位错密度增加。图1所示为Frank-Read位错源增殖机制，图1a中AA′为某一滑移面上的刃型位错，位错网节点将其两端钉住而不能运动。沿位错的柏氏矢量b方向施加切应力τb,使位错沿滑移面向前滑移运动，如图1b所示。由于AA′两端固定,故位错线发生弯曲,两端分别绕节点A和A′发生回转,如图1c所示。当两端弯曲部分线段相互靠近时(图1d),两线段平行于柏氏矢量b,但位错线分别属于左螺旋位错和右螺旋位错,它们方向相反,相互抵消，形成一个闭合的位错环和位错环内的一小段曲线型位错，如图1e所示。此时外加切应力继续作用，位错环便继续向外扩张。同时，环内的一小段曲线位错在线张力的作用下又被拉直，恢复到原始状态。如此往复循环，新的位错环不断产生，从而使位错增殖，晶体产生可观的滑移量。因此，在振动作用下会产生更加剧烈的大塑性变形[9]。
图1 Frank-Read位错源增殖机制
振动能细化晶粒[10],目前,研究最多的是超声振动在金属塑性成形方面的应用[11-13]。研究表明,超声振动使塑性变形更加剧烈，能有效提高晶粒的细化程度，使金属晶粒间的塑性变形更加顺畅，从而降低塑性变形载荷[14-15]。如前所述,由于超声振动不适合应用到需要大吨位挤压力的冷挤压过程中，因此，本文采用电液式颤振。
工程上使用的金属大多属于多晶体，多晶体同一体积内晶粒数的多少取决于晶粒的粗细，晶粒越细，晶粒数越多。塑性变形时，同一体积内细晶粒晶体相对于粗晶粒晶体而言，变形可分散在更多的晶粒内进行，各晶粒的变形更均匀。与较粗晶粒的金属相比，细晶粒局部区域不易发生应力集中现象，也不易出现裂纹和发生断裂等现象[16]。
Hall-Petch表达式定量地描述了多晶体屈服强度σs与晶粒平均直径d的关系[17]:
σs=σ0+Kd-1/2
(1)
式中,σ0、K为材料常数。
材料的屈服强度与晶粒尺寸倒数的平方根成正比,因此,晶粒越细,金属的强度、硬度也越高[18]。
另一方面，塑性变形过程中施加振动信号,正在变形的原子在振动作用下产生受迫振动，组成材料的原子吸收传递过来的振动能后，使偏离原来平衡位置移动到新的平衡位置所需的外力降低。由传统挤压方式下产生的位错塞积从而阻碍位错移动、导致滑移阻力增加的现象在施加振动时有所缓解，晶格畸变延缓，从而提高材料的塑性,有利于减缓材料的加工硬化速度,降低挤压力[19-20]。
本文通过DEFORM-3D有限元仿真,对比传统挤压方式和施加颤振挤压方式下，金属流动的速度、网格流线变形程度的变化,并通过实验，验证了金属流线的方向性，对比了两种挤压方式下，金属纤维组织、晶粒大小的变化。
2 有限元建模仿真与分析
本文采用有限元分析软件DEFORM-3D对材料进行正挤压数值分析，根据零件对称性特点，将模型进行简化，取模型的1/8进行分析，从而节省计算时间，提高分析效率。
2.1传统挤压方式有限元建模仿真与分析
采用Solidworks建模软件建立凹模、凸模和坯料的简易模型，并导入DEFORM-3D有限元分析软件的前处理器,图2为有限元仿真1/8模型建模图。
1.凸模 2.毛坯 3.下凸模 4.凹模图2 有限元仿真1/8模型建模图
模型参数设置如下:
(1)坯料为塑性体,材料为20Cr,对应材料库中为AISI-5120,COLD[70-1450F(20-800c)];凸模和凹模为刚性体。
(2)网格单元采用系统默认的四面体网格,划分方式采用绝对方式网格划分。
(3)剪切摩擦的摩擦因数为0.12,温度为20℃,挤压速度为10 mm/s。
(4)冲头总行程约10 mm,因此设置模拟步数为1000步,存储增量为5,设置时间增量为0.001 s。
经过成形过程模拟,进入有限元后处理窗口,观察金属流动速度。图3为传统挤压方式下仿真在500步和1000步时的金属流动速度图，可以看出，被挤压毛坯在冲头的作用下向模口方向流动，在1000步时金属流动速度最大值为26.9 mm/s,毛坯中心靠近下凸模的位置金属流动速度为0。
(a)500步时(b)1000步时图3 传统挤压方式下金属流动速度图
进入tools工具栏,设置flow net参数,设置网格数目为17,网格划分预览如图4所示。
图4 金属截面网格流线设置
图5为在传统挤压方式下金属网格流线图。如图5所示,横向网格线在模口拐角处(A区域)发生了较大的弯曲，且毛坯靠近下凸模表面(F区域)的弯曲程度比毛坯靠近凹模内壁(E区域)的弯曲程度大，这是因为下凸模表面和凹模内壁与坯料表面之间均存在摩擦力，且坯料沿着挤压力方向和模具形状流动，致使金属在流动时,靠近下凸模表面部分的金属滞后于凹模内壁部分的金属的缘故。被挤压件的端部(S区域)横向网格线弯曲不大,这是由于该部分金属原来就在模口附近，挤压时迅速流向模具型腔,故受摩擦及模具形状等因素影响较小。横向网格线的间距从被挤压件端部开始逐步增大,即l1≈l2
图5 传统挤压方式下网格流线图(1000步时)
2.2施加颤振挤压方式有限元建模仿真与分析
本文设置凹模颤振参数为频率100 Hz、振幅0.02 mm的简谐信号,表1所示为一个周期内其对应的时间-速度值。
表1 一个周期内的时间-速度值
图6所示为施加颤振信号后在500步和1000步时的金属流动速度图。此时的金属不仅仅受到冲头的挤压作用，还受到凹模的周期振动作用。毛坯中心部位靠近冲头处的金属在冲头的作用下朝模口方向流动，与此同时，毛坯中心部位靠近下凸模处的金属受到来自凹模的周期振动作用，这部分的金属也朝模口方向流动。从图6中可以看出,仿真在1000步时,金属流动速度最快达到62.4 mm/s,毛坯中心部位的金属流动速度最慢,为0.102 mm/s。从图3和图6的金属流动速度图中可以看到,施加颤振后金属流动速度远远大于传统挤压方式下的金属流动速度,这是因为金属流动速度快，则金属流动的惯性和变形的热效应作用突出，而金属流动速度慢时，惯性作用不明显。
(a)500步时(b)1000步时图6 施加颤振信号后金属流动速度图
同样设置网格数目为17，模拟仿真1000步时的网格流线如图7a所示。对比传统挤压方式下的网格流线(图7b)中的A、B、C区域,可以看出,施加颤振信号挤压方式的网格变形程度比传统挤压方式下的网格变形程度小,这说明施加颤振信号后,阻碍金属流动的阻力变小。
(a)施加颤振网格流线图(b)传统挤压网格流线图图7 网格流线图对比(1000步时)
2.3有无施加颤振信号对金属冷挤压成形的比较与分析
将图3和图6中仿真在1000步时的金属流动速度图局部放大，并分别对比两种冷挤压方式下的M区域和P区域局部放大图，如图8所示；分别对比N区域和Q区域局部放大图，如图9所示。
(a)传统挤压方式下M区域放大图(b)施加颤振挤压方式下P区域放大图图8 M区域与P区域放大对比图(1000步时)
在传统挤压方式下，促进金属流动的动力仅仅来自冲头的挤压力；而施加颤振信号后,促进金属流动的动力不仅来自冲头的挤压力，凹模做周期简谐振动也促进了金属的流动。比较图8a与图8b中的a、b、c、d四点的金属流动速度值，如表2所示。金属在冲头和凹模振动双重作用下,在模口处的流动速度更快。在拐角c处,M区域的金属流动速度为19.2 mm/s左右,P区域的金属流动速度达到43.0 mm/s左右。
(a)传统挤压方式下N区域放大图(b)施加颤振挤压方式下Q区域放大图图9 N区域与Q区域放大对比图(1000步时)
表2 M区域和P区域四个位置点金属流动速度值 mm/s
图9a中N区域是毛坯中心部位直接与冲头接触处，毛坯只受冲头-z方向的挤压力的作用，因此金属流动动力来源于冲头的挤压力。图9b中Q区域为毛坯中心上表面与冲头直接接触区域，受到冲头-z方向的挤压力的作用，毛坯中心下表面与下凸模直接接触，施加颤振后，毛坯受到来自凹模的周期振动，因此金属流动动力不仅来自冲头的压力，还来源于凹模的周期振动。毛坯中心朝模口方向的金属流动速度值如表3所示，可以看出,从a点到d点金属流动速度逐渐增大,并且施加颤振后金属流动速度值明显比传统挤压方式下的金属流动速度值大。
表3 N区域和Q区域四个位置点金属流动速度值 mm/s
3 实验研究与分析
3.1实验系统原理
实验时的颤振频率参数可以通过上位机软件的人机交互界面设置,经过USB-CAN转换,通过CAN总线方式,将转换后的数据传输到基于DSPic的2D激振阀控制器，进而实现2D激振阀对颤振平台的控制。挤压过程中的行程载荷数据通过安装在液压机上的压力传感器检测，得到的数据再传输给控制器，控制器对其进行数字滤波后通过CAN总线传输给上位机，从而在计算机上可以读取所需数据。实验系统原理如图10所示,实验系统硬件设备搭建如图11所示。
图10 实验系统原理图
图11 实验系统硬件设备搭建
3.2电液颤振实验平台设计
液压式振动通过电液伺服阀来控制液压执行元件(一般为液压缸)，从而输出周期性的振动，而液压缸活塞在往复运动产生振动的过程中，频率高时加速度、惯性力和阻尼力都很大，需要很大的回复力来克服惯性力进行振动。为解决液压式振动频率和振幅受限的缺陷，本文设计了一种电液式颤振实验平台,其结构图和实物照片见图12。
(a)实验台结构俯视图(b)实验台实物图图12 颤振实验平台结构及实物照片
3.3实验条件及步骤
本实验的目的是在金属冷挤压塑性成形过程中，通过有无施加颤振信号观察所得成形零件的金属流线变化情况。实验时采用型号为YJH92-630、公称力为6300 kN的多向液压成形机；液压机下降速度为10 mm/s；使用限位块来限制冲头的下行距离,本实验设置下行距离为10 mm;设置油泵压力,通过控制器与2D激振阀相互配合来控制液压油，从而使颤振台发生振动。
实验选取的毛坯材料为20Cr，其成形工艺为：首先对剪切得到的原始坯料进行镦粗预成形，然后进行退火处理，酸洗、磷化皂化处理表面得到最终挤压毛坯。毛坯实物如图13a所示。
实验过程中，分别在传统挤压方式下和施加频率为100 Hz、油液压力为8 MPa的颤振信号的挤压方式下进行冷挤压塑性成形,所得成形零件如图13b所示。将两种不同挤压方式得到的成形零件进行如下处理:①将成形零件进行线切割处理，得到原来零件的1/4大小,再将所得的1/4零件沿剖面切割成厚度约为2 mm左右的薄片。②对所得剖面零件经过粗磨、精磨并抛光处理。③用4%的硝酸酒精溶液腐蚀,腐蚀完后用酒精清理零件表面，并吹干。
(a)毛坯实物图(b)成形零件实物图图13 毛坯及成形零件实物图
此时,可以观察到沿零件轮廓分布的一条条曲线,如图14所示,这些曲线就是所谓的金属流线。金属流线是指金属材料在加工过程中，晶粒内部的气孔、疏松及低熔点金属杂质等在金属发生很大程度的塑性变形时沿着变形方向伸长，呈纤维状分布的组织[21]。从图14中可以看出，毛坯在挤压过程中，金属在冲头挤压力的作用下，在模具型腔中向下流动。不管有无施加颤振信号，金属流线都连续分布，无断流、穿流现象。但是可以明显看出，施加振动后，金属流动更加均匀。
(a)传统挤压方式下(b)施加颤振挤压方式下图14 成形零件剖面金属流线图
3.4实验结果与分析
将图13a中的毛坯对半切开,再切取剖面的一小部分，经过粗磨、精磨与抛光后,用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，用扫描电镜观察,得到毛坯显微图,见图15。将腐蚀后的成形零件拐角处M区域和P区域用扫描电镜放大500倍，得到其金属流线显微图见图16。
图15 毛坯显微图
(a)传统挤压方式下(b)施加颤振挤压方式下图16 成形零件拐角处金属流线显微图
由图15可以看出,毛坯的晶粒(如晶粒K)与晶界清晰可见，连接对角线AB,用直尺将经过对角线AB的晶粒大小测量出来,并根据图中标尺，计算得到初始晶粒大小约为16.5 μm。图16所示为成形零件拐角处显微图。由于冷挤压过程中，金属在三向压应力的作用下，金属晶粒破碎,随着金属变形程度的增大,晶粒及内部夹杂物沿着同一方向被显著拉长或压扁，呈现出一片如纤维状的条纹。由图16a可以看出，在传统挤压方式下，晶粒被压扁，晶界模糊，在纤维的分布方向标记一些被压扁的晶粒(图16a)，通过SEM照片上的标尺和直尺，可以测量图中的晶粒大小并计算得到晶粒大小为3.3～5.0 μm。施加颤振信号后，晶粒内部位错密度增加，滑移量增大,在冲头挤压力和颤振信号的双重作用下,用同样的方法,可以测得晶粒被进一步细化到1.7～3.3 μm,晶界模糊,纤维组织更细长、更密实。由图16可以看出，金属在两种挤压方式下，具有明显的流动方向性，与仿真结果相同。
4 结论
(1)传统挤压方式下，金属流动速度最快为26.9 mm/s；施加颤振信号后,金属流动速度更快,最高达到62.4 mm/s。
(2)传统挤压方式下,金属流线网格变形程度比施加颤振信号后金属流线网格变形程度大,说明施加颤振信号后，阻碍金属流动的阻力变小。
(3)冷挤压过程中，金属受到三向压应力的作用，金属晶粒被压碎，晶界模糊，金属流线呈明显的方向性；施加颤振信号后，晶粒被破碎，晶粒进一步细化,金属流线同样呈现明显的方向性,金属纤维组织更细更长。两种挤压方式下的金属流动方向性与仿真结果相同。
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(编辑苏卫国)
Impacts of Electro-hydraulic Vibration Applied in Cold Extrusion of Metal Plastic Forming Process on Metal Flow Lines and Grain Structure
Yang QinghuaHong XiaoxiaoWang ZhihengBao GuanjunHu XinhuaXue Junyi
Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Machining Technology, Ministry of Education & Zhejiang Province,Zhejiang University of Technology,Hangzhou,310032
Cold extrusion process had some disadvantages,such as gigantic metal deformation resistance,mold wear,etc.a new type of cold extrusion process was proposed,where vibration excitation signals were applied in the cold extrusion process.Using DEFORM-3D finite element analysis software,the system simulation models were built and the forming process was simulated on whether the vibration was applied to this process.Simulation results show that the signal can be applied to facilitate the metal flow,and the metal flow rate reaches 62.4 mm/s.The degree of deformation of the mesh flow lines is smaller than that in the condition of traditional squeeze mode.A kind of electro-hydraulic vibration experimental platform and die were designed for this project.Experiments were completed on the conditions of whether the vibration was applied to this process.Etching molded parts with 4% Nital,and SEM was used to observe the part sections.Experimental results show that after the application of vibration signals in cold extrusion,the grain size reduce from about 3.3 ～5.0 μm to 1.7 ～3.3 μm,grain deformation becomes more uniform,deformation tissue becomes more dense,metallic fibrous tissue becomes finer and longer.
cold extruding;finite element modeling;metal plastic forming;electro-hydraulic vibration;metal flow line
2014-11-11
国家自然科学基金资助项目(51275475)；特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室开放基金资助项目(2014EP0110)
TG14;TG3DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.16.017
杨庆华,男,1964年生。浙江工业大学机械工程学院教授、博士研究生导师。主要研究方向为颤振塑性成形、机器人及智能控制。发表论文50余篇。洪潇潇，女，1987年生。浙江工业大学机械工程学院硕士研究生。王志恒，男，1983年生。浙江工业大学机械工程学院讲师。鲍官军,男,1979年生。浙江工业大学机械工程学院副教授。胡新华,男,1975年生。浙江工业大学机械工程学院博士研究生。薛军义,男,1987年生。浙江工业大学机械工程学院硕士研究生。
