AZ31 镁合金板材等径角轧制-单道次弯曲变形工艺有限元分析*

胡 冬 ，秦梁杰 ，梅 静 ，刘 惺 ，吴 胜

（1.四川化工职业技术学院，四川 泸州 646000；2.重庆西山科技有限公司，重庆 400000）

0 引言

镁合金具有结构轻、密度小、比强度和比刚度高、易于回收等优点。相比于钢铁、铝合金等金属材料，镁合金在室温下塑性差、基面织构强烈，这极大地限制了它的应用[1]。目前，许多学者引入了一些特种轧制工艺，如等径角轧制[2]、大应变轧制[3]、高速轧制[4]、RSCB工艺[5-7]等，期望改善镁合金的室温塑性。周涛等发现AZ31镁合金板材在经过多级连续剪切-弯曲工艺后，晶粒得到了细化，镁合金基面织构得到了有效改善，室温IE 值从4.6 mm 提升到7.4 mm[8-10]。然而，在多级连续剪切-弯曲工艺中，随着弯曲次数的增加，镁合金板材在模具中的行程就越长，要实现该工艺，对镁合金初轧板材的性能要求就越高，这极大地增加了多级连续剪切弯曲工艺的难度。

基于以上分析，本文改进了多级连续剪切-弯曲工艺，减少了弯曲次数，设计了等径角轧制-单道次弯曲（简称ECAR-B），并采用有限元软件对其进行了数值模拟，分析了模具结构参数对镁合金板材塑性变形的影响，初步对ECAR-B模具结构参数进行了优化。

1 ECAR-B变形工艺及模拟参数

ECAR-B 工艺装置如图1 所示，该装置主要由一对普通双轧辊轧机和剪切-弯曲模具构成。具体原理如下：镁合金板材经过普通轧制变形，利用轧辊与板材之间的摩擦力驱动镁合金板材进入ECAR-B 模具，并在模具不同转角处实现剪切（转角1）和弯曲（转角2）复合变形。

图1 ECAR-B工艺装置示意图

试验中，AZ31 镁合金需要通过预热，然后从电炉中取出板材经过ECAR-B 变形，板材在此过程属于传热过程与变形的耦合问题；镁合金板材在ECAR-B工艺中属于大变形问题，弹性变形极小。针对此类问题，材料模型选用刚塑性有限元模型，采用程永奇[2]在等径角轧制中所建立的对应方程，如式（1）所示。

其中，轧辊直径为175 mm，板材长度为400 mm，轧辊温度为500 ℃，轧辊速度为0.4 m/s，板材与轧辊的摩擦因子为0.4，空气温度为20 ℃，压下量为20%。

2 模拟结果与讨论

2.1 模具通道间隙H

ECAR-B 工艺在不同模具通道间隙条件下，有限元模拟等效应变结果如图2 所示。如图2（a）所示，当模具通道间隙为1.2 mm 时，剪切角1 处应变最大，且等效应变沿板材厚度方向近似等值分布，显然板材在剪切角处受到很明显的剪切作用，而板材刚好在弯曲转角2 处停止。其主要原因可能在于板材在经过ECAR-B 工艺时，由于自身动能不足，被迫卡在弯曲转角2 处。根据ECAR-B 原理，板材主要依靠轧辊与板材之间的摩擦力提供动能来实现ECAR-B 工艺，而ECAR-B 工艺是由轧制—剪切—弯曲复合而成的，随着模具行程越长，阻力（模具与板材间的摩擦力、转角处模具对板材的反向作用力（与轧向相反））和能耗（摩擦能耗、弯曲变形所需的能力等）就越大。另外，板材经过ECAR-B 需多次应变积累，由于自身塑性变形能力不足，在弯曲转角2 处，板材有可能就已经开裂。尤其值得注意的是，当模具通道间隙增大到1.3 mm 时，如图2（b）所示，板材顺利通过模具，剪切角1 处的等效应力最大且沿对角线近似等值分布，弯曲转角2 处的板材等效应变在上、中、下层均匀分布，此时，板材在弯曲转角2 处有很明显的弯曲变形。随着模具通道间隙继续增大，特别是当通道间隙增大到1.6 mm 和1.8 mm 时，分别如图2（c）、图2（d）所示，板材在剪切角处的剪切作用明显弱化，变形更倾向于复杂化，逐渐演变为“剪切+弯曲复合变形”。

图2 不同通道间隙下ECAR-B有限元模拟等效应变

2.2 剪切角内侧倒角半径r

ECAR-B 工艺在不同内侧倒角半径的条件下，有限元模拟等效应变结果如图3 所示。如图3（a）所示，当剪切角内侧倒角半径为1 mm 时，剪切角处应变值最大且呈对角线近似等值分布，但板材此时不能顺利通过模具，且板材在弯曲转角处就已停止。值得注意的是，当内侧倒角半径增大到2 mm 时，如图3（b）所示，板材恰好能顺利通过模具，且此时板材在剪切角处的等效应变值为1.2，等效应变沿板材厚度方向近似等值分布，此处受到较大的剪切变形。当内侧倒角半径继续增大，特别是增大到3 mm、4 mm 时，分别如图3（c）、图3（d）所示，板材在剪切角处的剪切应变逐渐弱化，沿板材厚度方向复杂化转变，而弯曲转角处的等效应变正倾向于板材上、下表面均匀分布，表明此时ECAR-B 板材在剪切角处的剪切作用很弱，变形演变为“剪切+弯曲复合变形”。

图3 不同内侧倒角半径下ECAR-B有限元模拟等效应变

2.3 模具弯曲半径R

ECAR-B 工艺在不同弯曲半径条件下，有限元模拟等效应变结果如图4 所示。当弯曲半径R=6 mm时，镁合金板材在弯曲转角处的等效应变值为1.65，而当R增大到8 mm、10 mm 时，板材在弯曲转角处的等效应变相应减小到1.37、1.25，这表明增大弯曲半径，弯曲变形减弱。虽然弯曲半径的增大有利于材料流动，从而制备表面质量更好的镁合金板材，但弯曲变形将相应减弱，最初设想的利用剪切变形使镁合金晶粒发生偏转，弯曲变形使板材内部产生孪生分割晶粒、细化晶粒的目的就无法实现。因此，模具弯曲半径的设计十分关键。

图4 不同弯曲半径下ECAR-B有限元模拟等效应变

3 ECAR-B模具结构初步优化

从对ECAR-B 工艺的有限元模拟结果来看，要想制备高性能镁合金板材，模具通道间隙、剪切角内侧倒角半径以及模具弯曲半径至关重要。在一定终轧工艺条件下，模具通道间隙、剪切角内侧倒角半径越小，在剪切角处积累的应变越大，板材受到的剪切作用也越强，但过小的通道间隙、剪切角内侧倒角半径也会导致板材无法顺利进入ECAR-B 模具，甚至出现开裂。同样的，模具弯曲半径大小也会制约板材的弯曲变形强弱，弯曲半径越小，则弯曲变形越强。因此，要想使镁合金板材顺利实现ECAR-B 工艺，又能积累剪切-弯曲应变，需要对模具结构进行优化，初步优化后的模具通道间隙H=1.3 mm，剪切角内侧倒角半径r=2 mm，弯曲半径R=6 mm。

4 结语

本文在多级连续剪切-弯曲工艺的基础上，设计出了ECAR-B 工艺并对其过程进行了有限元数值模拟，分析了不同模具参数对镁合金板材塑性变形的影响。最后根据模拟结果优化了模具结构参数，为ECAR-B 工艺模具设计提供了理论依据，丰富了镁合金塑性变形理论。