Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金屬于超高強(qiáng)變形鋁合金，同時(shí)具有較高的強(qiáng)韌性和較好的耐腐蝕性，是航空、航天、兵器、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)最重要的結(jié)構(gòu)材料之一�，F(xiàn)代航空航天工業(yè)的發(fā)展，對高強(qiáng)鋁合金的綜合性能提出了更高的要求，需要在保持高強(qiáng)度的同時(shí)具有較大的塑性。等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝（ECAP）是細(xì)化晶粒、制備超細(xì)晶材料的一種有效方法，其原理是經(jīng)過反復(fù)多道次的剪切變形累積大的應(yīng)變，從而實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。但是，對于變形抗力大的試樣在通過剪切區(qū)時(shí)容易出現(xiàn)開裂的問題，同時(shí)ECAP模具內(nèi)角磨損嚴(yán)重，沖頭受到大的偏載力，容易斷裂，即使是傳統(tǒng)的ECAP模具（φ=90°，ψ=37°）也存在這一問題。
等通道雙轉(zhuǎn)角擠壓（ECDAP）是對傳統(tǒng)90°轉(zhuǎn)角的ECAP模具的改進(jìn)，將90°剪切變形效果轉(zhuǎn)化為兩個(gè)剪切角的累積變形，其主要參數(shù)包括兩個(gè)內(nèi)角φ1、φ2，即相鄰兩通道的交角，外角ψ1、ψ2，即外角圓弧與內(nèi)側(cè)交點(diǎn)組成的角，根據(jù)幾何關(guān)系得出φ1+φ2=270°。ECDAP工藝使材料經(jīng)過一次擠壓，完成兩次大塑性變形。本文采用數(shù)值模擬的方法，系統(tǒng)研究了ECDAP和傳統(tǒng)的ECAP工藝變形過程中Al-Zn-Mg-Cu合金的變形行為，重點(diǎn)對比分析了變形過程、應(yīng)變均勻性及模具受力情況。
有限元模型的建立
本文采用UG NX 8.5軟件建立三種不同轉(zhuǎn)角的模具結(jié)構(gòu)模型，然后利用有限元軟件DEFORM-3D進(jìn)行熱力耦合模擬，材料為自行建立的7A60鋁合金模型。三種模具結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角分別為：90°、雙135°、135°，具體參數(shù)見表1。三種模具采用相同的模擬參數(shù)：坯料尺寸為20mm×20mm×70mm，采用四節(jié)點(diǎn)、四面體等參數(shù)單元對變形坯料進(jìn)行離散，模具和坯料溫度均為350℃、擠壓速度為1mm/s、模具和坯料間的摩擦接觸采用常剪切模型，摩擦因數(shù)為0.12。
網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
在金屬塑性加工中，物體受力后發(fā)生變形，這種變形是物體內(nèi)各點(diǎn)位移的不同而使各點(diǎn)的相對位置發(fā)生變化。下面通過研究單道次ECDAP變形后，材料剖截面網(wǎng)格的變化來驗(yàn)證模型及模擬的正確性。首先在DEFORM軟件中，劃分3mm×3mm的網(wǎng)格進(jìn)行模擬，分析變形結(jié)果。
采用3A21鋁合金進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，切割成2塊10mm×20mm×70mm的長方體，在其中一塊20mm×70mm的面上用等高線刻畫3mm×3mm的物理網(wǎng)格，將兩塊坯料合在一起在室溫下進(jìn)行ECDAP實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示，物理實(shí)驗(yàn)跟實(shí)驗(yàn)?zāi)M基本一致。根據(jù)圖3(b)網(wǎng)格的變化情況，可以將擠壓后的試樣分為頭部、中部、尾部。其中試樣頭部和尾部的網(wǎng)格幾乎未變形，中間部分的網(wǎng)格變形劇烈，由正方形變成了不規(guī)則的四邊形，朝著擠出方向發(fā)生了傾斜，并且上表面的網(wǎng)格畸變嚴(yán)重。由金屬的流動(dòng)性和對比結(jié)果可知，本文所采用的模型及模擬結(jié)果準(zhǔn)確可行。
模擬結(jié)果分析
不同轉(zhuǎn)角單道次載荷及變形過程分析
經(jīng)過不同轉(zhuǎn)角模具單道次擠壓的載荷和等效應(yīng)力圖，從載荷圖上可以看出：單90°和135°模具結(jié)構(gòu)沖頭載荷先快速上升后穩(wěn)定，在成形末期載荷快速下降；雙135°模具結(jié)構(gòu)沖頭載荷曲線與另外兩種模具部分重合。取重合處的等效應(yīng)力圖進(jìn)行分析，雙135°模具中試樣在通過第二個(gè)轉(zhuǎn)角前，跟單135°的擠壓過程相似，在經(jīng)過兩個(gè)轉(zhuǎn)角穩(wěn)定變形時(shí)與單90°模具載荷曲線重合。在載荷的重合部分，試樣頭部和尾部的交角相同，分別為135°和90°�？梢缘贸觯簲D壓載荷的大小與擠壓中的頭部和尾部的夾角有關(guān)，跟通道內(nèi)模具轉(zhuǎn)角的大小關(guān)系不大。同時(shí)從試樣的等效應(yīng)力圖可以看出，單轉(zhuǎn)角模具結(jié)構(gòu)中的試樣只經(jīng)過了一個(gè)剪切變形，而雙轉(zhuǎn)角中經(jīng)過了兩次剪切變形，說明了雙轉(zhuǎn)角模具結(jié)構(gòu)起到了兩次剪切變形的效果。
不同轉(zhuǎn)角等效應(yīng)變分析
等通道轉(zhuǎn)角是通過累積大的應(yīng)變量從而實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，圖5是試樣經(jīng)過三種模具一道次擠壓之后的等效應(yīng)變云圖。
可以看到經(jīng)過三種模具擠壓后試樣的頭部和尾部等效應(yīng)變最小，試樣中間部分等效應(yīng)變較大，其中試樣的頭部下端面和上下表面處等效應(yīng)變最大，頭部下端面的最大等效應(yīng)變是試樣接觸到水平通道時(shí)載荷迅速升高產(chǎn)生的，試樣上下表面的最大等效應(yīng)變是與通道表面的摩擦引起的。為了更好地觀察擠壓后三種試樣的等效應(yīng)變分布情況，在試樣截面的中軸線上等間距地取了10個(gè)點(diǎn)，得到等效應(yīng)變變化曲線。由曲線可知三種試樣的等效應(yīng)變值從頭部到尾部都是先快速升高，穩(wěn)定一小段時(shí)間后再次升高，而經(jīng)雙轉(zhuǎn)角擠壓后試樣比單轉(zhuǎn)角的等效應(yīng)變的升幅大，最后三種試樣的等效應(yīng)變值均迅速降低，因?yàn)殡p轉(zhuǎn)角模具的試樣尾部受到第二個(gè)轉(zhuǎn)角的影響，其尾部的等效應(yīng)變值降低較緩。從等效應(yīng)變曲線可以看出試樣經(jīng)過三種模具擠壓后，試樣中間部分的等效應(yīng)變值由大到小分別對應(yīng)90°、雙135°、135°的模具，最大等效應(yīng)變值分別達(dá)到了1.14、0.87、0.43。
不同轉(zhuǎn)角多道次均勻性分析
ECDAP工藝加工前后的試樣橫截面形狀保持不變，因此可以保證重復(fù)擠壓的順利進(jìn)行，在鋁合金成形過程中為獲得足夠大的應(yīng)變累積量，一般需要進(jìn)行多道次擠壓以實(shí)現(xiàn)大的塑性變形，試樣隨著變形道次的增加，累積應(yīng)變的均勻性也會(huì)有相應(yīng)的變化，三種轉(zhuǎn)角模具下1到4道次后試樣的等效應(yīng)變情況。
由網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)可知經(jīng)過三種不同模具擠壓后的試樣，根據(jù)試樣變形情況可以分為頭部、中部、尾部，其中部等效應(yīng)變較大并且分布較均勻，因此，在三種試樣1道次和4道次擠壓后，試樣中部黑色方框內(nèi)均勻地畫10條直線，每條直線上取20個(gè)點(diǎn)，共200個(gè)點(diǎn)，為了反映試樣變形均勻性的情況，將200個(gè)點(diǎn)的等效應(yīng)變值用公式表示離散程度大小的變異系數(shù)進(jìn)行估算，變異系數(shù)越大，離散程度越大，均勻性越差。
其中ε為等效應(yīng)變值，CVε為變異系數(shù)，Stdevε為標(biāo)準(zhǔn)差，Avgε為平均數(shù)。
由變異系數(shù)計(jì)算公式得到表2，試樣經(jīng)過一道次90°轉(zhuǎn)角模具擠壓后的平均等效應(yīng)變?yōu)?.955，略高于雙135°的擠壓試樣，遠(yuǎn)高于135°轉(zhuǎn)角擠壓的試樣，但擠壓后三種試樣的等效應(yīng)變離散程度中90°的最高，達(dá)到了0.2，其次為雙135°轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，離散程度最小的為135°的轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)。四道次后三種模具結(jié)構(gòu)的擠壓試樣平均等效應(yīng)變均大幅提升，增幅分別為366%、324%、279%，對應(yīng)的變異系數(shù)都有了不同程度的降低，其中四道次后90°試樣的變異系數(shù)降幅最大，達(dá)到了37%。
不同轉(zhuǎn)角模具應(yīng)力分析
由于等徑角擠壓的工藝特點(diǎn)，在成形過程中會(huì)出現(xiàn)沖頭受力不均衡、模具轉(zhuǎn)角磨損嚴(yán)重的問題。對于變形抗力大的金屬，在擠壓過程中容易出現(xiàn)沖頭斷裂的情況，圖7為三種模具結(jié)構(gòu)變形過程中最大載荷步數(shù)下的模具等效應(yīng)力圖。
可以看出模具應(yīng)力主要集中在沖頭和內(nèi)轉(zhuǎn)角上。為了分析沖頭上應(yīng)力的分布情況，在與試樣接觸的面上從靠近內(nèi)轉(zhuǎn)角到外轉(zhuǎn)角的地方均勻地選取20個(gè)點(diǎn)得到的曲線，從圖中看出三種模具沖頭上等效應(yīng)力從靠近內(nèi)角處都是先降低后升高，在沖頭兩端處等效應(yīng)力較大，其中90°轉(zhuǎn)角和雙135°轉(zhuǎn)角模具的沖頭應(yīng)力值相近，但均比135°的高。利用變異系數(shù)公式對20個(gè)點(diǎn)的等效應(yīng)力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算結(jié)果見表3，從表中知道90°轉(zhuǎn)角和雙135°轉(zhuǎn)角的沖頭平均等效應(yīng)力基本相同，在470MPa左右，90°模具和雙135°模具最大擠壓載荷基本相同，沖頭截面均為20mm×20mm，平均應(yīng)力也基本相同。由三種模具沖頭應(yīng)力的變異系數(shù)可知模具不均勻性由大到小為135°、90°、雙135°�？闯鋈N模具內(nèi)角處最大等效應(yīng)力分別為676MPa、398MPa、426MPa，并且由應(yīng)力云圖可知雙轉(zhuǎn)角模具中，第一個(gè)轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力比第二個(gè)轉(zhuǎn)角的大。通過采用雙轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)，改善等徑角工藝中沖頭受力不均勻、內(nèi)角磨損嚴(yán)重的問題，一定程度上有利于難變形金屬的大塑性變形過程。
結(jié)論
1)對單道次ECDAP進(jìn)行了網(wǎng)格模擬和物理實(shí)驗(yàn)，根據(jù)變形效果將擠壓后的試樣分為三個(gè)部分，分別為頭部、中部和尾部，物理實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果基本一致，說明了模型及模擬過程準(zhǔn)確可行。
2)對ECDAP、ECAP變形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)擠壓載荷和變形過程中坯料頭部與尾部的夾角有關(guān)，ECDAP變形中出現(xiàn)了兩個(gè)剪切帶，實(shí)現(xiàn)了“一次擠壓，二次剪切”的變形效果。
3)經(jīng)過三種模具擠壓后的試樣，中部的應(yīng)變最大并且均勻，1和4道次后坯料中部等效應(yīng)變由大到小為90°、雙135°、135°，4道次后，三種坯料的變形均勻性都有所提升，90°轉(zhuǎn)角模具擠壓后的試樣均勻性提高最多。
4)由最大載荷處模具應(yīng)力可知，90°和雙135°模具的平均應(yīng)力基本相同，135°的最小，但雙135°模具沖頭受力最均勻，ECDAP較90°ECAP模具內(nèi)角磨損小，并且第一個(gè)轉(zhuǎn)處的應(yīng)力比第二個(gè)轉(zhuǎn)角的大。
