等通道彎角擠壓變形機理模擬與工藝參數優化

超細晶粒材料（包括亞微米材料）具有重要和廣闊的工業應用前景，其制備技術對于該材料的應用具有重要影響。近年來出現的劇烈塑性變形技術（Severe Plastic Deformation-SPD）是制備超細晶粒材料的重要方法之一，它包括等通道彎角擠壓工藝（Equal Channel Angular Pressing ECAP）、高壓扭轉（High Press Torsion-ARB）累積軋制（Accumulative Rolling Bonding-ARB）等。前蘇聯學者Segal提出的等通道彎角擠壓（ECAP）過程通過劇烈塑性變形來制備塊狀超細晶粒材料是一種最具工業化前景的工藝。與其他工藝相比，劇烈塑性變形由于其工藝并不復雜，能夠制備出塊狀致密的超細結構材料而受到人們的重視。通過劇烈塑性變形制備的超細晶粒塊狀試樣與其他制備的試樣相比，材料在強度、硬度和塑性方面均有較大程度的提高。等通道彎角擠壓過程如圖1所示，其工作原理是通過兩個等橫截面積的管道以一定的角度相交，金屬試樣連續通過模具兩個相交的管道擠出以獲得足夠的累積應變而達到晶粒細化。因通道截面不同一般又分為方型截面通道和圓型截面通道。等方型通道彎角擠壓為典型的平面變形問題，等圓型通道彎角擠壓為三維擠壓變形問題。 

180°-Φ）之間變化，與Ψ成一一對應關系的模具圓心角半徑為r。由于ECAP工藝主要靠擠壓件累積的等效應變對其晶粒進行有效細化，因此，模具拐角Φ、圓心角Ψ和圓心角半徑r等模具幾何參數對于擠壓件的晶粒細化具有重要影響。定量地了解和掌握模具參數對擠壓件內部應變分布，應變大小等的影響規律，對于有效地確定擠壓工藝和使擠壓件獲得合理的應變分布、大小，進而獲得所要求的晶粒細化效果是十分重要的。欲獲得優化的模具幾何參數，一般通過實驗或數值模擬方法來獲得。實驗研究需要一定的費用和大量的時間，而且對于擠壓件內部各場量的分布及其擠壓過程中材料流動規律的變化難以全面掌握。而吪設特限元數值模擬技術可以全面掌握擠壓全過程金屬的流動規律和場量的大小與分布，能夠快速獲得模具幾何參數對擠壓件場量分布的影響，進而達到優化模具參數的目的。 
人們對等通道彎角擠壓過程進行了一定的實驗和分析研究，但尚未進行詳細全面的數值模擬分析。本文采用商品化有限元模擬軟件CASFORM，針對不同的模具幾何參數，進行了大量的過程模擬，通過數據分析，獲得了能夠用于指導實際工藝和模具設計的理論結果，給出了模具幾何形狀的優化設計方案。 
2 有限元模擬軟件與數學模型 
等通道彎角擠壓工藝制備超細晶粒材料，主要是通過劇烈塑性使擠壓件獲得大應變，且盡量保證擠壓件內部等效應變分布均勻。日本學者Y.Iwahashi等提出了計算累積等效應變的理論公式： 

其中，N表示擠壓的次數，累積等效應變ε隨模具拐角Φ和圓心角Ψ的增大而減少；當Φ一定且Ψ0°時，ε取最大值，當Ψ=180°-Φ時，ε取最小值；然而理論公式獲得的應變與實際的變形過程的應變分布不同的，由于擠壓件變形分布的不均勻性，變形過程的數值表達是相當復雜的，因此采用有限元模擬能更直觀地動態分析ECAP擠壓變形的全過程。 
本文針對等方型通道彎角擠壓過程進行模擬研究，故擠壓過程為平面變形問題，采用商品化有限元軟件CASFORM-2D/PC進行模擬，CASFORM是由山東大學模具工程技術研究中心開發，主要用于工業鍛造、擠壓等金屬成形過程的仿真軟件。試樣形狀為長方體，其尺寸選取為10mm×10mm×80mm，擠壓材料選取為鋁（ Al99 ，Cu 0.1，Si0.15，Fe0.5）擠壓材料可視為剛塑性材料，其應力-應變關系為，其中，C=170kg/mm2，n=0.24，摩擦因子m為0.20，沖頭向下的擠壓速度為2mm/s。 
等方型通道彎角擠壓過程的有限元仿真模型如圖2所示，其中只給出了模具拐角為90°和120°兩種情況，單元劃分數目為1100。全過程模擬的情況和參數變化如下： 
模具拐角Φ在90°～150°之間變化，每隔5°為一種情況，模具圓心角半徑r分別取2、4、5、6、8、10mm，共6種情況，故本文進行了78種不同模具參數組合的過程模擬。因此，通過模擬，完全可以掌握等通道彎角擠壓過程的全貌。