等通道弯角挤压变形机理模拟与工艺参数优化

超细晶粒材料（包括亚微米材料）具有重要和广阔的工业应用前景，其制备技术对于该材料的应用具有重要影响。近年来出现的剧烈塑性变形技术（Severe Plastic Deformation-SPD）是制备超细晶粒材料的重要方法之一，它包括等通道弯角挤压工艺（Equal Channel Angular Pressing ECAP）、高压扭转（High Press Torsion-ARB）累积轧制（Accumulative Rolling Bonding-ARB）等。前苏联学者Segal提出的等通道弯角挤压（ECAP）过程通过剧烈塑性变形来制备块状超细晶粒材料是一种最具工业化前景的工艺。与其他工艺相比，剧烈塑性变形由于其工艺并不复杂，能够制备出块状致密的超细结构材料而受到人们的重视。通过剧烈塑性变形制备的超细晶粒块状试样与其他制备的试样相比，材料在强度、硬度和塑性方面均有较大程度的提高。等通道弯角挤压过程如图1所示，其工作原理是通过两个等横截面积的管道以一定的角度相交，金属试样连续通过模具两个相交的管道挤出以获得足够的累积应变而达到晶粒细化。因通道截面不同一般又分为方型截面通道和圆型截面通道。等方型通道弯角挤压为典型的平面变形问题，等圆型通道弯角挤压为三维挤压变形问题。 

180°-Φ）之间变化，与Ψ成一一对应关系的模具圆心角半径为r。由于ECAP工艺主要靠挤压件累积的等效应变对其晶粒进行有效细化，因此，模具拐角Φ、圆心角Ψ和圆心角半径r等模具几何参数对于挤压件的晶粒细化具有重要影响。定量地了解和掌握模具参数对挤压件内部应变分布，应变大小等的影响规律，对于有效地确定挤压工艺和使挤压件获得合理的应变分布、大小，进而获得所要求的晶粒细化效果是十分重要的。欲获得优化的模具几何参数，一般通过实验或数值模拟方法来获得。实验研究需要一定的费用和大量的时间，而且对于挤压件内部各场量的分布及其挤压过程中材料流动规律的变化难以全面掌握。而吪设特限元数值模拟技术可以全面掌握挤压全过程金属的流动规律和场量的大小与分布，能够快速获得模具几何参数对挤压件场量分布的影响，进而达到优化模具参数的目的。 
人们对等通道弯角挤压过程进行了一定的实验和分析研究，但尚未进行详细全面的数值模拟分析。本文采用商品化有限元模拟软件CASFORM，针对不同的模具几何参数，进行了大量的过程模拟，通过数据分析，获得了能够用于指导实际工艺和模具设计的理论结果，给出了模具几何形状的优化设计方案。 
2 有限元模拟软件与数学模型 
等通道弯角挤压工艺制备超细晶粒材料，主要是通过剧烈塑性使挤压件获得大应变，且尽量保证挤压件内部等效应变分布均匀。日本学者Y.Iwahashi等提出了计算累积等效应变的理论公式： 

其中，N表示挤压的次数，累积等效应变ε随模具拐角Φ和圆心角Ψ的增大而减少；当Φ一定且Ψ0°时，ε取最大值，当Ψ=180°-Φ时，ε取最小值；然而理论公式获得的应变与实际的变形过程的应变分布不同的，由于挤压件变形分布的不均匀性，变形过程的数值表达是相当复杂的，因此采用有限元模拟能更直观地动态分析ECAP挤压变形的全过程。 
本文针对等方型通道弯角挤压过程进行模拟研究，故挤压过程为平面变形问题，采用商品化有限元软件CASFORM-2D/PC进行模拟，CASFORM是由山东大学模具工程技术研究中心开发，主要用于工业锻造、挤压等金属成形过程的仿真软件。试样形状为长方体，其尺寸选取为10mm×10mm×80mm，挤压材料选取为铝（ Al99 ，Cu 0.1，Si0.15，Fe0.5）挤压材料可视为刚塑性材料，其应力-应变关系为，其中，C=170kg/mm2，n=0.24，摩擦因子m为0.20，冲头向下的挤压速度为2mm/s。 
等方型通道弯角挤压过程的有限元仿真模型如图2所示，其中只给出了模具拐角为90°和120°两种情况，单元划分数目为1100。全过程模拟的情况和参数变化如下： 
模具拐角Φ在90°～150°之间变化，每隔5°为一种情况，模具圆心角半径r分别取2、4、5、6、8、10mm，共6种情况，故本文进行了78种不同模具参数组合的过程模拟。因此，通过模拟，完全可以掌握等通道弯角挤压过程的全貌。