基于可加工性分析的镁合金一次模锻成形工艺优化方法

摘要

本发明公开了一种基于可加工性分析的镁合金一次模锻成形工艺优化方法，属于材料科学技术领域。包括以下步骤：步骤一、根据实际生产经验确定镁合金的初始设计变量区间；步骤二、为了确定镁合金复杂形状模锻件的实际可加工区间，在步骤一给出的初始设计变量区间上通过拉丁超立方试验设计方法产生均匀随机抽样点，得到模拟试验中设计变量（变形温度和压下速率）的抽样值；步骤三、建立耦合可加工性分析的有限元模型，模拟实际零件模锻成形过程，得到响应量；步骤四、得到镁合金复杂形状模锻件可加工区间的响应面模型；步骤五、获得镁合金一次模锻成形工艺优化方法。本发明方法科学先进，一次终锻成形，无需预锻，提高了生产效率，降低了成本。

说明书

技术领域

本发明公开了一种基于可加工性分析的镁合金一次模锻成形工艺优化方 法，属于材料科学技术领域。

背景技术

镁及镁合金是目前可工业化应用的最轻的金属结构材料，具有高的比强度 和比刚度，优良的阻尼减震性、导热性、电磁屏蔽性以及易回收等优点，在航 空航天、汽车、3C产品(计算机、电子、通讯)、化工和军工等领域具有广阔的 应用前景。与铸造镁合金零件相比，镁合金锻造成形的零件组织细小均匀、综 合机械性能优越，能够满足更高的设计要求，是实现镁合金规模化生产的主要 方法之一。但是镁及镁合金由于具有密排六方晶体结构，室温滑移系少，锻造 成形时存在以下难点：1)锻造温度区间窄(通常150℃左右)，温度低时，塑性 差，变形抗力大，易产生锻裂、充填不佳等缺陷；温度高时，塑性改善，但会 造成粘模、晶粒粗大、流动局域化等缺陷；2)对应变速率敏感，塑性随应变速 率增加迅速下降，通常在低应变速率成形(10－3s^-1～1s^-1范围内)，生产率低， 容易发生反复再结晶和晶粒长大；3)加热次数不宜过多，镁合金强度随加热和 锻造次数的增加而下降，而传统的等温恒定压下速率加工难以实现一次模锻成 形。

目前镁合金锻压成形技术采用多次等温恒压下速率模锻成形，虽然能够解 决镁合金低温塑性差，变形困难的问题，但是多次热锻不仅会导致晶粒长大， 混晶与组织不均匀现象，使得锻件整体力学性能下降；而且由于工序复杂、压 下速率小，导致成形时间长，生产效率低，制造成本增加。为了满足航空航天、 汽车、军工产业对镁合金高性能构件的需求，发展高效率、低成本、高性能的 镁合金模锻技术引起国内外学者的广泛关注。

发明内容

本发明就是针对上述现有技术的不足，提供一种基于可加工性分析的镁合 金一次模锻成形工艺优化方法。

本发明的技术方案是，一种基于可加工性分析的镁合金一次模锻成形工艺 优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据实际生产经验确定镁合金的初始设计变量区间；

步骤二、为了确定镁合金复杂形状模锻件的实际可加工区间，在步骤一给 出的初始设计变量区间上通过拉丁超立方试验设计方法(LHD)产生均匀随机抽 样点，得到模拟试验中设计变量(变形温度和压下速率)的抽样值；

步骤三、建立耦合可加工性分析的有限元模型，模拟实际零件模锻成形过 程，得到给定变形条件(LHD取样点)下流变失稳参数最小值—压下量关系曲线， 该曲线与失稳临界值(小于临界值时锻件内部出现变形局域化、剪切带、断裂 等缺点)相交，交点即为给定变形条件下模拟试验得到的响应量(锻件发生破 坏的临界压下量)；

步骤四、依据步骤二得到的设计变量和步骤三得到的响应量数据，应用最 小二乘法回归得到镁合金复杂形状模锻件可加工区间的响应面模型：

$y={\beta }_0+\underset{i=1}{\overset{p}{\Sigma }}{\beta }_i{x}_i+\underset{i=1}{\overset{p}{\Sigma }}{\beta }_{\mathrm{ii}}{x}_i^2+\underset{i<j}{\Sigma }\underset{j=1}{\overset{p}{\Sigma }}{\beta }_{\mathrm{ij}}{x}_i{x}_j$

式中，y为响应值，即给定变形温度和压下速率条件下锻件内部发生流变失 稳的临界压下量；x为设计变量，即变形温度和压下速率；p为设计变量的个数， 这里为2；β₀,β_i,β_ii,β_ij为回归系数；

步骤五、根据步骤四得到的可加工区间的响应面模型，设计几种不同的加 工路径，通过比较成形性能、微观组织演化及成形力，确定符合设备要求且能 够实现一次模锻成形最优加工路径，获得镁合金一次模锻成形工艺优化方法。

步骤三中所述，建立耦合可加工性分析的有限元模型，以计算三维加工图 为基础，通过将三维加工图与有限元相集成的数值模拟技术确定实际镁合金模 锻件的可加工区间。为了避免模锻件出现变形局域化、剪切带、断裂的破坏现 象，通过有限元模拟获得给定变形条件下流变失稳参数最小值—压下量关系曲 线，根据流变失稳判据，当模锻件内部流变失稳参数最小值小于临界值时，锻 件内部出现变形局域化、剪切带、断裂的缺陷，流变失稳参数最小值—压下量 关系曲线与失稳临界值的交点，即为给定变形条件下锻件发生破坏的响应量。

步骤一中所述，镁合金为镁合金AZ31B，镁合金AZ31B在初始设计变量区间 中锻造温度范围取为250—400℃，压下速率区间取为0.1—2mm/s。

本发明方法科学先进，由预挤压或自由锻锻坯通过一次终锻成形，无需预 锻，简化了工序，提高了生产效率，降低了成本。在可加工区间内实现降温、 降速率锻造，在低应变量时，运行在压下速率较高的成形区间，避开流变失稳 和开裂缺陷，提高生产效率，在大应变量时，运作在低温低压下速率成形区间， 可以有效提高构件塑性，降低成形抗力。利用本发明一次模锻成形工艺优化方 法成形产品，保证动态再结晶充分进行，有利于获得细小均匀的等轴晶组织， 具有良好的综合机械性能。基于镁合金可加工性的分析，获得镁合金能够一次 模锻成形的最优加工路径。实际镁合金复杂零件模锻成形的可加工区间是在有 限元数值模拟的基础上通过最小二乘法回归得到的，为了确定镁合金复杂形状 模锻件的实际可加工区间，在初始设计变量空间(初始可加工区间)上采用拉丁 超立方试验设计方法(LHD)获得均匀随机抽样点，得到模拟试验中设计变量(变 形温度和压下速率)的抽样值。模拟实际零件模锻成形过程，得到给定变形条 件(LHD取样点)下模拟试验得到的响应量(锻件发生破坏的临界压下量)；依 据设计变量和响应量数据，应用最小二乘法回归得到镁合金复杂形状模锻件可 加工区间的响应面模型，根据响应面模型，设计不同的加工路径，通过成形性 能、微观组织演化和成形力的比较，获得镁合金一次模锻成形工艺优化方法。选 用LHD法是由于其具有样本容量小，抽样点具有可继承性的优点，能够减少有 限元模拟的次数，提高计算效率。该工艺方法能够保证模锻件在不发生流变失 稳、成形性良好且成形效率较高的可加工区间内一次成形，同时获得动态再结 晶充分进行，组织均匀细小的高性能锻件。首先在可加工区间内设计几种不同 的加工路径，即锻造温度、压下速率随压下量的变化曲线，应用有限元模型计 算不同变形路径下锻造成形时失稳参数、平均晶粒尺寸、再结晶百分数和成形 力演化。在此基础上，考虑压力机设备额定成形力，确定最优锻造工艺，使得 锻件在外观成形良好的同时，得到细小均匀的晶粒尺寸，形成高性能、高效率、 低成本的镁合金锻造成形工艺。

附图说明

图1(a)为镁合金AZ31B在应变量为0.3时的加工图；

图1(b)为镁合金AZ31B在应变量为0.7时的加工图；

图2(a)为镁合金AZ31B的三维功率耗散图；

图2(b)为镁合金AZ31B的三维流变失稳图；

图3(a)为镁合金AZ31B直齿圆柱齿轮在变形温度是261℃，压下速率是 0.78mm/s模锻过程中失稳参数最小值随压下行程变化图；

图3(b)为镁合金AZ31B直齿圆柱齿轮在变形温度是390℃，压下速率是 0.33mm/s模锻过程中失稳参数最小值随压下行程变化图；

图4为二阶响应面拟合得到的镁合金AZ31B直齿圆柱齿轮模锻可加工区间；

图5为镁合金AZ31B直齿圆柱齿轮模锻最优加工路径。

具体实施方式

下面结合附图和附图说明对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明基于可加工性分析的镁合金一次模锻成形工艺优化方法适用于各种 镁合金，下面对本发明做进一步详细说明：

一种基于可加工性分析的镁合金一次模锻成形工艺优化方法，包括以下步 骤：

步骤一、根据实际生产经验确定镁合金的初始设计变量区间；

步骤二、为了确定镁合金复杂形状模锻件的实际可加工区间，在步骤一给 出的初始设计变量区间上通过拉丁超立方试验设计方法产生均匀随机抽样点， 得到模拟试验中设计变量(变形温度和压下速率)的抽样值；

步骤三、建立耦合可加工性分析的有限元模型，模拟实际零件模锻成形过 程，得到给定变形条件下流变失稳参数最小值—压下量关系曲线，该曲线与失 稳临界值相交，交点即为给定变形条件下模拟试验得到的响应量(锻件发生破 坏的临界压下量)；步骤三中所述，建立耦合可加工性分析的有限元模型，以计 算三维加工图为基础，通过将三维加工图与有限元相集成的数值模拟技术确定 实际镁合金模锻件的可加工区间，为了避免模锻件出现变形局域化、剪切带、 断裂的破坏现象，通过有限元模拟获得给定变形条件下流变失稳参数最小值— 压下量关系曲线，根据流变失稳判据，当模锻件内部流变失稳参数最小值小于 临界值时，锻件内部出现变形局域化、剪切带、断裂的缺陷，流变失稳参数最 小值—压下量关系曲线与失稳临界值的交点，即为给定变形条件下锻件发生破 坏的响应量；

步骤四、依据步骤二得到的设计变量和步骤三得到的响应量数据，应用最 小二乘法回归得到镁合金复杂形状模锻件可加工区间的响应面模型：

$y={\beta }_0+\underset{i=1}{\overset{p}{\Sigma }}{\beta }_i{x}_i+\underset{i=1}{\overset{p}{\Sigma }}{\beta }_{\mathrm{ii}}{x}_i^2+\underset{i<j}{\Sigma }\underset{j=1}{\overset{p}{\Sigma }}{\beta }_{\mathrm{ij}}{x}_i{x}_j$

式中，y为响应值，即给定变形温度和压下速率条件下锻件内部发生流变失 稳的临界压下量；x为设计变量，即变形温度和压下速率；p为设计变量的个数， 这里为2；β₀,β_i,β_ii,β_ij为回归系数；

步骤五、根据步骤四得到的可加工区间的响应面模型，设计几种不同的加 工路径，通过比较成形性能、微观组织演化及成形力，确定符合设备要求且能 够实现一次模锻成形最优加工路径，获得镁合金一次模锻成形工艺优化方法。

针对步骤五，首先在步骤四得到的可加工区间的响应面模型内设计几种不 同的加工路径，即锻造温度、压下速率随压下量的变化曲线，应用有限元模型 计算不同变形路径下锻造成形时失稳参数、平均晶粒尺寸、再结晶百分数和成 形力演化。在此基础上，考虑压力机设备额定成形力，确定最优锻造工艺，使 得锻件在外观成形良好的同时，得到细小均匀的晶粒尺寸，形成高性能、高效 率、低成本的镁合金锻造成形工艺。

实施例2

以下将结合附图和具体的镁合金AZ31B对本发明做进一步详细说明。

镁合金AZ31B直齿圆柱齿轮的一次模锻成形过程，工艺优化的目标是为了 保证模锻件在不发生流变失稳、成形性良好且成形效率较高的可加工区间内成 形，同时获得动态再结晶充分进行，组织均匀细小的高性能锻件。该方法具体 包括以下步骤：

步骤一：根据实际生产经验确定镁合金AZ31B的初始设计变量区间，其中 锻造温度范围取为250—400℃，压下速率区间取为0.1—2mm/s。

步骤二：为了确定镁合金直齿圆柱齿轮的实际可加工区间，在步骤一给出 的初始设计变量区间上通过拉丁超立方试验设计方法(LHD)产生均匀随机抽样 点。

步骤三：建立耦合可加工性分析的有限元模型，模拟实际零件模锻成形过 程，得到给定变形条件(LHD取样点)下模锻件发生破坏的临界压下量(响应量)。

首先绘制镁合金AZ31B加工图。加工图建立在大塑性流变连续力学和物理 系统不可逆热力学理论基础上，以镁合金AZ31B的高温流动应力曲线为依据， 计算在给定变形温度下流动应力的应变速率敏感因子及其随应变的变化，得到 功率耗散值与流变失稳参数。加工图给出了材料在塑性成形过程中的功率耗散 系数和流变失稳参数在变形温度、应变速率和应变量空间上的分布，体现了材 料的可加工性，是表征材料锻造和挤压等体积成形能力的重要指标。当流变失 稳参数满足临界判据时，变形体内会出现变形局域化、剪切带、断裂等破坏现 象；功率耗散系数反映了变形体的微观演化机制。在不发生失稳的安全加工区 内，功率耗散系数越大，材料成形能力越好。图1(a)和图1(b)给出了应变 量分别为0.3和0.7时加工图。可以看出，由于镁合金高温变形过程中会发生 动态再结晶，流动应力曲线是变形温度、应变速率和应变量的函数，因此，功 率耗散系数和流变失稳参数也是变形温度、应变速率和应变量的函数，即镁合 金AZ31B的可加工性对温度、应变速率和应变敏感。图2(a)和图2(b)分别 给出了镁合金AZ31B在变形温度、应变速率和应变量空间上的三维功率耗散图 和流变失稳图。根据加工图，应变量小时，镁合金AZ31B在低温低应变速率变 形易发生流变失稳(当流变失稳参数小于0时)；应变量较大时，镁合金AZ31B 在高温高应变速率变形易发生流变失稳；在高温低应变速率或者低温高应变速 率时功率耗散系数较大，有利于镁合金模锻成形。

但是镁合金零件的模锻过程与锻件形状复杂程度、模具结构、坯料与模具 之间的摩擦系数以及成形参数密切相关，成形过程中锻件内部的温度、应变和 应变速率呈现不均匀分布特征，因此实际模锻件的可加工区间还需要将加工图 耦合到有限元模拟中，通过模锻件成形的数值模拟作进一步分析。本发明所建 立的有限元模型能够计算模锻成形过程中功率耗散系数、流变失稳参数、以及 平均晶粒尺寸和动态再结晶百分数等微观组织演化信息，其中平均晶粒尺寸和 动态再结晶百分数模型通过定量金相分析技术获得，也是变形条件的函数，用 于分析判断步骤五的最优加工路径。上述信息的输出需要应用Fortune语言在 MSC.Marc软件定义输出量的用户子程序模板中编写用户子程序代码。这样，有 限元模拟可以得到给定变形条件(LHD取样点)下流变失稳参数最小值—压下量 关系曲线。该曲线与失稳临界值(小于临界值时锻件内部出现变形局域化、剪 切带、断裂等缺点)相交，交点即为给定变形条件下锻件发生破坏的临界压下 量(响应量)。图3(a)为镁合金AZ31B直齿圆柱齿轮在变形温度261℃，压下 速率0.78mm/s模锻过程中失稳参数最小值随压下行程变化图，可以看出，在应 变量小于2.75mm时，模锻件内部有失稳现象，随着应变量增加，失稳不易发生。 图3(b)是镁合金AZ31B直齿圆柱齿轮在变形温度390℃，压下速率0.33mm/s 模锻过程中失稳参数最小值随压下行程变化图，可以看出，在应变量小于9.34mm 时，模锻件内部不发生失稳现象，当应变量足够大时，出现失稳。

步骤四：类似地，应用步骤二得到的设计变量(变形温度和压下速率)抽 样值，调用步骤三建立的有限元模型获得抽样变形条件下锻件发生破坏的临界 压下量(响应量)。应用最小二乘法回归得到镁合金复杂形状模锻件可加工区间 的二阶响应面模型。由于设计变量个数为2，二阶响应面模型中共6个未知系数， 本发明中采用9次模拟试验来确定每个响应面模型的系数。为了消除设计变量 数量级的影响，对设计变量进行归一化处理，然后应用最小二乘法回归得到两 个二阶响应面模型，因此镁合金AZ31B直齿圆柱齿轮模锻的可加工区间为： y₁<y<y₂，其中：

$\left(\begin{array}{c}{y}_1=-0.975-9.579x_1-0.0898x_2-4.875x_1^2+0.451x_2^2+1.398x_1{x}_2\\ y_2=10.964-2.526x_1+0.716x_2+0.380x_1^2+0.685x_2^2-1.271x_1{x}_2\end{array}\right)$

式中，x₁，x₂分别是归一化处理后的变形温度和压下速率；y是给定变形温度和 压下速率条件下锻件内部发生流变失稳的临界压下量，这里，y₁由低应变发生失 稳而高应变不失稳的数据回归得到；y₂由低应变不发生失稳而高应变发生失稳的 数据回归得到，因此，y₁<y<y₂的区域表示相应变形温度和压下速率情况下不发 生失稳的可加工区间。为了方便观察，对归一化处理的x₁，x₂进行反向变换，得 出镁合金AZ31B直齿圆柱齿轮模锻成形的可加工区间，如图4所示。

步骤五：在可加工区间内，设计几种不同的加工路径，通过有限元模拟综 合比较各加工路径所需的成形力、流变失稳参数以及微观组织演化，确定最优 加工路径，如图5所示。该最优加工路径符合以下条件：1)所需最大成形力为 72.88吨，不超过压力机额定吨位的80％；2)镁合金直齿圆柱齿轮成形时，不 发生流变失稳；3)动态再结晶基本完成，组织比较均匀，平均晶粒尺寸约为 14.19μm；4)为了便于控制并增加控制精度，尽量减少变形温度和应变速率的 变化频率。