镁合金热连轧过程数值模拟.pdf

第41卷第2期Vol． 41 No． 2FORGING 此外,轧制过程中镁板边部中心层应力始终大于中部表层应力值。轧制过程中温度的不均匀变化以及边部应力集中使得镁合金在热连轧过程中易于发生边裂。关键词: AZ31镁合金;热连轧;边裂;热力耦合分析DOI: 10． 13330/j． issn． 1000-3940． 2016． 02． 027中图分类号: TG146． 22 文献标识码: A 文章编号: 1000-3940 (2016) 02-0144-04Numerical simulation of hot tandem rolling process for magnesium alloyZhi Chenchen, Zhang Xiuzhi, Xue Kang(Heavy Forging Theory and New Technology Laboratory, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)Abstract: For the problem of edge crack in hot tandem rolling of magnesium alloy, the process of three passes tandem rolling for magnesi-um alloy AZ31 sheet was simulated by ANSYS with the thermo-mechanical coupled analysis at temperature 350 ℃ and rolling speed0． 5 m· s -1. Furthermore, the temperature and stress in different parts of the magnesium plate were analyzed by LS - DYNA in the roll-ing process, and the simulation result was verified by the experiment. The research results show that in the hot tandem rolling, the tem-perature drop of magnesium plate is greater on the first pass, and they are varied on different parts. Moreover, the stress of center layeredge is greater than that of the middle surface layer in the rolling process. Due to change of non-uniform temperature and the edge stressconcentration, the edge crack of magnesium alloy plate occurs easily in the hot tandem rolling.Key words: magnesium alloy AZ31; hot tandem rolling; edge crack; thermo-mechanical coupled analysis收稿日期: 2015 -08 -03;修订日期: 2015 -10 -26基金项目:国家自然科学基金资助项目(51105264);太原科技大学研究生科技创新项目(20145005)作者简介:支晨琛(1989 - ),女,硕士研究生E-mail: 503288079@ qq． com通讯作者:张秀芝(1973 - ),女,博士,副教授E-mail: xiuzhizhang@ tom． com镁合金作为一种新型轻合金材料,以其低密度、优良的阻尼等优异性能,广泛应用于航空航天、汽车、电子等工业领域。目前,为了满足镁合金电子产品轻薄短小的要求,通常使用热连轧成形工艺实现镁合金薄板的加工[1 -3]。但是具有密排六方结构的镁合金比铝合金、钢等更难于成形,在成形过程中易产生边裂等问题(图1),限制了镁合金的工业发展。因此,研究镁合金板材连轧热成形工艺对于有效控制镁合金板带轧制的成材率、推动镁合金板带实际生产具有重要的意义和经济价值[5 -7]。图1 AZ31镁合金边裂缺陷Fig． 1 Edge cracks of AZ31 magnesium alloy针对实际生产中镁板三道次热连轧产生的边裂问题,应用LS - DYNA处理器中的热力耦合数值分析法,对板坯不同部位温度、应力的变化进行模拟。考虑到镁合金较高的热传导系数,主要研究板带与空气对流换热、热辐射与轧辊接触传热等热变形因素及应力分布不均对镁板边裂现象的影响[5],分析了3次连轧工艺对镁合金成形性能的影响,为实际工业镁合金连轧生产提供较为科学的理论依据,推进镁合金板带三道次轧制工艺做出初步探讨。1 有限元模型的建立本次模拟依据生产实际,应用ANSYS模拟AZ31镁合金,其化学成分见表1。三道次热连轧的成形过程, 3个道次的压下量分别为30%、 20%、20%,建模过程如图2所示。表1 AZ31镁合金化学成分(% ,质量分数)Table 1 Chemical compositions of AZ31 magnesium alloy(% , mass fraction)Al Zn Mn Fe Si Cu Ni Mg3． 37 0． 9 0． 29 0． 04 0． 1 0． 01 0． 005余量图2 ANSYS建模Fig． 2 Modeling of ANSYS模拟过程中,将工作辊(材质为9Cr2Mo)简化成外径为R = Φ110 mm、内径为R2 = Φ100 mm的圆筒,轧辊材料定义为刚体,在此不考虑轧辊的弹跳, AZ31镁合金板坯定义为非线性弹塑性体,尺寸为150 mm × 150 mm × 7 mm,初始温度为350 ℃。轧制前板坯的前端面距离第1道次轧辊的垂直中心线为20 mm, 3组轧辊的垂直中线间距为300 mm。工作辊初始温度150 ℃,轧制速度为0． 5 m· s -1,轧辊的转速为n = 43． 43 r· s -1。具体参数如表2所示。表2 工作辊与工件的具体参数设置Table 2 Parameters setting of working roll and workpiece参数密度/(kg· m -3)弹性模量/MPa泊松比比热/(J· (kg· ℃) -1)热传导系数/(W· (m· K) -1)轧辊7850 2． 11 ×105 0． 3 700 34工件1780 4． 48 ×104 0． 35 1185 107根据A· Η采里科夫宽展公式,以及3组轧辊的压下率ε均小于0． 9,可确定轧件原始宽度B与接触长的比例关系C为:C = 1． 34 BR· Δh - 0． 15æè öøe0． 15- BR· Δh + 0． 5 (1)宽展量Δb为:Δb = CΔh 2 RΔh - 1fæè öø 0． 138ε2 + 0． 328ε( ) (2)式中: f为摩擦系数。再由体积不变原理,分别计算出这3个不同压下量下板坯变化情况,如表3所示。表3 不同压下量下板坯变化情况Table 3 Changing circumstances of plate blank underdifferent rolling reductions道次i压下率ε/ %压下量/mm辊缝值/mm板坯变化情况/ mm长l宽b厚h1 30 2． 1 4． 9 212． 37 151． 35 4． 92 20 0． 98 3． 92 264． 35 151． 98 3． 923 20 0． 784 3． 136 329． 18 152． 57 3． 132 结果与讨论2． 1 连轧过程温度变化规律在板坯侧边缘中心层沿轧制方向依次取A、 B、C这3点,即生产中易产生边裂的区域,分析这3点的温度变化规律。图3为边缘中心层取点温度变化曲线。由图3可知, A、 B、 C这3点在第1道次轧制前温度均有一定的降低,这是因为镁板在传送辊道上传送过程中,因其在空气中敞露,就会不断以辐射换热的方式和周围介质换热,从而造成镁板的温降。且3个点按照进入轧道的顺序不同温降值不同, A点温降最小, C点最大。图3 边缘中心层取点温度变化曲线Fig．3 Temperature change curves of points taken on the centre of end face541第2期支晨琛等:镁合金热连轧过程数值模拟 进入第1道次后, A、 B两点温度继续降低,但速率变小,此时的温降主要是由轧辊与工件之间温差产生的热交换导致的。此外,材料变形及工件与轧辊的摩擦均产生了小幅热量。 C点的温度变化曲线与A、 B两点类似,只因在空气中暴露时间最长,进入轧道前温度降低程度较大,进入第1道次后,变形及摩擦产生的热量大于轧辊与工件间的热交换,导致温度有所回升。图4为各道次轧后3点的温降值。由图4表明,随着连轧的进行,镁板温度连续降低,且首道次的温降值最大,第2、 3道次的温降值依次减小。此外,从图4还可以看到, A、 B、 C这3点温降值依次减小, A点的温降值最大。镁合金属于密排六方结构,与面心立方与体心立方材料相比变形比较困难[8],因此,短时间内在A点位置发生较大的温度变化,使得该点的变形温度低,不仅造成镁板的组织性能变化不均匀而导致严重的各向异性,且易产生脆性开裂,造成实际生产中发生边裂。岳重祥等[9]的研究也证明了热轧过程中边部因散热快,温降大导致混晶现象从而产生边裂等问题。因而,在实际生产中,控制好首道次的轧制温度对于预防镁合金板材边裂具有很重要的影响。图4 各道次轧制后A、 B、 C这3点的温降值Fig． 4 Temperature drop values of three points A, B, C for each rolling2． 2 连轧过程应力变化规律为了研究连轧过程中的应力变化规律,在板坯侧边缘中心层分别取A、 B、 C这3点,同时在板坯中部表层且与A、 B、 C这3点对应位置分别取点D、 E、 F,见图5。通过分析连轧过程中6个点的应力变化来分析板坯的应力变化规律。图5为各点的应力变化曲线。由图可知,第1道次的应力值最大,这是因为在首道次变形阶段,表层金属开始接触轧辊,传导散热机制为表层接触热传导和热辐射,导致表层温度低于中心温度,图5 各道次轧制后各点的应力变化曲线Fig． 5 Change curves of stress for each point of each rolling低温产生的加工硬化作用导致板坯产生较大应力。其次,由于镁板在第1道次的压下量相对较大,导致边部金属横向流动增强,宽展量也会相应增加,边部应力明显增大。此外,较大的压下量意味着较大的轧制力,从而加大了边部金属的应力值。由图5还可以看出,每个道次A、 B、 C这3点的应力值均比D、 E、 F的大,即镁板边部中心层应力比中心部表层大。这是因为在连轧的3个道次中,轧件表层与轧辊直接接触,热辐射影响小,而边部中心层的金属与空气的热辐射散热加剧了温降的发生,使得加工硬化作用更明显。随着轧制的进行,边部产生应力集中,易于发生边裂。2． 3 实验验证通过改变轧辊的初始温度而控制首道次温降,并在镁板边部采用特殊处理以保证在轧制过程中因热辐射等发生应力集中而加大裂纹产生的倾向,同时对钢厂所用参数与模拟优化参数进行实验验证。图6a为按照本研究模拟参数进行实验得到的板材。由图可知,边裂情况严重且分布不均匀,最深裂纹深度达到4． 3 mm。经优化后得到的镁板边部裂纹较少(图6b),表明通过控制首道次的温降以及减少轧制过程中热辐射的影响,可有效改善连轧过程中镁板严重的边裂问题。3 结论(1)镁合金板材连轧过程中,首道次温降较大,轧后镁板温度较低,易产生边部裂纹。(2)变形进入轧制区后,镁合金板中部表层应力小于边部中层的应力,易发生边裂。(3)通过控制首道次的温降以及减少轧制过程641锻 压 技 术 第41卷图6 连轧实验所得镁板(a)本研究模拟参数 (b)优化参数Fig． 6 Magnesium sheets obtained by continuous rolling test(a) Simulation parameters in this study (b) Optimized parameters中热辐射的影响,可有效改善热连轧过程中镁板严重的边裂问题。参考文献:[1] 陈振华.变形镁合金[M].北京:化学工业出版社, 2004.Chen Z H. 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