镁合金板形件扭-挤成形载荷的主应力法求解模型丨JME文章推荐|坯料|塑性|应力|载荷|镁合金

镁合金凭借着比强度高、比刚度大、阻尼系数大、抗电磁干扰强、屏蔽性优等优点广泛应用于航空航天、汽车和3C领域，是目前工程应用密度最小的金属材料。然而镁合金独特的密排六方晶体结构，在室温下滑移系少，塑性差，限制了其应用。因此，如何有效提高镁合金的塑性成形能力并提升其强韧性是目前研究热点。

北京科技大学孙朝阳教授团队提出了一种扭-挤成形的工艺方法可有效细化晶粒和提高强度和韧性，针对这种成形方法建立了成形载荷的求解模型，为镁合金构件高性能成形工艺提供新的选择和工艺装置设计提供理论依据。他们在《机械工程学报》2021年第4期发表了《镁合金板形件扭-挤成形载荷的主应力法求解模型》一文。

引用论文

徐宁宁, 孙朝阳, 钱凌云, 倪克志, 蔡旺. 镁合金板形件扭- 挤成形载荷的主应力法求解模型[J]. 机械工程学报, 2021, 57(4): 73-82.

试验方法

文章的试验方法是保证扭-挤成形实验中变形温度、变形速度、摩擦条件不变下坯料在不同扭转轴转速下成形，从而获得AZ80镁合金在不同扭转轴转速的成形载荷。将获得的试验数据同建立的求解模型获得的成形载荷进行对比。实验步骤如下：

(1) 将扭-挤成形工艺装置固定于压力机工作台；

(2) 将坯料加热至380℃，加热速度10℃/min，保温20min，同时将模具加热至相同温度；

(3) 对坯料、凸模、挤压筒、模具和扭转轴涂覆二硫化钼润滑剂；

(4) 将坯料放置于挤压筒腔内，坯料底端与扭转轴接触；

(5) 启动伺服电机，通过速度控制器调控其输出转速，使扭转轴获得转速；

(6) 启动压力机，凸模以设定的挤压速度下行，坯料受到挤压及扭转变形的复合作用，最终实现高性能构件单道次的近净成形。

重要结论

(1)扭-挤成形工艺能够减小成形载荷，并且随扭转轴转速的增加载荷不断减小。

(2)根据扭-挤成形工艺金属流动以及变形区的特点，对其变形区进行区域划分，通过主应力的方法分别搭建了不考虑扭转和考虑扭转的扭-挤成形工艺成形载荷的求解模型，通过与实验对比，成形载荷间的误差在8%以内。

(3)随着坯料半径的增加，成形载荷逐渐增大；随着坯料高度的增加，成形载荷线性增加；随着板件宽度的增加，成形载荷呈现减小的趋势；随着板件高度的增加，成形载荷呈现先骤减后平缓减小的特点，其中坯料半径和板件高度对成形载荷的影响显著。

前景与应用

扭-挤成形实验载荷的预测

确定的板形件尺寸和模具结构参数以及实验条件通过求解模型可计算出相应的成形载荷，通过对成形载荷的预测为实验条件提供选择。

为工艺装置的设计提供理论依据

根据所要获得的板形件尺寸、成形特点以及实验条件通过求解模型可计算出相应的成形载荷，为模具的设计提供理论指导，在一定程度上提高了模具的使用寿命。

主创简介

团队带头人孙朝阳教授为金属轻量化成形制造北京市重点实验室副主任，北京科技大学机械工程学院副院长。在先进材料（镁合金等）多尺度力学行为与塑性加工理论及应用技术进行了长期研究，先后主持“十三五”装备预研共用技术、国家自然科学基金项目5 项、高档数控机床与基础制造装备科技重大专项（子课题负责）和北京市自然基金面上项目 2 项等在内的 20 余项相关研究课题；在 IJP、MC、JMPT、IJMS、MD、MSE-A、机械工程学报、金属学报等国内外重要期刊上发表论文近 80 余篇，其中 SCI 收录50 余篇，国家发明专利13 项（授权 10 项）。获得教育部科技进步二等奖（第四名），NSFA优秀结题奖，受邀为精密成形技术通讯编委及 IJP、IJMS、JMPT、MD、MSE-A、金属学报等数十个知名刊物审稿人。

团队研究方向

团队主要的研究方向包括多尺度力学行为、轻量化成形制造、强塑变成形理论与技术和延性损伤断裂预测等。发展了滑移-孪生-相变三机制耦合的CPFE理论建模、耦合位错密度的统一粘塑性本构方程、DDD与CPFE耦合的跨尺度模型以及多相场理论模型，形成了成熟的多尺度力学行为分析的理论基础和仿真平台。提出并深入研究了强塑变挤压成形工艺和模具技术，应用于 AP1000 核电带非对称管嘴主管道、航天器盖板、航天器舱门等复杂关键构件的成形，新提出的扭-挤成形新方法有望进一步提高构件的强韧化得到高性能的复杂构件。同时，团队系统研究了镁合金、铝合金、高强钢等先进材料的断裂机理，建立了系统地预测断裂行为和提高成形极限的模型及方法。