CN102463268A - 一种锌合金棒材挤压的工艺设计与优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锌合金棒材挤压工艺设计与优化方法，包括采用高温压缩和高温拉伸试验，获得锌合金的真应力真应变曲线；建立锌合金的本构方程和加工图，进行微观组织分析，研究热变形行为，选择适宜加工的变形条件；进行有限元数值模拟，建立挤压成形极限图，优化挤压工艺窗口，并进行热挤压，得到锌合金棒材；建立挤压试验数据数据库，采用神经网络预测挤压工艺与挤压棒材表面开裂、质量及性能之间的关系。本发明可以实现锌合金棒材挤压过程中所有参数的最优匹配，精确控制挤压过程，集成了工艺设计、优化和性能控制，制备的棒材表面质量良好，组织细小、均匀，性能高，成材率高，生产效率高，该方法适合于大规模生产，具有显著的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种锌合金棒材挤压的工艺设计与优化方法，属于有色金属加工成形领域。
背景技术
随着铜应用的普及，世界范围内的铜资源紧缺，而高性能锌合金材料具有比重轻、强度适中、硬度高、成本低的特点，被誉为二十一世纪的新材料。其强度、硬度、摩擦等性能与铜合金相近，为此，研究开发新型锌合金，以廉价的锌代替昂贵的铜，具有显著的经济效益和社会效益，也是缓解国内铜资源紧张的最有前途的解决方法。经对现有技术文献的检索发现，涉及***研究锌合金棒材挤压工艺设计与优化方法的专利较少。
因此，需要开发一种优化设计锌合金棒材热挤压工艺，以解决锌合金棒材挤压开裂等问题，提高挤压棒材的质量和挤压成材率，降低成本。
发明内容
本发明的目的在于克服锌合金棒材加工的技术瓶颈，提供一种锌合金棒材挤压优化设计的方法。以Zn-Al系列和Zn-Cu系列锌合金为研究对象，采用高温压缩和高温拉伸试验，研究锌合金的热变形行为，建立锌合金本构方程和加工图选择适宜加工的变形条件；采用有限元数值模拟建立锌合金的挤压成形极限图，优化锌合金挤压工艺窗口；在此基础之上进行挤压试验，分析挤压棒材的微观组织和性能，建立挤压试验工艺参数及挤压棒材组织性能数据库，采用神经网络预测挤压工艺与产品缺陷、成本以及性能之间的关系，集成锌合金热变形特性、有限元数值模拟、挤压成形极限图、挤压试验、先进的材料研究测试手段和先进的数值计算方法，优化设计锌合金棒材热挤压工艺，解决锌合金棒材挤压开裂等问题，提高挤压棒材的质量和挤压成材率，降低成本。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种锌合金棒材挤压工艺设计与优化方法，包括如下步骤：
(1)将锌合金铸锭，机加工成高温压缩和高温拉伸试样，进行高温压缩和高温拉伸试验，获得锌合金在不同变形条件下的真应力真应变曲线；
(2)将步骤(1)所得的试验数据进行处理，建立锌合金的本构方程和加工图，对变形后的试样进行微观组织分析，研究热变形行为，选择适宜加工的变形条件；
(3)利用步骤(2)建立的本构方程，对锌合金棒材的挤压过程进行有限元数值模拟，建立挤压成形极限图，优化挤压工艺窗口，并进行热挤压，得到锌合金棒材；
(4)将步骤(3)所得的挤压试验数据建立数据库，采用神经网络预测挤压工艺与挤压棒材表面开裂、质量及性能之间的关系。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述的锌合金为Zn-Al-Cu系列或Zn-Cu-Ti系列锌合金，Zn-Al-Cu系列锌合金中Al的重量含量为5～30％，Cu的重量含量为0.2～4％；Zn-Cu-Ti系列锌合金中Cu的重量含量为1％～12％，Ti的重量含量为0.1～2％。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(1)中所述的高温压缩试验中，温度范围为150～400℃，温度间隔为40～50℃，应变速率范围为0.001～10s-1；步骤(1)中所述的高温拉伸试验中，温度范围为200～350℃，温度间隔为30℃，应变速率范围为0.001～0.1s-1。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(2)的具体过程为：采用线性回归和非线性回归建立锌合金的本构方程系，采用动态材料模型建立锌合金的加工图，采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜以及EBSD技术等先进测试手段分析锌合金在不同变形条件下的微观组织和断口特征，并结合加工图，确定出锌合金适宜加工的变形条件和试样出现裂纹的变形条件。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(3)中所述的挤压成形极限图的建立过程：采用有限元分析锌合金挤压温度场、应力场以及应变速率场等相关场量的分布，在一定挤压比下，计算压力极限曲线和挤压出口过热极限曲线(试样出现裂纹的温度)，在速度和温度坐标下，绘制压力极限曲线和过热极限曲线，得到挤压成形极限图。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(3)中所述的挤压试验的工艺参数在加工图和挤压成形极限图优化的范围内选择。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(3)中所述的挤压成形极限图中挤压比的范围为15～100，温度为150～400℃，速度为1.5～30mm/s；结合加工图和挤压成形极限图优化的挤压工艺参数为：挤压比的范围为30～50，温度为200～320℃，速度为3～20mm/s。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(4)中所述的挤压试验数据库中，数据主要包括：挤压坯料温度、挤压出口温度、挤压模具温度、挤压速度、挤压力、挤压比、挤压坯料规格，挤压棒材直径，挤压应变速率，挤压棒材性能和组织。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(4)中所述的神经网络为BP(BackPropagation)神经网络，采用Matlab软件编写程序建立挤压工艺与挤压棒材产品质量和性能的神经网络预测数据库。
本发明的优点在于：
本发明可以实现锌合金棒材挤压过程中所有参数的最优搭配，精确控制挤压过程，集成了工艺设计优化到性能控制，自动化程度高，解决了锌合金棒材挤压开裂问题，提高了产品质量和成材率，降低了成本。锌合金的晶体结构为密排六方结构，塑性差，锌合金的熔点低，塑性加工过程中由于变形热的产生，极易引起过热现象，导致挤压棒材开裂，使得锌合金挤压棒材的成材率低，生产效率低，采用压缩和拉伸试验结合加工图获得锌合金适宜加工的变形条件，通过锌合金挤压有限元数值模拟计，建立挤压成形极限图，有效的控制挤压速度、挤压温度、模具预热温度、挤压出口温度、挤压出口应变速率等，实现锌合金挤压变形区的温度在适宜变形的温度和应变速率范围内，避免出现过热现象和棒材表面开裂，在挤压成形极限图优化的基础之上，结合试验数据、神经网络预测，进一步优化工艺参数，实现工艺与性能的最优匹配，提高挤压棒材的质量，获得高性能、低成本的锌合金挤压棒材。
挤压工艺最适合于低塑性材料的变形加工，棒材挤压工艺简单，成本低，生产效率较高，挤压棒材表面质量良好，通过挤压工艺消除了铸造缺陷，组织得到细化，大幅的提高性能，本发明的方法适合于大规模生产。生产的棒材可代替昂贵的铜，具有显著的经济效益和社会效益，也是缓解国内铜资源紧张的最有前途的解决方法。
下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
具体实施方式
实施例1
采用半连铸的Zn-10Al-2Cu锌合金铸锭，将铸锭机加工成高温压缩和高温拉伸试样。高温压缩试验的温度范围为150～350℃，温度间隔为50℃，应变速率范围为0.001～10s-1。高温拉伸试验的温度范围为200～320℃，温度间隔为30℃，应变速率范围为0.001～0.1s-1。采用线性回归和非线性回归建立锌合金的本构方程系，采用动态材料模型，利用Matlab软件编写程序，建立加工图，采用扫描电镜(EBSD)和金相显微镜观察不同变形条件下的微观组织及断口分析，确定锌合金适宜加工的变形条件，该合金适宜热加工的温度范围为220～300℃。应变速率的范围为0.01～1s-1。采用商用有限元软件，建立了挤压有限元模型，计算了不同挤压比下，压力极限曲线和挤压出口过热极限曲线(试样出现裂纹的温度)，在速度和温度坐标下，绘制压力极限曲线和过热极限曲线，得到挤压成形极限图。建立锌合金的挤压极限图的挤压比的范围为18～50，温度为180～300℃，速度为1.5～12mm/s。在挤压成形极限图的可挤压区内进行挤压试验，测试挤压棒材的性能，基于试验数据采用Matlab软件编写程序建立挤压工艺与挤压棒材产品质量和性能的神经网络预测数据库。进一步优化的挤压工艺参数为：挤压比的范围为30～40，温度为220～260℃，速度为3～8mm/s。在该条件下，挤压棒材的表面质量和性能良好，生产效率高，成材率可达78％以上。
实施例2
采用半连铸的Zn-8Al-1Cu锌合金铸锭，将铸锭机加工成高温压缩和高温拉伸试样。高温压缩试验的温度范围为200～350℃，温度间隔为50℃，应变速率范围为0.001～10s-1。高温拉伸试验的温度范围为200～320℃，温度间隔为30℃，应变速率范围为0.001～0.1s-1。采用线性回归和非线性回归建立锌合金的本构方程系，采用动态材料模型，利用Matlab软件编写程序，建立加工图，采用扫描电镜(EBSD)和金相显微镜观察不同变形条件下的微观组织及断口分析，确定锌合金适宜加工的变形条件，该合金适宜热加工的温度范围为200～300℃。应变速率的范围为0.01～2.5s-1。采用商用有限元软件，建立了挤压有限元模型，计算了不同挤压比下，压力极限曲线和挤压出口过热极限曲线(试样出现裂纹的温度)，在速度和温度坐标下，绘制压力极限曲线和过热极限曲线，得到挤压成形极限图。建立锌合金的挤压极限图的挤压比的范围为18～80，温度为180～300℃，速度为2～20mm/s。在挤压成形极限图的可挤压区内进行挤压试验，测试挤压棒材的性能，基于试验数据采用Matlab软件编写程序建立挤压工艺与挤压棒材产品质量和性能的神经网络预测数据库。进一步优化的挤压工艺参数为：挤压比的范围为35～50，温度为200～280℃，速度为4～15mm/s。在该条件下，挤压棒材的表面质量和性能良好，生产效率高，成材率可达85％以上。
实施例3
采用半连铸的Zn-8Cu-0.3Ti锌合金铸锭，将铸锭机加工成高温压缩和高温拉伸试样。高温压缩试验的温度范围为200～400℃，温度间隔为40℃，应变速率范围为0.001～10s-1。高温拉伸试验的温度范围为200～350℃，温度间隔为30℃，应变速率范围为0.001～0.1s-1。采用线性回归和非线性回归建立锌合金的本构方程系，采用动态材料模型，利用Matlab软件编写程序，建立加工图，采用扫描电镜(EBSD)和金相显微镜观察不同变形条件下的微观组织及断口分析，确定锌合金适宜加工的变形条件，该合金适宜热加工的温度范围为240～350℃。应变速率的范围为0.1～3.5s-1。采用商用有限元软件，建立了挤压有限元模型，计算了不同挤压比下，压力极限曲线和挤压出口过热极限曲线(试样出现裂纹的温度)，在速度和温度坐标下，绘制压力极限曲线和过热极限曲线，得到挤压成形极限图。建立锌合金的挤压极限图的挤压比的范围为20～60，温度为200～350℃，速度为2～30mm/s。在挤压成形极限图的可挤压区内进行挤压试验，测试挤压棒材的性能，基于试验数据采用Matlab软件编写程序建立挤压工艺与挤压棒材产品质量和性能的神经网络预测数据库。进一步优化的挤压工艺参数为：挤压比的范围为30～50，温度为240～320℃，速度为5～20mm/s。在该条件下，挤压棒材的表面质量和性能良好，生产效率高，成材率可达82％以上。
本发明的锌合金棒材挤压工艺设计与优化方法，以锌合金热加工特征为基础，计算分析和挤压试验有机结合优化工艺参数，集成锌合金热变形行为、加工图、有限元模拟、挤压成形极限图、挤压试验、性能测试、神经网络等设计和优化锌合金棒材挤压工艺参数，基于神经网采用Matlab编写程序建立工艺参数与产能、产品质量的关系，获得锌合金适宜挤压的工艺参数。
本方法可以实现锌合金棒材挤压过程中所有参数的最优匹配，精确控制挤压过程，集成了工艺设计、优化和性能控制，制备的棒材表面质量良好，组织细小、均匀，性能高，成材率高，生产效率高，该方法适合于大规模生产，生产的棒材可代替昂贵的铜，具有显著的经济效益和社会效益。
Claims (9)
1.一种锌合金棒材挤压工艺设计与优化方法，包括如下步骤：
(1)将锌合金铸锭，机加工成高温压缩和高温拉伸试样，进行高温压缩和高温拉伸试验，获得锌合金在不同变形条件下的真应力真应变曲线；
(2)将步骤(1)所得的试验数据进行处理，建立锌合金的本构方程和加工图，对变形后的试样进行微观组织分析，研究热变形行为，选择适宜加工的变形条件；
(3)利用步骤(2)建立的本构方程，对锌合金棒材的挤压过程进行有限元数值模拟，建立挤压成形极限图，优化挤压工艺窗口，并进行热挤压，得到锌合金棒材；
(4)将步骤(3)所得的挤压试验数据建立数据库，采用神经网络预测挤压工艺与挤压棒材表面开裂、质量及性能之间的关系。
2.根据权利要求1所述的锌合金棒材挤压工艺设计与优化方法，其特征在于：所述的锌合金为Zn-Al-Cu系列或Zn-Cu-Ti系列锌合金，Zn-Al-Cu系列锌合金中Al的重量含量为5～30％，Cu的重量含量为0.2～4％；Zn-Cu-Ti系列锌合金中Cu的重量含量为1％～12％，Ti的重量含量为0.1～2％。
3.根据权利要求1所述的锌合金棒材挤压工艺设计与优化方法，其特征在于：步骤(1)中所述的高温压缩试验中，温度范围为150～400℃，温度间隔为40～50℃，应变速率范围为0.001～10s-1；步骤(1)中所述的高温拉伸试验中，温度范围为200～350℃，温度间隔为30℃，应变速率范围为0.001～0.1s-1。
4.根据权利要求1所述的锌合金棒材挤压工艺设计与优化方法，其特征在于：步骤(2)的具体过程为：采用线性回归和非线性回归建立锌合金的本构方程系，采用动态材料模型建立锌合金的加工图，采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜以及EBSD技术分析锌合金在不同变形条件下的微观组织和断口特征，并结合加工图，确定出锌合金适宜加工的变形条件和试样出现裂纹的变形条件。
5.根据权利要求1所述的锌合金棒材挤压工艺设计与优化方法，其特征在于：步骤(3)中所述的挤压成形极限图的建立过程：采用有限元分析锌合金挤压温度场、应力场以及应变速率场的分布，在一定挤压比下，计算压力极限曲线和挤压出口过热极限曲线，在速度和温度坐标下，绘制压力极限曲线和过热极限曲线，得到挤压成形极限图。
6.根据权利要求1所述的锌合金棒材挤压工艺设计与优化方法，其特征在于：步骤(3)中所述的挤压试验的工艺参数在加工图和挤压成形极限图优化的范围内选择。
7.根据权利要求1所述的锌合金棒材挤压工艺设计与优化方法，其特征在于：步骤(3)中所述的挤压成形极限图中挤压比的范围为15～100，温度为150～400℃，速度为1.5～30mm/s；结合加工图和挤压成形极限图优化的挤压工艺参数为：挤压比的范围为30～50，温度为200～320℃，速度为3～20mm/s。
8.根据权利要求1所述的锌合金棒材挤压工艺设计与优化方法，其特征在于：步骤(4)中所述的挤压试验数据库中，数据主要包括：挤压坯料温度、挤压出口温度、挤压模具温度、挤压速度、挤压力、挤压比、挤压坯料规格，挤压棒材直径，挤压应变速率，挤压棒材性能和组织。
9.根据权利要求1所述的锌合金棒材挤压工艺设计与优化方法，其特征在于：步骤(4)中所述的神经网络为BP神经网络，采用Matlab软件编写程序建立挤压工艺与挤压棒材产品质量和性能的神经网络预测数据库。
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