一種鋅合金棒材擠壓的工藝設計與優化方法
2023-05-04 18:47:21
專利名稱：一種鋅合金棒材擠壓的工藝設計與優化方法
技術領域：
本發明涉及一種鋅合金棒材擠壓的工藝設計與優化方法，屬於有色金屬加工成形領域。
背景技術：
隨著銅應用的普及，世界範圍內的銅資源緊缺，而高性能鋅合金材料具有比重輕、 強度適中、硬度高、成本低的特點，被譽為二十一世紀的新材料。其強度、硬度、摩擦等性能與銅合金相近，為此，研究開發新型鋅合金，以廉價的鋅代替昂貴的銅，具有顯著的經濟效益和社會效益，也是緩解國內銅資源緊張的最有前途的解決方法。經對現有技術文獻的檢索發現，涉及系統研究鋅合金棒材擠壓工藝設計與優化方法的專利較少。因此，需要開發一種優化設計鋅合金棒材熱擠壓工藝，以解決鋅合金棒材擠壓開裂等問題，提高擠壓棒材的質量和擠壓成材率，降低成本。
發明內容
本發明的目的在於克服鋅合金棒材加工的技術瓶頸，提供一種鋅合金棒材擠壓優化設計的方法。以ai-Ai系列和ai-cu系列鋅合金為研究對象，採用高溫壓縮和高溫拉伸試驗，研究鋅合金的熱變形行為，建立鋅合金本構方程和加工圖選擇適宜加工的變形條件； 採用有限元數值模擬建立鋅合金的擠壓成形極限圖，優化鋅合金擠壓工藝窗口 ；在此基礎之上進行擠壓試驗，分析擠壓棒材的微觀組織和性能，建立擠壓試驗工藝參數及擠壓棒材組織性能資料庫，採用神經網絡預測擠壓工藝與產品缺陷、成本以及性能之間的關係，集成鋅合金熱變形特性、有限元數值模擬、擠壓成形極限圖、擠壓試驗、先進的材料研究測試手段和先進的數值計算方法，優化設計鋅合金棒材熱擠壓工藝，解決鋅合金棒材擠壓開裂等問題，提高擠壓棒材的質量和擠壓成材率，降低成本。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種鋅合金棒材擠壓工藝設計與優化方法，包括如下步驟(1)將鋅合金鑄錠，機加工成高溫壓縮和高溫拉伸試樣，進行高溫壓縮和高溫拉伸試驗，獲得鋅合金在不同變形條件下的真應力真應變曲線；(2)將步驟(1)所得的試驗數據進行處理，建立鋅合金的本構方程和加工圖，對變形後的試樣進行微觀組織分析，研究熱變形行為，選擇適宜加工的變形條件；(3)利用步驟( 建立的本構方程，對鋅合金棒材的擠壓過程進行有限元數值模擬，建立擠壓成形極限圖，優化擠壓工藝窗口，並進行熱擠壓，得到鋅合金棒材；(4)將步驟(3)所得的擠壓試驗數據建立資料庫，採用神經網絡預測擠壓工藝與擠壓棒材表面開裂、質量及性能之間的關係。一種優選的技術方案，其特徵在於所述的鋅合金為ai-Ai-Cu系列或ai-Cu-Ti 系列鋅合金，Zn-Al-Cu系列鋅合金中Al的重量含量為5 30%，Cu的重量含量為0. 2 4% ；Zn-Cu-Ti系列鋅合金中Cu的重量含量為 12%，Ti的重量含量為0. 1 2%。
一種優選的技術方案，其特徵在於步驟(1)中所述的高溫壓縮試驗中，溫度範圍為150 400°C，溫度間隔為40 50°C，應變速率範圍為0.001 10s—1 ；步驟(1)中所述的高溫拉伸試驗中，溫度範圍為200 350°C，溫度間隔為30°C，應變速率範圍為0. 001 0. Is-1。一種優選的技術方案，其特徵在於步驟O)的具體過程為採用線性回歸和非線性回歸建立鋅合金的本構方程系，採用動態材料模型建立鋅合金的加工圖，採用金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡以及EBSD技術等先進測試手段分析鋅合金在不同變形條件下的微觀組織和斷口特徵，並結合加工圖，確定出鋅合金適宜加工的變形條件和試樣出現裂紋的變形條件。一種優選的技術方案，其特徵在於步驟(3)中所述的擠壓成形極限圖的建立過程採用有限元分析鋅合金擠壓溫度場、應力場以及應變速率場等相關場量的分布，在一定擠壓比下，計算壓力極限曲線和擠壓出口過熱極限曲線(試樣出現裂紋的溫度)，在速度和溫度坐標下，繪製壓力極限曲線和過熱極限曲線，得到擠壓成形極限圖。一種優選的技術方案，其特徵在於步驟(3)中所述的擠壓試驗的工藝參數在加工圖和擠壓成形極限圖優化的範圍內選擇。一種優選的技術方案，其特徵在於步驟(3)中所述的擠壓成形極限圖中擠壓比的範圍為15 100，溫度為150 400°C，速度為1. 5 30mm/s ；結合加工圖和擠壓成形極限圖優化的擠壓工藝參數為擠壓比的範圍為30 50，溫度為200 320°C，速度為3 20mm/s。一種優選的技術方案，其特徵在於步驟中所述的擠壓試驗資料庫中，數據主要包括擠壓坯料溫度、擠壓出口溫度、擠壓模具溫度、擠壓速度、擠壓力、擠壓比、擠壓坯料規格，擠壓棒材直徑，擠壓應變速率，擠壓棒材性能和組織。一種優選的技術方案，其特徵在於步驟⑷中所述的神經網絡為 BP(BackPropagation)神經網絡，採用Matlab軟體編寫程序建立擠壓工藝與擠壓棒材產品質量和性能的神經網絡預測資料庫。本發明的優點在於本發明可以實現鋅合金棒材擠壓過程中所有參數的最優搭配，精確控制擠壓過程，集成了工藝設計優化到性能控制，自動化程度高，解決了鋅合金棒材擠壓開裂問題，提高了產品質量和成材率，降低了成本。鋅合金的晶體結構為密排六方結構，塑性差，鋅合金的熔點低，塑性加工過程中由於變形熱的產生，極易引起過熱現象，導致擠壓棒材開裂，使得鋅合金擠壓棒材的成材率低，生產效率低，採用壓縮和拉伸試驗結合加工圖獲得鋅合金適宜加工的變形條件，通過鋅合金擠壓有限元數值模擬計，建立擠壓成形極限圖，有效的控制擠壓速度、擠壓溫度、模具預熱溫度、擠壓出口溫度、擠壓出口應變速率等，實現鋅合金擠壓變形區的溫度在適宜變形的溫度和應變速率範圍內，避免出現過熱現象和棒材表面開裂，在擠壓成形極限圖優化的基礎之上，結合試驗數據、神經網絡預測，進一步優化工藝參數，實現工藝與性能的最優匹配，提高擠壓棒材的質量，獲得高性能、低成本的鋅合金擠壓棒材。擠壓工藝最適合於低塑性材料的變形加工，棒材擠壓工藝簡單，成本低，生產效率較高，擠壓棒材表面質量良好，通過擠壓工藝消除了鑄造缺陷，組織得到細化，大幅的提高
4性能，本發明的方法適合於大規模生產。生產的棒材可代替昂貴的銅，具有顯著的經濟效益和社會效益，也是緩解國內銅資源緊張的最有前途的解決方法。下面通過具體實施方式
對本發明做進一步說明，但並不意味著對本發明保護範圍的限制。
具體實施例方式實施例1採用半連鑄的&1-10A1-2CU鋅合金鑄錠，將鑄錠機加工成高溫壓縮和高溫拉伸試樣。高溫壓縮試驗的溫度範圍為150 350°C，溫度間隔為50°C，應變速率範圍為0. 001 10s"10高溫拉伸試驗的溫度範圍為200 320 V，溫度間隔為30°C，應變速率範圍為 0.001 0. Is—1。採用線性回歸和非線性回歸建立鋅合金的本構方程系，採用動態材料模型，利用Matlab軟體編寫程序，建立加工圖，採用掃描電鏡(EBSD)和金相顯微鏡觀察不同變形條件下的微觀組織及斷口分析，確定鋅合金適宜加工的變形條件，該合金適宜熱加工的溫度範圍為220 300°C。應變速率的範圍為0.01 Is—1。採用商用有限元軟體，建立了擠壓有限元模型，計算了不同擠壓比下，壓力極限曲線和擠壓出口過熱極限曲線(試樣出現裂紋的溫度)，在速度和溫度坐標下，繪製壓力極限曲線和過熱極限曲線，得到擠壓成形極限圖。建立鋅合金的擠壓極限圖的擠壓比的範圍為18 50，溫度為180 300°C，速度為1. 5 12mm/s。在擠壓成形極限圖的可擠壓區內進行擠壓試驗，測試擠壓棒材的性能， 基於試驗數據採用Matlab軟體編寫程序建立擠壓工藝與擠壓棒材產品質量和性能的神經網絡預測資料庫。進一步優化的擠壓工藝參數為擠壓比的範圍為30 40，溫度為220 260°C，速度為3 8mm/s。在該條件下，擠壓棒材的表面質量和性能良好，生產效率高，成材率可達78%以上。實施例2採用半連鑄的Si-SAl-ICu鋅合金鑄錠，將鑄錠機加工成高溫壓縮和高溫拉伸試樣。高溫壓縮試驗的溫度範圍為200 350°C，溫度間隔為50°C，應變速率範圍為0. 001 10s"10高溫拉伸試驗的溫度範圍為200 320 V，溫度間隔為30°C，應變速率範圍為 0.001 0. Is—1。採用線性回歸和非線性回歸建立鋅合金的本構方程系，採用動態材料模型，利用Matlab軟體編寫程序，建立加工圖，採用掃描電鏡(EBSD)和金相顯微鏡觀察不同變形條件下的微觀組織及斷口分析，確定鋅合金適宜加工的變形條件，該合金適宜熱加工的溫度範圍為200 300°C。應變速率的範圍為0.01 2. 5s—1。採用商用有限元軟體，建立了擠壓有限元模型，計算了不同擠壓比下，壓力極限曲線和擠壓出口過熱極限曲線(試樣出現裂紋的溫度)，在速度和溫度坐標下，繪製壓力極限曲線和過熱極限曲線，得到擠壓成形極限圖。建立鋅合金的擠壓極限圖的擠壓比的範圍為18 80，溫度為180 300°C， 速度為2 20mm/s。在擠壓成形極限圖的可擠壓區內進行擠壓試驗，測試擠壓棒材的性能， 基於試驗數據採用Matlab軟體編寫程序建立擠壓工藝與擠壓棒材產品質量和性能的神經網絡預測資料庫。進一步優化的擠壓工藝參數為擠壓比的範圍為35 50，溫度為200 280°C，速度為4 15mm/s。在該條件下，擠壓棒材的表面質量和性能良好，生產效率高，成材率可達85%以上。實施例3
採用半連鑄的&1-8CU-0. 3Τ 鋅合金鑄錠，將鑄錠機加工成高溫壓縮和高溫拉伸試樣。高溫壓縮試驗的溫度範圍為200 400°C，溫度間隔為40°C，應變速率範圍為 0. 001 10s—1。高溫拉伸試驗的溫度範圍為200 350°C，溫度間隔為30°C，應變速率範圍為0. 001 0. is-ι。採用線性回歸和非線性回歸建立鋅合金的本構方程系，採用動態材料模型，利用Matlab軟體編寫程序，建立加工圖，採用掃描電鏡(EBSD)和金相顯微鏡觀察不同變形條件下的微觀組織及斷口分析，確定鋅合金適宜加工的變形條件，該合金適宜熱加工的溫度範圍為240 350°C。應變速率的範圍為0. 1 3. 採用商用有限元軟體，建立了擠壓有限元模型，計算了不同擠壓比下，壓力極限曲線和擠壓出口過熱極限曲線(試樣出現裂紋的溫度)，在速度和溫度坐標下，繪製壓力極限曲線和過熱極限曲線，得到擠壓成形極限圖。建立鋅合金的擠壓極限圖的擠壓比的範圍為20 60，溫度為200 350°C， 速度為2 30mm/s。在擠壓成形極限圖的可擠壓區內進行擠壓試驗，測試擠壓棒材的性能， 基於試驗數據採用Matlab軟體編寫程序建立擠壓工藝與擠壓棒材產品質量和性能的神經網絡預測資料庫。進一步優化的擠壓工藝參數為擠壓比的範圍為30 50，溫度為240 320°C，速度為5 20mm/s。在該條件下，擠壓棒材的表面質量和性能良好，生產效率高，成材率可達82%以上。本發明的鋅合金棒材擠壓工藝設計與優化方法，以鋅合金熱加工特徵為基礎，計算分析和擠壓試驗有機結合優化工藝參數，集成鋅合金熱變形行為、加工圖、有限元模擬、 擠壓成形極限圖、擠壓試驗、性能測試、神經網絡等設計和優化鋅合金棒材擠壓工藝參數， 基於神經網採用Matlab編寫程序建立工藝參數與產能、產品質量的關係，獲得鋅合金適宜擠壓的工藝參數。本方法可以實現鋅合金棒材擠壓過程中所有參數的最優匹配，精確控制擠壓過程，集成了工藝設計、優化和性能控制，製備的棒材表面質量良好，組織細小、均勻，性能高， 成材率高，生產效率高，該方法適合於大規模生產，生產的棒材可代替昂貴的銅，具有顯著的經濟效益和社會效益。
權利要求
1.一種鋅合金棒材擠壓工藝設計與優化方法，包括如下步驟(1)將鋅合金鑄錠，機加工成高溫壓縮和高溫拉伸試樣，進行高溫壓縮和高溫拉伸試驗，獲得鋅合金在不同變形條件下的真應力真應變曲線；(2)將步驟(1)所得的試驗數據進行處理，建立鋅合金的本構方程和加工圖，對變形後的試樣進行微觀組織分析，研究熱變形行為，選擇適宜加工的變形條件；(3)利用步驟( 建立的本構方程，對鋅合金棒材的擠壓過程進行有限元數值模擬，建立擠壓成形極限圖，優化擠壓工藝窗口，並進行熱擠壓，得到鋅合金棒材；(4)將步驟C3)所得的擠壓試驗數據建立資料庫，採用神經網絡預測擠壓工藝與擠壓棒材表面開裂、質量及性能之間的關係。
2.根據權利要求1所述的鋅合金棒材擠壓工藝設計與優化方法，其特徵在於所述的鋅合金為Si-Al-Cu系列或Si-Cu-Ti系列鋅合金，Zn-Al-Cu系列鋅合金中Al的重量含量為5 30%，Cu的重量含量為0. 2 4% ；Zn-Cu-Ti系列鋅合金中Cu的重量含量為 12%, Ti的重量含量為0. 1 2%。
3.根據權利要求1所述的鋅合金棒材擠壓工藝設計與優化方法，其特徵在於步驟(1) 中所述的高溫壓縮試驗中，溫度範圍為150 400°C，溫度間隔為40 50°C，應變速率範圍為0. 001 IOiT1 ；步驟(1)中所述的高溫拉伸試驗中，溫度範圍為200 350°C，溫度間隔為30°C，應變速率範圍為0. 001 0. Is—1。
4.根據權利要求1所述的鋅合金棒材擠壓工藝設計與優化方法，其特徵在於步驟O) 的具體過程為採用線性回歸和非線性回歸建立鋅合金的本構方程系，採用動態材料模型建立鋅合金的加工圖，採用金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡以及EBSD技術分析鋅合金在不同變形條件下的微觀組織和斷口特徵，並結合加工圖，確定出鋅合金適宜加工的變形條件和試樣出現裂紋的變形條件。
5.根據權利要求1所述的鋅合金棒材擠壓工藝設計與優化方法，其特徵在於步驟(3) 中所述的擠壓成形極限圖的建立過程採用有限元分析鋅合金擠壓溫度場、應力場以及應變速率場的分布，在一定擠壓比下，計算壓力極限曲線和擠壓出口過熱極限曲線，在速度和溫度坐標下，繪製壓力極限曲線和過熱極限曲線，得到擠壓成形極限圖。
6.根據權利要求1所述的鋅合金棒材擠壓工藝設計與優化方法，其特徵在於步驟(3) 中所述的擠壓試驗的工藝參數在加工圖和擠壓成形極限圖優化的範圍內選擇。
7.根據權利要求1所述的鋅合金棒材擠壓工藝設計與優化方法，其特徵在於步驟(3) 中所述的擠壓成形極限圖中擠壓比的範圍為15 100，溫度為150 400°C，速度為1. 5 30mm/s ；結合加工圖和擠壓成形極限圖優化的擠壓工藝參數為擠壓比的範圍為30 50， 溫度為200 320°C，速度為3 20mm/s。
8.根據權利要求1所述的鋅合金棒材擠壓工藝設計與優化方法，其特徵在於步驟中所述的擠壓試驗資料庫中，數據主要包括擠壓坯料溫度、擠壓出口溫度、擠壓模具溫度、 擠壓速度、擠壓力、擠壓比、擠壓坯料規格，擠壓棒材直徑，擠壓應變速率，擠壓棒材性能和組織。
9.根據權利要求1所述的鋅合金棒材擠壓工藝設計與優化方法，其特徵在於步驟中所述的神經網絡為BP神經網絡，採用Matlab軟體編寫程序建立擠壓工藝與擠壓棒材產品質量和性能的神經網絡預測資料庫。
全文摘要
本發明涉及一種鋅合金棒材擠壓工藝設計與優化方法，包括採用高溫壓縮和高溫拉伸試驗，獲得鋅合金的真應力真應變曲線；建立鋅合金的本構方程和加工圖，進行微觀組織分析，研究熱變形行為，選擇適宜加工的變形條件；進行有限元數值模擬，建立擠壓成形極限圖，優化擠壓工藝窗口，並進行熱擠壓，得到鋅合金棒材；建立擠壓試驗數據資料庫，採用神經網絡預測擠壓工藝與擠壓棒材表面開裂、質量及性能之間的關係。本發明可以實現鋅合金棒材擠壓過程中所有參數的最優匹配，精確控制擠壓過程，集成了工藝設計、優化和性能控制，製備的棒材表面質量良好，組織細小、均勻，性能高，成材率高，生產效率高，該方法適合於大規模生產，具有顯著的經濟和社會效益。
文檔編號B21C23/02GK102463268SQ20101054009
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月10日 優先權日2010年11月10日
發明者李德富, 杜鵬, 鄔小萍, 郭勝利 申請人:北京有色金屬研究總院