一種鋅合金棒材擠壓的工藝設計與優化方法技術

本發明專利技術涉及一種鋅合金棒材擠壓工藝設計與優化方法，包括采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，并進行熱擠壓，得到鋅合金棒材；建立擠壓試驗數據數據庫，采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系。本發明專利技術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，制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，該方法適合于大規模生產，具有顯著的經濟和社會效益。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及，屬于有色金屬加工成形領域。
技術介紹
隨著銅應用的普及，世界范圍內的銅資源緊缺，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。
技術實現思路
本專利技術的目的在于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，采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； 采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數據庫，采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系，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，本專利技術采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，對變形后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，并進行熱擠壓，得到鋅合金棒材；(4)將步驟(3)所得的擠壓試驗數據建立數據庫，采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系。一種優選的技術方案，其特征在于所述的鋅合金為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，其特征在于步驟(1)中所述的高溫壓縮試驗中，溫度范圍為150 400°C，溫度間隔為40 50°C，應變速率范圍為0.001 10s—1 ；步驟(1)中所述的高溫拉伸試驗中，溫度范圍為200 350°C，溫度間隔為30°C，應變速率范圍為0. 001 0. Is-1。一種優選的技術方案，其特征在于步驟O)的具體過程為采用線性回歸和非線性回歸建立鋅合金的本構方程系，采用動態材料模型建立鋅合金的加工圖，采用金相顯微鏡、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征，并結合加工圖，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，其特征在于步驟(3)中所述的擠壓成形極限圖的建立過程采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，繪制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，其特征在于步驟(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范圍內選擇。一種優選的技術方案，其特征在于步驟(3)中所述的擠壓成形極限圖中擠壓比的范圍為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范圍為30 50，溫度為200 320°C，速度為3 20mm/s。一種優選的技術方案，其特征在于步驟中所述的擠壓試驗數據庫中，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，其特征在于步驟⑷中所述的神經網絡為 BP(BackPropagation)神經網絡，采用Matlab軟件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數據庫。本專利技術的優點在于本專利技術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，塑性加工過程中由于變形熱的產生，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，采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范圍內，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。擠壓工藝最適合于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，本專利技術的方法適合于大規模生產。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專利技術做進一步說明，但并不意味著對本專利技術保護范圍的限制。具體實施例方式實施例1采用半連鑄的&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范圍為150 350°C，溫度間隔為50°C，應變速率范圍為0. 001 10s"10高溫拉伸試驗的溫度范圍為200 320 V，溫度間隔為30°C，應變速率范圍為 0.001 0. Is—1。采用線性回歸和非線性回歸建立鋅合金的本構方程系，采用動態材料模型，利用Matlab軟件編寫程序，建立加工圖，采用掃描電鏡(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范圍為220 300°C。應變速率的范圍為0.01 Is—1。采用商用有限元軟件，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，繪制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范圍為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， 基于試驗數據采用Matlab軟本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：郭勝利，李德富，鄔小萍，杜鵬，
申請(專利權)人：北京有色金屬研究總院，
類型：發明
國別省市：