三孔雙芯模擠壓方管型材的金屬流動(dòng)行為分析

李靜媛，黃東男

(1.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083，E-mail:jerranlee@yahoo.com.cn; 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，呼和浩特010051)

三孔雙芯模擠壓方管型材的金屬流動(dòng)行為分析

李靜媛1，黃東男2

(1.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083，E-mail:jerranlee@yahoo.com.cn; 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，呼和浩特010051)

為了分析雙芯模擠壓鋁型材時(shí)造成的流動(dòng)不均勻以及模具結(jié)構(gòu)對(duì)該類型材焊合質(zhì)量的影響，采用DEFORM-3D有限元分析軟件，對(duì)三孔雙芯模擠壓6005A鋁合金方管型材的金屬流動(dòng)行為進(jìn)行了分析.模擬結(jié)果表明，分流孔面積分布不均易造成方管型材鐮刀彎缺陷，當(dāng)中間分流孔與一側(cè)分流孔的面積比值為0.93～1.03時(shí)，型材出口流速均勻、焊縫居中.焊合室高度為13～16 mm時(shí)焊合良好、成形質(zhì)量好.擠壓力在坯料與焊合室底面碰觸后急速上升，在突破模孔時(shí)達(dá)到最高值.型材出口溫度受分流孔面積和焊合室高度影響較小，當(dāng)坯料溫度為480℃時(shí)，型材出口溫度為546～548℃.在650噸臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行了擠壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合.

平面分流組合模擠壓;流動(dòng)行為;有限元

近年來(lái)，鋁合金型材在建筑裝飾、軌道列車、汽車船舶以及航天領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛［1］.對(duì)于不斷增加的新產(chǎn)品，尤其是復(fù)雜斷面的鋁合金型材，提高其擠壓生產(chǎn)用模具設(shè)計(jì)的一次成功率、減少上機(jī)試模次數(shù)變得日趨重要.目前，單純依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)還遠(yuǎn)不能滿足新產(chǎn)品的需要［2-5］.采用三維有限元技術(shù)對(duì)擠壓過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，可以使模具設(shè)計(jì)者預(yù)先直觀地了解擠壓過(guò)程中金屬的流動(dòng)，便于進(jìn)行合金內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等物理量的分析，從而預(yù)測(cè)模具設(shè)計(jì)的合理性.這將有助于提高模具設(shè)計(jì)的水平，最終達(dá)到零試模的目的［6-10］.

擠壓屬于金屬塑性大變形過(guò)程，在擠壓空心型材時(shí)，金屬還將被分流成數(shù)股然后又重新焊合，因此，數(shù)值模擬分析過(guò)程比較復(fù)雜［11-12］.擠壓方管空心型材時(shí)，為提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，多采用一次同時(shí)擠出兩根或多根型材的平面分流組合模，即使用多孔多芯擠壓模具，與擠壓?jiǎn)胃筒南啾龋至骺椎南嗷ヅ渲?、形狀和面積變得更為復(fù)雜［13］.企業(yè)在擠壓這種雙芯方管型材過(guò)程中，由于模具結(jié)構(gòu)不合理，常出現(xiàn)刀彎、鼓肚、焊合不良等缺陷.為此，本文采用三維有限元軟件DEFORM-3D，對(duì)三孔雙芯模擠壓6005鋁合金方管型材的金屬流動(dòng)行為進(jìn)行了模擬分析，并在650噸擠壓機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

1 數(shù)值模型的構(gòu)建

采用DEFORM-3D有限元分析軟件，對(duì)三孔雙芯模具擠壓方管型材進(jìn)行模擬仿真.采用的擠壓材料為6005A鋁合金，為了獲得數(shù)值模擬過(guò)程所需要的該合金的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)，利用Gleeble1500對(duì)6005A合金進(jìn)行了不同溫度、不同應(yīng)變速率下的高溫?zé)崮M試驗(yàn)，并建立了如下材料的本構(gòu)方程.

其中，

式中:˙ε為應(yīng)變速率，T為變形溫度，R為氣體常數(shù).

方管擠壓制品的截面尺寸為15 mm(L)× 2 mm(t)，擠壓模具結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以看出，中間分流孔Q1的面積為470.7 mm2，兩側(cè)分流孔形狀面積相同，呈對(duì)稱分布，其中，Q2的面積為662.1 mm2，Q1:Q2=0.71.

圖1 模具結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為減少單元網(wǎng)格數(shù)量及計(jì)算時(shí)間、獲得較高的仿真精度，取如圖2所示的1/4模型進(jìn)行擠壓過(guò)程模擬仿真.網(wǎng)格劃分采用絕對(duì)網(wǎng)格法，計(jì)算單元為四面體網(wǎng)格單元，并對(duì)變形較大的分流孔入口及?？兹肟谔庍M(jìn)行單元網(wǎng)格細(xì)化［14-15］.設(shè)定模擬過(guò)程中單元尺寸最小為0.5 mm，最大為15 mm.為減少焊合過(guò)程中網(wǎng)格的穿透量，將相對(duì)沖突干涉系數(shù)設(shè)為0.4.

由于塑性變形生熱、摩擦生熱等引起合金溫度迅速上升，故將坯料設(shè)為熱粘塑性材料，模具設(shè)為剛性材料，并忽略金屬的彈性變形.坯料和模具之間選用剪切摩擦模型，m=，τ為剪切摩擦

應(yīng)力，σ為等效應(yīng)力.根據(jù)坯料與工模具的圓環(huán)壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取摩擦因子m=1.

圖2 仿真幾何模型

擠壓初始條件設(shè)定為:坯料尺寸Φ 90 mm× 70 mm、溫度480℃;擠壓筒尺寸 Φ 95 mm× 90 mm、溫度 400℃;擠壓墊尺寸 Φ 95 mm× 10 mm、溫度30℃;模具溫度450℃;擠壓軸速度4 mm/s.根據(jù)模具尺寸計(jì)算出該擠壓過(guò)程擠壓比為29.3，分流比為8.

2 結(jié)果分析

2.1 擠壓過(guò)程中金屬的流動(dòng)行為

擠壓過(guò)程可分為墩粗、分流、填充焊合室及焊合成形4個(gè)階段，各階段的速度場(chǎng)分布如圖3所示.從圖3可以看出，由于兩側(cè)分流孔面積較大，在墩粗階段后期(圖3(a))坯料已經(jīng)開始分流進(jìn)入兩側(cè)分流孔，此時(shí)金屬的最大流速為擠壓速度，4 mm/s.在分流階段(圖3(b))，金屬通過(guò)分流孔被拆分為3股進(jìn)入焊合室，中間分流孔內(nèi)金屬流速明顯高于兩側(cè)分流孔，達(dá)17.7 mm/s，因此，擠出的金屬長(zhǎng)度比兩側(cè)的長(zhǎng).這主要是由于坯料中心與擠壓筒內(nèi)壁不存在摩擦，變形阻力小.在填充焊合階段(圖3(c))，三股金屬流相繼與焊合室底面接觸，并開始側(cè)向流動(dòng)填充焊合室.由于中間分流孔Q1需同時(shí)向兩側(cè)分流填充，同時(shí)與焊合室發(fā)生摩擦，因此，速度減慢.此時(shí)從Q2流出金屬的速度超過(guò)Q1，成為填充焊合室的主要來(lái)源.由于Q1∶Q2=0.71，Q1面積過(guò)小、流出金屬量不足，導(dǎo)致方管供料不均、焊縫不居中，焊縫偏向模具中心位置.另外，由于Q2孔流出金屬多，在填充焊合室的過(guò)程中，有部分金屬先期被擠出?？仔纬闪朔焦芰项^.在焊合成形階段(圖3(d))，延續(xù)了填充焊合室階段的不均勻流動(dòng)，Q2對(duì)應(yīng)的方管外側(cè)金屬量大、速度快，導(dǎo)致焊縫位置偏離方管對(duì)稱中心，型材離開模孔后向模具中心側(cè)彎曲，形成鐮刀彎，并發(fā)生碰觸.

圖3 擠壓過(guò)程金屬流動(dòng)

2.2 分流孔面積對(duì)金屬流動(dòng)的影響

由于每根方管均由中間分流孔Q1和外側(cè)分流孔Q2流出的金屬經(jīng)焊合壓出后成形，根據(jù)體積相等原則，Q1向焊合室提供的金屬量應(yīng)為Q2的2倍.但由于Q1在擠壓模中心位置，其流速明顯高于Q2，因此，Q1的面積并不能簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)成Q2的2倍.但如果Q1面積過(guò)小，又會(huì)造成心部金屬流量不足，形成如前所述的向內(nèi)鐮刀彎.只有分流孔Q1和Q2面積之比恰當(dāng)，才能使得金屬均勻流出.

為研究Q1、Q2面積的恰當(dāng)比例，在不降低分流比并保證模具強(qiáng)度的條件下，保持Q2不變，將Q1的寬度從12 mm增加為16、18、20 mm，即Q1∶Q2由上述的0.71增加至0.93、1.03和1.13.模擬計(jì)算結(jié)果顯示，由于分流孔面積加大，3個(gè)分流孔內(nèi)金屬的流速均減慢，并且兩側(cè)減慢尤多，造成Q1和Q2內(nèi)金屬流速差加大.圖4為擠壓軸行程20.5 mm時(shí)，不同Q1面積條件下各分流孔內(nèi)流出金屬的長(zhǎng)度值.由圖4可見，隨Q1面積增加，Q1和Q2流出金屬的長(zhǎng)度差由5 mm逐漸增至15 mm，因此，Q1內(nèi)金屬充填焊合室的比例增大，焊縫位置向Q2孔偏移.

圖4 分流孔內(nèi)金屬長(zhǎng)度(行程20.5 mm)

由圖5所示的模擬擠壓結(jié)果可以看出，當(dāng)Q1∶Q2=0.93時(shí)，型材只是料頭略有彎曲，但隨著擠壓行程的增加，型材流速均勻，外形較好.Q1∶Q2=1.13時(shí)，擠出的方管型材表面流速不均勻，導(dǎo)致型材向外側(cè)產(chǎn)生刀彎，說(shuō)明分流孔Q1面積過(guò)大，使得焊縫偏離對(duì)稱中心，偏向Q2孔方向.當(dāng)Q1∶Q2=1.03時(shí)，擠壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，擠出的方管型材表面流速最均勻，外形最佳.因此，可以認(rèn)為，在分流比為8～10時(shí)，中間分流孔面積(Q1)∶一側(cè)分流孔面積(Q2)=(0.93～1.03)時(shí)，金屬流動(dòng)均勻，型材外形最理想.

圖5 擠壓穩(wěn)態(tài)后方管流動(dòng)情況

2.3 焊合室高度對(duì)焊合質(zhì)量的影響

從上述分析可以看出，Q1∶Q2=(0.93～1.03)時(shí)金屬流動(dòng)均勻，型材質(zhì)量好.由于隨分流孔面積減小，擠壓力上升、焊縫質(zhì)量提高，因此，本文選擇Q1∶Q2=0.93的分流孔尺寸，進(jìn)一步對(duì)焊合室高度為7、10、13、16、19 mm的模具擠壓過(guò)程金屬流動(dòng)行為和焊合質(zhì)量進(jìn)行了模擬仿真.

從仿真結(jié)果可以看出，焊合室高度不影響出口速度均勻性，因此，各高度下擠出的方管型材平直，無(wú)彎扭現(xiàn)象.但焊合室高度對(duì)焊縫質(zhì)量有明顯的影響.在分流模擠壓過(guò)程中，焊合面壓應(yīng)力越大則型材焊合質(zhì)量越好.從圖6所示金屬內(nèi)部應(yīng)力分布可以看出，在整個(gè)焊合室中，封閉區(qū)域內(nèi)靜水壓力非常大，高于150MPa，而在靠近?？滋巹t迅速降低至幾十兆帕.當(dāng)焊合室高度為7 mm時(shí)，?？赘浇o水壓力僅為 40 MPa，等效應(yīng)力為55 MPa.根據(jù)溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果，此時(shí)金屬溫度為548℃，材料本構(gòu)方程計(jì)算顯示此溫度下其屈服強(qiáng)度為42 MPa，可見焊合力太小，焊合質(zhì)量較差.當(dāng)焊合室高度為10、13、16 mm時(shí)，?？赘浇牡刃?yīng)力分別為86、1091 MPa和123 MPa，遠(yuǎn)大于鋁合金的屈服強(qiáng)度，能夠滿足焊合要求，獲得較好焊縫質(zhì)量.但是當(dāng)焊合室高度為19 mm時(shí)，由于焊合室內(nèi)壓力過(guò)大，封閉區(qū)域?yàn)?00 MPa左右，而?？赘浇哺哂?27 MPa，因此，易導(dǎo)致模芯失穩(wěn)，造成型材壁厚不均.從圖6還可以看出，隨焊合室高度增加，焊合接觸面的靜水壓力值增加.

2.4 擠壓過(guò)程中的擠壓力及溫度變化

圖6 高7 mm的焊合室內(nèi)部靜水壓力及等效應(yīng)力的分布

圖7 擠壓過(guò)程中擠壓力(a)和溫度(b)變化曲線

擠壓流動(dòng)過(guò)程中擠壓力隨擠壓行程變化的曲線如圖7(a)所示，可以看出擠壓力的變化與金屬流動(dòng)行為相對(duì)應(yīng)，分為4個(gè)階段.第一階段(a～c )為鐓粗階段，擠壓力緩慢上升，其中b點(diǎn)為坯料鼓肚和擠壓筒內(nèi)壁碰觸時(shí)的擠壓力，從b點(diǎn)開始擠壓力快速上升.擠壓力上升至c點(diǎn)后，金屬突破分流橋的阻力，進(jìn)入分流孔.在分流階段(c～d)，擠壓平穩(wěn)、擠壓力比較穩(wěn)定.當(dāng)Q1孔流出的金屬接觸到焊合室底面，即擠壓到達(dá)曲線中d點(diǎn)時(shí)，由于擠壓流動(dòng)受阻，擠壓力急速上升.隨著3股金屬在焊合室內(nèi)橫向流動(dòng)并互相接觸時(shí)(e點(diǎn))，即進(jìn)入第4階段(焊合成形階段)，此時(shí)擠壓力再度急劇上升，擠壓力到達(dá)最高點(diǎn)f點(diǎn)后，金屬?gòu)哪？琢鞒?，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擠壓過(guò)程，擠壓力趨于平穩(wěn).從圖7(a)可以看出，分流孔面積越大，擠壓力越小，突破?？浊暗淖畲髷D壓力由Q1∶Q2= 0.71時(shí)的149 t降為Q1∶Q2=1.13時(shí)的135 t.

金屬經(jīng)過(guò)分流焊合等4個(gè)階段的擠壓后，溫度急劇上升.在各階段的溫度變化規(guī)律如圖7(b)所示，可以看出，溫升集中在金屬突破分流孔和突破?？變蓚€(gè)階段，尤其在突破?？讜r(shí)溫度陡然上升.因此，從模擬結(jié)果來(lái)看，?？椎男螤睢⒋笮Q定了型材最終的出口溫升，而分流孔面積和焊合室高度僅將溫度上升點(diǎn)推遲1 s，而對(duì)最終溫升大小未有明顯影響.在本文設(shè)定的條件下，型材出口溫度為546～548℃，擠壓過(guò)程金屬溫升為66～68℃.

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以Q1∶Q2=0.93，焊合室高度13 mm，其他尺寸同圖1設(shè)計(jì)制造了三孔雙芯方管型材擠壓模具，并在650噸臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行了擠壓實(shí)驗(yàn)，擠壓工藝參數(shù)和上述模擬仿真條件相同.為了便于坯料從模具中取出，以及更易于觀測(cè)分流孔內(nèi)金屬的流動(dòng)情況和焊合室內(nèi)焊縫的位置，擠壓前在模具內(nèi)表面涂敷少量石墨乳.

當(dāng)擠壓行程為20 mm，即擠壓處于分流階段末期時(shí)，如圖8(a)所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Q1孔內(nèi)流出金屬長(zhǎng)度為55 mm，Q2孔內(nèi)為42 mm.同一行程模擬仿真的結(jié)果如圖8(b)所示，Q1孔為57 mm，Q2孔為45 mm.仿真結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果長(zhǎng)2～3 mm，誤差為7%，可見仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相吻合.

當(dāng)金屬充滿焊合室并從?？琢鞒鰰r(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果如圖8(c)、(d)所示，可以看出，模擬與實(shí)際結(jié)果在外形和焊縫位置上皆吻合，焊縫位置偏向Q1孔，擠壓實(shí)驗(yàn)的焊縫位置偏移了1.2 mm，仿真結(jié)果為1.1 mm，誤差小于10%.

圖8 擠壓流動(dòng)的分流過(guò)程(a)模擬和(b)實(shí)驗(yàn)以及焊合過(guò)程(c)模擬和(d)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)采用DEFROM-3D有限元計(jì)算軟件，完成了 Φ 95 mm 6005A鋁合金圓鑄錠擠壓雙根15 mm(L)×2 mm(t)方管型材流動(dòng)過(guò)程的三維數(shù)值模擬仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

2)隨著中間分流孔面積增加，中間分流孔流出金屬量增加，擠壓力減小，焊縫位置由靠近中間分流孔向兩側(cè)移動(dòng).當(dāng)中間分流孔和兩側(cè)分流孔的面積比值在0.93～1.03時(shí)，方管成形質(zhì)量好.

3)焊合室高度對(duì)方管型材焊合質(zhì)量有很大影響.焊合室高度增加則等效應(yīng)力增加、焊合質(zhì)量提高.當(dāng)中間分流孔與兩側(cè)分流孔面積比為0.93，焊合室高度為13 mm時(shí)，型材質(zhì)量最好.

4)擠壓力在坯料進(jìn)入焊合室并與底面碰觸后急速上升，本文所設(shè)定條件下最高擠壓力為135～149 t.合金溫度在突破?？椎亩虝核查g急速上升，全過(guò)程型材較坯料溫升66～68℃.

5)在650噸臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行了擠壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合.

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Analysis of extrusion flow behaviors of square pipe deformed with three-porthole and two-core die

LI Jing-yuan1，HUANG Dong-nan2
(1.School of Materials Science and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China，E-mail: jerranlee@yahoo.com.cn;2.School of Materials Science and Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Huhhot 010051，China)

In order to reveal the nonuniform flow of aluminium in the two-core die and the effect of die structure on the welding quality，flow behavior of 6005A aluminium alloy square pipe was analyzed with DEFORM -3D.The tetrahedron mesh unit was adopted and the relative interference coefficient was set as 0.4.The results show that，the weld line is centered in the side of square pipe when the area ratio of the middle porthole to the side porthole is between 0.93 and 1.03.When the height of welding chamber is equal to 13-16 mm，the alloy can be welded very well and the forming quality is the best.The extrusion force increases slowly as extruding，but it reaches the peak value abruptly when the billet touches the bottom of the welding chamber.The temperature of alloy increases obviously while the alloy breaks through the die bearing，and the peak value reaches 546-548℃.The extrusion experiment was carried out，and the results are in agreement with FEM results.

porthole-die extrusion;flow behavior;finite element method(FEM)

TG379文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1005-0299(2010)02-0251-05

2009-04-25.

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007CB613703);廣東省重大科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2008A090300004).

李靜媛(1970-)，女，博士，副教授.

(編輯 呂雪梅)