凹模轉(zhuǎn)動擠壓成形過程的有限元分析

李 峰，張鑫龍，初冠南

(1.哈爾濱理工大學材料科學與工程學院，哈爾濱150040，E-mail:hitlif@126.com; 2.哈爾濱工業(yè)大學(威海)船舶工程學院，威海264209)

凹模轉(zhuǎn)動擠壓成形過程的有限元分析

李 峰1，張鑫龍1，初冠南2

(1.哈爾濱理工大學材料科學與工程學院，哈爾濱150040，E-mail:hitlif@126.com; 2.哈爾濱工業(yè)大學(威海)船舶工程學院，威海264209)

降低能耗及提高制品性能是當前擠壓加工技術(shù)領(lǐng)域的一個共性問題，采用數(shù)值模擬方法對轉(zhuǎn)模擠壓成形過程進行研究，結(jié)果表明：隨著凹模轉(zhuǎn)速的增加，塑性區(qū)范圍顯著地擴大，轉(zhuǎn)速由0增加到0.314 rad/s時，擠出速度均值增大了1.5倍，成形載荷極值降幅達40%;當擠壓速度由0.157 mm/s增大至0.628 mm/s時，擠壓載荷峰值增大了38.6%，擠出速度均值增大了1倍.當其他條件不變時，應(yīng)綜合考慮擠壓速度及凹模轉(zhuǎn)速之間數(shù)值的合理匹配關(guān)系.

凹模轉(zhuǎn)動;擠壓;降低能耗;擠出速度均值

隨著科技的不斷進步及社會需求的日益增加，擠壓材正朝著大型化、尺寸高精化、形狀復(fù)雜化等方向發(fā)展，應(yīng)用范圍也不斷擴大，已由民用型材推廣到了航空航天、機械及軍事等各個領(lǐng)域［1］.但與發(fā)達國家相比，生產(chǎn)設(shè)備噸位小、材料利用率低、技術(shù)差距大等因素成為制約我國擠壓工業(yè)飛速發(fā)展的主要瓶頸問題之一［2］，因此，迫切需要開發(fā)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的擠壓成形新技術(shù).

近年來，靜液擠壓、有效摩擦擠壓等方法不斷涌現(xiàn)并得到發(fā)展，但受自身工藝特點所限，均存在不足之處，如靜液擠壓需留有壓余且可控性差［3］，有效摩擦擠壓裝置相對繁瑣，生產(chǎn)實踐中鮮有應(yīng)用［4］.盡管剪切擠壓［5］、彎曲型材擠壓［6］、固相合成擠壓［7］及異質(zhì)管材擠壓連接［8］等新技術(shù)相繼被提出，但也僅限于某些特殊需求的領(lǐng)域所采用.

綜上所述，作者提出了扭轉(zhuǎn)及擠壓復(fù)合成形的新方法［9］.傳統(tǒng)擠壓成形中凹模是坯料擠出前的一個約束及定位工具，如對其施加扭轉(zhuǎn)，勢必會對擠壓成形過程產(chǎn)生重要影響，但目前尚無相關(guān)報道，本文對此開展了研究.

1 工藝原理及方案

1.1 工藝原理

上世紀50年代末，前蘇聯(lián)學者就提出了扭壓成形工藝，該方法可使坯料變形均勻，顯著地降低成形載荷，并能改善原始鑄態(tài)組織，該工藝隨后逐步應(yīng)用于生產(chǎn)實際中.將扭轉(zhuǎn)與擠壓成形工藝進行復(fù)合，對金屬流動行為同樣有著重要影響.芯模扭轉(zhuǎn)擠壓法［10-11］僅適用于圓截面型材，對凹模施加扭轉(zhuǎn)，可有效地避免擠出制品沿橫斷面方向軸向流線的“切斷”，同時又能解決擠壓桿施加扭轉(zhuǎn)擠壓［12-13］時對擠壓桿整體性能要求較高的難題.轉(zhuǎn)模擠壓成形工藝原理如圖1所示.

圖1 轉(zhuǎn)模擠壓成形原理示意圖

該方法能有效地改變成形時坯料與模具間摩擦阻力的作用方向，使坯料僅需克服原有摩擦阻力的一個分量即可被擠出成形，因此，顯著降低了所需的成形載荷，如圖1(b)所示.而且，凹模與坯料接觸面積較大，與芯模擠壓相比，降低能耗的效果將更為顯著，因此，在相同載荷情況下，可成形復(fù)雜截面擠壓制品;在相同截面形狀情況下，可有效地降低成形力及設(shè)備噸位，提高了設(shè)備利用率，易于實現(xiàn)大尺寸、復(fù)雜截面、低塑性擠壓材的加工成形.

1.2 網(wǎng)格細化

本文采用塑性有限元軟件DEFORMTM-3D.采用四節(jié)點四面體單元對坯料進行離散，并在計算過程中根據(jù)網(wǎng)格畸變的情況隨時進行自適應(yīng)重劃分.當重新劃分網(wǎng)格時，根據(jù)跟蹤窗口定義的密度劃分，圖2為網(wǎng)格自動重劃分密度的定義窗口示意圖.

圖2 自動網(wǎng)格重劃分密度定義窗口

1.3 工藝方案

扭轉(zhuǎn)-擠壓復(fù)合成形是個大變形、熱力耦合的復(fù)雜過程，采用由剛(粘)塑性有限元模型進行分析.實驗材料為 AZ31鎂合金，模具材料為H13，二者的熱物性參數(shù)均為既定［14］.坯料初始尺寸Φ50 mm×120 mm，擠壓比9.76，芯模半錐角60°，坯料初始溫度350℃，模具溫度300℃，擠壓速度0.314 mm/s，凹模轉(zhuǎn)速0.314 rad/s，坯料與工模具間的摩擦因子取1.0，采用Newton-Raphson迭代算法進行模擬計算.

2 結(jié)果討論及分析

2.1 凹模轉(zhuǎn)速對擠壓過程的影響

為了便于對比，固定其他參數(shù)，對凹模轉(zhuǎn)速分別取0、0.157、0.314 rad/s的情況進行研究.

2.1.1 成形過程力學分析

圖3所示為凹模轉(zhuǎn)速對擠壓成形中等效應(yīng)力分布的影響及變化規(guī)律.由圖3可知:凹模轉(zhuǎn)速為0的成形初期，擠壓?？谔幍刃?yīng)力值相對較大，可知該區(qū)域先發(fā)生塑性變形;凹模轉(zhuǎn)速增大至0.157 rad/s時，等效應(yīng)力值較高的范圍顯著地擴大至整個筒內(nèi)區(qū)域;當轉(zhuǎn)速增大至0.314 rad/s時，擠出成形后的制品在一段距離內(nèi)等效應(yīng)力值仍很高.因此，隨著凹模轉(zhuǎn)速的增加，坯料上塑性區(qū)范圍顯著地隨之擴大.

2.1.2 溫升變化規(guī)律

凹模轉(zhuǎn)速對擠壓成形中溫度分布的影響及變化規(guī)律如圖4所示.由圖4可知:凹模轉(zhuǎn)速為0時，變形坯料上各部位溫度分布差異較大，模口處溫度顯著高于其他部位，且隨著擠壓成形過程的進行，?？谔幖案浇囊欢螀^(qū)域內(nèi)溫度仍為最高;對凹模施加旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)溫度的分布發(fā)生了顯著改變，下側(cè)大部分區(qū)域的溫度顯著升高;當凹模轉(zhuǎn)速增大至0.314 rad/s，凹模內(nèi)及擠出制品上溫度較高的區(qū)域范圍繼續(xù)擴大.

圖3 等效應(yīng)力的分布對比

為深入研究凹模轉(zhuǎn)速對擠壓成形中溫升變化的影響，將成形中坯料上溫度峰值的變化進行對比，如圖5所示.由圖5可知:凹模固定時，成形過程中坯料上最高溫度峰值穩(wěn)定在320℃左右;對凹模施加旋轉(zhuǎn)后坯料上最高溫度呈增大趨勢變化，其峰值為347℃;當凹模轉(zhuǎn)速增至0.314 rad/s時，溫度峰值達到381℃，即其他條件不變時，凹模轉(zhuǎn)速增加1倍，溫度峰值增大了18.3%.

2.1.3 金屬流動行為分析

凹模施加轉(zhuǎn)動對擠壓成形中金屬的流動行為有著重要影響.圖6和7為凹模轉(zhuǎn)速對擠壓成形中金屬流動行為的對比.

由圖6中速度對比可知:當凹模轉(zhuǎn)速為0時，隨著沖頭的下行施載，變形坯料沿著加載方向由擠壓?？谥饾u擠出成形;凹模施加旋轉(zhuǎn)后，模內(nèi)坯料的流動行為發(fā)生了很大改變，靠近凹模部位的金屬除沿著沖頭加載方向流動外，同時沿著旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了明顯的環(huán)向流動，且隨著轉(zhuǎn)速的增加，該區(qū)金屬沿環(huán)向的流速顯著增大.

圖4 溫度變化及分布

圖5 溫度峰值的變化

圖7為凹模轉(zhuǎn)速對模口部位擠出金屬流速均值的影響對比.由圖7可知:當沖頭下行至7 mm左右時，金屬逐漸由模口處被擠出成形;與普通擠壓相比，凹模轉(zhuǎn)速為0.157 rad/s，擠出速度均值變化不大;當轉(zhuǎn)速增加到0.314 rad/s，擠出速度均值增大了1.5倍.由此可知，隨著凹模轉(zhuǎn)速增加，金屬越易被擠出成形.

圖6 凹模轉(zhuǎn)速對速度場分布的影響

圖7 擠出流速均值

2.1.4 位移-載荷變化規(guī)律

圖8為不同凹模轉(zhuǎn)速時擠壓過程中位移-載荷曲線對比.由圖8可知:擠壓過程中成形載荷均呈先增大后減小的趨勢變化;普通擠壓時載荷峰值為64.1 t，對凹模分別施加0.157、0.314 rad/s的轉(zhuǎn)速后，擠壓載荷的峰值分別降至38.1 t和 37.2 t.由此可知，擠壓過程中對部分凹模施加旋轉(zhuǎn)，可有效降低成形載荷極值，降幅可達40%.

圖8 位移－載荷曲線對比

2.2 成形速度對擠壓過程的影響

同理，分別取速度為0.157、0.314、0.471、0.628 mm/s的擠壓成形過程進行研究.

2.2.1 溫升變化規(guī)律

圖9為擠壓成形過程中成形速度對坯料上最高溫度的影響.由圖9可知:成形速度較低時，即v=0.157、0.314 mm/s時，坯料上最高溫度隨著成形過程的進行呈逐漸增大趨勢變化，分別升高了22、29℃;當擠壓速度增大至0.471及0.628 mm/s后，坯料上最高溫度呈先增大后均勻的趨勢變化.

圖9 成形速度對溫度峰值的影響對比

2.2.2 金屬流動行為分析

圖10為不同速度擠壓成形過程中，擠壓模出口處典型部位金屬軸向速度均值的變化對比.由圖10可知:速度較小時(v=0.157 mm/s)，隨著成形過程的進行，擠出速度均值呈逐漸增大趨勢變化，即越易被擠出成形;速度增大后，擠出速度均值呈先增大后平穩(wěn)的趨勢分布;當擠壓速度繼續(xù)增大至0.628 mm/s，擠出速度均值先迅速增大達到峰值后呈逐漸減小趨勢變化.

綜上可知，隨著成形速度的增加，金屬從模口擠出成形的軸向速度均值呈逐漸增大趨勢變化，且當速度由0.157 mm/s增大至0.628 mm/s時，金屬擠出速度均值增大了1倍.

圖10 擠出流速均值對比

2.2.3 位移-載荷變化規(guī)律

不同速度擠壓過程中位移-載荷的變化對比如圖11所示.由圖11可知，不同擠壓過程中，隨著成形的進行，載荷均呈先增大后減小的趨勢變化.且經(jīng)載荷峰值的對比可知，當擠壓成形速度由0.157 mm/s增大至0.628 mm/s，擠壓載荷峰值由41.7 t增至57.8 t，增大了38.6%.

由上述分析可知，凹模轉(zhuǎn)速與擠壓速度均對成形過程有重要影響.當其他條件不變時，應(yīng)綜合考慮擠壓速度及凹模轉(zhuǎn)速之間數(shù)值的合理匹配.

圖11 位移－載荷變化對比

3 結(jié)論

1)通過凹模轉(zhuǎn)速對成形過程的影響對比可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，坯料上塑性區(qū)的范圍顯著擴大，溫度峰值隨之增大，極限載荷峰值則顯著降低.

2)隨著擠壓速度的增加，坯料上的溫度峰值明顯地增大，擠出金屬流速均值隨之變大，金屬越易被擠出成形.

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Finite element analysis of rotating container in extrusion process

LI Feng1，ZHANG Xin-long1，CHU Guan-nan2
(1.College of Materials Science and Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China，E-mail:hitlif@126.com;2.School of Naval Architecture，Harbin Institute of Technology at Weihai，Weihai 264209，China)

To reduce energy consumption and improve product performance，numerical simulation is conducted to analyze the extrusion process with rotating container.The results show that the plastic zone is enlarged significantly with the increase of rotation speed of the concave die.As the rotation speed increases from 0 to 0.314 rad/s，the mean exit velocity of the extruded material increases 1.5 times，and the peak of extrusion load decreases by 40%.As the mean extrusion speed increases from 0.157 mm/s to 0.628 mm/s，the peak of extrusion load increases by 38.6%，and the mean exit speed of the extruded material increases by 1 time.Consequently，the extrusion speed and rotation speed should be matched each other when the other parameters are kept constant.

rotating container;extrusion;reducing energy consumption;mean exit velocity of the extruded

TG376 文獻標志碼：A 文章編號：1005-0299(2012)02-0117-05

2010-11-22.

教育部博士點新教師基金資助項目(20112303120001);黑龍江省自然科學基金資助項目(E201128);哈爾濱理工大學青年拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃資助項目.

李 峰(1979-)，男，博士，副教授.

(編輯 程利冬)