鋁合金擠壓型材淬火模擬研究及工藝參數(shù)的改進(jìn)

摘要：為了解決“U”形鋁合金型材在噴水淬火過(guò)程中因冷卻速度不均勻而導(dǎo)致型材截面變形的問(wèn)題，基于FLUENT和ANSYSWORKBENCH軟件平臺(tái)，建立了“U”形擠壓型材在噴水冷卻過(guò)程的有限元模型.分析了3種不同噴嘴速度大小方案下型材淬火冷卻過(guò)程的溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力和變形等變化規(guī)律.結(jié)果表明：經(jīng)工藝參數(shù)優(yōu)化后，型材截面上不同部位噴嘴速度大小設(shè)計(jì)更合理，淬火冷卻過(guò)程中型材的溫度場(chǎng)和等效應(yīng)力分布更均勻，最大等效應(yīng)力最小，型材的變形最小.通過(guò)有限元分析能較好地改進(jìn)型材淬火冷卻過(guò)程中噴嘴速度大小及分布，為實(shí)際擠壓生產(chǎn)過(guò)程提供指導(dǎo).

關(guān)鍵詞：擠壓鋁型材；淬火；噴嘴速度；溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TG166.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

對(duì)于可熱處理強(qiáng)化鋁合金來(lái)說(shuō)，固溶、淬火與時(shí)效是提高其強(qiáng)度的關(guān)鍵工藝之一.鋁合金型材經(jīng)淬火處理，可為后續(xù)的時(shí)效強(qiáng)化準(zhǔn)備條件，但在淬火冷卻過(guò)程中常常因?yàn)樾筒膬?nèi)部溫度場(chǎng)分布不均勻而形成熱應(yīng)力，從而引起型材截面變形＼[1＼].因此，合理的淬火工藝對(duì)于鋁合金擠壓型材的質(zhì)量保證具有非常重要的意義.

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，DEFORM， MARC等軟件已廣泛應(yīng)用于淬火冷卻過(guò)程的模擬研究，表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性＼[2＼]然而在計(jì)算過(guò)程中，它們只能設(shè)置工件表面與介質(zhì)之間的換熱系數(shù)作為邊界條件，卻無(wú)法考慮介質(zhì)的流動(dòng)情況，而介質(zhì)在不同流動(dòng)條件下對(duì)應(yīng)的換熱系數(shù)差別很大，從而導(dǎo)致模擬溫度場(chǎng)往往跟實(shí)際溫度場(chǎng)存在較大差別＼[3＼].

FLUENT是一個(gè)用于模擬和分析在復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)與熱交換問(wèn)題的專用軟件，可以將介質(zhì)與工件之間的換熱過(guò)程進(jìn)行耦合計(jì)算，使得溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確＼[4＼].但目前國(guó)內(nèi)利用FLUENT對(duì)淬火冷卻過(guò)程進(jìn)行模擬研究的尚不多，北京科技大學(xué)張少軍、胡樹(shù)山等利用FLUENT模擬研究了噴嘴直徑、噴嘴排數(shù)等參數(shù)對(duì)鋼管外壁冷卻均勻性的影響，這些研究為調(diào)節(jié)淬火工藝參數(shù)帶來(lái)了很大的方便＼[5＼].FLUENT的不足之處是無(wú)法得到工件的應(yīng)力、應(yīng)變及變形情況.將FLUENT計(jì)算所得的溫度場(chǎng)結(jié)果導(dǎo)入ANSYSWORKBENCH中，便可求得型材的應(yīng)力場(chǎng)以及變形量，從而預(yù)測(cè)工件在淬火過(guò)程中可能出現(xiàn)的缺陷，更好地為淬火工藝參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)＼[6＼].

對(duì)于鋁合金擠壓型材淬火工藝來(lái)說(shuō)，噴水冷卻系統(tǒng)中，噴嘴方向、噴嘴間距、噴水速度等均會(huì)影響型材溫度場(chǎng)的分布，這些工藝參數(shù)直接決定型材淬火冷卻效果的好壞＼[7＼].“U”形擠壓鋁合金型材在噴水淬火過(guò)程中的變形，主要表現(xiàn)為頂部向上拱起，兩側(cè)向外撇開(kāi)成八字形.根據(jù)分析，主要是由于冷卻過(guò)程中型材截面不同部位冷卻速度不同而導(dǎo)致型材截面溫度分布不均勻，從而引起截面的變形.本文主要研究淬火冷卻系統(tǒng)中不同噴嘴水流速度大小對(duì)型材溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及變形的影響，合理優(yōu)化工藝參數(shù)，使型材溫度場(chǎng)分布盡量均勻，從而得到較小的應(yīng)力和變形量，為實(shí)際擠壓生產(chǎn)過(guò)程提供指導(dǎo).

1擠壓型材淬火有限元模型的建立

1.1幾何模型及網(wǎng)格劃分

實(shí)驗(yàn)所用鋁合金型材截面形狀及尺寸如圖1所示，噴水冷卻系統(tǒng)垂直于型材橫截面方向，噴嘴分布情況如圖2所示.

3.1.1型材表面溫度場(chǎng)分布

型材在噴水冷卻過(guò)程中，水流速度越快的地方，單位時(shí)間內(nèi)與型材表面接觸的水量越大，換熱量也越大，型材冷卻速度較快.而且由于型材兩側(cè)距離噴嘴較近，水流從噴嘴噴出后到達(dá)型材表面的過(guò)程中散射量不大，速度變化也不大，因此兩側(cè)噴嘴只需較小的噴水速度.由于各個(gè)噴嘴噴出的水最終都將流經(jīng)型材兩端下側(cè)，兩端下側(cè)也比較容易冷卻，因此需要的冷卻水流速度更小.為了更好地說(shuō)明冷卻過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，特取第4 s和第8 s時(shí)3種不同方案下型材的溫度分布情況進(jìn)行比較，3種方案下型材表面在這兩個(gè)時(shí)刻的溫度分布如圖5和圖6所示.

由圖10可知，采用方案一時(shí)，淬火13 s后，型材左邊存在0.6～1.6 mm的變形，右邊存在0.4～1 mm的變形，且從上到下變形不斷增大，型材頂部也存在比較明顯的變形，約1 mm左右.采用方案二時(shí)，型材左右兩邊變形情況基本相同，從上到下不斷增大，為0.5～1.2 mm.而采用方案三時(shí)，左右兩邊形變均較小，大部分區(qū)域只有0.5 mm左右.采用方案二和方案三時(shí)型材上部變形量都很小.根據(jù)以上分析可知，采用方案三時(shí)型材頂部和左右兩邊得到最小的變形量，結(jié)合前文中得到的型材淬火后溫度場(chǎng)與等效應(yīng)力場(chǎng)的分布情況可知，第三種噴水方案能得到最理想的冷卻效果.

4結(jié)論

基于FLUENT和ANSYSWORKBENCH軟件平臺(tái)，建立了“U”形擠壓鋁型材噴水冷卻過(guò)程的有限元模型，分析了3種不同噴嘴速度分布方案下型材淬火過(guò)程的溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力場(chǎng)和變形量的變化規(guī)律.研究結(jié)果表明：

1）淬火冷卻系統(tǒng)中不同噴嘴的水流速度大小直接影響鋁合金擠壓型材淬火過(guò)程中溫度場(chǎng)分布的均勻性、殘余應(yīng)力以及變形量的大小；

2）與方案一和方案二對(duì)比，采用方案三時(shí)型材截面上不同部位噴嘴速度大小的設(shè)計(jì)更為合理，淬火冷卻過(guò)程的溫度場(chǎng)和等效應(yīng)力分布更加均勻，最大等效應(yīng)力最小，型材的變形最小；

3）通過(guò)有限元分析能較好地改進(jìn)擠壓鋁型材淬火冷卻過(guò)程中噴嘴速度大小及分布，為實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程提供指導(dǎo).

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