不同擠壓速度對(duì)鋁型材擠壓過(guò)程的影響

唐 妍

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 南京 211188)

擠壓速度是鋁型材擠壓過(guò)程的一個(gè)重要工藝參數(shù)，合理的擠壓速度能夠降低材料的變形阻力，同時(shí)使擠壓材料的熱量產(chǎn)生與散失保持平衡，將其溫度維持在一定范圍內(nèi)，從而使擠壓力較小且擠壓件內(nèi)部微觀組織均勻，質(zhì)量穩(wěn)定。擠壓速度過(guò)快會(huì)造成金屬流動(dòng)不均勻、模具溫度較高等現(xiàn)象，而擠壓速度過(guò)慢又會(huì)影響生產(chǎn)效率。

準(zhǔn)確地測(cè)量熱擠壓過(guò)程中模具載荷情況以及模具和擠壓件不同部位的溫度是非常困難的，因此利用數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)研究熱擠壓過(guò)程就顯得非常重要。本文以一空心鋁型材為例，利用Pro/E軟件構(gòu)建其成型擠壓模具，并利用基于有限體積法的MSC－Superforge軟件來(lái)數(shù)值模擬不同擠壓速度下熱擠壓成型過(guò)程中模具溫度和載荷的變化情況，可為擠壓工藝及模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考[1－2]。

1 數(shù)值模擬模型的建立

1.1 模具的構(gòu)建

選擇某一空心鋁型材(如圖1所示)的熱擠壓成型過(guò)程為研究對(duì)象，其截面尺寸為60mm×20mm，壁厚3mm。

空心鋁型材采取平面分流模擠壓成形，利用Pro/E軟件構(gòu)建分流模如圖2所示，其中模孔工作帶設(shè)置如圖3所示。坯料選擇Al6063合金，尺寸φ 170mm×50mm;模具材料選擇H13;整個(gè)擠壓過(guò)程的擠壓比 λ =51.1。

1.2 工藝參數(shù)的設(shè)置

圖1 空心鋁型材實(shí)體圖

圖2 分流組合模

圖3 模孔工作帶分布(單位:mm)

坯料和模具的預(yù)熱溫度分別設(shè)置為480℃和450℃;選擇常摩擦因子模型，m=0.33。網(wǎng)格尺寸為1.5mm，為節(jié)省模擬時(shí)間，設(shè)置凸模壓下量為33mm，即擠壓進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后模擬停止。

擠壓速度采用恒定速度模型和線性分布速度模型兩種形式，恒定速度模型分別采用2，4，6，8，10mm/s;針對(duì)較高的恒定擠壓速度8mm/s和10mm/s，采取由高到低的線性分布速度，即12～4mm/s和 15 ～5mm/s[3]。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 擠壓速度對(duì)溫度的影響

在平面分流模及坯料的幾何特征、摩擦狀況、材料和預(yù)熱溫度等條件都一定的情況下，擠壓速度決定了變形材料產(chǎn)生熱量的多少和提供熱交換的時(shí)間，因此擠壓速度就成為影響擠壓件溫度的主要因素。當(dāng)變形體中產(chǎn)生的熱量能夠在足夠的熱交換時(shí)間里傳遞到溫度較低模具以及外環(huán)境時(shí)，就能夠維持?jǐn)D壓件內(nèi)部的溫度恒定，保持?jǐn)D壓件組織的穩(wěn)定。

擠壓速度2mm/s時(shí)隨著擠壓過(guò)程中壓下量的變化，坯料的溫度場(chǎng)分布如圖4所示。可以看出，坯料溫度變化范圍在454.5℃ ～477.2℃，說(shuō)明在此擠壓速度下，塑性變形產(chǎn)生的熱量有足夠的時(shí)間傳遞到溫度較低的模具以及外環(huán)境中去，使得變形材料的溫度從初始的480℃逐漸降低。壓下量為38mm時(shí)，位于?？诠ぷ鲙С隹谔帨囟茸罡?，這是很合理的，因?yàn)榇藚^(qū)域金屬變形最為激烈。

圖4 擠壓過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布

圖5是擠壓速度分別為2，4，6，8，10mm/s時(shí)擠壓件最高溫度隨壓下量的變化曲線，可以看出隨著擠壓速度的上升，擠壓件溫度呈增高趨勢(shì)。擠壓速度為2mm/s和4mm/s時(shí)，擠壓件最高溫度隨著凸模壓下量逐漸降低，說(shuō)明當(dāng)擠壓速度較低時(shí)，塑性變形產(chǎn)生的熱量有足夠的時(shí)間傳遞到溫度較低的模具以及外環(huán)境中;擠壓速度為6mm/s時(shí)，擠壓件的溫度曲線顯得比較平穩(wěn)，說(shuō)明在此速度條件下，產(chǎn)生的熱量與散失的熱量基本相等，保持了擠壓件溫度的穩(wěn)定;當(dāng)擠壓速度為10mm/s時(shí)，溫升達(dá)到9℃，這是由于擠壓速度越快，產(chǎn)生的熱量越多，同時(shí)用于散失熱量的時(shí)間越少，使得擠壓件的溫度逐漸升高，熱量的產(chǎn)生與散失較難達(dá)到平衡，使擠壓件的溫度持續(xù)升高。要想使溫度保持在恒定范圍內(nèi)，則必須降低擠壓速度。降低擠壓速度雖可使擠壓件溫度保持在恒定范圍內(nèi)，但在實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)效率將會(huì)有所降低。

圖5 不同速度下擠壓件最高溫度隨壓下量變化曲線

圖6為取v1=12～4mm/s，v2=8mm/s，v3=15～5mm/s，v4=10mm/s時(shí)擠壓件隨壓下量的變化曲線?？梢钥闯鲈跀D壓速度v1與v3下，壓下量為18mm前擠壓件溫度持續(xù)上升，隨后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，最高溫升分別是6.7℃和8.9℃，這是因?yàn)樵跀D壓的開(kāi)始階段，變形程度較小，用較高的速度擠壓，產(chǎn)生的變形熱大于熱量的散失，溫度逐漸升高并達(dá)到最高值，隨著變形程度增加和擠壓速度的降低，有足夠的時(shí)間使得變形熱的產(chǎn)生和熱量散失之間達(dá)到平衡，擠壓件溫度趨于穩(wěn)定。而使用恒定速度v2和v4擠壓時(shí)，溫度持續(xù)升高，最高溫升分別是8℃和13.5℃，分別高于線性變化的速度v1和v3對(duì)應(yīng)的溫升。說(shuō)明隨著變形程度增加，產(chǎn)生的熱量增加，速度不變，產(chǎn)生的熱量沒(méi)有足夠的時(shí)間散失到模具及環(huán)境中去。如果速度過(guò)大，溫度甚至?xí)^(guò)臨界相變溫度，產(chǎn)生過(guò)燒現(xiàn)象，造成質(zhì)量缺陷[4]。

圖6 不同速度模型下擠壓件溫度隨壓下量的變化曲線

2.2 擠壓速度對(duì)模具載荷的影響

模具承受載荷是其產(chǎn)生開(kāi)裂、磨損等缺陷的原因，載荷越小產(chǎn)生缺陷的可能性越小。

由擠壓過(guò)程模具受力曲線(圖7)可以看出，擠壓力隨著行程的增加而增大，金屬在擠壓過(guò)程中經(jīng)歷以下4個(gè)階段:(1)金屬?gòu)臄D壓筒流入分流孔瞬間擠壓力迅速增加，隨后平穩(wěn)經(jīng)過(guò)分流孔，此時(shí)載荷緩慢增加;(2)金屬?gòu)姆至骺走M(jìn)入焊合室，金屬充滿焊合室有一個(gè)過(guò)程，擠壓力開(kāi)始逐漸升高;(3)當(dāng)金屬充滿焊合室并向工作帶方向流動(dòng)時(shí)是熱擠壓過(guò)程中最為困難的階段，擠壓力會(huì)急劇上升，直到型材擠出工作帶，這時(shí)所需載荷最大;(4)一旦金屬流出工作帶，擠壓就進(jìn)入穩(wěn)定成形階段，在該階段的成形過(guò)程中，由于大量金屬已流出工作帶，其強(qiáng)大的牽附作用使成形變得相對(duì)容易得多，載荷曲線也趨于穩(wěn)定，變化起伏較小。

圖7 空心鋁型材成形過(guò)程的擠壓力－行程圖

圖8表示不同恒定擠壓速度對(duì)模具載荷的影響，模具載荷整體趨勢(shì)是隨著擠壓速度的升高而升高，這是由于高的擠壓速度可使材料的變形抗力變大。但在6mm/s時(shí)模具載荷出現(xiàn)異常，這是由于當(dāng)擠壓速度較高時(shí)，擠壓件溫度升高幅度也較大，而材料溫度升高是使材料變形抗力降低的因素之一。且由圖8可知擠壓速度為2mm/時(shí)，模具承受的載荷比擠壓速度為10mm/s時(shí)的模具載荷降低了4.63%，可見(jiàn)，降低擠壓速度是降低模具承受的載荷、延長(zhǎng)模具壽命的手段之一。

圖8 不同擠壓速度下模具載荷分布曲線

由圖9給出的的模具載荷對(duì)比圖可知，采用呈線性分布的擠壓速度時(shí)，其模具所承受的載荷較于采用相同平均速度的恒定擠壓速度時(shí)明顯降低，兩組降低幅度分別是21.5%和21.1%。由此可見(jiàn)，使用由高到低線性分布的擠壓速度，可有效防止模具磨損和開(kāi)裂，延長(zhǎng)模具使用壽命。

圖9 不同速度曲線下模具載荷對(duì)比圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用Pro/E軟件構(gòu)建了空心鋁型材擠壓模具，并利用MSC Superforge軟件模擬了整個(gè)熱擠壓過(guò)程，探討了不同擠壓速度對(duì)擠壓件溫度和模具載荷的影響。由模擬結(jié)果可知，隨著擠壓速度的增加，擠壓件溫度和模具所受載荷均呈現(xiàn)上升趨勢(shì);采用從高到低線性分布的擠壓速度模型，可有效降低擠壓件溫升和擠壓模具載荷，提高擠壓件質(zhì)量，防止模具磨損和開(kāi)裂，延長(zhǎng)模具壽命。

[1] 潘健怡，周照耀，王堯，等.兩種數(shù)值模擬方法在鋁合金擠壓模具優(yōu)化設(shè)計(jì)中的對(duì)比[J].輕合金加工技術(shù)，2009，37(9):47－51.

[2] 王堯.鋁合金型材分流擠壓過(guò)程的數(shù)值模擬研究[D].廣州:華南理工大學(xué)，2010.

[3] 劉石柏.鋁型材擠壓成型數(shù)值模擬與模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].長(zhǎng)沙:湖南工業(yè)大學(xué)，2012.

[4] 吳向紅，趙國(guó)群，欒貽國(guó)，等.鋁材長(zhǎng)方形空心管擠壓過(guò)程數(shù)值模擬與模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液態(tài)，2006(11):20－23.