7050鋁合金熱擠壓成形過(guò)程的有限元模擬

許柏華，張 翔，王曉溪

（1.山東山礦技工學(xué)校 理論教研組，山東 濟(jì)寧272100；2.江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州221004；3.徐州工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州221111）

作為工程機(jī)械中最為常見(jiàn)、通用性最強(qiáng)、用量最大的結(jié)構(gòu)類零件，銷軸的使用工況復(fù)雜且對(duì)其力學(xué)性能和安全性要求較高。為了適應(yīng)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)銷軸材料“以鋁代鋼、節(jié)能減排”的目標(biāo)，近年來(lái)逐漸采用輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材［1-2］。7050鋁合金系典型的Al-Si-Mg-Cu系高強(qiáng)變形鋁合金，化學(xué)成分及相組成均較為復(fù)雜。在實(shí)際鑄造生產(chǎn)中，由于受到熔煉條件和變質(zhì)工藝等因素的限制，合金力學(xué)性能的提高幅度十分有限，尤其是塑性相對(duì)較低，不能很好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中銷軸對(duì)合金優(yōu)良綜合性能的要求。因此，常常需要后續(xù)熱擠壓成形來(lái)改善合金組織，提高力學(xué)性能［3-4］。

熱擠壓過(guò)程中，擠壓制品的組織和性能，擠壓模具的受力、磨損和使用壽命等，與變形材料的金屬流變特征、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、變形溫度等參數(shù)密切相關(guān)。因此，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)擠壓工藝設(shè)計(jì)、擠壓變形參數(shù)的選擇提出了更高的要求。計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)，為求解分析塑性成形問(wèn)題提供了可能［5］。通過(guò)模擬金屬材料的變形過(guò)程，可獲得變形過(guò)程中成形材料及模具在任意變形時(shí)刻各質(zhì)點(diǎn)、各方向的熱力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律。然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高強(qiáng)輕質(zhì)鋁合金擠壓方面的研究較少，且多數(shù)局限于冷擠壓變形［6-8］，熱擠壓的工藝制訂和模具設(shè)計(jì)主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，因此不可避免地存在一定的盲目性。

為此，本研究采用有限元模擬仿真技術(shù)，借助DEFORM-3D軟件分析平臺(tái)，對(duì)7050鋁合金銷軸熱擠壓成形過(guò)程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，分析了擠壓載荷、金屬流動(dòng)速率、等效應(yīng)變、等效應(yīng)力和溫度場(chǎng)等參量的變化規(guī)律，以期為7050鋁合金銷軸的改性研究及擠壓模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 有限元模型的建立

利用三維造型軟件UG建立所需的工件和模具幾何模型，模具結(jié)構(gòu)尺寸與三維裝配關(guān)系如圖1（a）所示。擠壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用平模?？诮Y(jié)構(gòu)，以防止坯料表面氧化皮流入成形工件。三維幾何模型裝配完成后，導(dǎo)入有限元分析軟件DEFORM-3D中進(jìn)行數(shù)值模擬，最終建立的有限元分析模型如圖1（b）所示。

圖1 模具結(jié)構(gòu)與三維模型Fig.1 Die structure and 3DFEM model

2 模擬參數(shù)的設(shè)置

采用剛黏塑性熱力耦合有限元模型，不考慮模具變形，將其視為剛體，工件設(shè)為變形體；模具和工件間的摩擦采用剪切摩擦模型，摩擦因數(shù)設(shè)為0.2［5-10］。工件為φ90mm×350mm的圓柱體，通過(guò)用戶自定義輸入建立7050鋁合金的材料模型。模擬用具體參數(shù)：初始工件溫度500℃，初始模具溫度250℃，工件與模具之間傳熱系數(shù)20N／℃·S·mm，摩擦因子0.2，沖頭擠壓速度20 mm／s，凹模工作帶長(zhǎng)度5mm，擠壓比λ3.69℃，工件直徑90mm，凹模工作帶直徑50mm。

采用四節(jié)點(diǎn)四面體等參單元對(duì)工件和模具進(jìn)行離散。考慮擠壓速度與模擬總步長(zhǎng)，并結(jié)合材料變形程度、模擬運(yùn)算效率與計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間等因素，按擠出方向?qū)ぜM(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化［9-10］，設(shè)置3個(gè)等級(jí)的網(wǎng)格劃分區(qū)，即粗化區(qū)、過(guò)渡區(qū)和細(xì)化區(qū)，如圖2所示。其中，粗化區(qū)網(wǎng)格單元尺寸為15mm，過(guò)渡區(qū)網(wǎng)格單元尺寸為5mm，細(xì)化區(qū)網(wǎng)格單元尺寸為2mm。

圖2 工件網(wǎng)格劃分區(qū)域Fig.2 Mesh refinement of billet

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 擠壓變形前后工件宏觀變化

將變形前后工件的宏觀變化情況進(jìn)行比較，如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，工件擠出模具后，由于不再受到凹模的約束，在重力與殘余應(yīng)力的共同作用下，擠出工件略微發(fā)生翹曲。經(jīng)測(cè)量，擠壓后工件長(zhǎng)度約為1 100mm，約為擠出前工件長(zhǎng)度的3.14倍，并未達(dá)到擠壓比λ。這是由于擠壓過(guò)程采用平模?？诮Y(jié)構(gòu)，擠壓終了死區(qū)金屬?zèng)]有完全參與變形過(guò)程所致。

3.2 擠壓變形工件的一般特征

圖4為擠壓變形過(guò)程中某一時(shí)刻工件變形的示意圖。根據(jù)材料在擠壓變形過(guò)程中的流動(dòng)特性，可以將整個(gè)工件的變形分為4個(gè)區(qū)域，即Ⅰ區(qū)：未變形區(qū)，Ⅱ區(qū)：死區(qū)，Ⅲ區(qū)：變形區(qū)，Ⅳ區(qū)：已變形區(qū)。

圖3 擠壓前后工件長(zhǎng)度變化Fig.3 Length of billet before and after extrusion

圖4 工件擠壓變形特征Fig.4 Deformation characteristics of billet

3.3 擠壓載荷變化

圖5 為擠壓變形過(guò)程中的載荷-時(shí)間曲線。根據(jù)載荷曲線的變化趨勢(shì)，可以將整個(gè)擠壓變形過(guò)程分為4個(gè)階段，分別為Ⅰ擠壓填充階段，Ⅱ開(kāi)始擠出階段，Ⅲ穩(wěn)定擠壓階段，Ⅳ擠壓終了階段。

3.3.1 擠壓填充階段

由于工件與擠壓筒之間存在間隙，擠壓開(kāi)始時(shí)，金屬首先向四周間隙自由流動(dòng)，載荷較小，基本維持在170kN附近，金屬在沖頭作用下不斷被鐓粗直至充滿擠壓筒。

3.3.2 開(kāi)始擠出階段

當(dāng)工件材料充滿擠壓筒間隙時(shí)，金屬周向流動(dòng)受到擠壓筒內(nèi)壁約束，材料開(kāi)始從擠壓筒流入凹模?？冢瓿蓴D壓變形后進(jìn)入工作帶。隨著擠壓進(jìn)程的繼續(xù)，被擠入工作帶的材料越來(lái)越多，擠壓載荷迅速增大到峰值。此時(shí)，金屬充滿擠壓筒和凹模?？?，變形逐漸趨于穩(wěn)定。

3.3.3 穩(wěn)定擠壓階段

此階段材料連續(xù)、穩(wěn)定流動(dòng)，工件上同一斷面上的金屬質(zhì)點(diǎn)以一定速度進(jìn)入工作帶后平穩(wěn)流出。由于摩擦較小，材料經(jīng)過(guò)擠壓變形后類似于剛性平移，因此，隨著擠壓筒內(nèi)工件長(zhǎng)度的減小，工件與擠壓筒之間的摩擦力減小，載荷大小基本不變，總體載荷基本平穩(wěn)。

3.3.4 擠壓終了階段

當(dāng)參與擠壓變形的材料長(zhǎng)度達(dá)到工件原長(zhǎng)的90%以后，即進(jìn)入擠壓終了階段。由于該階段材料內(nèi)部變形不均勻，實(shí)際生產(chǎn)中該段材料將作為廢料被切除［11］。

3.4 等效應(yīng)變分布

圖6為不同擠壓變形階段下工件的等效應(yīng)變分布情況。從圖6（a）中可以看出，最初工件近似呈鐓粗狀態(tài)，材料開(kāi)始從擠壓筒流入凹模?？?，在擠壓凹模?？诟浇刃?yīng)變梯度較大，剪切變形較為劇烈。結(jié)合圖6（b）和圖6（c）可以看出，隨著金屬不斷流出，凹模?？谕瓿蓴D壓，材料基本不再發(fā)生變形，類似于剛性平移階段，應(yīng)變量也逐漸趨于穩(wěn)定。由于頭部金屬擠出凹模模口時(shí)，金屬的流動(dòng)速度存在差異，即中心快、四周慢，從而導(dǎo)致工件整體變形不均勻，變形后頭部呈現(xiàn)圓棒狀。從圖6（d）中還可以看出，隨著大部分材料被依次擠出凹模?？冢绤^(qū)金屬也開(kāi)始參與變形，但工件尾部階段等效應(yīng)變分布梯度較大且分布均勻性較差。

圖5 擠壓變形過(guò)程的載荷-時(shí)間曲線Fig.5 Load-time curve during extrusion

圖6 不同擠壓變形階段工件等效應(yīng)變分布圖Fig.6 Effective strain distribution in different deformation stages

3.5 其他相關(guān)場(chǎng)量變化

在穩(wěn)定擠壓變形階段中，選取2個(gè)不同變形時(shí)刻工件的中心縱截面部位進(jìn)行分析研究，觀察變形過(guò)程中材料內(nèi)部其他場(chǎng)量的變化情況。圖7～9分別為不同變形時(shí)刻下，金屬流動(dòng)速率、等效應(yīng)力及溫度場(chǎng)的分布云圖。

從圖7可以看出，金屬質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)呈現(xiàn)出“中心快、四周慢”的變化規(guī)律，并且在凹模模口附近，金屬流動(dòng)速率變化顯著，四周金屬逐漸向凹模?？诟浇鼌R聚，兩邊逐漸形成流動(dòng)死區(qū)，如圖7圓圈所示。這也是后續(xù)擠壓完成后，死區(qū)金屬最終進(jìn)入工件尾部而致使該部分金屬變形不均勻，需要進(jìn)行切除的原因。

從圖8可以看出，金屬在凹模?？诟浇冃巫顬閯×?，等效應(yīng)力梯度最大，在變形死區(qū)部位，金屬等效應(yīng)力達(dá)到最大值。如果該部位模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，在殘余拉應(yīng)力的作用下，擠壓件將會(huì)出現(xiàn)表面裂紋，最終影響制品的表面質(zhì)量和尺寸精度［11-12］。

在擠壓過(guò)程中，溫度是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，如工件的變形抗力、工件與模具之間的摩擦力等都與溫度密切相關(guān)。此外，擠壓件的尺寸精度、微觀組織、表面質(zhì)量、力學(xué)性能和變形過(guò)程中的金屬流動(dòng)等都直接受到溫度的影響。從圖9可以看出，擠壓件在凹模?？谔帨囟茸罡?，溫度梯度最大。這一方面是因?yàn)槌藬D壓筒與工件之間的接觸摩擦產(chǎn)生熱量外，在塑性變形過(guò)程中的變形能將不斷轉(zhuǎn)換成熱能的形式，使得工件局部溫度升高［12］；另一方面，當(dāng)擠壓速度較快時(shí)，由于工件與模具之間來(lái)不及充分熱傳遞，導(dǎo)致工件局部溫升明顯。需要注意的是，在擠壓過(guò)程中，局部溫度分布不均勻，可能使微觀組織不均勻，最終對(duì)其性能產(chǎn)生不利影響。

圖7 金屬流動(dòng)速率分布Fig.7 Distribution of metal flow rate

圖8 工件內(nèi)部等效應(yīng)力分布Fig.8 Distribution of effective strain

圖9 工件內(nèi)部溫度場(chǎng)分布Fig.9 Distribution of temperature field

4 結(jié) 語(yǔ)

銷軸的熱擠壓變形過(guò)程可分為4個(gè)階段，即擠壓填充階段、開(kāi)始擠出階段、穩(wěn)定擠壓階段及終了擠壓階段。

銷軸熱擠壓變形過(guò)程中，其內(nèi)部等效應(yīng)變?cè)诳v向上從頭到尾逐漸增大；在橫向上除了尾部均勻性較差外，其他部位應(yīng)變分布基本一致，即工件內(nèi)部等效應(yīng)變分布橫向均勻性較好。

在擠壓凹模模口處，工件內(nèi)部等效應(yīng)力達(dá)到最大值，該區(qū)附近死區(qū)金屬發(fā)生強(qiáng)烈剪切變形。若模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，擠壓件將產(chǎn)生表面裂紋，影響制件表面質(zhì)量和尺寸精度。此外，在擠壓過(guò)程中，劇烈的塑性變形將導(dǎo)致該區(qū)溫度急劇上升。

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