基于Deform-3D鋁棒材熱擠壓速度的優(yōu)化

甘 純，劉 旭，張 超

（四川希望汽車(chē)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，四川 資陽(yáng) 641300）

基于Deform-3D鋁棒材熱擠壓速度的優(yōu)化

甘 純，劉 旭，張 超

（四川希望汽車(chē)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，四川 資陽(yáng) 641300）

借助UG三維軟件建立了鋁合金棒料擠壓模型，利用Deform-3D數(shù)值模擬軟件對(duì)棒材在一定預(yù)熱溫度下以不同的擠壓速度進(jìn)行熱力耦合擠壓過(guò)程的數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在工作帶成形的工件軸向平直、端面平整，沒(méi)有發(fā)生波浪、扭曲等缺陷，證明該套模具設(shè)計(jì)合理；在480℃預(yù)熱溫度下，擠壓速度為10mm/s是一個(gè)合理的參數(shù)，得到的工件損傷最小，內(nèi)部變形均勻。

鋁合金棒材；熱擠壓成形；Deform3D；擠壓速度；數(shù)值模擬

模具中金屬成形過(guò)程是其在下模中的流動(dòng)過(guò)程，采用試驗(yàn)方法測(cè)試其金屬塑性變形不僅困難，而且耗時(shí)、耗力、耗材。隨著現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)塑性成形工藝分析和下模設(shè)計(jì)要求的提高，數(shù)值仿真技術(shù)在這一領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，鋁型材擠壓過(guò)程的數(shù)值模擬研究大多使用有限元法，通過(guò)在計(jì)算機(jī)上模擬整個(gè)擠壓成形過(guò)程，研究金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、流變特性等參數(shù)變化規(guī)律，及早發(fā)現(xiàn)擠壓制品中的折疊、充填不滿、變形不合等缺陷，為成形工藝的制定和下模的設(shè)計(jì)提供科學(xué)根據(jù)，對(duì)提高金屬制品的組織和性能具有重要意義[1，2]。本文借助UG三維軟件建立了鋁合金棒料擠壓模型，并采用Deform-3D軟件對(duì)鋁棒材的熱擠壓過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了在不同擠壓速度下金屬材料流動(dòng)均勻性、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)、破壞系數(shù)等的變化規(guī)律。

1 建立模型及設(shè)定模擬參數(shù)

1.1 擠壓模型的建立

圖1為鋁棒料?96×50毛坯擠壓過(guò)程示意圖，圓柱鋁棒料毛坯首先在擠壓墊的作用下從擠壓筒進(jìn)入半錐角為45°的錐模，然后經(jīng)過(guò)錐模的工作帶形成?48的圓柱型棒材。

1.2 熱力耦合數(shù)學(xué)模型的建立

圖1 鋁棒擠壓過(guò)程示意圖

為了便于計(jì)算，忽略金屬塑性成型過(guò)程中彈性形變的影響，針對(duì)理想的剛塑性材料模型作以下基本假設(shè)[3]：①材料均勻且各向同性；②材料成形過(guò)程中體積不變，并忽略體積力與慣性力作用；③無(wú)加工硬化；④金屬流動(dòng)服從列維-米塞斯法則。

基于以上假設(shè)，結(jié)合流動(dòng)理論及有限元變分原理[4，5]，推導(dǎo)出穩(wěn)定溫度場(chǎng)擠壓成形的熱傳導(dǎo)方程為：

式中：Kx，Ky、Kz——分別表示不同方向的導(dǎo)熱系數(shù)；

T——表示穩(wěn)態(tài)溫度，T=T（x，y，z）。

由式（1）可進(jìn)一步得到非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的有限元方程表達(dá)式：

式中：[Cr]、[Gr]——分別表示總體熱熔矩和熱傳導(dǎo)矩；

[Qr]——表示熱通量向量。

再由塑性變形基本方程和邊界條件可以得到熱力耦合應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型基本表達(dá)式為：

式中：[G]、{l}——分別表示剛度矩陣和位移矢量。

1.3 材料參數(shù)和網(wǎng)格劃分

棒料選擇6061鋁合金，下模具、擠壓墊、擠壓筒材料均為DIN-D5-1U，其具有良好的強(qiáng)韌性。對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。工作帶和型材自由面靠近?？谔幍陌袅献冃瘟看?，容易造成網(wǎng)格畸變，此處棒料網(wǎng)格需要局部細(xì)化，網(wǎng)格總共劃分為24000，而擠壓墊、擠壓筒、下模依次為 10000、18000、32000。然后，調(diào)入Deform劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示。

圖2 鋁棒擠壓有限元模型

1.4 模擬參數(shù)的設(shè)定

棒料假設(shè)為塑性，初始溫度設(shè)為480℃。擠壓墊、擠壓筒、下模假設(shè)為剛性，初始溫度設(shè)為450℃，在有限元模型-Z方向設(shè)定擠壓墊的擠壓速度，并選取5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s 四種擠壓速度擠壓墊與棒料之間、棒料與擠壓筒之間、下模與工件之間的摩擦類(lèi)型采用塑性剪切摩擦模型來(lái)描述[6]，摩擦系數(shù)為0.3，且這些對(duì)象熱傳導(dǎo)系數(shù)采用5w/（m·℃）。本次模擬的最小網(wǎng)格尺寸為1.87[7]。為了得到?48的工件，設(shè)置擠壓墊行程為48mm，總步數(shù)為80。

2 模擬結(jié)果和分析

2.1 材料的流動(dòng)

圖3為棒料流速矢量圖，在四種擠壓速度下，鋁棒料由錐形型腔擠出，在工作帶成形的工件軸向平直、端面平整，沒(méi)有發(fā)生波浪、扭曲等缺陷，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的?？住⒐ぷ鲙чL(zhǎng)度等是合理的。棒料錐形側(cè)面有小的鼓形，發(fā)生鐓粗過(guò)程，這是由于棒料初始直徑比擠壓筒略小所造成的。

2.2 擠壓速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響

圖3 流速矢量圖

圖4 工件出口溫度隨擠壓速度變化曲線

圖4為工件出口的溫度隨擠壓速度的變化曲線。在一定預(yù)熱溫度下，工件出口溫度隨擠壓速度的增大而升高。這是因?yàn)閿D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)間短，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。降低擠壓速度是使擠壓件內(nèi)部溫度保持在恒定范圍內(nèi)的有效手段。但在實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)效率會(huì)降低。

2.3 擠壓速度對(duì)等效應(yīng)變的影響

圖5為工件最大等效應(yīng)變隨擠壓速度的變化曲線。隨著擠壓速度的增加，工件最大等效應(yīng)變呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。因?yàn)閿D壓速度增加，工件的變形程度增加，變形速度加快。

圖5 工件最大等效應(yīng)變隨擠壓速度變化曲線

2.4 擠壓速度對(duì)等效應(yīng)力的影響

圖6為工件最大等效應(yīng)力隨擠壓速度的變化曲線。擠壓速度為5～10mm/s時(shí)，工件最大等效應(yīng)力隨擠壓速度的增大而逐漸減小；擠壓速度在10～20mm/s范圍內(nèi)，最大等效應(yīng)力稍有增加。因?yàn)殡S著擠壓速度的增大，坯料溫度升高，增強(qiáng)了材料的塑性變形能力，擠壓過(guò)程中的流變應(yīng)力減小；擠壓速度過(guò)大時(shí)，摩擦力的增加起主要作用，使得金屬變形變得困難。

圖6 工件最大等效應(yīng)力隨擠壓速度變化曲線

2.5 擠壓速度對(duì)損傷系數(shù)的影響

圖7 工件最大損傷系數(shù)隨擠壓速度變化曲線

圖7為工件最大損傷系數(shù)隨擠壓速度的變化曲線。擠壓速度5～10mm/s時(shí)，最大損傷值隨擠壓速度的增大而逐漸減?。粩D壓速度在10～20mm/s范圍內(nèi)，最大損傷值增加比較明顯；擠壓速度為10mm/s時(shí)，工件具有最小的損傷系數(shù)1.86。這是因?yàn)殡S著擠壓速度的增大，坯料溫度升高，增強(qiáng)了材料的塑性變形能力；而且擠壓速度增大有利于提高模具對(duì)坯料三向壓應(yīng)力的效果，所以降低了最大損傷值；但擠壓速度過(guò)大時(shí)，摩擦力增長(zhǎng)迅速，使得損傷值增大。所以，在鋁合金棒料擠壓過(guò)程中，擠壓速度不能太大，也不能太小，這樣才可以兼顧生產(chǎn)效率的同時(shí)降低工件產(chǎn)生裂紋的可能性。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)鋁棒變形過(guò)程中的流動(dòng)性、溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、損傷系數(shù)和成形載荷的分析結(jié)果，檢驗(yàn)了該套模具設(shè)置的合理性。

（2）在一定預(yù)熱溫度下，由鋁棒料在不同擠壓速度成形時(shí)的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和損傷系數(shù)變化規(guī)律的分析結(jié)果可知，擠壓速度為10mm/s是一個(gè)合理的擠壓參數(shù)，得到的工件損傷最小，內(nèi)部變形均勻。

[1]田 笑，張清萍，吳 磊，等.基于ANSYS的制粒機(jī)?？讌?shù)分析及優(yōu)化[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2016，51（5）：74-78.

[2]吳向紅，趙國(guó)群，馬新武，等.模具錐角對(duì)鋁材擠壓過(guò)程影響規(guī)律的研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，40（5）：75-78.

[3]陳彪彪.鋁型材擠壓的數(shù)值模擬及工藝研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2012.

[4]喻俊荃，趙國(guó)群，張存生.阻流塊對(duì)薄壁空心鋁型材擠壓過(guò)程材料流速的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48（16）：52-58.

[5]唐志強(qiáng).鋁型材擠壓模具的開(kāi)裂失效分析及其研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2010.

[6]劉 陶，龍思遠(yuǎn).基于DEFORM-3D的鋁合金簡(jiǎn)形件旋壓成形過(guò)程數(shù)值模擬[J].特種鑄造及有色合金，2010，30（6）：508-510.

[7]胡建軍，李小平.DEFORM-3D塑性成形CAE應(yīng)用教程 [M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.

Optimization of hot extrusion velocity for aluminum alloy bar based on Deform-3D

GAN Chun,LIU Xu,ZHANG Chao
（Department of Mechanical and Electrical Engineering,Sichuan Hope Automotive Vocational College,Ziyang 641300,Sichuan China）

The extrusion model for aluminum alloy bar has been established by the aids of UG three-dimensional software.The numerical simulation of thermal-mechanical coupling extrusion process for the bar at a certain preheating temperature in different extrusion speed has been conducted by use of the Deform-3D numerical simulation software.The results show that the workpiece in the working belt has straight axial direction and flat surface without deflects like waving and twisting,which demonstrates that the tool design is reasonable.Under the 480℃preheating temperature,10 mm/s extrusion speed is a reasonable parameter.Thusin this way,the damage of obtained workpiece is minimum and the internal deformation is uniform.

Aluminum alloy bar;Hot extrusion molding;Deform-3D;Extrusion speed;Numerical simulation

TG376.2

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.022

1672-0121（2017）04-0075-03

2017-03-12；

2017-05-09

甘 純（1990-），男，助理講師，從事模具設(shè)計(jì)與制造教學(xué)研究。E-mail：m18381408090@163.com