鋁合金電磁感應輔助加熱墩粗成形多場耦合分析

顧明光

(1.武漢理工大學 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070)

鋁合金是一種輕質(zhì)合金，在航空、航天、汽車等領域有廣泛應用。工業(yè)生產(chǎn)中，鋁合金零部件多使用熱塑性變形加工，然而，鋁合金在熱塑性成形時有可鍛窗口小、對溫度敏感的特點，坯料冷卻速度快，最終導致成形失敗。在現(xiàn)階段，輔助加熱成形是解決這一問題的有效手段，即在熱成形過程中對坯料進行補償加熱。電磁感應加熱作為一種高效、節(jié)能、易于自動化控制的現(xiàn)代化加熱方法，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中[1-4]。目前，大多數(shù)學者只是把電磁感應加熱用于坯料初始溫度加熱，如使用電磁感應爐加熱等，其特點是只針對坯料進行加熱，加熱過程中坯料不發(fā)生塑性變形。至今為止，還沒有電磁感應加熱與金屬熱塑性成形之間的溫度場實時耦合計算的報道[5-10]。筆者提出了電磁感應輔助加熱墩粗成形多場耦合數(shù)值模擬方法，建立了電-磁-熱-塑性變形多物理場耦合有限元模型，實現(xiàn)了電磁感應加熱與塑性成形實時耦合計算。模擬結(jié)果表明，電磁感應輔助加熱可以有效補償鋁合金坯料在墩粗成形時的表面溫度損失，電磁感應加載的電流強度越大，熱補償效果越明顯。

1　有限元模型建立

鋁合金棒料墩粗是金屬熱塑性變形工藝的一種，是非線性熱-力(熱塑性變形)多場耦合過程，可使用ANSYS/Ls-dyna模塊進行熱-力耦合數(shù)值模擬計算；電磁感應加熱是非線性電-磁-熱多場耦合過程，可使用ANSYS/Multiphysics模塊進行電-磁-熱耦合數(shù)值模擬計算。首先，分別在ANSYS/Ls-dyna和ANSYS Multiphisic中建立完全相同的坯料有限元模型；然后，在ANSYS/Multiphisic進行電磁感應加熱耦合分析，計算出感應熱場，再把電磁感應熱場作為外熱源加載到ANSYS/Ls-dyna對應的坯料單元中，進行熱-塑性變形耦合分析。最后，把在ANSYS/Ls-dyna經(jīng)歷首次墩粗成形計算后的坯料模型數(shù)據(jù)、坯料溫度場數(shù)據(jù)再導入到ANSYS/Metaphysics中，作為下次感應加熱的初始條件繼續(xù)進行電磁感應加熱，循環(huán)整個過程直到整個墩粗過程結(jié)束。如此便在考慮變形產(chǎn)熱的前提下，實現(xiàn)瞬態(tài)電-磁-熱-結(jié)構(gòu)的多物理場實時耦合過程。

有限元模型如圖1所示，使用六面體八節(jié)點單元網(wǎng)格類型對坯料進行掃掠網(wǎng)格劃分?？紤]到電磁感應加熱的集膚效應，對坯料表面進行網(wǎng)格細化。設置上模與下模為剛體，圓柱坯料直徑為80 mm，毛坯高度為65 mm，上下模直徑為120 mm，模具厚度為30 mm。坯料初始溫度為400 ℃，模具預熱溫度為300 ℃，電磁感應加熱電流強度為5 000 A，電流頻率為5 000 Hz，上模以5 mm/s的速度下壓，總壓下量為10 mm，線圈中心位于H/2處，線圈位置保持不動。坯料材料為牌號2219鋁合金，材料參數(shù)如表1所示。

圖1　電磁感應輔助加熱墩粗成形有限元模型

牌號密度/kg/m3彈性模量/GPa泊松比溫度/℃熱傳導率/K/m2/s比熱容/J/kg/K電導率/S/m相對磁導率2219284069.40.33201598310.02711001688310.03912001768800.0613001809640.08140018410900.1141

在ANSYS/Multiphysics中設置遠場磁場邊界電勢為0，材料發(fā)射率為0.11，玻爾茲曼常數(shù)為1.38 × 10-23J/K；在ANSYS/Ls-dyna中模具與坯料之間設置面自動接觸，接觸面熱傳導率為25 W/m2/s，摩擦因數(shù)取0.3，溫度場邊界包括熱輻射，與空氣的熱傳導和熱對流3個熱邊界。

2　模擬結(jié)果分析

2.1　鋁合金電磁感應輔助加熱墩粗成形溫度分布規(guī)律

圖2　墩粗過程坯料溫度分布

圖2(a)為無電磁感應輔助加熱時，鋁合金圓柱坯料墩粗和模具的溫度場分布，云圖對應的模具壓下量分別為2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm。從溫度云圖中可以看出，墩粗過程中坯料心部溫度升高，表面溫度下降。在上模下壓過程中，坯料逐漸被壓成鼓形，坯料發(fā)生塑性變形產(chǎn)熱，導致坯料心部溫度升高，由于鋁合金熱傳導率比較高，傳熱快，心部熱量很快傳遞到坯料表面，通過與模具和空氣的接觸快速散熱，表面溫度快速下降。其中，坯料與模具接觸區(qū)域的圓周部分溫度下降最快，原因是這一區(qū)域的熱損失包括與模具接觸傳熱、與空氣的換熱兩個熱損失過程。最終，坯料與模具接觸的兩端區(qū)域溫度最低，為331.2 ℃。坯料表面中間部分溫度從400 ℃降低至352.7 ℃，溫度下降了47.3 ℃。

圖2(b)為加入電磁感應輔助加熱后，鋁合金圓柱坯料墩粗的溫度云圖。從圖2(b)中可看出，坯料心部溫度，表面溫度都有所提高。坯料在上模作用下被壓成鼓形，坯料從中間部分開始先后通過線圈加熱區(qū)域，坯料表面溫度呈對稱梯度分布，位于感應加熱區(qū)內(nèi)的坯料溫度最高。加入電磁感應加熱后，坯料心部溫度和表面溫度都較加熱前增大。加入感應熱場后，經(jīng)過感應器加熱區(qū)域的表面溫度明顯升高，最終溫度較加熱前提高了37 ℃，可有效補償坯料表面溫度損失。

2.2　電流對鋁合金電磁感應輔助加熱墩粗溫度分布的影響規(guī)律

在保證電磁感應輔助加熱墩粗成形有限元模型其他條件不變前提下，加載強度大小不同的電流，研究了電磁感應加熱電流載荷強度對坯料溫度的影響規(guī)律，如圖3所示。不加感應加熱時，坯料表面溫度很快從400 ℃下降至352.7 ℃。加入感應加熱后，在同樣時間坯料表面溫度下降速度明顯減慢。其中，電流強度越高，坯料表面溫度下降速度越慢，電磁感應輔助加熱對坯料表面的溫度補償效果就越明顯。與感應加熱前相比，當電流強度I=4 000 A時，坯料表面感應加熱區(qū)最終溫度為383.9℃，相比加熱前溫度352.7 ℃提高了31.2 ℃。當電流強度為5 000 A時，坯料表面感應加熱區(qū)最終溫度為389.7 ℃，相比未加熱提高了37 ℃；當電流強度I=6 000 A，坯料表面感應加熱區(qū)最終溫度為392.8 ℃，相比未加熱提高了40.7 ℃。

圖3　坯料表面溫度隨時間的變化

3　結(jié)論

(1)把電磁感應加熱實時加到鋁合金墩粗工藝過程中，建立了電-磁-熱-塑性變形多物理場實時耦合的有限元模型，實現(xiàn)鋁合金電磁感應輔助加熱墩粗成形的數(shù)值模擬計算。

(2)模擬結(jié)果表明，在5 000 A電流強度下，電磁感應輔助加熱可有效對鋁合金棒料表面進行補償加熱，位于加熱區(qū)的表面溫度相比未加熱時提高了37 ℃，有效地降低坯料表面溫度衰減。

(3)感應加熱區(qū)的坯料表面溫度隨著加載電流增強而變大，電流越大，補償加熱效果越明顯。

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