空心鋁合金型材擠壓成型模擬分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

白云鵬，劉瑞萍，孔 雪，張書豪，叢述玲，李 冰，張德偉

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著科技的飛速發(fā)展，鋁擠壓型材廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1-2]。鋁合金熱擠壓是一包含高溫、高壓、高摩擦和大變形的復(fù)雜非線性成形問題，擠壓過程中伴隨著復(fù)雜的熱傳遞、大變形等交叉耦合現(xiàn)象[3-4]。采用物理實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)有的測(cè)量手段無法了解鋁合金擠壓過程中金屬流動(dòng)和變形規(guī)律。在傳統(tǒng)生產(chǎn)中，擠壓工藝參數(shù)的確定和新模具的開發(fā)需要進(jìn)行反復(fù)試模修模，導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高，生產(chǎn)效率降低。

隨著CAE仿真技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于擠壓模具設(shè)計(jì)和開發(fā)[5-6]。近年來研究較多是通過仿真模擬技術(shù)分析模具受力，確定工作帶長(zhǎng)度，減少模具試模次數(shù)，縮短模具開發(fā)周期。

本文對(duì)某鋁合金十字管擠壓過程進(jìn)行模擬，獲得金屬流動(dòng)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及型材的形變場(chǎng)，研究了其金屬流動(dòng)規(guī)律，預(yù)測(cè)實(shí)際擠壓過程中可能出現(xiàn)的擠壓型材缺陷，獲得金屬試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)難以測(cè)量的物理量，為獲得合格制品提供參考建議。

1 有限元模型的建立

1.1 模具有限元模型

本研究以某鋁合金十字管為研究對(duì)象，模具設(shè)計(jì)如圖1所示。用三維建模軟件建立三維實(shí)體模型，將其導(dǎo)入有限元分析軟件中，抽取流動(dòng)實(shí)體，劃分實(shí)體網(wǎng)格，生成工作帶高低線，建立有限元模型如圖2所示。模型網(wǎng)格總數(shù)為442868個(gè)，型材截面最薄處至少分布5層單元網(wǎng)格，工作帶區(qū)域沿?cái)D壓方向至少分布8層單元網(wǎng)格。工作帶和型材采用三棱柱網(wǎng)格，其它部分采用四面體網(wǎng)格。

圖1 模具設(shè)計(jì)圖Fig.1 Mold design drawing

圖2 有限元分析模型Fig.2 Finite element analysis model

1.2 擠壓材料模型

鋁型材擠壓成型模擬中，通常假設(shè)材料是不可壓縮粘塑性非牛頓流體，本擠壓板材料為6063合金，其材料本構(gòu)模型如下[4]：

(1)

式中，σ為流動(dòng)應(yīng)力，R為氣體常數(shù)，T為溫度，m為應(yīng)力系數(shù)，A為應(yīng)變因子的倒數(shù)，ɑ為應(yīng)力常數(shù)，Q稱為激活能，k0(T)為初始應(yīng)變速率，溫度場(chǎng)的選取決定應(yīng)變速率的大小。

1.3 擠壓工藝參數(shù)

擠壓工藝參數(shù)為，模具溫度480℃～500℃，棒料溫度490℃～510℃，擠壓筒溫度440℃～460℃，制品速度4～6m/min，擠壓系數(shù)28.8；工作帶處設(shè)為庫侖摩擦，摩擦因數(shù)為0.3，其它部位設(shè)為粘性摩擦。模具與棒料的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為3000 W/(m2·K)。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 擠壓變形模擬結(jié)果

圖3為擠壓型材各處金屬速度場(chǎng)，(a)～(c)分別對(duì)應(yīng)著分流孔供料流速、焊合室供料流速和型材出口流速。

圖3 擠壓型材各處速度場(chǎng)Fig.3 Speed field of extrusion profiles in each part

由圖3(a)可見，4個(gè)分流孔流速不均勻，1號(hào)分流孔流速相對(duì)較慢，2號(hào)分流孔流速相對(duì)較快，這與分流孔大小及其他模具設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，可以通過調(diào)節(jié)分流孔形狀和大小使分流孔處供料更加均勻。由圖3(b)和3(c)可見，焊合室供料速度和型材出口流速趨勢(shì)一致，型材出口截面速度大小不均，2號(hào)分流孔對(duì)應(yīng)位置型材出口速度較快，中間十字交叉部位流速較快，這與分流孔供料流速以及中間交叉處工作帶高度較低有關(guān)。工作帶高度較低，摩擦阻力減小，流速相對(duì)較快。型材出口截面流速大小不均，導(dǎo)致擠出型材容易發(fā)生彎曲扭擰等缺陷。

圖4為擠壓型材變形圖，由圖中可見，流速較快部位對(duì)應(yīng)型材變形較大，圖4中A、B、C三處型材變形較大，與型材流速分布結(jié)果相一致。從型材的流速圖和變形圖可以提前判斷擠壓型材可能出現(xiàn)的缺陷。由于A處型材出口流速最快，導(dǎo)致A處一側(cè)型材流動(dòng)快，型材容易出現(xiàn)彎曲扭擰缺陷。

2.2 擠壓溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

圖5為擠壓過程溫度場(chǎng)分布，可見棒料擠壓過程中表面溫升不明顯，甚至有些位置溫度有所降低。這是由于棒料沿?cái)D壓軸向擠壓時(shí)，棒料和擠壓筒和模具發(fā)生劇烈剪切摩擦，內(nèi)腔由于摩擦作用產(chǎn)生熱量，但是模具溫度低于棒料預(yù)熱溫度，所以棒料與模具之間發(fā)生熱傳遞使得棒料溫度先升高后降低。對(duì)于型材出口部位，溫度分布較均勻，溫度明顯升高，這是由于擠壓過程中金屬流過工作帶時(shí)，發(fā)生較大變形，并與工作帶發(fā)生劇烈摩擦，產(chǎn)生塑性變形熱，從而使出口型材溫度升高。

圖4 擠壓型材變形場(chǎng)Fig.4 Deformation field of extrusion profile

圖5 擠壓型材溫度場(chǎng)Fig.5 Temperature field of extrusion profile

2.3 擠壓驗(yàn)證

圖6為擠壓實(shí)驗(yàn)所得型材照片。型材出口變形較大位置與模擬結(jié)果相吻合，型材試模料頭發(fā)生彎曲。參考模擬結(jié)果，建議對(duì)模具工作帶高度進(jìn)行優(yōu)化，使型材出口部位流動(dòng)更加均勻，減少彎曲扭擰等缺陷的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

(1)通過穩(wěn)態(tài)擠壓模擬了十字管擠壓過程，分析了擠壓過程中制品可能出現(xiàn)的變形缺陷，并與車間生產(chǎn)試模料頭進(jìn)行了比較，變形趨勢(shì)非常吻合；

圖6 擠壓實(shí)驗(yàn)所得型材Fig.6 Profiles extrusion experiment

(2)型材流動(dòng)較快部位如A、B、C處，可以適當(dāng)增加工作帶高度，增加阻流塊設(shè)計(jì)來增加流動(dòng)阻力，或減少供料量來減緩流動(dòng)，從而使型材出口金屬流量趨于均勻，減少彎曲、扭擰等缺陷的產(chǎn)生。