基于有限元分析影響鋁擠壓力的主要因素

徐 鑫，張德偉，米 東，于長(zhǎng)富，李 冰

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化和工業(yè)化進(jìn)程加快，極快的推動(dòng)了各行各業(yè)的發(fā)展。鋁合金擠壓型材的生產(chǎn)技術(shù)在不斷的完善和創(chuàng)新，在民用建筑、工業(yè)、航天、船舶、汽車、電子等領(lǐng)域的使用也越來越廣泛。近年來鋁型材斷面逐步向大型化、復(fù)雜化、高精度等方向發(fā)展[1-2]。隨著鋁型材產(chǎn)品的大型化、復(fù)雜化，鋁型材擠壓過程中的擠壓力需求也越來越大。如何最大化發(fā)揮擠壓機(jī)的擠壓極限，是目前鋁型材擠壓工作者亟待解決的技術(shù)難題。

擠壓力是指在擠壓過程中，通過擠壓桿和擠壓墊作用在金屬坯料上的外力。擠壓力是擠壓過程最重要的參數(shù)之一[3]。擠壓力上限由擠壓機(jī)決定，但可通過優(yōu)化擠壓工藝參數(shù)來降低型材突破所需要的擠壓力，以此最大化發(fā)揮擠壓機(jī)的擠壓能力。鋁擠壓生產(chǎn)中，擠壓力的大小是選擇擠壓機(jī)噸位的決定因素，而影響擠壓力的因素眾多，掌握各因素對(duì)擠壓力的影響程度對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有重要意義。本文以鋁合金管材為例，采用控制變量法，輔以有限元模擬軟件，對(duì)各擠壓參數(shù)對(duì)型材突破所需擠壓力的影響程度進(jìn)行分析。

1 擠壓力計(jì)算簡(jiǎn)式

目前計(jì)算力的公式很多，根據(jù)變形力的計(jì)算方法共有4種，分別為主應(yīng)力法、功平衡法、極值原理法、滑移線法，在生產(chǎn)實(shí)際中，最常用的是主應(yīng)力法。主應(yīng)力法的數(shù)學(xué)演算比較簡(jiǎn)單，由于主應(yīng)力法得到的是解析解，從解的數(shù)學(xué)表達(dá)式中，可以看出各有關(guān)參數(shù)對(duì)求解結(jié)果的影響，因而在金屬塑性成形分析中應(yīng)用非常廣泛[3]。以鋁合金管材為例，省略推導(dǎo)過程，確定擠壓力的一般公式如下：

2 有限元模擬分析

從擠壓力簡(jiǎn)式可以發(fā)現(xiàn)，擠壓力受金屬的變形抗力、型材擠壓速度、鑄錠規(guī)格、擠壓筒直徑、模具工作帶長(zhǎng)度等因素影響。為比較各參數(shù)對(duì)擠壓力的影響程度，本文以外徑Φ56mm、壁厚3mm的鋁合金管材為例，通過有限元方式，比較各組擠壓參數(shù)下的擠壓力大小。管材截面積499.5mm2，斷面周長(zhǎng)333mm，米重1.35kg/m，模具規(guī)格Φ180mm×120mm。

2.1 模型建立

根據(jù)管材斷面設(shè)計(jì)模具圖紙，采用三維繪圖軟件進(jìn)行模具幾何建模及裝配，擠壓模具上下圖如圖1(a)(b)所示。將裝配好的幾何模型導(dǎo)入到有限元分析軟件中，進(jìn)行幾何清理，抽取流動(dòng)實(shí)體，劃分實(shí)體網(wǎng)格，建立擠壓分析有限元模型(圖1(c))。為比較不同參數(shù)對(duì)擠壓力的影響程度，以控制變量為原則，排除個(gè)別影響較小的因素后，選擇8組不同擠壓工藝參數(shù)進(jìn)行模擬，具體工藝如表1所示。

表1 擠壓工藝參數(shù)及模擬結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

以擠壓力為主要輸出項(xiàng)，對(duì)8組不同擠壓工藝參數(shù)分別進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表1最右側(cè)突破壓力欄所示，部分模擬結(jié)果如圖2所示。結(jié)果顯示：

(1)通過第1和第2組模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，突破壓力主要受鑄錠材質(zhì)影響。同等參數(shù)下，采用7075鋁合金(450℃下，應(yīng)變0.01s-1，應(yīng)力約50MPa)擠壓時(shí)所需的突破壓力遠(yuǎn)大于采用6063鋁合金(450℃下，應(yīng)變0.01s-1，應(yīng)力約7MPa)，但通過優(yōu)化合金材質(zhì)來提高擠壓性是無法滿足客戶要求的。

(2)通過第3和第4組模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在合金材質(zhì)不變的情況下，當(dāng)鑄錠溫度從450℃提高到500℃時(shí)，突破壓力由5.706MN降到了5.452MN，這主要是因?yàn)殡S著鑄錠加熱溫度的提高，鑄錠發(fā)生了軟化現(xiàn)象。但通過提高加熱溫度的方式并不能很大程度上減小突破壓力。

(3)通過第4和第5組模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擠壓桿速度從5mm/s降低到1mm/s時(shí)，突破壓力從5.452MN降低到了4.974MN，這是因?yàn)閿D出速度的提高會(huì)造成施加在鑄錠上的載荷變大，從而導(dǎo)致鑄錠的整體變形抗力增大。

(4)通過第4和第6組模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鑄錠長(zhǎng)度由350mm提高到500mm時(shí)，突破壓力從5.452MN提高到了6.046MN，其主要原因也是由于隨著鑄錠長(zhǎng)度的增加擠壓變形抗力隨之增加，但在縮短鑄錠長(zhǎng)度的同時(shí)必須考慮成品定尺長(zhǎng)度對(duì)鑄錠的影響。

(5)通過第4和第7組模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擠壓筒直徑從125mm提高到160mm時(shí)(鑄錠直徑相應(yīng)提高，長(zhǎng)度不變)，突破壓力從5.452MN提高到了8.893MN，這是由于同種斷面產(chǎn)品采用大擠壓筒擠出時(shí)變形程度(擠壓比)變大，導(dǎo)致變形所需的變形抗力隨之變大。在擠壓筒、模具的強(qiáng)度范圍內(nèi)，采用大擠壓機(jī)、小擠壓筒的配置也是降低擠壓力最理想的方式。

(6)通過第4和第8組模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模具工作帶長(zhǎng)度由5mm提高到10mm時(shí)，突破壓力從5.452MN提高到了5.783MN，擠壓力的提高主要是為抵消產(chǎn)品定型過程中產(chǎn)生的摩擦力。

3 結(jié)論

通過模擬結(jié)果可知，在防止鑄錠過燒及型材擠壓質(zhì)量良好的情況下，可以適當(dāng)提高鑄錠預(yù)熱溫度，降低擠壓速度，縮短鑄錠長(zhǎng)度，采用大擠壓機(jī)配小擠壓筒，或適當(dāng)縮短工作帶長(zhǎng)度的方式降低擠壓所需的擠壓力。其中大擠壓機(jī)配小擠壓筒的配置在擠壓硬質(zhì)合金時(shí)可優(yōu)先考慮。