鋁合金型材分流模擠壓的工藝參數(shù)研究

夏敏

摘? 要：本次研究當(dāng)中以鋁合金型材為主要分析對象，借助于有限元分析模型了解到在分流模擠壓情況下鋁合金型材數(shù)值發(fā)生的變化情況。同時(shí)還分析了分流模擠壓速度對于型材各項(xiàng)指標(biāo)的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：鋁合金型材;分流模擠壓;工藝參數(shù);有限元分析法

中圖分類號：TG379? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）33-0099-02

Abstract： In this study， aluminum alloy profile is taken as the main analysis object， and with the help of finite element analysis model， the change of aluminum alloy profile value under the condition of split die extrusion is understood. At the same time， the influence of the extrusion speed of the porthole die on the parameters of the profile is also analyzed.

Keywords： aluminum alloy profile; porthole die extrusion; process parameters; finite element analysis method

本次研究中所選擇的是空心鋁型材，分析了其在分流模擠壓過程中工藝參數(shù)的相關(guān)內(nèi)容。著重分析鋁合金型材在分流模擠壓當(dāng)中涉及到的一些數(shù)值情況和變化結(jié)果，了解鋁合金型材在分流模擠壓背景下，工藝參數(shù)的影響和呈現(xiàn)出的規(guī)律。

1 鋁合金型材分流模擠壓具體方法和數(shù)值特點(diǎn)

1.1 擠壓流程

平面分流組合模，簡稱是分流模。分流模是在橋式舌形?；A(chǔ)上逐漸形成與發(fā)展起來的，本質(zhì)上屬于變種，把凸橋進(jìn)行改造，讓其變成平面橋[1]。通常情況下，平面分流模是包含四個部分，分別是連接螺釘、定位銷、上下模。在近些年以來，平面分流組合模得到了十分快速地發(fā)展。被廣泛應(yīng)用在不帶穿孔系統(tǒng)擠壓機(jī)上，主要用于各種規(guī)格和類型的管材和型材生產(chǎn)，常見的類型為交通和建筑空心兩種型材。

鋁型材分流擠壓方法具有比較多的優(yōu)點(diǎn)，主要有：（1）對于一些比較復(fù)雜的空心型材與棺材，如雙孔內(nèi)腔、多孔內(nèi)腔等也能夠同時(shí)生產(chǎn)多根空心制品，所以生產(chǎn)效率整體上也就比較高。（2）實(shí)現(xiàn)連續(xù)擠壓的目標(biāo)，還可以結(jié)合具體的需求，選擇任意長度的制品。（3）讓分流空的形狀、數(shù)目以及形狀得到改變，斷面的形狀比較復(fù)雜，壁厚差也比較大，很難用促流角、工作帶等對空心型材進(jìn)行調(diào)節(jié)。但同時(shí)也有一些缺點(diǎn)：有比較多的焊縫，可能會對制品的性能以及組織產(chǎn)生不良影響。和實(shí)心型材模相比較，有著比較大的變形阻力，擠壓力通常要比舌形模和平面模更高[2]。

1.2 鋁合金型材分流模擠壓工藝參數(shù)分析方法

隨著鋁型材種類的不斷豐富，尤其是我國鐵道交通行業(yè)以及航天航空事業(yè)的發(fā)展，對于大型和特大型鋁型材的需求比較迫切，可以幫助推動改進(jìn)傳統(tǒng)模具方法，讓產(chǎn)品的開發(fā)速度提升，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升，也成為了當(dāng)前鋁型材發(fā)展過程中的迫切需求。當(dāng)前對于鋁型材擠壓過程開展的數(shù)值分析方法，主要有以下幾種，分別是：（1）歐拉描述法，并非是處理單獨(dú)質(zhì)點(diǎn)，而是分析不同主體之間的相關(guān)性，如流體速度、熱力學(xué)等參數(shù)和時(shí)間變化函數(shù)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析。（2）拉格朗日描述分析方法。描述跟蹤流體質(zhì)點(diǎn)，指出隨著時(shí)間和質(zhì)點(diǎn)變化，質(zhì)點(diǎn)物理量也會跟著變化。如速度、壓強(qiáng)等數(shù)據(jù)，可以把這些指標(biāo)納入到拉格朗日坐標(biāo)當(dāng)中。在此種描述方法當(dāng)中，在有限元網(wǎng)格以及材料流動之間并沒有出現(xiàn)明顯的相對運(yùn)動。（3）任意拉格朗日——?dú)W拉描述方法。網(wǎng)格的點(diǎn)可以保持運(yùn)動，也可以是固定不動的狀態(tài)，甚至還能夠在某個方向上開展網(wǎng)格點(diǎn)的固定。當(dāng)網(wǎng)格運(yùn)動速度和物體的運(yùn)動速度之間的速度相同時(shí)，這樣便會拉格朗日描述方法。

2 基于有限元模型分析鋁合金型材分流模擠壓工藝參數(shù)

2.1 設(shè)計(jì)分流模型

在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中所選擇的型材，有兩個空腔，壁厚為2mm到5mm之間，橫截面積為2033.5mm2。所選擇的是空心型材，采用平面分流組合模來進(jìn)行擠壓。上下模厚度分別為160mm和135mm。更好地保障金屬流動均勻性，分流孔設(shè)計(jì)形狀為扇形。設(shè)計(jì)焊接室的目的是確定焊合的深度，若是深度比較深的話，會對型材厚度的均勻程度產(chǎn)生影響。若是焊合室的深度比較淺的話，則會導(dǎo)致焊合的質(zhì)量低下。所以在本次研究當(dāng)中所設(shè)計(jì)的焊合室的深度為30mm。

起始模具二維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)情況，需要采用UG軟件完成具體建模。因?yàn)槎ㄎ簧砸约斑B接螺釘對于最終的結(jié)果影響比較小?？梢宰尯芏噙^程省略，促進(jìn)模型的建模，完成分流模上模以及下模的建造。

2.2 模擬具體數(shù)值

需要在HyperMseh軟件當(dāng)中導(dǎo)入三維模型，針對有限元模型構(gòu)建是在模具內(nèi)流經(jīng)區(qū)域。按照模具具體的模型選擇材料所實(shí)際流經(jīng)的區(qū)域，分別構(gòu)建起不同區(qū)域，包含焊合室以及分流孔等。三維網(wǎng)格有5層，型材三維網(wǎng)格15層。網(wǎng)格的大小，從胚料到型材的過程是不斷變小的過程，數(shù)量由92萬左右，表1為相關(guān)數(shù)值的設(shè)置結(jié)果：

2.3 分析模擬結(jié)果

最終的模擬結(jié)果采用的軟件是Hyperview軟件，能夠得到其他相關(guān)信息，如擠壓力、型材變形情況以及型材溫度和擠壓力等。結(jié)合涉及到的這些具體參數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的型材流速分布上存在著不均勻的情況，最大流速和最小流速之間的差異比較大。型材溫度比較高，變形量比較大，這是因?yàn)樾筒膬蓚?cè)的流速比較大，摩擦力很大，因?yàn)槟Σ辽鸁釋?dǎo)致型材的溫度不斷增加。

3 擠壓速度對于鋁合金型材影響分析

3.1 擠壓速度和溫度相關(guān)性分析

在實(shí)際擠壓的過程當(dāng)中，型材的質(zhì)量會受到擠壓速度的影響。如果擠壓速度比較小的話，對生產(chǎn)效率會產(chǎn)生比較大的影響。而擠壓速度比較大的話，則是會對金屬的流動均勻性產(chǎn)生影響[3]。結(jié)合我們的設(shè)計(jì)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，需要對工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從1mm/s逐漸增加到10mm/s。其他設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)并不發(fā)生改變。最終可以得到關(guān)于材料流速、擠壓力以及型材溫度和型材變形等相關(guān)信息，總結(jié)與分析擠壓速度對于以上提及的這些相關(guān)信息的影響。

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分流模擠壓的速度不斷增加之后，材料的溫度也會隨著不斷增加，但是增加的速度比較緩慢。因?yàn)閿D壓速度不斷增加，加大摩擦力，也會導(dǎo)致型材溫度升高，若擠壓速度的狀態(tài)比較高，模具腔中材料所停留的時(shí)間不短減少，升高溫度，速度會降低。

3.2 擠壓速度和材料變形、速度相關(guān)性分析

從表2中的數(shù)據(jù)能看出，擠壓速度的增加，型材最大形變量和擠壓速度的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在型材兩側(cè)會出現(xiàn)最大流速和最大形變量。當(dāng)擠壓速度不斷增加之后，型材的界面最大流速也會顯著升高。結(jié)合表格當(dāng)中的數(shù)據(jù)還能發(fā)現(xiàn)，增加擠壓速度同時(shí)，最大形變量的變化趨勢為先降低，再增加。在擠壓速度增加之后，型材溫度增長的趨勢比較明顯，讓材料的軟化進(jìn)程加快。型材最大的變形量也會隨之不斷減少。之后因?yàn)榻饘俚淖冃慰沽Σ粩鄿p少，對于金屬材料的流動起到了比較明顯的促進(jìn)作用。

因?yàn)樾筒某隹诮孛娲嬖诓顒e，所以導(dǎo)致速度存在差異，為了更準(zhǔn)確地描述型材流速，需要選擇材料流速速度作為標(biāo)準(zhǔn)[4]。當(dāng)速度均方差不斷增大之后，流速會變得越來越不均勻。反之當(dāng)速度均方差降低的話，流速會越來越均勻。

研究結(jié)果，還可以看出，擠壓速度顯著增加后，增加了型材流速，讓型材流速均勻性降低，所以若是金屬流速比較快的話，會影響到型材流速的均勻性。在流速均勻性降低之后型材會出現(xiàn)彎曲和扭擰情況，改變型材尺寸。沒有辦法達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)，也讓型材力學(xué)性能明顯降低。

3.3 對于擠壓力的影響分析

表3是擠壓速度從1mm/s到10mm/s之間，金屬承受的最大擠壓力和擠壓速度之間呈現(xiàn)出的變化情況。隨著擠壓速度的不斷增加，金屬受到的最大擠壓力也會不斷增加，慢慢變得平穩(wěn)。因?yàn)閿D壓速度的不斷增大，金屬出現(xiàn)的變形速率也隨之顯著增加。由于擠壓速度處于不斷增加狀態(tài)，磨具中金屬停留時(shí)間會更短。溫度在升高后，促進(jìn)金屬流動性。在受到擠壓力之后，進(jìn)入的增長速度會慢慢降低，擠壓力也會處于更加平穩(wěn)的狀態(tài)。

表3 擠壓速度與擠壓力關(guān)系變化結(jié)果

4 結(jié)束語

綜上所述，本次研究中分析了鋁合金型材分流模擠壓當(dāng)中工藝參數(shù)所起到的相關(guān)作用。當(dāng)擠壓速度在1mm/s到10mm/s之間的情況下，型材流速和溫度都會隨著擠壓速度的不斷增加而增大。整體上呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系。

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