鋁合金無縫管擠壓成形過程的數(shù)值模擬與分析

張 焱,梁 淇,肖朝陽,鄭森琳,唐 宇

(湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

0 引言

擠壓是指裝入擠壓筒內(nèi)的金屬錠坯在擠壓軸的強(qiáng)推力作用下,在擠壓筒內(nèi)產(chǎn)生塑性變形,從擠壓筒一側(cè)特定的模孔中以一定速度流出,從而獲得特定形狀、結(jié)構(gòu)和精度的金屬制品的加工方法.在鋁型材的生產(chǎn)加工過程中,擠壓加工相比于其他加工方法(鍛造、軋制、拉拔等),具有金屬變形能力高、可生產(chǎn)產(chǎn)品范圍廣、生產(chǎn)靈活性大、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)[1].

7075 鋁合金無縫管是廣泛應(yīng)用于航空航天和高級民用領(lǐng)域的高強(qiáng)度管材,但由于7075 鋁合金變形抗力大,加工難度高,加工過程中易產(chǎn)生組織及成形缺陷,因此研究其塑性加工過程中相關(guān)工藝參數(shù)對塑性變形的影響很有必要[2].鋁合金無縫管擠壓過程是一個(gè)大型的熱力耦合復(fù)雜變形過程,難以進(jìn)行相關(guān)材料力學(xué)理論研究和塑性力學(xué)理論研究[3].利用金屬塑性成形有限元分析軟件DEFORM-3D,可有效模擬3D金屬材料流動(dòng),深入分析7075 鋁合金擠壓變形過程中工件之間相互接觸情況和熱傳導(dǎo)擴(kuò)散情況,探究影響7075 鋁合金變形情況的相關(guān)參數(shù),根據(jù)模擬擠壓產(chǎn)品的表面質(zhì)量、殘余應(yīng)力、晶粒尺度和應(yīng)力應(yīng)變等相關(guān)參數(shù),優(yōu)化7075 鋁合金無縫管擠壓的工藝技術(shù)路線,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,作為指導(dǎo)實(shí)踐的依據(jù).

1 有限元建模

1.1 三維模型創(chuàng)建

擠壓模型是根據(jù)現(xiàn)有的12.5 t 雙動(dòng)反向擠壓機(jī)相關(guān)參數(shù)建立的,為了便于接觸單元生產(chǎn),模擬過程直接從擠壓成型過程開始模擬[4].根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)及模具圖紙利用三維建模軟件SolidWorks 分別創(chuàng)建擠壓筒、擠壓模具、穿孔針的三維實(shí)體模型,并在SolidWorks 軟件上進(jìn)行裝配后導(dǎo)出為stl 格式文件,再導(dǎo)入到DEFORM V6.1 中用于擠壓模擬.擠壓三維模型相關(guān)參數(shù)見表1.

表1 無縫管擠壓三維模型相關(guān)參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

將利用SolidWorks 畫好的擠壓錠坯及工件導(dǎo)入到DEFORM V6.1,并進(jìn)行工件間位置設(shè)定后,對該反向模擬擠壓模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.根據(jù)錠坯形狀和大小,采用DEFORM V6.1 中的網(wǎng)格相對劃分方法,將鋁合金錠坯劃分為70000 個(gè)網(wǎng)格,其他參數(shù)使用DEFORM V6.1的缺省值,即單元表面曲率設(shè)為0.5,應(yīng)變分布、溫度分布和應(yīng)變率分布均設(shè)置為0.25.對于不發(fā)生塑性變形的其他剛體工模具,采用DEFORM V 6.1中的相對劃分方式,設(shè)置穿孔針單元數(shù)為10000,擠壓筒單元數(shù)為8000,擠壓外模單元數(shù)為10000.

1.3 擠壓參數(shù)的設(shè)置

實(shí)際擠壓過程可分為三個(gè)過程進(jìn)行,分別為:鑄錠在擠壓軸作用下在擠壓筒內(nèi)進(jìn)行墩粗;穿孔針在擠壓筒內(nèi)穿孔;擠壓成型.模擬過程從擠壓成型開始.鋁錠坯采用熱-塑性材料7075 鋁合金,穿孔針和擠壓模具等工模具采用熱-剛性材料H13 鋼.設(shè)定擠壓模擬參數(shù)見表2.

表2 無縫管擠壓模擬參數(shù)設(shè)置

2 數(shù)值模擬分析

2.1 溫度對擠壓成型的影響

2.1.1 溫度對擠壓力的影響圖1 為7075 鋁合金無縫管在擠壓速度為5 mm/s、6 mm/s、7 mm/s、8 mm/s 時(shí)的的載荷-行程曲線.由圖1 可知,當(dāng)擠壓速度為5 mm/s 時(shí),金屬擠壓溫度從400 ℃升高到450 ℃,擠壓力下降約1 t,金屬擠壓溫度由450 ℃升高500 ℃,擠壓力下降約0.7 t.在擠壓速度一定的情況下,擠壓溫度升高,擠壓力降低.這是因?yàn)殡S著擠壓溫度的升高,7075 鋁合金滑移系增多,金屬變形抗力降低,擠壓過程中動(dòng)態(tài)軟化作用明顯,加工過程中的硬化現(xiàn)象更容易被動(dòng)態(tài)軟化作用所抵消.但是由于金屬的變形抗力并不隨溫度升高線性減小,故擠壓力不隨擠壓溫度的升高而線性降低.

圖1 不同擠壓速度行程-載荷曲線

當(dāng)擠壓速度為5mm/s時(shí),擠壓溫度由400℃升高50℃時(shí),擠壓力約減小1t;當(dāng)擠壓速度為6mm/s時(shí),擠壓溫度由400℃升高50℃,擠壓力約減小1.2 t;當(dāng)擠壓速度為7mm/s 時(shí),擠壓溫度由400℃升高50℃,擠壓力約減小1.4t;當(dāng)擠壓速度為8 mm/s時(shí),擠壓溫度由400℃升高50℃,擠壓力約減小1.5t.這說明,擠壓速度不同時(shí),溫度對擠壓力的影響不同,擠壓速度較高時(shí),擠壓溫度的變化對擠壓力大小的影響較大.擠壓速度也是通過影響金屬變形抗力的大小對擠壓力大小產(chǎn)生影響.擠壓速度越高,金屬變形速率相應(yīng)越高,金屬硬化效應(yīng)顯著,導(dǎo)致擠壓力升高[5].另外在鋁合金熱擠壓過程中,存在動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程,金屬變形過程中的加工硬化會被動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化,當(dāng)擠壓速度較快時(shí),再結(jié)晶過程來不及發(fā)生,動(dòng)態(tài)軟化來不及進(jìn)行,將導(dǎo)致金屬變形抗力增加,擠壓力上升.

2.1.2 溫度對內(nèi)部溫度場的影響

圖2 為擠壓行程為12mm、擠壓速度為5mm/s時(shí),不同擠壓溫度下鋁合金管材內(nèi)部的溫度分布.

由圖2可知,不同擠壓溫度下,管材溫度場分布基本相同.擠壓過程中,沿管材擠出方向,溫度逐漸升高,在出?？滋幱捎谂c模具之間的熱交換以及前面擠出?？椎墓懿膸ё叽罅康臒?溫度趨于穩(wěn)定.擠壓管材內(nèi)部溫度橫向分布不均勻,因?yàn)楣懿呐c擠壓筒及模具之間存在熱交換作用,擠壓過程中靠近擠壓筒和擠壓模具位置的溫度較低.由圖2 可知,隨著擠壓溫度的增高,擠出管材各部位溫度都增高.擠壓溫度為400 ℃時(shí),擠出管材溫度范圍為360 ℃～402℃,擠壓溫度為450 ℃時(shí),擠出管材溫度范圍為370 ℃～ 414 ℃,擠壓溫度為500 ℃時(shí),擠出管材溫度范圍約為410℃～ 429℃.在擠壓過程中,?？滋幗饘僮冃瘟枯^大,產(chǎn)生的塑性變形熱最多,導(dǎo)致擠出管材在?？滋帨囟容^高且溫升較大.對于7000系高強(qiáng)度鋁合金而言,出?？诇囟冗^高,制品的抗應(yīng)力腐蝕性能會大幅度下降,另外,溫度是影響變形金屬動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的重要因素之一,因此合理控制金屬出模孔溫度,使晶粒組織細(xì)化,避免大范圍地發(fā)生晶粒長大現(xiàn)象,是獲得高性能擠壓組織無縫管的有效方法之一[6].同時(shí),金屬出?？讜r(shí)的溫度沿長度方向變化較大,也會造成其組織性能沿長度方向發(fā)生變化,性能不均[7].

圖2 不同擠壓溫度下管材溫度場分布

2.1.3 溫度對應(yīng)力分布的影響

擠壓行程為12mm,擠壓速度為5mm/s時(shí),不同擠壓溫度下鋁合金管材內(nèi)部的等效應(yīng)力分布如圖3所示.

圖3 不同擠壓溫度下等效應(yīng)力分布

由圖3可知,隨著擠壓溫度的升高,擠壓筒內(nèi)部未發(fā)生大變形區(qū)域金屬等效應(yīng)力降低,靠近?？滋帞D壓大變形區(qū)域體積增大,最大等效應(yīng)力升高.隨著擠壓溫度升高,金屬變形抗力降低,塑性增強(qiáng),金屬流動(dòng)性增強(qiáng),應(yīng)力易于在大范圍內(nèi)傳遞,在應(yīng)力圖中表現(xiàn)為變形區(qū)體積增大.同時(shí)注意到擠壓管材在靠近模具出口處,由于擠壓筒和模具與坯料之間的摩擦作用阻礙了金屬流動(dòng),靠近模孔處金屬表面層流速低于中間部位金屬的流速,表面層受到附加拉應(yīng)力,而且越靠近?？滋幋死瓚?yīng)力的值越大.隨著擠壓溫度的升高,金屬變形抗力降低,中間部位金屬流速增大,而靠近?？滋幗饘儆捎跍囟壬呖赡軙c模具產(chǎn)生黏合作用,從而導(dǎo)致摩擦力增大,靠近?？滋幗饘偈艿降母郊永瓚?yīng)力也相應(yīng)增大,拉應(yīng)力區(qū)域同時(shí)增大.生產(chǎn)過程中應(yīng)注意如果該位置拉應(yīng)力大于7075鋁合金的抗拉強(qiáng)度,擠壓出的管材制品表面就會產(chǎn)生向內(nèi)擴(kuò)展的裂紋.除了金屬流動(dòng)的不均勻性,影響管材裂紋的另一重要因素是溫度,管材出?？讜r(shí)溫度過高,強(qiáng)度降低,就很容易滿足金屬拉裂的條件,所以選擇合理的擠壓溫度-速度規(guī)程從而控制管材出模孔溫度是防止管材拉裂的重要方法之一.

2.2 速度對擠壓成型的影響

2.2.1 速度對內(nèi)部溫度場的影響

擠壓溫度為450 ℃,擠壓速度分別為5mm/s、6mm/s、7mm/s、8mm/s時(shí),鋁合金內(nèi)部溫度場如圖4所示.

圖4 不同擠壓速度對擠壓過程溫升的影響

選取擠壓進(jìn)程為12mm 時(shí),擠壓管材上的30 個(gè)點(diǎn)如圖4(a)所示,利用點(diǎn)追蹤獲得不同擠壓速度下各點(diǎn)溫度情況如圖4(b)所示,橫坐標(biāo)為各點(diǎn)在擠壓方向上距第一個(gè)點(diǎn)的距離.不難看出,擠壓溫度為400℃時(shí),不同擠壓速度下擠壓管材內(nèi)部溫度場分布情況基本相同,靠近模具和擠壓筒的位置因熱交換作用,溫度較低,擠壓管材靠近?？滋幱捎诎l(fā)生大變形,大量的變形功轉(zhuǎn)化為熱量,導(dǎo)致模具口處金屬溫度較高.隨著擠壓速度的增加,擠出管材最高溫度升高,一方面是因?yàn)閿D壓速度增加,金屬變形速率增加,相應(yīng)的變形熱增大;另一方面,擠壓速度增加,在擠壓進(jìn)程相同的情況下,所用的時(shí)間越短,熱量來不及傳導(dǎo),金屬管材溫升嚴(yán)重.由圖4(b)可知,擠壓速度與管材內(nèi)部溫升的關(guān)系并不是線性的,擠壓速度越快,溫升效應(yīng)越明顯.一般來說這種溫升效應(yīng)對擠壓管材的組織性能是有害的,溫升過高會導(dǎo)致金屬變形過程中晶粒長大;同時(shí)擠壓管材內(nèi)部溫度不均勻會造成管材各部分產(chǎn)生不同程度的溫升變形,容易造成微裂紋,影響擠壓管材的力學(xué)性能.對于7075這樣的高硬度高強(qiáng)度鋁合金而言,擠壓需要較高的擠壓溫度,如果再選擇較快的擠壓速度,擠壓管材出?？椎臏囟瓤赡軙仙浇咏鼣D壓溫度的固相線溫度,從而造成制品表面粗糙、擦傷、裂紋等缺陷,導(dǎo)致組織性能惡化.針對這個(gè)問題,目前有人提出采用擠壓速度分段遞減的擠壓工藝來實(shí)現(xiàn)大型無縫管的反向等溫?cái)D壓,并采用優(yōu)化后的擠壓速度曲線進(jìn)行數(shù)值模擬,提出了反向等溫?cái)D壓技術(shù)路線,此技術(shù)路線切實(shí)可行[8].

2.2.2 擠壓速度對應(yīng)變分布的影響

擠壓溫度為400 ℃,擠壓速度分別為5mm/s、6mm/s、7mm/s、8mm/s時(shí),鋁合金內(nèi)部的應(yīng)變場如圖5所示.

圖5 不同擠壓速度下應(yīng)變分布

由圖5可知,擠出管材應(yīng)變分布不均勻,管材橫截面上,表面等效應(yīng)變較高,內(nèi)部等效應(yīng)變較低;沿制品長度方向,頭部應(yīng)變較小,尾部應(yīng)變較大.這是因?yàn)楸韺咏饘僭诠懿某尚芜^程中,與模具和穿孔針之間的摩擦作用較大,產(chǎn)生了附加的剪切變形,晶粒變形較大,而中心層金屬流動(dòng)曲線相對較為平穩(wěn),未發(fā)生大的剪切變形,晶粒變形量較小.管材內(nèi)部由于受到穿孔針的摩擦作用,同樣產(chǎn)生了剪切變形,部分管材內(nèi)表面變形程度甚至大于管材外表面.實(shí)際生產(chǎn)中若要獲得組織性能優(yōu)良的高精度7075 鋁合金無縫管,應(yīng)考慮潤滑穿孔針擠壓或調(diào)整穿孔針外形結(jié)構(gòu).擠壓過程的主變形為兩向壓縮一向拉伸,由圖5可知,金屬纖維朝著擠壓方向取向,擠壓制品縱向性能相對較好.隨著擠壓速度的增加,等效應(yīng)變分布越來越不均勻,擠壓出的管材組織和性能也越來越不均勻.

2.2.3 擠壓速度對模具應(yīng)力的影響

圖6 為不同擠壓速度下擠壓模受力情況.利用插值法,將擠壓模擬過程中坯料的受力通過反向插值的方法插入到擠壓模的節(jié)點(diǎn)上,重新建立模型,加入模支承分析模具的應(yīng)力.由于利用反向插值法求模具應(yīng)力一次只能求得擠壓模擬過程中一步的受力,故一般選取無縫管擠壓過程中模具受力最大的一步,進(jìn)行模具受力分析.

圖6 不同擠壓速度下擠壓模受力情況

圖6(a)是擠壓溫度為450 ℃時(shí),不同擠壓速度下,擠壓過程中模具在擠壓方向的受力與擠壓速度的關(guān)系曲線.當(dāng)擠壓溫度為450 ℃時(shí),隨著擠壓速度的增加,模具沿?cái)D壓方向的受力隨之增加,擠壓速度為8 mm/s 時(shí),模具在擠壓過程中受到的沖擊力最大.比較穩(wěn)定生產(chǎn)過程中不同速度下模具受力情況可發(fā)現(xiàn),擠壓溫度為450 ℃時(shí),在5 mm/s～8 mm/s的速度區(qū)間內(nèi),擠壓速度對7075 鋁合金無縫管穩(wěn)定擠壓過程中模具受力的影響不大.圖6(b)為擠壓溫度為450 ℃時(shí),不同擠壓速度下擠壓模具受到的最大應(yīng)力變化情況.擠壓速度為7 mm/s 時(shí),模具受到的應(yīng)力最小,為167 MPa;擠壓速度為8 mm/s 和5 mm/s 時(shí),模具受到的應(yīng)力最大,為243 MPa.擠壓速度較低時(shí),金屬流動(dòng)不均勻,擠壓模具容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,導(dǎo)致模具應(yīng)力較大;而擠壓速度較高時(shí),金屬變形速率大,變形抗力高,受到的沖擊載荷較大,導(dǎo)致模具應(yīng)力相應(yīng)增加.

3 結(jié)論

本文針對7075 鋁合金無縫管的擠壓生產(chǎn),設(shè)計(jì)了擠壓模具和穿孔針并建立有限元擠壓模型,利用DEFORM V6.1 有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬與仿真計(jì)算,分別選用不同的擠壓工藝參數(shù),制定擠壓工藝規(guī)程,進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,得到以下結(jié)論:

7075 鋁合金無縫管擠壓模擬過程中,擠壓溫度在400 ℃～500 ℃的范圍內(nèi),擠壓力隨著擠壓溫度升高非線性降低.擠壓速度越快時(shí),擠壓溫度對擠壓力的影響效果越明顯;擠壓速度在5 mm/s～8 mm/s的范圍內(nèi),擠壓力隨著擠壓速度的增加非線性降低,擠壓溫度越高時(shí),擠壓速度對擠壓力的影響效果越明顯.擠壓速度和擠壓溫度的變化都對擠壓力的大小有較大的影響.

在400 ℃～500 ℃的溫度范圍內(nèi),隨著擠壓溫度升高,擠壓筒內(nèi)未產(chǎn)生大變形區(qū)域等效應(yīng)力降低,管材靠近模孔處附加拉應(yīng)力增大.可預(yù)測若繼續(xù)升高擠壓溫度,會造成管材外表面拉裂.在5 mm/s～8 mm/s的擠壓速度范圍內(nèi),隨著擠壓速度的增加,擠出管材溫升現(xiàn)象嚴(yán)重,管材出?？诇囟容^高,同時(shí)應(yīng)變分布不均勻性增大.可預(yù)測若繼續(xù)提升擠壓速度,會導(dǎo)致擠出管材外表面產(chǎn)生缺陷,橫向組織性能不均勻,管材晶粒長大現(xiàn)象嚴(yán)重,性能較差.

在450 ℃的擠壓溫度下,擠壓速度越快,模具在擠壓過程中受到的沖擊載荷越大.擠壓速度為8 mm/s時(shí),沖擊載荷顯著提高.