擠壓速度對(duì)鋁合金型材擠壓過程的影響分析

梁奕清

（廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528000）

擠壓產(chǎn)品的產(chǎn)生使用鋁合金型材，是因此類材料的焊接性能好、塑性佳、密度小等優(yōu)勢(shì)，能取代傳統(tǒng)化鋼鐵材料。當(dāng)前，鋁合金型材擠壓技術(shù)廣泛應(yīng)用在各領(lǐng)域中，并發(fā)揮著重要作用，如工業(yè)領(lǐng)域、民用領(lǐng)域等。在此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用過程中可提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率、工藝質(zhì)量，提供合理控制擠壓速度影響鋁合金型材擠壓效果，保證擠壓產(chǎn)品合格率。

1 建立數(shù)值模擬模型

1.1 構(gòu)建模具

本文選擇空心鋁型材為研究對(duì)象，在型材積壓過程中應(yīng)用Pro/E軟件完成模具構(gòu)建工作，搭配MSC－Superforge軟件，增強(qiáng)擠壓速度不同情況下的擠壓過程中模具溫度、載荷變化情況等，為擠壓速度對(duì)鋁合金型材擠壓過程的影響提供重要信息數(shù)據(jù)[1]。

構(gòu)建模具階段，主要是對(duì)空心鋁型材規(guī)格的處理，設(shè)計(jì)其截面尺寸60mm*20mm，壁厚3mm，采取平面分流模擠壓成形方式，由Pro /E 軟件構(gòu)建分流模。此外，坯料以Al6063合金為主（170mm*50mm）；模具以H13為主；擠壓比λ=51.1。

1.2 設(shè)置工藝參數(shù)

結(jié)合研究對(duì)象規(guī)格分析，設(shè)計(jì)坯料預(yù)熱溫度為480℃、模具預(yù)熱溫度為450℃，以常摩擦因子模型為主（m=0.33）；網(wǎng)格尺寸1.5mm。同時(shí)，在此階段還分析到型材擠壓過程中的效率與速度，在此階段設(shè)計(jì)凸模壓下量33mm，當(dāng)擠壓處于穩(wěn)定狀態(tài)后，模擬工作才可停止。

擠壓速度的控制，采用了兩種形式，一種是恒定速度模型；另一種是線性分布速度模型。其中，在恒定速度模型中設(shè)計(jì)擠壓速度為2mm/s、4mm/s、6mm/s、8mm/s、10mm/s。此環(huán)節(jié)中需要注意的是較高恒定擠壓速度，注意是8mm/s與10mm/s。而線性分布速度模型中設(shè)計(jì)擠壓速度為12mm～4mm、15mm～5mm。

2 擠壓速度對(duì)鋁合金型材擠壓過程的影響分析

2.1 模具載荷影響

鋁合金型材擠壓過程中發(fā)生的開裂、磨損等問題，主要原因是模具承受載荷過大，實(shí)際擠壓環(huán)節(jié)中所產(chǎn)生的載荷值與預(yù)期設(shè)計(jì)的載荷值存在較大從差異性，從而引發(fā)相應(yīng)的問題。對(duì)此情況，需在擠壓過程中對(duì)所產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)詳細(xì)記錄工作人員可根據(jù)具體信息數(shù)據(jù)掌握鋁合金型材擠壓過程中的實(shí)況[2]。然后，借助電子設(shè)備，把所記錄的信息數(shù)據(jù)編制成受力曲線圖，可更直觀地掌握鋁合金型材擠壓過程中模具載荷情況，得到鋁合金型材擠壓行程增大，擠壓力隨之增大，鋁合金型材擠壓經(jīng)歷四個(gè)階段。

第一階段，金屬經(jīng)過擠壓筒達(dá)到分流孔時(shí)，擠壓力瞬間增加，保證金屬平穩(wěn)流經(jīng)分流孔，此階段的模具載荷有所增加，并增加適當(dāng)比較緩慢；第二階段，金屬由分流孔流入焊合室，并處于“滿充”狀態(tài)，此階段的擠壓力逐漸升高；第三階段，金屬由焊合室流入工作帶方向，此階段屬于“熱擠壓”，但擠壓難度難度增加，擠壓力急劇上升，直至型材擠出工作帶才平穩(wěn)，此時(shí)的載荷最大；第四階段，金屬流出工作帶，整個(gè)擠壓工作處于穩(wěn)定成形狀態(tài)，因金屬大量流出，會(huì)在牽附作用影響下，載荷曲線更穩(wěn)定，未有明顯的起伏情況。

此外，因模具載荷受恒定擠壓速度影響，在擠壓中所產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)影響載荷曲線趨勢(shì)，因擠壓速度加快而增大模具載荷程度，也增大材料變形抗力[3]。

例如：擠壓速度控制6mm/s，模具載荷發(fā)生異常情況，因擠壓速度加快，擠壓件的溫度不僅上升，而且還會(huì)有較大的升高幅度，導(dǎo)致材料變形抗力降低。如果擠壓速度控制2mm/s，可緩解模具載荷程度，材料變形抗力影響程度不大，了解到擠壓速度對(duì)模具載荷、使用年限等有一定影響（如圖1所示--不同擠壓速度下模具載荷分布曲線）。

圖1 不同擠壓速度下模具載荷分布曲線

在該項(xiàng)目實(shí)施階段對(duì)擠壓速度的控制，選擇呈線性分布方式，只需在設(shè)計(jì)階段對(duì)擠壓速度進(jìn)行對(duì)比探究，就能掌握到模具載荷在不同擠壓速度下的實(shí)際情況，能在擠壓生產(chǎn)前結(jié)合具體信息數(shù)據(jù)詳細(xì)分析，就可根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)要求合理設(shè)計(jì)，保證擠壓速度合理性，保證模具承載合理性。

2.2 溫度影響

擠壓速度影響材料擠壓過程中的熱量、熱交換時(shí)間、摩擦狀況等，也說明擠壓速度是材料擠壓過程中熱交換時(shí)間主要影響因素，需維持或控制擠壓件內(nèi)部溫度。

例如：設(shè)計(jì)擠壓速度為2mm/s，材料擠壓中的壓下量發(fā)生變化，如果坯料溫度在454.5℃～477.2℃時(shí)，材料擠壓內(nèi)部溫度有相應(yīng)變化，為熱量傳遞提供充足時(shí)間，從起初的塑性變形穩(wěn)定控制到480℃，壓下量為38mm，此階段的?？诠ぷ鲙С隹谔幍臏囟茸罡?，材料會(huì)在此區(qū)域中發(fā)生激烈的變形情況。此現(xiàn)象屬于正?，F(xiàn)象，是擠壓生產(chǎn)環(huán)節(jié)中必要的溫度條件。

此外，針對(duì)上述內(nèi)容中所設(shè)計(jì)的擠壓速度，對(duì)比2mm/s、4mm/s、6mm/s、8mm/s、10mm/s時(shí)，隨著擠壓速度的提升，壓下量發(fā)生顯著變化，此階段的擠壓件溫度以增高趨勢(shì)發(fā)展。

例如：對(duì)比擠壓速度2mm/s、擠壓速度4mm/s，凸模壓下量降低，可了解到擠壓速度較低，擠壓材料的塑性變形程度，并在塑性變形過程會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，處于低溫度條件下完成擠壓工作[4]。對(duì)比6mm/s擠壓速度的溫度變化，整體穩(wěn)定呈平穩(wěn)性，說明擠壓材料生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的熱量，基本相等于散失熱量，才擺正擠壓材料溫度穩(wěn)定性。對(duì)10mm/s擠壓材料，此階段的擠壓材料溫度會(huì)上升到9℃，因速度越快產(chǎn)生較多的熱量，但也會(huì)影響熱量散失時(shí)間，導(dǎo)致擠壓件的內(nèi)部溫度升高，無法保證各項(xiàng)條件的均衡性，往往因擠壓件的內(nèi)部溫度升高而出現(xiàn)變形情況。（如圖2所示--不同速度下擠壓件最高溫度隨壓下量變化曲線）。

圖2 不同速度下擠壓件最高溫度隨壓下量變化曲線

基于不同擠壓速度的對(duì)比分析條件下，能了解到擠壓速度會(huì)對(duì)鋁合金型材擠壓過程中的溫度有一定影響，而溫度的升高會(huì)出現(xiàn)材料變形情況，無法保證產(chǎn)品工藝質(zhì)量。那么需在擠壓過程中控制擠壓速度，建議在擠壓生產(chǎn)前能對(duì)各項(xiàng)影響因素與實(shí)際要求綜合分析，設(shè)計(jì)擠壓件恒定溫度，然后再擠壓過程中中控制擠壓速度，才可保證擠壓機(jī)生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

2.3 抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率影響

分析空心鋁型材研究對(duì)象的物理特點(diǎn)，在試驗(yàn)階段對(duì)擠壓速度控制，可影響空心鋁型材的抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率。設(shè)計(jì)擠壓速度由1m/min提升至5m/min，結(jié)合圖1分析（擠壓速度對(duì)試樣力學(xué)性能的影響），了解空心鋁型材的由起初的抗拉強(qiáng)度方式變化，271MPa增加到292MPa，同時(shí)，有瞬間降低到268MPa；而空心鋁型材的斷后伸長(zhǎng)率在12.1%～10.9%之間。再設(shè)計(jì)擠壓速度由1.5min提升至5m/min，抗拉強(qiáng)度達(dá)到274MPa，斷后伸長(zhǎng)率為11.8%；設(shè)計(jì)擠壓速度由2.0min提升至5m/min，抗拉強(qiáng)度達(dá)到280MPa，斷后伸長(zhǎng)率為11.6%[5]。

經(jīng)過對(duì)不同擠壓速度下的空心鋁型材抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)分析，隨著擠壓速度加快，空心鋁型材抗拉強(qiáng)度持續(xù)性增大，但斷后伸長(zhǎng)率則逐漸降低。再對(duì)2.5m/min擠壓速度設(shè)計(jì)，空心鋁型材抗拉強(qiáng)度286MPa，斷后伸長(zhǎng)率11.2%；3.0m/min擠壓速度設(shè)計(jì)，空心鋁型材抗拉強(qiáng)度292MPa，斷后伸長(zhǎng)率10.9%；3.5m/min擠壓速度設(shè)計(jì)，空心鋁型材抗拉強(qiáng)度290MPa，斷后伸長(zhǎng)率11%。對(duì)比相同擠壓速度下的空心鋁型材抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率，每1m/min擠壓速度會(huì)增大15MPa、21MPa、19MPa抗拉強(qiáng)度，每1m/min擠壓速度斷后伸長(zhǎng)率減小0.9%、1.2%、1.1%。

依據(jù)具體信息數(shù)據(jù)說明，擠壓速度對(duì)空心鋁型材抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率有一定影響，只有在擠壓速度適宜條件下，才能保證空心鋁型材綜合性能，需在擠壓過程中注重?cái)D壓速度控制。

圖3 擠壓速度對(duì)試樣力學(xué)性能的影響

2.4 高溫抗氧化影響

空心鋁型材截面尺寸60mm*20mm，壁厚3mm，在擠壓過程中會(huì)因擠壓速度影響單位面積質(zhì)量增加。依然會(huì)在擠壓過程中設(shè)計(jì)1m/min提升至5m/min，此階段的單位面積質(zhì)量發(fā)生變化，具體范圍在204mg/cm2～148mg/cm2，呈“先減小后增大”趨勢(shì)，此階段空心鋁型材高溫抗氧化性能“先提升后下降”。

此外，設(shè)計(jì)擠壓速度1.5m/min，此階段的單位面積為193mg/cm2，設(shè)計(jì)擠壓速度2.0m/min，此階段的單位面積為180mg/cm2；設(shè)計(jì)擠壓速度2.5m/min，此階段的單位面積為153mg/cm2；設(shè)計(jì)擠壓速度3.0m/min，此階段的單位面積為148mg/cm2；設(shè)計(jì)擠壓速度3.5m/min，此階段的單位面積為152mg/cm2。對(duì)比擠壓速度變化下的空心鋁型材單位面積質(zhì)量，每1.0m/min擠壓速度變化，空心鋁型材單位面積質(zhì)量發(fā)生51mg/cm2、56mg/cm2、52mg/cm2。其中，擠壓速度為3.0m/min時(shí)的空心鋁型材單位面積質(zhì)量穩(wěn)定，高溫抗氧化性能最佳[6]。

如果設(shè)計(jì)擠壓速度為4m/min，此條件下的空心鋁型材單位面積質(zhì)量有大幅度的增加，但空心鋁型材的高溫抗氧化性能卻下降。說明擠壓速度會(huì)對(duì)鋁合金型材高溫抗氧化性能有一定影響，結(jié)合上述信息數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，能了解到為控制鋁合金型材高溫抗氧化性能，建議設(shè)計(jì)擠壓速度3m/min。

3 結(jié)語

綜上所述，本文選擇空心鋁型材為研究對(duì)象，為保證擠壓速度對(duì)鋁合金型材擠壓過程影響結(jié)果的科學(xué)性與合理性，選擇建立數(shù)值模擬模型方式，構(gòu)建模具、設(shè)置工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)2mm/s、4mm/s、6mm/s、8mm/s、10mm/s擠壓速度，對(duì)比不用速度探究下的鋁合金型材擠壓變化情況，為便于對(duì)各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)掌握，繪制成具體的曲線圖，最終掌握擠壓速度對(duì)鋁合金型材擠壓過程模具載荷、溫度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、高溫抗氧化等均有一定影響，還需在此工藝實(shí)施階段能對(duì)擠壓速度合理化控制，從而保證擠壓產(chǎn)品質(zhì)量與效率。