擠壓速度對(duì)鋁合金型材擠壓過程的影響分析

羅 翔

（重慶百能達(dá)普什汽車零部件有限責(zé)任公司，重慶 401122）

0 引言

鋁合金材料具有塑性好、密度小、抗蝕性和焊接性能好等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的鋼鐵材料相比具有不可替代的優(yōu)越性[1]。目前鋁合金型材擠壓技術(shù)在汽車、船舶、鐵路、航空、航天等工業(yè)領(lǐng)域以及建筑等民用領(lǐng)域越來越顯示出其重要地位，用擠壓方法生產(chǎn)鋁型材，既節(jié)約材料又具有很高的生產(chǎn)效率，因而該工藝方法在生產(chǎn)和研究領(lǐng)域越來越受到關(guān)注。

鋁合金型材擠壓過程中，擠壓速度是一個(gè)主要工藝條件，對(duì)于坯料的溫度場、最大損傷值場等有著重要影響，從而影響到擠壓型材的質(zhì)量。

本文基于Deform-2D塑形有限元軟件對(duì)7075鋁合金型材的擠壓過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析并總結(jié)了擠壓速度對(duì)坯料溫度場、最大損傷值場和模具載荷的影響規(guī)律。為鋁合金型材擠壓工藝選擇合理的擠壓速度提供理論參考。

1 有限元模型的建立

坯料材料牌號(hào)為Aluminum-7075，楊氏模量Y=68900MPa，泊松比υ=0.3。模具材料選用H13鋼。采用剛（粘）塑形流動(dòng)應(yīng)力模型其中為等效應(yīng)變；為等效應(yīng)變速率；T為變形溫度。

鋁合金型材擠壓過程中，坯料與模具間的接觸壓力很大，坯料的表面層粘著在模具壁面上，故擠壓成形過程選用剪切摩擦類型，剪切應(yīng)力，其中m為剪切摩擦因子，其值取0.3；k為剪切屈服強(qiáng)度。

目前，熱壓縮類變形過程中應(yīng)用最廣泛的損傷準(zhǔn)則是Cockcroft和Latham準(zhǔn)則。其具體表達(dá)式為：

式中：f——材料斷裂時(shí)的等效塑性應(yīng)變；

——等效應(yīng)力；

σT——變形過程中某一時(shí)刻某一單元內(nèi)的最大拉應(yīng)力。材料在塑性變形過程中，當(dāng)最大主應(yīng)力 σ1≥0 時(shí)，σT=σ1；當(dāng) σ1＜0 時(shí)，σT=0；

d——等效應(yīng)變?cè)隽浚?/p>

C——損傷因子。

在數(shù)值計(jì)算中，將表達(dá)式（1）進(jìn)一步變換成離散步求和表達(dá)式（2），可將復(fù)雜的積分計(jì)算簡化為單位時(shí)間增量內(nèi)的損傷量計(jì)算：

式中：——變形過程中某一時(shí)刻某一單元內(nèi)的等效塑性應(yīng)變速率；

Δt——有限元計(jì)算中的時(shí)間增量。

擠壓坯料初始溫度設(shè)為380℃，模具的預(yù)熱溫度設(shè)為350℃，坯料和模具之間的熱交換系數(shù)取10N/（mm·s·℃），環(huán)境溫度設(shè)為20℃，擠壓件與環(huán)境的對(duì)流系數(shù)取0.02N/（mm·s·℃）。由于模型結(jié)構(gòu)本身是軸對(duì)稱的，為提高模擬效率，取1/2模型進(jìn)行分析。通過Deform-2D前處理將幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并賦予邊界幾何條件得到有限元模型如圖1所示。

設(shè)置4種擠壓速度，分別為 2mm/s、6mm/s、10mm/s和14mm/s，上模壓下量為25mm，因?yàn)樵诖藟合铝肯履苁共牧狭鞒龉ぷ鲙В⑶沂箶D壓過程達(dá)到穩(wěn)定階段。

圖1 擠壓有限元模型

2 結(jié)果分析

2.1 擠壓速度對(duì)溫度場的影響

擠壓件的溫度變化影響到產(chǎn)品質(zhì)量和模具壽命。擠壓過程中，較高的溫度有利于減小流動(dòng)應(yīng)力，從而材料變形更加容易，但當(dāng)溫度過高會(huì)使材料產(chǎn)生過燒、晶粒粗大等問題，使得允許的最高溫度降低，進(jìn)而降低生產(chǎn)率。分析鋁合金擠壓過程中溫度場的變化，對(duì)于保證擠壓制件的質(zhì)量和提高生產(chǎn)率有著重要作用。圖2展示了坯料在擠壓速度為6mm/s時(shí)，不同階段的溫度場變化情況。可知在擠壓過程中，坯料溫度逐漸升高。這是由于坯料產(chǎn)生劇烈變形，生成大量的變形熱，從而材料溫度迅速升高。而且，坯料的最高溫度均出現(xiàn)在棒料剛開始成形的部位，因?yàn)檫@部分的材料變形最為嚴(yán)重，坯料與模具摩擦最嚴(yán)重，生成大量的熱量，所以溫度最高。圖3為擠壓速度與坯料最高溫度之間的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著擠壓速度的增加，坯料最高溫度增加，其原因是隨著擠壓速度的增加，材料的變形劇烈程度增加；并且隨著擠壓速度的增加，坯料擠壓力增加，坯料和模具基礎(chǔ)面之間的壓力增加，所以摩擦熱也增加，使得溫度升高。另一方面，擠壓速度越大，坯料與模具熱傳導(dǎo)的時(shí)間越少，使擠壓件溫度升高。由圖可知，當(dāng)擠壓速度為14mm/s時(shí)，最高溫度已經(jīng)達(dá)到了495℃。但7075鋁合金的變形溫度超過490℃時(shí)，晶粒會(huì)迅速長大[5]，嚴(yán)重降低擠壓件的質(zhì)量，所以7075鋁合金的擠壓速度最好不要超過12mm/s。

圖2 擠壓過程中溫度變化

圖3 不同擠壓速度下坯料最高溫度圖

2.2 擠壓速度對(duì)損傷場的影響

鋁合金擠壓過程中發(fā)生劇烈變形，坯料表面易產(chǎn)生裂紋。擠壓過程中，坯料金屬損傷值越小，則材料開裂傾向越小，成形制件表面質(zhì)量越高。因此，研究鋁合金擠壓過程中最大損傷值的影響有著十分重要的意義。鋁合金棒料在擠壓速度為6mm/s成形過程中的損傷演化行為如圖4所示?？梢缘弥诔尚芜^程中，最大損傷值主要出現(xiàn)在成形棒材的表面和擠壓模具出口處，這是因?yàn)榘舨谋韺咏饘僭诹鹘?jīng)工作帶時(shí)，由于受到擠壓模具工作表面的摩擦作用，切應(yīng)力對(duì)該處材料金屬的影響最為嚴(yán)重。圖5顯示了不同擠壓速度下棒料擠壓過程中的最大損傷值。由圖可知，擠壓速度在2～10mm/s范圍內(nèi)，最大損傷值隨擠壓速度的增加而逐漸減??；擠壓速度在10～14mm/s范圍內(nèi)，最大損傷值有些許增加。這是因?yàn)殡S著擠壓速度的增大，坯料的溫度升高，增強(qiáng)了材料的塑形變形能力；而且擠壓速度增大有利于提高模具對(duì)坯料三向壓應(yīng)力的效果，所以降低了最大損傷值；但是當(dāng)擠壓速度過大時(shí)，摩擦力增長迅速，使得損傷值呈增長趨勢。所以，在棒料擠壓過程中，擠壓速度不能太大，也不能太小，這樣能減小擠壓件出現(xiàn)裂紋的可能性。

圖4 擠壓過程中損傷演化圖

圖5 不同擠壓速度下最大損傷演化圖

2.3 擠壓速度對(duì)模具載荷的影響

為合理選擇設(shè)備、正確設(shè)計(jì)模具以及確定工藝規(guī)程，變形力是一個(gè)重要依據(jù)。因此，計(jì)算模具的位移-載荷曲線非常有意義，既可得出實(shí)際擠壓可能需要的最大擠壓力，又可應(yīng)用于優(yōu)化擠壓工藝。圖6為不同擠壓速度下模具的位移-載荷曲線?？梢钥闯?，擠壓速度不同時(shí)，位移-載荷曲線圖趨勢基本相同，載荷的變化規(guī)律基本上可以分為3個(gè)階段。擠壓開始時(shí)，擠壓力以接近線性的方式緩慢增長；到一定程度后，擠壓力迅速增加到峰值；擠壓力到達(dá)峰值后呈突然下降趨勢。并且隨著速度的增加，擠壓載荷有一定的增大。從圖中可看出，擠壓速度對(duì)載荷的影響比較小。這是由于擠壓速度越大，坯料溫度升的越高，降低擠壓材料的流動(dòng)應(yīng)力，抵消了由于變形速度增加帶來的對(duì)變形抗力的影響。

圖6 不同擠壓速度下位移-載荷圖

3 結(jié)論

建立了鋁合金型材擠壓的有限元模型。分析了不同擠壓速度下溫度場、最大損傷值場以及模具載荷的演變規(guī)律。得出以下結(jié)論：

（1）隨著擠壓速度的增加，由于變形熱和摩擦熱增加，坯料的溫度場迅速增加。

（2）隨著擠壓速度的增加，坯料的最大損傷值場呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。

（3）隨著擠壓速度的增加，擠壓載荷有一定的增大。擠壓速度對(duì)載荷的影響比較小。

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