5005鋁合金分流模擠壓過程有限元模擬*

陳 靈，段亞菲，譚自盟，曾建民

（廣西大學(xué)有色金屬及材料加工新技術(shù)教育部重點實驗室，南寧 530004）

5005鋁合金由于具有密度低、中等強(qiáng)度與良好的抗腐蝕性能，常被用作導(dǎo)體、炊具、儀表板、殼與建筑裝飾件[1]。擠壓是鋁加工的主要方法之一，是一個處于高溫、高壓、各種摩擦狀態(tài)交織等復(fù)雜條件下的金屬流動成形過程。過去人們利用物理模型方法[2-4]、理論分析法[5]研究擠壓模具設(shè)計，而如今多采用有限元數(shù)值模擬方法[6-7]。有限元法被證明是預(yù)測擠壓過程中金屬流動的強(qiáng)有效的工具。如Lee等[8]利用有限元法分析了冷凝管型材的擠壓過程，得到了焊合室形狀對材料流動、焊合壓力、擠壓力和模芯變形的影響規(guī)律；王冠等[9]用有限元方法對鋁合金空心型材擠壓過程中不同方向的金屬流速及焊合室內(nèi)的壓力分布進(jìn)行了分析；Fang 等[10]利用有限元模擬及擠壓試驗對多孔膜擠壓進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)多階梯的導(dǎo)流室結(jié)構(gòu)能有效調(diào)控多孔模中的金屬流動；Bastani等[11]采用數(shù)值模擬法進(jìn)行等溫擠壓研究，結(jié)果表明數(shù)值模擬法的可靠性；Chen 等[12]用非穩(wěn)態(tài)有限元模擬了口琴管分流擠壓模擠壓過程，并通過調(diào)整工作帶長度優(yōu)化了型材擠出速度；He等[13]通過有限元方法研究了分流模擠壓過程中焊合室的作用；Assaad等[14]通過有限元法研究了工作帶對擠壓速度及擠壓力的影響。

本文利用基于剛塑性有限元法的DEFORM-3D軟件，結(jié)合使用焊合面網(wǎng)格重構(gòu)法實現(xiàn)了分流下對5005鋁合金分流模擠壓過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了分流組合模擠壓過程中材料的流動行為與變形體速度分布規(guī)律，同時結(jié)合有限元模擬結(jié)果分析了型材擠壓的晶粒分布規(guī)律及成因。

1 仿真和試驗

1.1 擠壓模具的逆向工程建模

準(zhǔn)確的三維模型是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。圖1（a）、（b）所示為鋁擠壓廠通過試模得到的5005鋁合金空心型材擠壓分流模具。該模具由于人工整修，采用傳統(tǒng)的測繪手段，形狀尺寸難以測量。為此，作者使用法國產(chǎn) Faro便捷式三坐標(biāo)測量臂，對模具中尺寸難以測繪的工作帶和分流橋等部位進(jìn)行空間點信息采集，得到模具分流橋、分流孔、模芯、焊合室與工作帶的點云信息，如圖1（c）、（d）所示。然后利用STUDIO軟件對點信息進(jìn)行處理得到特征曲線，并利用UG對曲線進(jìn)行處理，得到可以反映現(xiàn)實模具幾何形狀信息的模型，如圖1（e）、（f）所示。

1.2 材料特性及邊界條件

在本模擬研究中，擠壓材料為5005鋁合金。合金成分如表1所示。

模具材料選用H-13熱模具鋼。數(shù)值模擬采用剛黏塑性有限元法，忽略彈性變形，把坯料設(shè)為剛塑性體，模具和其他工件都設(shè)置為剛形體。數(shù)值模擬的初始參數(shù)見表2。

圖1 擠壓模具實體及其三維模型Fig.1 Extrusion die and its 3D model

表1 5005鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 數(shù)值模擬涉及的參數(shù)

圖2 型材斷面形狀及幾何尺寸Fig.2 Cross section of Al-profiles and its dimensions

1.3 金相試驗

5005鋁合金的鑄錠經(jīng)均質(zhì)化處理后，在1650T擠壓機(jī)上擠成橫截面類似半圓空心型材。從擠壓后得到的5005合金型材產(chǎn)品截取一小段，如圖2所示。對截取的型材整體先進(jìn)行機(jī)械磨光、拋光，然后用25V電壓在10%高氯酸、90%乙醇的電解液中進(jìn)行電解拋光50s，正極為試樣，負(fù)極為不銹鋼板。用凱樂試劑腐蝕4min，在偏光顯微鏡下對型材的晶粒分布進(jìn)行觀察。在距離型材邊界厚度方向上500μm的區(qū)域內(nèi)采用平均晶粒統(tǒng)計方法，分別觀察型材晶粒尺寸分布情況。

2 焊合面網(wǎng)格重構(gòu)方法

Deform-3D軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格重劃分功能，但是無法將相互接觸的單元節(jié)點合并為一個節(jié)點,從而在模擬擠壓焊合過程中會出現(xiàn)焊合面的網(wǎng)格單元出現(xiàn)穿透、分離。如不經(jīng)人工干預(yù)，隨著模擬的進(jìn)行，穿透與分離會反復(fù)發(fā)生，直接造成模擬對象的體積損失以及較大的結(jié)果誤差。如圖3所示為在網(wǎng)格不經(jīng)處理時，在焊合面處發(fā)生的網(wǎng)格穿透和分離現(xiàn)象。

分流模擠壓過程中因為模具復(fù)雜結(jié)構(gòu)，金屬流動行為相當(dāng)復(fù)雜。為了研究金屬在分流模擠壓過程的金屬流動行為，同時克服DEFORM-3D分流模擠壓模擬中模擬焊合過程網(wǎng)格穿透帶來的精度損失，本文使用了黃東男等[15]提出的一種基于Deform-3D結(jié)合Pro/Engineer的焊合面相互穿透的網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)。當(dāng)焊合面網(wǎng)格單元相互穿透區(qū)域和未穿透區(qū)域的體積相等時，在保持塑性成形過程中體積不變的前提下，對焊合面網(wǎng)格進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)后再繼續(xù)計算，完成分流模擠壓焊合階段與成形階段的模擬分析。

本模型中，當(dāng)擠壓行程為37.6mm時，第一個焊合面滿足修復(fù)條件，對第一個焊合面進(jìn)行修復(fù)，焊合面Ⅰ位置如圖3（a）所示。擠壓行程為40mm時，需要對第二個焊合面進(jìn)行修復(fù)，第二個焊合面網(wǎng)格重構(gòu)的有限元模型如圖4所示。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 擠壓過程金屬流動行為及擠壓力分布

利用Deform-3D軟件的瞬態(tài)分析功能，可以直觀顯示擠壓過程任意時刻金屬的流動行為。型材在擠壓過程中的金屬流動行為：在分流階段，金屬在分流橋的作用下分為3股進(jìn)入分流孔，由于3個分流孔形狀一致、面積相等，使得孔內(nèi)擠出金屬的長度及流速相同，在填充焊合階段，3股金屬同時與焊合室底部接觸，在焊合室的靜水壓力作用下，形成徑向流動并圍繞模芯開始填充焊合室。金屬前鋒流經(jīng)模芯、工作帶逐漸形成型材。隨著擠壓行程的繼續(xù)增加，型材進(jìn)入穩(wěn)定擠壓階段，型材穩(wěn)定持續(xù)擠出。

從坯料開始分流到型材擠出的擠壓力分布曲線如圖5所示。擠壓初始，金屬突破分流橋的阻力，擠壓力直線增加；分流階段，擠壓力平緩；填充階段，金屬開始擠入焊合室到與焊合室底面開始接觸階段，隨著接觸面積的增加，摩擦阻力一直增加，由于此階段金屬流動受阻，擠壓力陡然增加；焊合階段，擠壓力急劇增加直至焊合室被填充滿；隨著擠壓行程的繼續(xù)增加，型材進(jìn)入穩(wěn)定成形階段，金屬在較為穩(wěn)定的擠壓力下從工作帶擠出，形成型材。

3.2 擠壓過程速度場分布

通過擠壓過程數(shù)值模擬，得到的變形體速度場分布見圖6。受分流孔形狀影響，擠壓分流過程中容易在分流孔周邊區(qū)域形成死區(qū)。位于焊合室內(nèi)的金屬，流動速度分布不均勻，型材出口處速度最大，變形體上質(zhì)點速度隨離出口距離的增加而減小，靠近焊合室壁處質(zhì)點接近于靜止，形成死區(qū)。這些死區(qū)容易在擠壓過程中積累雜質(zhì)，造成成型后期型材質(zhì)量下降。

圖7中曲線分別為圖6中大變形區(qū)質(zhì)點a點與死區(qū)質(zhì)點b點擠壓過程中速度變化曲線。在分流階段a、b點的速度變化相同，保持一致的變化規(guī)律；進(jìn)入填充與焊合階段時，金屬流動受阻，a、b點速度下降且在整個填充焊合階段金屬流速變化不大；型材擠出階段，質(zhì)點a速度迅速增加逐漸擠出成型為型材，速度保持在120mm/s左右，b點困在死區(qū)流動幾乎停滯。

3.3 擠出型材應(yīng)力應(yīng)變分布與晶粒分布

圖3 網(wǎng)格穿透和分離現(xiàn)象Fig.3 Phenomenon of mesh penetration and separation

圖4 第二個焊合面重構(gòu)前后的有限元模型Fig.4 FEM model before and after mesh reconstruction

圖5 擠壓過程中的行程載荷曲線Fig.5 Load-stroke curve during the whole extrusion

圖6 型材擠出成形時變形體速度分布Fig. 6 Velocity field of the deforming body

圖8（a）為型材穩(wěn)定擠壓階段時的型材截面上等效應(yīng)力分布圖。擠壓型材橫截面上的等效應(yīng)力分布極不均勻，應(yīng)力普遍集中在擠壓料的邊部，中心區(qū)域的等效應(yīng)力值較小，此外在型材的拐角處等效應(yīng)力值要比直邊區(qū)大。擠壓型材等效應(yīng)變分布的情況與等效應(yīng)力分布類似，如圖8 （b）所示，應(yīng)變主要集中在擠壓料的邊部，基本上形成一個環(huán)繞型材內(nèi)部組織的圈，此外拐角區(qū)域應(yīng)變較為集中。

圖9中（a）～（d）分別對應(yīng)圖2所示實際擠出型材a、、c、d4個位置處的顯微組織?？梢钥闯?，在5005鋁合金擠壓型材的厚度方向上，晶粒分布得很不均勻。擠壓料橫截面邊部晶粒的尺寸較型材中心部位細(xì)小。如圖9（a）所示，晶粒尺寸分布呈現(xiàn)中間粗大周邊細(xì)小的規(guī)律，其中周邊部的平均晶粒尺寸為70.4μm，中心區(qū)域的平均晶粒尺寸為100μm。此外型材拐角區(qū)域的晶粒尺寸較直邊區(qū)域晶粒細(xì)小，直邊區(qū)b的平均晶粒尺寸為68.18μm，拐角區(qū)域c、d平均晶粒尺寸分別為64.5μm、63.95μm。

產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因是： 5005鋁合金空心型材在成形過程中，由于摩擦的影響，周邊區(qū)域金屬的流動速度比其他區(qū)域的流速慢, 速度差產(chǎn)生剪切變形。5005空心型材從模孔擠出時周邊部存在著一層剪切變形層，剪切變形層的金屬受到剪切變形，晶粒有較大的轉(zhuǎn)動，晶間有較大的相互切移，晶內(nèi)有較嚴(yán)重的破碎，這使得此區(qū)域的變形程度大于非剪切區(qū)。變形量大的區(qū)域變形儲能高，晶粒較為細(xì)小。因此型材周邊部區(qū)域的晶粒比中心部位晶粒細(xì)小，此外拐角區(qū)域復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變情況造成該區(qū)域的晶粒尺寸比直邊區(qū)細(xì)小。這一結(jié)果也驗證了有限元模擬中型材截面上應(yīng)力應(yīng)變分布的情況。這些都說明模擬結(jié)果比較接近實際情況。a

圖7 質(zhì)點a、b擠壓過程中流動速度分布Fig.7 Velocity curves of a and b

圖8 擠出型材等效應(yīng)力及應(yīng)變的分布Fig.8 Effective stress and strain distribution of profiles

圖9 型材截面上的晶粒分布Fig.9 Grain distribution of the profile sections

4 結(jié)論

（1）采用剛塑性有限元法，通過焊合面網(wǎng)格重構(gòu)方法，成功實現(xiàn)了分流組合模擠壓空心型材成形過程的三維數(shù)值模擬。

（2）采用上述的有限元模擬方法，研究了型材擠壓過程中的材料流動行為及變形體速度分布規(guī)律，可以預(yù)測擠壓過程中型材的扭曲、彎曲和變形規(guī)律，為擠壓模具設(shè)計和擠壓工藝參數(shù)的設(shè)置提供參考。

（3）擠壓型材的橫截面上的應(yīng)力應(yīng)變分布與實際晶粒尺寸分布有對應(yīng)的關(guān)系，型材擠壓成形過程中應(yīng)力應(yīng)變集中分布是造成型材邊部晶粒尺寸比中心部細(xì)小，拐角區(qū)域晶粒比直邊區(qū)域細(xì)小的原因。

參 考 文 獻(xiàn)

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