白永成，趙 蓬

當今科技進步和現代化經濟高速發(fā)展，鋁合金型材的品種規(guī)格不斷拓展，不斷增多，應用范圍已由民用建材領域推廣到航天航空、汽車船舶、交通運輸、電子電力、石油化工等國計民生各個方面。

然而，我國目前已投產的鋁型材生產線卻遠不能滿足國內市場需求。尤其是我國大型擠壓機的設計制造尚處于起步階段，存在著工藝技術落后，自動化水平不高，信息化管理程度低等問題，制約了生產效率和產品質量的提高。

但是，運用計算機輔助分析技術可以確定合理的擠壓工藝參數，并將優(yōu)化的參數存儲到數據庫管理系統(tǒng)中。這樣只要輸入產品規(guī)格，即可找到分析模型的工藝參數，再和實測值比較，輸出可用于實際生產的控制信號，提高擠壓機自動化和智能化水平。

本文首先通過優(yōu)選確定擠壓流速和溫度，進而將得到的數據錄入數據庫中，經過不斷試驗積累，最終實現提高擠壓線自動化水平及產品質量的目標。

1 工藝參數優(yōu)選

擠壓過程需要確定的主要數據有：材料特性、擠壓速度－擠壓行程曲線、梯溫加熱、冷卻溫度等。

材料特性即材料的真實應力－應變關系。需要通過采集大量試驗數據，將點數據進行曲線擬合后，作為本構關系模型。試驗在Gleeble－1500熱模擬實驗機上進行 (見圖1)。

試樣尺寸：直徑?10 mm，高15 mm的圓柱體試樣。

測試溫度：20～550℃，共取11個溫度點。

應變率范圍：0．001～50s－1，共取 6 個應變率點。

擠壓方式分等速擠壓和等溫擠壓兩種。

圖1 Gleeble-1500熱模擬實驗機

等速擠壓即擠壓過程中的出口速度恒定不變。采用等速擠壓，鋁坯在擠壓容器中壓縮程度不同，初始階段鋁坯壓縮量逐步增加，變形抗力也逐步增加，造成擠壓力增大，擠壓溫度升高；隨著鋁坯在擠壓容器中余量的減小，擠壓力降低。擠壓后期余量越來越少，所需成形力急劇升高，接近擠完時擠壓力達到最大，剩下無法擠出的余料通過壓余剪切除。

生產中采用如下方法對型材出口流速進行調整，保持出口流速恒定：

(1)在模具上設置導流孔、導流槽。

(2)采用阻礙角、促流角。

(3)增加金屬阻礙塊。

(4)改變定徑帶長度。

(5)調整模孔在擠壓筒中的位置。

以上5種模具設計方式可以調整鋁材出口速度，實現等速擠壓，即無論擠壓速度如何改變，型材出口流速始終保持不變。

等溫擠壓是指型材在模具出口處溫度基本保持恒定。在擠壓過程中，擠壓速度快時型材變形劇烈，坯料內部熱量由于不能及時地散出將導致型材出口溫度上升；反之，當擠壓速度慢時，由于坯料散發(fā)的熱量不能及時地由變形熱補充將導致型材出口溫度下降。因此出口溫度升高時，應降低擠壓速度；而當出口溫度下降時，應加快擠壓速度。目前采用擠壓速度的變化、坯料梯溫加熱及模具冷卻方法實現等溫擠壓已成為鋁型材擠壓技術的發(fā)展趨勢。

在擠壓過程中溫度與速度關系最為密切。提高擠壓速度將使變形能大量轉化成熱能，坯料的預熱溫度必須相應降低。反之，若想提高擠壓溫度，則坯料的預熱溫度必須提高。

實現等溫擠壓必須以鋁合金擠壓速度和擠壓溫度為參考依據（見圖2），最大擠壓速度和出口溫度之間給出了兩條極限曲線，一條表示了最大擠壓力，即設備能力；另一條表示鋁合金開裂曲線。兩條曲線交點為最大擠壓速度和出口溫度。我們在設定擠壓工藝參數時，擠壓速度應盡量快，以達到理想的最大擠壓速度，但又不能超過金屬的過燒溫度。如果金屬擠出溫度超過過燒溫度，則應降低擠壓速度，降低等溫擠壓的出口溫度。

圖2 擠壓速度和擠壓溫度關系曲線

下面以5083帶筋薄壁管材為例，對擠壓過程主要工藝參數進行優(yōu)選 (見圖3)。

圖3 帶筋薄壁鋁型材

5083鋁合金應用于需要有高的抗腐蝕性、良好的可焊性和中等強度的場合，如艦艇、汽車和飛機板焊接件，過燒溫度為580℃。

通過上述優(yōu)化方法對其出口速度進行優(yōu)化調整后出口速度差在7%～9%左右 (見圖4、圖5）。

在等溫擠壓中采用從試驗得到的材料本構模型，得到等溫擠壓出口溫度在575～580℃之間，用梯溫加熱坯料、水冷模具及變速擠壓，帶筋管材穿孔模擠壓比 11．27。

優(yōu)選的主要工藝參數及曲線如下：

坯料長度 1 600 mm

坯料入口溫度 420°C

溫度梯度 80°C

模具溫度 450°C

圖4 模具形狀優(yōu)化后的帶筋管材穿孔擠壓成型流速分布圖

圖5 模具形狀優(yōu)化后的帶筋管材模具圖

擠壓筒溫度 480°C

初始擠壓速度 3 mm/s

冷卻水溫度 50°C

從擠壓行程和擠壓溫度變化曲線可以看出，型材出口溫度在575～580℃之間變化，基本保持恒定（見圖 6）。

圖6 擠壓行程-出口溫度關系曲線

從擠壓力和擠壓行程變化曲線可以看出，擠壓力變化趨勢為增大－減小－增大，最大值出現在最后階段，為22 467 t（見圖7）。

圖7 擠壓行程-擠壓力關系曲線

2 數據庫管理系統(tǒng)

該數據庫管理系統(tǒng)主要用于對模擬結果數據進行統(tǒng)計，并生成相應的曲線，查看各調用工藝參數之間的關系和走勢。其主要功能有

檢索數據 查找已經輸入的數據，包括擠壓材料的物理性質和擠壓參數。

繪制曲線 對等溫擠壓結果進行分析，得出擠壓行程與型材出口溫度、擠壓力、擠壓速度之間的關系，測溫點溫度與出口速度之間的關系（見圖8）。

圖8 繪制曲線功能界面

錄入數據 輸入模擬結果或者生產中的經驗數據，以供查詢和分析。

3 結語

（1）利用計算機仿真，可以得到最佳的擠壓工藝參數，對提高鋁型材產品質量及生產效率至關重要。

（2）擠壓工藝數據庫系統(tǒng)可以將仿真的分析模型和實際數據記錄下來。尤其隨著實際數據的增加，將使數據庫中的數據更加準確可靠。