李 峰，張?chǎng)锡?，初冠?/p>

(1.哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150040，E-mail:hitlif@126.com; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)船舶工程學(xué)院，威海264209)

凹模轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓成形過(guò)程的有限元分析

李 峰1，張?chǎng)锡?，初冠南2

(1.哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150040，E-mail:hitlif@126.com; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)船舶工程學(xué)院，威海264209)

降低能耗及提高制品性能是當(dāng)前擠壓加工技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)共性問(wèn)題，采用數(shù)值模擬方法對(duì)轉(zhuǎn)模擠壓成形過(guò)程進(jìn)行研究，結(jié)果表明：隨著凹模轉(zhuǎn)速的增加，塑性區(qū)范圍顯著地?cái)U(kuò)大，轉(zhuǎn)速由0增加到0.314 rad/s時(shí)，擠出速度均值增大了1.5倍，成形載荷極值降幅達(dá)40%;當(dāng)擠壓速度由0.157 mm/s增大至0.628 mm/s時(shí)，擠壓載荷峰值增大了38.6%，擠出速度均值增大了1倍.當(dāng)其他條件不變時(shí)，應(yīng)綜合考慮擠壓速度及凹模轉(zhuǎn)速之間數(shù)值的合理匹配關(guān)系.

凹模轉(zhuǎn)動(dòng);擠壓;降低能耗;擠出速度均值

隨著科技的不斷進(jìn)步及社會(huì)需求的日益增加，擠壓材正朝著大型化、尺寸高精化、形狀復(fù)雜化等方向發(fā)展，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，已由民用型材推廣到了航空航天、機(jī)械及軍事等各個(gè)領(lǐng)域［1］.但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，生產(chǎn)設(shè)備噸位小、材料利用率低、技術(shù)差距大等因素成為制約我國(guó)擠壓工業(yè)飛速發(fā)展的主要瓶頸問(wèn)題之一［2］，因此，迫切需要開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的擠壓成形新技術(shù).

近年來(lái)，靜液擠壓、有效摩擦擠壓等方法不斷涌現(xiàn)并得到發(fā)展，但受自身工藝特點(diǎn)所限，均存在不足之處，如靜液擠壓需留有壓余且可控性差［3］，有效摩擦擠壓裝置相對(duì)繁瑣，生產(chǎn)實(shí)踐中鮮有應(yīng)用［4］.盡管剪切擠壓［5］、彎曲型材擠壓［6］、固相合成擠壓［7］及異質(zhì)管材擠壓連接［8］等新技術(shù)相繼被提出，但也僅限于某些特殊需求的領(lǐng)域所采用.

綜上所述，作者提出了扭轉(zhuǎn)及擠壓復(fù)合成形的新方法［9］.傳統(tǒng)擠壓成形中凹模是坯料擠出前的一個(gè)約束及定位工具，如對(duì)其施加扭轉(zhuǎn)，勢(shì)必會(huì)對(duì)擠壓成形過(guò)程產(chǎn)生重要影響，但目前尚無(wú)相關(guān)報(bào)道，本文對(duì)此開(kāi)展了研究.

1 工藝原理及方案

1.1 工藝原理

上世紀(jì)50年代末，前蘇聯(lián)學(xué)者就提出了扭壓成形工藝，該方法可使坯料變形均勻，顯著地降低成形載荷，并能改善原始鑄態(tài)組織，該工藝隨后逐步應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中.將扭轉(zhuǎn)與擠壓成形工藝進(jìn)行復(fù)合，對(duì)金屬流動(dòng)行為同樣有著重要影響.芯模扭轉(zhuǎn)擠壓法［10-11］僅適用于圓截面型材，對(duì)凹模施加扭轉(zhuǎn)，可有效地避免擠出制品沿橫斷面方向軸向流線(xiàn)的“切斷”，同時(shí)又能解決擠壓桿施加扭轉(zhuǎn)擠壓［12-13］時(shí)對(duì)擠壓桿整體性能要求較高的難題.轉(zhuǎn)模擠壓成形工藝原理如圖1所示.

圖1 轉(zhuǎn)模擠壓成形原理示意圖

該方法能有效地改變成形時(shí)坯料與模具間摩擦阻力的作用方向，使坯料僅需克服原有摩擦阻力的一個(gè)分量即可被擠出成形，因此，顯著降低了所需的成形載荷，如圖1(b)所示.而且，凹模與坯料接觸面積較大，與芯模擠壓相比，降低能耗的效果將更為顯著，因此，在相同載荷情況下，可成形復(fù)雜截面擠壓制品;在相同截面形狀情況下，可有效地降低成形力及設(shè)備噸位，提高了設(shè)備利用率，易于實(shí)現(xiàn)大尺寸、復(fù)雜截面、低塑性擠壓材的加工成形.

1.2 網(wǎng)格細(xì)化

本文采用塑性有限元軟件DEFORMTM-3D.采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元對(duì)坯料進(jìn)行離散，并在計(jì)算過(guò)程中根據(jù)網(wǎng)格畸變的情況隨時(shí)進(jìn)行自適應(yīng)重劃分.當(dāng)重新劃分網(wǎng)格時(shí)，根據(jù)跟蹤窗口定義的密度劃分，圖2為網(wǎng)格自動(dòng)重劃分密度的定義窗口示意圖.

圖2 自動(dòng)網(wǎng)格重劃分密度定義窗口

1.3 工藝方案

扭轉(zhuǎn)-擠壓復(fù)合成形是個(gè)大變形、熱力耦合的復(fù)雜過(guò)程，采用由剛(粘)塑性有限元模型進(jìn)行分析.實(shí)驗(yàn)材料為 AZ31鎂合金，模具材料為H13，二者的熱物性參數(shù)均為既定［14］.坯料初始尺寸Φ50 mm×120 mm，擠壓比9.76，芯模半錐角60°，坯料初始溫度350℃，模具溫度300℃，擠壓速度0.314 mm/s，凹模轉(zhuǎn)速0.314 rad/s，坯料與工模具間的摩擦因子取1.0，采用Newton-Raphson迭代算法進(jìn)行模擬計(jì)算.

2 結(jié)果討論及分析

2.1 凹模轉(zhuǎn)速對(duì)擠壓過(guò)程的影響

為了便于對(duì)比，固定其他參數(shù)，對(duì)凹模轉(zhuǎn)速分別取0、0.157、0.314 rad/s的情況進(jìn)行研究.

2.1.1 成形過(guò)程力學(xué)分析

圖3所示為凹模轉(zhuǎn)速對(duì)擠壓成形中等效應(yīng)力分布的影響及變化規(guī)律.由圖3可知:凹模轉(zhuǎn)速為0的成形初期，擠壓?？谔幍刃?yīng)力值相對(duì)較大，可知該區(qū)域先發(fā)生塑性變形;凹模轉(zhuǎn)速增大至0.157 rad/s時(shí)，等效應(yīng)力值較高的范圍顯著地?cái)U(kuò)大至整個(gè)筒內(nèi)區(qū)域;當(dāng)轉(zhuǎn)速增大至0.314 rad/s時(shí)，擠出成形后的制品在一段距離內(nèi)等效應(yīng)力值仍很高.因此，隨著凹模轉(zhuǎn)速的增加，坯料上塑性區(qū)范圍顯著地隨之?dāng)U大.

2.1.2 溫升變化規(guī)律

凹模轉(zhuǎn)速對(duì)擠壓成形中溫度分布的影響及變化規(guī)律如圖4所示.由圖4可知:凹模轉(zhuǎn)速為0時(shí)，變形坯料上各部位溫度分布差異較大，?？谔帨囟蕊@著高于其他部位，且隨著擠壓成形過(guò)程的進(jìn)行，模口處及附近的一段區(qū)域內(nèi)溫度仍為最高;對(duì)凹模施加旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)溫度的分布發(fā)生了顯著改變，下側(cè)大部分區(qū)域的溫度顯著升高;當(dāng)凹模轉(zhuǎn)速增大至0.314 rad/s，凹模內(nèi)及擠出制品上溫度較高的區(qū)域范圍繼續(xù)擴(kuò)大.

圖3 等效應(yīng)力的分布對(duì)比

為深入研究凹模轉(zhuǎn)速對(duì)擠壓成形中溫升變化的影響，將成形中坯料上溫度峰值的變化進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示.由圖5可知:凹模固定時(shí)，成形過(guò)程中坯料上最高溫度峰值穩(wěn)定在320℃左右;對(duì)凹模施加旋轉(zhuǎn)后坯料上最高溫度呈增大趨勢(shì)變化，其峰值為347℃;當(dāng)凹模轉(zhuǎn)速增至0.314 rad/s時(shí)，溫度峰值達(dá)到381℃，即其他條件不變時(shí)，凹模轉(zhuǎn)速增加1倍，溫度峰值增大了18.3%.

2.1.3 金屬流動(dòng)行為分析

凹模施加轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)擠壓成形中金屬的流動(dòng)行為有著重要影響.圖6和7為凹模轉(zhuǎn)速對(duì)擠壓成形中金屬流動(dòng)行為的對(duì)比.

由圖6中速度對(duì)比可知:當(dāng)凹模轉(zhuǎn)速為0時(shí)，隨著沖頭的下行施載，變形坯料沿著加載方向由擠壓?？谥饾u擠出成形;凹模施加旋轉(zhuǎn)后，模內(nèi)坯料的流動(dòng)行為發(fā)生了很大改變，靠近凹模部位的金屬除沿著沖頭加載方向流動(dòng)外，同時(shí)沿著旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了明顯的環(huán)向流動(dòng)，且隨著轉(zhuǎn)速的增加，該區(qū)金屬沿環(huán)向的流速顯著增大.

圖4 溫度變化及分布

圖5 溫度峰值的變化

圖7為凹模轉(zhuǎn)速對(duì)?？诓课粩D出金屬流速均值的影響對(duì)比.由圖7可知:當(dāng)沖頭下行至7 mm左右時(shí)，金屬逐漸由模口處被擠出成形;與普通擠壓相比，凹模轉(zhuǎn)速為0.157 rad/s，擠出速度均值變化不大;當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到0.314 rad/s，擠出速度均值增大了1.5倍.由此可知，隨著凹模轉(zhuǎn)速增加，金屬越易被擠出成形.

圖6 凹模轉(zhuǎn)速對(duì)速度場(chǎng)分布的影響

圖7 擠出流速均值

2.1.4 位移-載荷變化規(guī)律

圖8為不同凹模轉(zhuǎn)速時(shí)擠壓過(guò)程中位移-載荷曲線(xiàn)對(duì)比.由圖8可知:擠壓過(guò)程中成形載荷均呈先增大后減小的趨勢(shì)變化;普通擠壓時(shí)載荷峰值為64.1 t，對(duì)凹模分別施加0.157、0.314 rad/s的轉(zhuǎn)速后，擠壓載荷的峰值分別降至38.1 t和 37.2 t.由此可知，擠壓過(guò)程中對(duì)部分凹模施加旋轉(zhuǎn)，可有效降低成形載荷極值，降幅可達(dá)40%.

圖8 位移－載荷曲線(xiàn)對(duì)比

2.2 成形速度對(duì)擠壓過(guò)程的影響

同理，分別取速度為0.157、0.314、0.471、0.628 mm/s的擠壓成形過(guò)程進(jìn)行研究.

2.2.1 溫升變化規(guī)律

圖9為擠壓成形過(guò)程中成形速度對(duì)坯料上最高溫度的影響.由圖9可知:成形速度較低時(shí)，即v=0.157、0.314 mm/s時(shí)，坯料上最高溫度隨著成形過(guò)程的進(jìn)行呈逐漸增大趨勢(shì)變化，分別升高了22、29℃;當(dāng)擠壓速度增大至0.471及0.628 mm/s后，坯料上最高溫度呈先增大后均勻的趨勢(shì)變化.

圖9 成形速度對(duì)溫度峰值的影響對(duì)比

2.2.2 金屬流動(dòng)行為分析

圖10為不同速度擠壓成形過(guò)程中，擠壓模出口處典型部位金屬軸向速度均值的變化對(duì)比.由圖10可知:速度較小時(shí)(v=0.157 mm/s)，隨著成形過(guò)程的進(jìn)行，擠出速度均值呈逐漸增大趨勢(shì)變化，即越易被擠出成形;速度增大后，擠出速度均值呈先增大后平穩(wěn)的趨勢(shì)分布;當(dāng)擠壓速度繼續(xù)增大至0.628 mm/s，擠出速度均值先迅速增大達(dá)到峰值后呈逐漸減小趨勢(shì)變化.

綜上可知，隨著成形速度的增加，金屬?gòu)哪？跀D出成形的軸向速度均值呈逐漸增大趨勢(shì)變化，且當(dāng)速度由0.157 mm/s增大至0.628 mm/s時(shí)，金屬擠出速度均值增大了1倍.

圖10 擠出流速均值對(duì)比

2.2.3 位移-載荷變化規(guī)律

不同速度擠壓過(guò)程中位移-載荷的變化對(duì)比如圖11所示.由圖11可知，不同擠壓過(guò)程中，隨著成形的進(jìn)行，載荷均呈先增大后減小的趨勢(shì)變化.且經(jīng)載荷峰值的對(duì)比可知，當(dāng)擠壓成形速度由0.157 mm/s增大至0.628 mm/s，擠壓載荷峰值由41.7 t增至57.8 t，增大了38.6%.

由上述分析可知，凹模轉(zhuǎn)速與擠壓速度均對(duì)成形過(guò)程有重要影響.當(dāng)其他條件不變時(shí)，應(yīng)綜合考慮擠壓速度及凹模轉(zhuǎn)速之間數(shù)值的合理匹配.

圖11 位移－載荷變化對(duì)比

3 結(jié)論

1)通過(guò)凹模轉(zhuǎn)速對(duì)成形過(guò)程的影響對(duì)比可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，坯料上塑性區(qū)的范圍顯著擴(kuò)大，溫度峰值隨之增大，極限載荷峰值則顯著降低.

2)隨著擠壓速度的增加，坯料上的溫度峰值明顯地增大，擠出金屬流速均值隨之變大，金屬越易被擠出成形.

［1］ 劉靜安，王嘉欣.大型鋁合金型材及其用途［J］.有色金屬加工，2002，31(3):40-46. LIU Jing-an，WANG Jia-xin.Large aluminum alloy profiles and their applications［J］.Nonferrous Metals Processing，2002，31(3):40-46.

［2］ 劉靜安，楊璐.大中型鋁合金擠壓材生產(chǎn)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析［J］.鋁加工，2005，160(1):1-4. LIU Jing-an，YANG Lu.Current Production situation and application prospect of large and medial aluminum alloy extruded prof iles［J］.Aluminum Processing，2005，160(1):1-4.

［3］ 西原正夫著.靜液擠壓技術(shù)［M］.吳建常，張清伏，譯.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1978.

［4］ LI Feng，YUAN S J，LIU G，HE Z B.Research of metal flow behavior during extrusion with active friction［J］. Journal of Materials Engineering and Performance，2008，17(1):7-14.

［5］ 孫紅鐿.大型枝杈類(lèi)零件剪切擠壓成形研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2001.

［6］ MüLLER K B.Bending of extruded profiles during extrusion process［C］//Proceedings of the 1st International Conference on New Forming Technology，Harbin:ICNFT，2004:234-245.

［7］ YASUMASA C，TETSUJI H，MaAMORU M.Mechanical and corrosion properties of AZ31 magnesium alloy repeatedly recycled by hot extrusion［J］.Materials Transactions，2006，47(4):1040-1046.

［8］ KRISHNA B V，VENUGOPAL P，RAO K P.Solid state joining of dissimilar sintered P/M perform tubes by simultaneous cold extrusion［J］.Materials Science and Engineering A，2004，386(1/2):301-317.

［9］ 李峰.旋轉(zhuǎn)凹模的金屬擠壓成形方法:中國(guó)，ZL200810064386.7［P］.2009-05-27.

［10］ MAX，BARNETT M R，KIM Y H.Forward extrusion through steadily rotating conical dies.Part I:Experiments［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2004，46(3):449-464.

［11］ MAX，BARNETT M R，KIM Y H.Forward extrusion through steadily rotating conical dies.Part II:Theoretical analysis［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2004，46(3):465-489.

［12］ SERGEEV M K.Experimental investigation of back ward extrusion by rotating relief punch［J］.Kuznechno Shtampovochnoe Proizvod，1991，9:5-6.

［13］ LOGINOV Y N，BURKIN S P.Kinetic conditions of metal twisting on pressing through rotating die［J］.Izvestiia Vysshikh Uchebnykh Zavedenii:Chernaya Metallurgiya，1995(8):38-41.

［14］ LIU Gang，ZHOU Jie，DUSZCZYK J.Finite element simulation of magnesium extrusion to manufacture a cross-shaped profile［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering，2007，129(3):607-614.

Finite element analysis of rotating container in extrusion process

LI Feng1，ZHANG Xin-long1，CHU Guan-nan2
(1.College of Materials Science and Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China，E-mail:hitlif@126.com;2.School of Naval Architecture，Harbin Institute of Technology at Weihai，Weihai 264209，China)

To reduce energy consumption and improve product performance，numerical simulation is conducted to analyze the extrusion process with rotating container.The results show that the plastic zone is enlarged significantly with the increase of rotation speed of the concave die.As the rotation speed increases from 0 to 0.314 rad/s，the mean exit velocity of the extruded material increases 1.5 times，and the peak of extrusion load decreases by 40%.As the mean extrusion speed increases from 0.157 mm/s to 0.628 mm/s，the peak of extrusion load increases by 38.6%，and the mean exit speed of the extruded material increases by 1 time.Consequently，the extrusion speed and rotation speed should be matched each other when the other parameters are kept constant.

rotating container;extrusion;reducing energy consumption;mean exit velocity of the extruded

TG376 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-0299(2012)02-0117-05

2010-11-22.

教育部博士點(diǎn)新教師基金資助項(xiàng)目(20112303120001);黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E201128);哈爾濱理工大學(xué)青年拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目.

李 峰(1979-)，男，博士，副教授.

(編輯 程利冬)