唐 妍

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，江蘇 南京 211188)

擠壓速度是鋁型材擠壓過程的一個重要工藝參數(shù)，合理的擠壓速度能夠降低材料的變形阻力，同時使擠壓材料的熱量產(chǎn)生與散失保持平衡，將其溫度維持在一定范圍內(nèi)，從而使擠壓力較小且擠壓件內(nèi)部微觀組織均勻，質(zhì)量穩(wěn)定。擠壓速度過快會造成金屬流動不均勻、模具溫度較高等現(xiàn)象，而擠壓速度過慢又會影響生產(chǎn)效率。

準確地測量熱擠壓過程中模具載荷情況以及模具和擠壓件不同部位的溫度是非常困難的，因此利用數(shù)值模擬技術(shù)來研究熱擠壓過程就顯得非常重要。本文以一空心鋁型材為例，利用Pro/E軟件構(gòu)建其成型擠壓模具，并利用基于有限體積法的MSC－Superforge軟件來數(shù)值模擬不同擠壓速度下熱擠壓成型過程中模具溫度和載荷的變化情況，可為擠壓工藝及模具的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考[1－2]。

1 數(shù)值模擬模型的建立

1.1 模具的構(gòu)建

選擇某一空心鋁型材(如圖1所示)的熱擠壓成型過程為研究對象，其截面尺寸為60mm×20mm，壁厚3mm。

空心鋁型材采取平面分流模擠壓成形，利用Pro/E軟件構(gòu)建分流模如圖2所示，其中?？坠ぷ鲙гO(shè)置如圖3所示。坯料選擇Al6063合金，尺寸φ 170mm×50mm;模具材料選擇H13;整個擠壓過程的擠壓比 λ =51.1。

1.2 工藝參數(shù)的設(shè)置

圖1 空心鋁型材實體圖

圖2 分流組合模

圖3 ?？坠ぷ鲙Х植?單位:mm)

坯料和模具的預(yù)熱溫度分別設(shè)置為480℃和450℃;選擇常摩擦因子模型，m=0.33。網(wǎng)格尺寸為1.5mm，為節(jié)省模擬時間，設(shè)置凸模壓下量為33mm，即擠壓進入穩(wěn)定狀態(tài)后模擬停止。

擠壓速度采用恒定速度模型和線性分布速度模型兩種形式，恒定速度模型分別采用2，4，6，8，10mm/s;針對較高的恒定擠壓速度8mm/s和10mm/s，采取由高到低的線性分布速度，即12～4mm/s和 15 ～5mm/s[3]。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 擠壓速度對溫度的影響

在平面分流模及坯料的幾何特征、摩擦狀況、材料和預(yù)熱溫度等條件都一定的情況下，擠壓速度決定了變形材料產(chǎn)生熱量的多少和提供熱交換的時間，因此擠壓速度就成為影響擠壓件溫度的主要因素。當變形體中產(chǎn)生的熱量能夠在足夠的熱交換時間里傳遞到溫度較低模具以及外環(huán)境時，就能夠維持擠壓件內(nèi)部的溫度恒定，保持擠壓件組織的穩(wěn)定。

擠壓速度2mm/s時隨著擠壓過程中壓下量的變化，坯料的溫度場分布如圖4所示?？梢钥闯?，坯料溫度變化范圍在454.5℃ ～477.2℃，說明在此擠壓速度下，塑性變形產(chǎn)生的熱量有足夠的時間傳遞到溫度較低的模具以及外環(huán)境中去，使得變形材料的溫度從初始的480℃逐漸降低。壓下量為38mm時，位于?？诠ぷ鲙С隹谔帨囟茸罡?，這是很合理的，因為此區(qū)域金屬變形最為激烈。

圖4 擠壓過程中的溫度場分布

圖5是擠壓速度分別為2，4，6，8，10mm/s時擠壓件最高溫度隨壓下量的變化曲線，可以看出隨著擠壓速度的上升，擠壓件溫度呈增高趨勢。擠壓速度為2mm/s和4mm/s時，擠壓件最高溫度隨著凸模壓下量逐漸降低，說明當擠壓速度較低時，塑性變形產(chǎn)生的熱量有足夠的時間傳遞到溫度較低的模具以及外環(huán)境中;擠壓速度為6mm/s時，擠壓件的溫度曲線顯得比較平穩(wěn)，說明在此速度條件下，產(chǎn)生的熱量與散失的熱量基本相等，保持了擠壓件溫度的穩(wěn)定;當擠壓速度為10mm/s時，溫升達到9℃，這是由于擠壓速度越快，產(chǎn)生的熱量越多，同時用于散失熱量的時間越少，使得擠壓件的溫度逐漸升高，熱量的產(chǎn)生與散失較難達到平衡，使擠壓件的溫度持續(xù)升高。要想使溫度保持在恒定范圍內(nèi)，則必須降低擠壓速度。降低擠壓速度雖可使擠壓件溫度保持在恒定范圍內(nèi)，但在實際生產(chǎn)中，生產(chǎn)效率將會有所降低。

圖5 不同速度下擠壓件最高溫度隨壓下量變化曲線

圖6為取v1=12～4mm/s，v2=8mm/s，v3=15～5mm/s，v4=10mm/s時擠壓件隨壓下量的變化曲線?？梢钥闯鲈跀D壓速度v1與v3下，壓下量為18mm前擠壓件溫度持續(xù)上升，隨后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，最高溫升分別是6.7℃和8.9℃，這是因為在擠壓的開始階段，變形程度較小，用較高的速度擠壓，產(chǎn)生的變形熱大于熱量的散失，溫度逐漸升高并達到最高值，隨著變形程度增加和擠壓速度的降低，有足夠的時間使得變形熱的產(chǎn)生和熱量散失之間達到平衡，擠壓件溫度趨于穩(wěn)定。而使用恒定速度v2和v4擠壓時，溫度持續(xù)升高，最高溫升分別是8℃和13.5℃，分別高于線性變化的速度v1和v3對應(yīng)的溫升。說明隨著變形程度增加，產(chǎn)生的熱量增加，速度不變，產(chǎn)生的熱量沒有足夠的時間散失到模具及環(huán)境中去。如果速度過大，溫度甚至?xí)^臨界相變溫度，產(chǎn)生過燒現(xiàn)象，造成質(zhì)量缺陷[4]。

圖6 不同速度模型下擠壓件溫度隨壓下量的變化曲線

2.2 擠壓速度對模具載荷的影響

模具承受載荷是其產(chǎn)生開裂、磨損等缺陷的原因，載荷越小產(chǎn)生缺陷的可能性越小。

由擠壓過程模具受力曲線(圖7)可以看出，擠壓力隨著行程的增加而增大，金屬在擠壓過程中經(jīng)歷以下4個階段:(1)金屬從擠壓筒流入分流孔瞬間擠壓力迅速增加，隨后平穩(wěn)經(jīng)過分流孔，此時載荷緩慢增加;(2)金屬從分流孔進入焊合室，金屬充滿焊合室有一個過程，擠壓力開始逐漸升高;(3)當金屬充滿焊合室并向工作帶方向流動時是熱擠壓過程中最為困難的階段，擠壓力會急劇上升，直到型材擠出工作帶，這時所需載荷最大;(4)一旦金屬流出工作帶，擠壓就進入穩(wěn)定成形階段，在該階段的成形過程中，由于大量金屬已流出工作帶，其強大的牽附作用使成形變得相對容易得多，載荷曲線也趨于穩(wěn)定，變化起伏較小。

圖7 空心鋁型材成形過程的擠壓力－行程圖

圖8表示不同恒定擠壓速度對模具載荷的影響，模具載荷整體趨勢是隨著擠壓速度的升高而升高，這是由于高的擠壓速度可使材料的變形抗力變大。但在6mm/s時模具載荷出現(xiàn)異常，這是由于當擠壓速度較高時，擠壓件溫度升高幅度也較大，而材料溫度升高是使材料變形抗力降低的因素之一。且由圖8可知擠壓速度為2mm/時，模具承受的載荷比擠壓速度為10mm/s時的模具載荷降低了4.63%，可見，降低擠壓速度是降低模具承受的載荷、延長模具壽命的手段之一。

圖8 不同擠壓速度下模具載荷分布曲線

由圖9給出的的模具載荷對比圖可知，采用呈線性分布的擠壓速度時，其模具所承受的載荷較于采用相同平均速度的恒定擠壓速度時明顯降低，兩組降低幅度分別是21.5%和21.1%。由此可見，使用由高到低線性分布的擠壓速度，可有效防止模具磨損和開裂，延長模具使用壽命。

圖9 不同速度曲線下模具載荷對比圖

3 結(jié)束語

本文利用Pro/E軟件構(gòu)建了空心鋁型材擠壓模具，并利用MSC Superforge軟件模擬了整個熱擠壓過程，探討了不同擠壓速度對擠壓件溫度和模具載荷的影響。由模擬結(jié)果可知，隨著擠壓速度的增加，擠壓件溫度和模具所受載荷均呈現(xiàn)上升趨勢;采用從高到低線性分布的擠壓速度模型，可有效降低擠壓件溫升和擠壓模具載荷，提高擠壓件質(zhì)量，防止模具磨損和開裂，延長模具壽命。

[1] 潘健怡，周照耀，王堯，等.兩種數(shù)值模擬方法在鋁合金擠壓模具優(yōu)化設(shè)計中的對比[J].輕合金加工技術(shù)，2009，37(9):47－51.

[2] 王堯.鋁合金型材分流擠壓過程的數(shù)值模擬研究[D].廣州:華南理工大學(xué)，2010.

[3] 劉石柏.鋁型材擠壓成型數(shù)值模擬與模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[D].長沙:湖南工業(yè)大學(xué)，2012.

[4] 吳向紅，趙國群，欒貽國，等.鋁材長方形空心管擠壓過程數(shù)值模擬與模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機床與液態(tài)，2006(11):20－23.