鐘建華，　袁志燕，　劉艷霞，　林師朋

（江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 贛州341000）

擠壓工藝參數(shù)對(duì)擠壓過程影響規(guī)律的仿真模擬研究

鐘建華，袁志燕，劉艷霞，林師朋

（江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 贛州341000）

研究對(duì)象是某6063工業(yè)鋁型材，將建立好的三維模型導(dǎo)入到有限元Altair Hyperxtrude分析軟件進(jìn)行仿真模擬，通過改變型材擠壓工藝參數(shù)（擠壓比、棒料預(yù)熱溫度、模具預(yù)熱溫度、擠壓筒預(yù)熱溫度、擠壓速度），研究其對(duì)金屬流動(dòng)的規(guī)律，基于直交表Taguchi方法分析各擠壓工藝參數(shù)對(duì)型材截面速度分布和擠壓力的影響規(guī)律.結(jié)果表明：對(duì)于型材截面流動(dòng)均勻程度指標(biāo)參數(shù)，最佳擠壓參數(shù)為擠壓棒料外徑205 mm、擠壓墊速度3.2 mm/s、棒料預(yù)先加熱溫度480℃、擠壓模具預(yù)先加熱溫度470℃、擠壓筒預(yù)先加熱溫度440℃；對(duì)于擠壓力指標(biāo)參數(shù)，棒料外徑200mm、擠壓墊速度1.4mm/s、棒料預(yù)先加熱溫度490℃，擠壓模具預(yù)先加熱溫度480℃、擠壓筒預(yù)先加熱溫度460℃.

6063鋁合金；擠壓過程；仿真模擬；型材截面速度；擠壓力

0　引　言

我國擁有極其豐富的鋁礦資源，鋁合金型材已被各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用．鋁合金型材生產(chǎn)過程中最主導(dǎo)技術(shù)以及關(guān)鍵的核心環(huán)節(jié)是擠壓成型[1]，型材質(zhì)量的好壞決定于模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與擠壓工藝參數(shù)，如何選擇好的擠壓工藝參數(shù)和延長擠壓模具的壽命已成為各行業(yè)亟待解決的問題．型材擠壓工藝參數(shù)設(shè)計(jì)是擠壓設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的要領(lǐng)之一，它主要包括擠壓比、擠壓速度、擠壓溫度等要素．?dāng)D壓工藝參數(shù)設(shè)計(jì)合理與否直接關(guān)系到后續(xù)型材產(chǎn)品的表面質(zhì)量以及擠壓力大小，以往在對(duì)擠壓工藝參數(shù)的選擇上往往是通過反復(fù)試用以及經(jīng)驗(yàn)獲得，本文主要是通過對(duì)型材擠壓過程進(jìn)行仿真模擬，在試模擠壓前利用仿真模擬技術(shù)對(duì)擠壓加工進(jìn)行模擬，通過改變擠壓工藝參數(shù)的數(shù)值，計(jì)算獲得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場無法獲得的型材物理性能．

針對(duì)擠壓過程的仿真模擬國內(nèi)外做過類似的研究[2-5]，本次研究就是以某6063空心鋁型材擠壓加工為研究為對(duì)象，以Altair Hyperxtrude軟件為仿真模擬載體，基于Taguchi分析方法，獲得擠壓該型材時(shí)的最佳工藝參數(shù)配比，為企業(yè)生產(chǎn)提供參考，從而提高生產(chǎn)效率．

1　實(shí)驗(yàn)研究方法

1.1A ltair Hyperxtrude擠壓仿真模擬軟件的簡介

鋁型材擠壓成型在鋁型材加工領(lǐng)域是一個(gè)高壓高溫以及復(fù)雜的非線性、大變形的熱-力耦合的塑性成型加工過程，Altair Hyperxtrude是目前全球唯一專業(yè)的鋁型材擠壓仿真模擬軟件，同時(shí)可以對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的軟件，可以進(jìn)行正向擠壓和反向擠壓分析，求解類型有瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)2種，hyerxtrude采用了ALE算法，ALE算法是以非線性的納維葉-斯托克斯方程作為控制方程，有連續(xù)性、動(dòng)量守恒和能量守恒3個(gè)基本方程控制[6-9]．

連續(xù)性方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

式（1）～式（3）中：v為材料的位移；ρ為材料密度；τ為柯西應(yīng)力；T為熱力學(xué)溫度；E為內(nèi)能；Kij為熱傳導(dǎo)系數(shù)；K0為單位體積的熱源；t為時(shí)間；pi為作用于物體上單位質(zhì)量的體力；ci為物質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于網(wǎng)格點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度，即為對(duì)流速度．

1.2Taguchi試驗(yàn)研究方法簡介

Taguchi試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要的理論基礎(chǔ)是概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)，通過Taguchi設(shè)計(jì)理念可以減少試驗(yàn)次數(shù)，通過試驗(yàn)方案對(duì)比尋找最佳的工藝參數(shù)配比，從而降低成本、提高實(shí)際生產(chǎn)效率并獲得表面質(zhì)量和性能最佳的型材產(chǎn)品．Taguchi方法[10-12]利用正交表來選擇試驗(yàn)條件和安排試驗(yàn)方案，它的最大優(yōu)點(diǎn)就是利用最少的試驗(yàn)次數(shù)獲得最佳的工藝參數(shù)，該設(shè)計(jì)方法是一種簡單有效的方法，憑借其設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程、化工、加工等領(lǐng)域．如圖1所示描述了Taguchi試驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般流程．

圖1　Taguchi試驗(yàn)流程Fig.1　Experiment process of Taguchi

信噪比（S/N ratio）作為衡量質(zhì)量特性的重要依據(jù)，用于系統(tǒng)和產(chǎn)品開發(fā)．本次研究采用信噪比（S/N ratio）來衡量5個(gè)擠壓工藝參數(shù)對(duì)型材截面速度均方差、擠壓力的影響規(guī)律以及對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)特性的影響規(guī)律，研究采用靜態(tài)特性中的望小特性（smaller the better）．為了更好地研究采用望小特性（smaller the better），對(duì)于望小質(zhì)量特性服從Y～N（μ，σ2）分布，可將信噪比定義為S/N用η表示，即η=μ2/σ2，用信噪比來衡量產(chǎn)品特性的穩(wěn)定性．為了使η更加接近于正態(tài)分布，使效應(yīng)趨于線性可加性，將η值變成分貝（dB）值，即

望小特性希望Y越小越好，即可以認(rèn)為μ2、σ2越小越好，所以可以將η的值變?yōu)?/p>

另一種表述方式為：

式（4）中，Xi：表示第i次試驗(yàn)的試驗(yàn)值；i：表示試驗(yàn)的序號(hào)；N表示試驗(yàn)總次數(shù)．

2　擠壓模型

本研究的對(duì)象是山東某廠生產(chǎn)的型號(hào)為Y8255鋁合金型材，該型材截面較復(fù)雜，每處壁厚分布不均勻．由于型材截面復(fù)雜的分布，相應(yīng)建立了擠壓模具三維圖，上模外徑為510mm，厚度為130mm如圖2，在上模上設(shè)有分流孔、分流橋、模芯等，下模如圖3，設(shè)有?？缀负仙疃葹?7 mm．

圖2　上模結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Upper die structure

圖3　下模結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Lower die structure

將建立好的上模和下模進(jìn)行組裝，首先將組裝好的三維模型圖導(dǎo)入Hyperxtrude進(jìn)行數(shù)值模擬，圖4為數(shù)值模擬分析模型，然后進(jìn)行前處理，包括幾何處理、網(wǎng)格劃分等，在對(duì)網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)注意以下3點(diǎn)：①型材最薄截面處至少劃分6層單元網(wǎng)格；②對(duì)工作帶區(qū)域劃分時(shí)，沿?cái)D壓正方向至少劃分9層單元網(wǎng)格；③自由面和工作帶上以三菱柱單元網(wǎng)格形式劃分，網(wǎng)格劃分的順序按工作帶-焊合室-坯料，其他部分網(wǎng)格以離工作帶越遠(yuǎn)網(wǎng)格單元尺寸越大的規(guī)則劃分．

圖4　擠壓模擬模型Fig.4　Simulated model of extrusion

3　A ltair Hyperxtrude擠壓模擬結(jié)果分析

上述為初始方案 （棒料直徑210 mm，棒料、模具、料筒預(yù)熱溫度分布為480℃、480℃、450℃，擠壓速度為2mm/s）擠壓仿真結(jié)果，圖5～圖8分別示出了擠壓型材各部分的流速以及流經(jīng)各處的速度．理論上[13-15]，坯料在工作帶上的流速越均勻擠壓制品端面越平齊，從而型材質(zhì)量更好，從圖5可以看到在平模部分明顯快于分流部分，并在壁厚小的地方流速更快，這是因?yàn)樵谄侥Ｌ幙状蠊┝峡欤诜至鞑糠窒鄬?duì)供料較慢，由圖6可以明顯反映供料速度，圖7是坯料通過分流孔的速度，也就是分流孔的供料速度，從圖7中可以看出在坯料流經(jīng)各分流孔時(shí)的相對(duì)速度，通過合理對(duì)比，在分流孔分配上起到主導(dǎo)作用，在流速快的地方可以適當(dāng)減少分流孔面積；其中圖8反映的是坯料流經(jīng)工作帶時(shí)的流速，可以看出在平模處的流速要稍高于分流部分的速度．

圖5　型材各部分流速Fig.5　Flow ing of alum inum profile

圖6　供料流速Fig.6　Feeding flow rate

圖7　分流孔供料流速Fig.7　Feed flow rate of diffluent hole

圖8　工作帶處流速Fig.8　Flow rate of the bearing

4　Taguchi試驗(yàn)方法分析

利用Hyperxtrude擠壓專用模擬軟件分別對(duì)試驗(yàn)直交表中32組不同的擠壓工藝條件下的擠壓過程進(jìn)行仿真模擬，利用公式：為型材截面上節(jié)點(diǎn)i處材料的流動(dòng)速度；所有考察節(jié)點(diǎn)的平均速度；n為考察節(jié)點(diǎn)的總數(shù)）.求出每組中擠壓型材截面的速度相對(duì)均差VRD，為了獲得更接近實(shí)際型材截面的VRD，所選取型材截面的所有節(jié)點(diǎn)的流出速度.

通過模擬out文件獲得擠壓力大小，同時(shí)利用式（4）計(jì)算出VRD、擠壓力的信噪比，計(jì)算結(jié)果如表1.

表1　試驗(yàn)因素與水平表Table1　Factors and levels of experim ents

通過模擬每組工藝參數(shù)條件下的擠壓過程，計(jì)算獲得擠壓型材截面速度均方差VRD和擠壓力的信噪比，為了準(zhǔn)確分析各工藝參數(shù)對(duì)型材的影響，利用直觀分析原理算出不同水平條件下各組工藝參數(shù)的信噪比的平均值具體見表2、表3.

表2　不同水平下VRD的平均信噪比Table2　Average signal-to-noise-ratios of VRD under different levels

表3　不同水平下擠壓力的平均信噪比Table3　Average signal-to-noise-ratios of extrusion force under different levels

將表2、表3不同水平因素的VRD和擠壓力信噪比采用直線圖的形式表示出來，結(jié)果如圖9、圖10，從圖9、圖10中可以看出不同擠壓工藝參數(shù)對(duì)型材截面速度和擠壓力有不同的影響規(guī)律，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及理論知識(shí)可知：型材流經(jīng)模具出口處的速度越均勻則型材表面質(zhì)量越好、型材表面缺陷越少；擠壓型材所需擠壓力越小，擠壓所需能耗越小，擠壓過程中模具磨損量也越小.因此本研究目標(biāo)是減小VRD和降低擠壓力，故采用信噪比中的望小特性來評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)劣.原理為：信噪比越大，目標(biāo)變化越小，結(jié)果越好.

圖9　不同工藝參數(shù)對(duì)VRD的影響Fig.9　Effects of different param eters on VRD

圖10　不同擠壓工藝參數(shù)對(duì)擠壓力的影響Fig.10　Effects of different extrusion p rocess param eters on extrusion force

5　結(jié)　論

以Hyperxtrude軟件為模擬載體，基于Taguchi試驗(yàn)分析方法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，并由直線趨勢圖以及望小特性信噪比原理得出以下結(jié)論：

1）對(duì)于型材截面流動(dòng)均勻程度指標(biāo)參數(shù)，最佳的擠壓工藝參數(shù)組合為A2B4C3D3E2，即擠壓棒料外徑為205mm、擠壓墊速度3.2mm/s、棒料預(yù)先加熱溫度為480℃、擠壓模具預(yù)先加熱溫度為 470℃、擠壓筒預(yù)先加熱溫度為440℃.

2）對(duì)于擠壓力指標(biāo)參數(shù)，最佳工藝參數(shù)組合為A1B1C4D4E4，即棒料外徑為200 mm、擠壓墊速度為1.4mm/s、棒料預(yù)先加熱溫度為490℃，擠壓模具預(yù)先加熱溫度為480℃、擠壓筒預(yù)先加熱溫度為460℃.

3）在實(shí)際生產(chǎn)廠家推薦以及經(jīng)驗(yàn)制定的擠壓參數(shù)范圍內(nèi)，改變擠壓工藝參數(shù)對(duì)型材截面速度和擠壓力有很大影響，其中改變棒料直徑、擠壓速度和棒料預(yù)熱溫度對(duì)其影響最大，可以通過改變其參數(shù)來控制型材質(zhì)量.

6　結(jié)論驗(yàn)證

圖11　1 800 t臥式擠壓機(jī)Fig.11　The 1800 t horizontal extrusion p ress

以圖2、圖3模具構(gòu)造原理加工出實(shí)際擠壓模具，以上述獲得的最佳方案A2B4C3D3E2（型材在模具出口處的流速越均勻型材發(fā)生扭擰、翹曲等缺陷就越小）設(shè)置擠壓工藝參數(shù)，首先通過Hyperxtrude進(jìn)行仿真模擬，獲得型材理論形變.然后以上述參數(shù)進(jìn)行實(shí)際擠壓設(shè)計(jì)，由華南某廠協(xié)助完成試模，選擇的擠壓設(shè)備為1 800 t臥式擠壓機(jī)如圖11，通過試模獲得實(shí)際型材制品如圖12.通過對(duì)型材制品與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出兩者變形趨勢較一致，最終獲得的型材表面光滑平整，沒有出現(xiàn)因過燒而引起的表面斑點(diǎn)；縱向也較平直，沒有出現(xiàn)因流速不均勻而引起的彎曲、扭擰、翹曲等宏觀缺陷.

圖12　型材制品Fig.12　Product of p rofile

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Num erical simulation of effects of extrusion process param eters on extrusion process

ZHONG Jianhua，YUAN Zhiyan，LIU Yanxia,LIN Shipeng
(School of Material Science and Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China）

Using 6063 industrial aluminum profile as the case,the three-dimensional model was introduced into Altair Hyperxtrude software for simulation analysis.The effects of extrusion ratio,billet preheating temperature,die preheating temperature,extrusion tube preheating temperature and extrusion speed on metal flow were investigated.The influence of extrusion parameters on the velocity distribution on the profile cross sections and the ram force were analyzed based on orthogonal table Taguchimethods.The results show that for the index parameters of velocity distribution on profile cross section,the optimum parameters of the extrusion are as follows:the billet diameter is 205 mm，the extrusion speed is 3.2 mm/s，the preheat temperature of the billet is 480℃，the preheat temperature of extrusion die is 470℃，and the preheat temperature of the container is 440℃.For the index parameters of the ram force,the billet diameter is 200 mm，the extrusion speed is 1.4 mm/s，the preheat temperature of the billet is 490℃，the preheat temperature of extrusion die is 480℃，and the preheat temperature of the container 460℃.

6063 aluminum alloy；extrusion process;numerical simulation;profile velocity;extrusion force

TG379

A

10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.03.009

2014-12-10

江西省重大專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目（贛科發(fā)計(jì)字［2003］23號(hào)）

鐘建華（1956-），男，教授，主要從事高效散熱管的理論與實(shí)踐方面的研究，E-mail：645941044@qq.com.