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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)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(dòng)成形過(guò)程。過(guò)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(jì)，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(cè)擠壓過(guò)程中金屬流動(dòng)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(guò)程，得到了焊合室形狀對(duì)材料流動(dòng)、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(duì)鋁合金空心型材擠壓過(guò)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(yàn)對(duì)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(dòng)；Bastani等[11]采用數(shù)值模擬法進(jìn)行等溫?cái)D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(guò)程，并通過(guò)調(diào)整工作帶長(zhǎng)度優(yōu)化了型材擠出速度；He等[13]通過(guò)有限元方法研究了分流模擠壓過(guò)程中焊合室的作用；Assaad等[14]通過(guò)有限元法研究了工作帶對(duì)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(shí)現(xiàn)了分流下對(duì)5005鋁合金分流模擠壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了分流組合模擠壓過(guò)程中材料的流動(dòng)行為與變形體速度分布規(guī)律，同時(shí)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(yàn)

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(chǎng)通過(guò)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(cè)繪手段，形狀尺寸難以測(cè)量。為此，作者使用法國(guó)產(chǎn) Faro便捷式三坐標(biāo)測(cè)量臂，對(duì)模具中尺寸難以測(cè)繪的工作帶和分流橋等部位進(jìn)行空間點(diǎn)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(diǎn)云信息，如圖1（c）、（d）所示。然后利用STUDIO軟件對(duì)點(diǎn)信息進(jìn)行處理得到特征曲線(xiàn)，并利用UG對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行處理，得到可以反映現(xiàn)實(shí)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(jiàn)表2。

圖1 擠壓模具實(shí)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(yàn)

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(lèi)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(duì)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(lè)試劑腐蝕4min，在偏光顯微鏡下對(duì)型材的晶粒分布進(jìn)行觀(guān)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(jì)方法，分別觀(guān)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(wú)法將相互接觸的單元節(jié)點(diǎn)合并為一個(gè)節(jié)點(diǎn),從而在模擬擠壓焊合過(guò)程中會(huì)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(huì)反復(fù)發(fā)生，直接造成模擬對(duì)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(shí)，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(guò)程中因?yàn)槟＞邚?fù)雜結(jié)構(gòu)，金屬流動(dòng)行為相當(dāng)復(fù)雜。為了研究金屬在分流模擠壓過(guò)程的金屬流動(dòng)行為，同時(shí)克服DEFORM-3D分流模擠壓模擬中模擬焊合過(guò)程網(wǎng)格穿透帶來(lái)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(shí)，在保持塑性成形過(guò)程中體積不變的前提下，對(duì)焊合面網(wǎng)格進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)后再繼續(xù)計(jì)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(shí)，第一個(gè)焊合面滿(mǎn)足修復(fù)條件，對(duì)第一個(gè)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(shí)，需要對(duì)第二個(gè)焊合面進(jìn)行修復(fù)，第二個(gè)焊合面網(wǎng)格重構(gòu)的有限元模型如圖4所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 擠壓過(guò)程金屬流動(dòng)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(guān)顯示擠壓過(guò)程任意時(shí)刻金屬的流動(dòng)行為。型材在擠壓過(guò)程中的金屬流動(dòng)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(gè)分流孔形狀一致、面積相等，使得孔內(nèi)擠出金屬的長(zhǎng)度及流速相同，在填充焊合階段，3股金屬同時(shí)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(dòng)并圍繞模芯開(kāi)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(kāi)始分流到型材擠出的擠壓力分布曲線(xiàn)如圖5所示。擠壓初始，金屬突破分流橋的阻力，擠壓力直線(xiàn)增加；分流階段，擠壓力平緩；填充階段，金屬開(kāi)始擠入焊合室到與焊合室底面開(kāi)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(dòng)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(mǎn)；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(guò)程速度場(chǎng)分布

通過(guò)擠壓過(guò)程數(shù)值模擬，得到的變形體速度場(chǎng)分布見(jiàn)圖6。受分流孔形狀影響，擠壓分流過(guò)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(dòng)速度分布不均勻，型材出口處速度最大，變形體上質(zhì)點(diǎn)速度隨離出口距離的增加而減小，靠近焊合室壁處質(zhì)點(diǎn)接近于靜止，形成死區(qū)。這些死區(qū)容易在擠壓過(guò)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(xiàn)分別為圖6中大變形區(qū)質(zhì)點(diǎn)a點(diǎn)與死區(qū)質(zhì)點(diǎn)b點(diǎn)擠壓過(guò)程中速度變化曲線(xiàn)。在分流階段a、b點(diǎn)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(shí)，金屬流動(dòng)受阻，a、b點(diǎn)速度下降且在整個(gè)填充焊合階段金屬流速變化不大；型材擠出階段，質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)困在死區(qū)流動(dòng)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(gè)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(guò)程中的行程載荷曲線(xiàn)Fig.5 Load-stroke curve during the whole extrusion

圖6 型材擠出成形時(shí)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(shí)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(lèi)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(gè)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(duì)應(yīng)圖2所示實(shí)際擠出型材a、、c、d4個(gè)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(guò)程中，由于摩擦的影響，周邊區(qū)域金屬的流動(dòng)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?？讛D出時(shí)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(dòng)，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(chǔ)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(yàn)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(shuō)明模擬結(jié)果比較接近實(shí)際情況。a

圖7 質(zhì)點(diǎn)a、b擠壓過(guò)程中流動(dòng)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(guò)焊合面網(wǎng)格重構(gòu)方法，成功實(shí)現(xiàn)了分流組合模擠壓空心型材成形過(guò)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(guò)程中的材料流動(dòng)行為及變形體速度分布規(guī)律，可以預(yù)測(cè)擠壓過(guò)程中型材的扭曲、彎曲和變形規(guī)律，為擠壓模具設(shè)計(jì)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(shí)際晶粒尺寸分布有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，型材擠壓成形過(guò)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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