顧明光

(1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

鋁合金是一種輕質(zhì)合金，在航空、航天、汽車等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)中，鋁合金零部件多使用熱塑性變形加工，然而，鋁合金在熱塑性成形時(shí)有可鍛窗口小、對(duì)溫度敏感的特點(diǎn)，坯料冷卻速度快，最終導(dǎo)致成形失敗。在現(xiàn)階段，輔助加熱成形是解決這一問題的有效手段，即在熱成形過程中對(duì)坯料進(jìn)行補(bǔ)償加熱。電磁感應(yīng)加熱作為一種高效、節(jié)能、易于自動(dòng)化控制的現(xiàn)代化加熱方法，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[1-4]。目前，大多數(shù)學(xué)者只是把電磁感應(yīng)加熱用于坯料初始溫度加熱，如使用電磁感應(yīng)爐加熱等，其特點(diǎn)是只針對(duì)坯料進(jìn)行加熱，加熱過程中坯料不發(fā)生塑性變形。至今為止，還沒有電磁感應(yīng)加熱與金屬熱塑性成形之間的溫度場實(shí)時(shí)耦合計(jì)算的報(bào)道[5-10]。筆者提出了電磁感應(yīng)輔助加熱墩粗成形多場耦合數(shù)值模擬方法，建立了電-磁-熱-塑性變形多物理場耦合有限元模型，實(shí)現(xiàn)了電磁感應(yīng)加熱與塑性成形實(shí)時(shí)耦合計(jì)算。模擬結(jié)果表明，電磁感應(yīng)輔助加熱可以有效補(bǔ)償鋁合金坯料在墩粗成形時(shí)的表面溫度損失，電磁感應(yīng)加載的電流強(qiáng)度越大，熱補(bǔ)償效果越明顯。

1　有限元模型建立

鋁合金棒料墩粗是金屬熱塑性變形工藝的一種，是非線性熱-力(熱塑性變形)多場耦合過程，可使用ANSYS/Ls-dyna模塊進(jìn)行熱-力耦合數(shù)值模擬計(jì)算；電磁感應(yīng)加熱是非線性電-磁-熱多場耦合過程，可使用ANSYS/Multiphysics模塊進(jìn)行電-磁-熱耦合數(shù)值模擬計(jì)算。首先，分別在ANSYS/Ls-dyna和ANSYS Multiphisic中建立完全相同的坯料有限元模型；然后，在ANSYS/Multiphisic進(jìn)行電磁感應(yīng)加熱耦合分析，計(jì)算出感應(yīng)熱場，再把電磁感應(yīng)熱場作為外熱源加載到ANSYS/Ls-dyna對(duì)應(yīng)的坯料單元中，進(jìn)行熱-塑性變形耦合分析。最后，把在ANSYS/Ls-dyna經(jīng)歷首次墩粗成形計(jì)算后的坯料模型數(shù)據(jù)、坯料溫度場數(shù)據(jù)再導(dǎo)入到ANSYS/Metaphysics中，作為下次感應(yīng)加熱的初始條件繼續(xù)進(jìn)行電磁感應(yīng)加熱，循環(huán)整個(gè)過程直到整個(gè)墩粗過程結(jié)束。如此便在考慮變形產(chǎn)熱的前提下，實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)電-磁-熱-結(jié)構(gòu)的多物理場實(shí)時(shí)耦合過程。

有限元模型如圖1所示，使用六面體八節(jié)點(diǎn)單元網(wǎng)格類型對(duì)坯料進(jìn)行掃掠網(wǎng)格劃分?？紤]到電磁感應(yīng)加熱的集膚效應(yīng)，對(duì)坯料表面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。設(shè)置上模與下模為剛體，圓柱坯料直徑為80 mm，毛坯高度為65 mm，上下模直徑為120 mm，模具厚度為30 mm。坯料初始溫度為400 ℃，模具預(yù)熱溫度為300 ℃，電磁感應(yīng)加熱電流強(qiáng)度為5 000 A，電流頻率為5 000 Hz，上模以5 mm/s的速度下壓，總壓下量為10 mm，線圈中心位于H/2處，線圈位置保持不動(dòng)。坯料材料為牌號(hào)2219鋁合金，材料參數(shù)如表1所示。

圖1　電磁感應(yīng)輔助加熱墩粗成形有限元模型

牌號(hào)密度/kg/m3彈性模量/GPa泊松比溫度/℃熱傳導(dǎo)率/K/m2/s比熱容/J/kg/K電導(dǎo)率/S/m相對(duì)磁導(dǎo)率2219284069.40.33201598310.02711001688310.03912001768800.0613001809640.08140018410900.1141

在ANSYS/Multiphysics中設(shè)置遠(yuǎn)場磁場邊界電勢(shì)為0，材料發(fā)射率為0.11，玻爾茲曼常數(shù)為1.38 × 10-23J/K；在ANSYS/Ls-dyna中模具與坯料之間設(shè)置面自動(dòng)接觸，接觸面熱傳導(dǎo)率為25 W/m2/s，摩擦因數(shù)取0.3，溫度場邊界包括熱輻射，與空氣的熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流3個(gè)熱邊界。

2　模擬結(jié)果分析

2.1　鋁合金電磁感應(yīng)輔助加熱墩粗成形溫度分布規(guī)律

圖2　墩粗過程坯料溫度分布

圖2(a)為無電磁感應(yīng)輔助加熱時(shí)，鋁合金圓柱坯料墩粗和模具的溫度場分布，云圖對(duì)應(yīng)的模具壓下量分別為2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm。從溫度云圖中可以看出，墩粗過程中坯料心部溫度升高，表面溫度下降。在上模下壓過程中，坯料逐漸被壓成鼓形，坯料發(fā)生塑性變形產(chǎn)熱，導(dǎo)致坯料心部溫度升高，由于鋁合金熱傳導(dǎo)率比較高，傳熱快，心部熱量很快傳遞到坯料表面，通過與模具和空氣的接觸快速散熱，表面溫度快速下降。其中，坯料與模具接觸區(qū)域的圓周部分溫度下降最快，原因是這一區(qū)域的熱損失包括與模具接觸傳熱、與空氣的換熱兩個(gè)熱損失過程。最終，坯料與模具接觸的兩端區(qū)域溫度最低，為331.2 ℃。坯料表面中間部分溫度從400 ℃降低至352.7 ℃，溫度下降了47.3 ℃。

圖2(b)為加入電磁感應(yīng)輔助加熱后，鋁合金圓柱坯料墩粗的溫度云圖。從圖2(b)中可看出，坯料心部溫度，表面溫度都有所提高。坯料在上模作用下被壓成鼓形，坯料從中間部分開始先后通過線圈加熱區(qū)域，坯料表面溫度呈對(duì)稱梯度分布，位于感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)的坯料溫度最高。加入電磁感應(yīng)加熱后，坯料心部溫度和表面溫度都較加熱前增大。加入感應(yīng)熱場后，經(jīng)過感應(yīng)器加熱區(qū)域的表面溫度明顯升高，最終溫度較加熱前提高了37 ℃，可有效補(bǔ)償坯料表面溫度損失。

2.2　電流對(duì)鋁合金電磁感應(yīng)輔助加熱墩粗溫度分布的影響規(guī)律

在保證電磁感應(yīng)輔助加熱墩粗成形有限元模型其他條件不變前提下，加載強(qiáng)度大小不同的電流，研究了電磁感應(yīng)加熱電流載荷強(qiáng)度對(duì)坯料溫度的影響規(guī)律，如圖3所示。不加感應(yīng)加熱時(shí)，坯料表面溫度很快從400 ℃下降至352.7 ℃。加入感應(yīng)加熱后，在同樣時(shí)間坯料表面溫度下降速度明顯減慢。其中，電流強(qiáng)度越高，坯料表面溫度下降速度越慢，電磁感應(yīng)輔助加熱對(duì)坯料表面的溫度補(bǔ)償效果就越明顯。與感應(yīng)加熱前相比，當(dāng)電流強(qiáng)度I=4 000 A時(shí)，坯料表面感應(yīng)加熱區(qū)最終溫度為383.9℃，相比加熱前溫度352.7 ℃提高了31.2 ℃。當(dāng)電流強(qiáng)度為5 000 A時(shí)，坯料表面感應(yīng)加熱區(qū)最終溫度為389.7 ℃，相比未加熱提高了37 ℃；當(dāng)電流強(qiáng)度I=6 000 A，坯料表面感應(yīng)加熱區(qū)最終溫度為392.8 ℃，相比未加熱提高了40.7 ℃。

圖3　坯料表面溫度隨時(shí)間的變化

3　結(jié)論

(1)把電磁感應(yīng)加熱實(shí)時(shí)加到鋁合金墩粗工藝過程中，建立了電-磁-熱-塑性變形多物理場實(shí)時(shí)耦合的有限元模型，實(shí)現(xiàn)鋁合金電磁感應(yīng)輔助加熱墩粗成形的數(shù)值模擬計(jì)算。

(2)模擬結(jié)果表明，在5 000 A電流強(qiáng)度下，電磁感應(yīng)輔助加熱可有效對(duì)鋁合金棒料表面進(jìn)行補(bǔ)償加熱，位于加熱區(qū)的表面溫度相比未加熱時(shí)提高了37 ℃，有效地降低坯料表面溫度衰減。

(3)感應(yīng)加熱區(qū)的坯料表面溫度隨著加載電流增強(qiáng)而變大，電流越大，補(bǔ)償加熱效果越明顯。

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