白云鵬，劉瑞萍，孔 雪，張書豪，叢述玲，李 冰，張德偉

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著科技的飛速發(fā)展，鋁擠壓型材廣泛應用于各個領域[1-2]。鋁合金熱擠壓是一包含高溫、高壓、高摩擦和大變形的復雜非線性成形問題，擠壓過程中伴隨著復雜的熱傳遞、大變形等交叉耦合現象[3-4]。采用物理實驗和現有的測量手段無法了解鋁合金擠壓過程中金屬流動和變形規(guī)律。在傳統生產中，擠壓工藝參數的確定和新模具的開發(fā)需要進行反復試模修模，導致生產成本提高，生產效率降低。

隨著CAE仿真技術的發(fā)展，數值模擬技術已被廣泛應用于擠壓模具設計和開發(fā)[5-6]。近年來研究較多是通過仿真模擬技術分析模具受力，確定工作帶長度，減少模具試模次數，縮短模具開發(fā)周期。

本文對某鋁合金十字管擠壓過程進行模擬，獲得金屬流動的溫度場、速度場及型材的形變場，研究了其金屬流動規(guī)律，預測實際擠壓過程中可能出現的擠壓型材缺陷，獲得金屬試驗現場難以測量的物理量，為獲得合格制品提供參考建議。

1 有限元模型的建立

1.1 模具有限元模型

本研究以某鋁合金十字管為研究對象，模具設計如圖1所示。用三維建模軟件建立三維實體模型，將其導入有限元分析軟件中，抽取流動實體，劃分實體網格，生成工作帶高低線，建立有限元模型如圖2所示。模型網格總數為442868個，型材截面最薄處至少分布5層單元網格，工作帶區(qū)域沿擠壓方向至少分布8層單元網格。工作帶和型材采用三棱柱網格，其它部分采用四面體網格。

圖1 模具設計圖Fig.1 Mold design drawing

圖2 有限元分析模型Fig.2 Finite element analysis model

1.2 擠壓材料模型

鋁型材擠壓成型模擬中，通常假設材料是不可壓縮粘塑性非牛頓流體，本擠壓板材料為6063合金，其材料本構模型如下[4]：

(1)

式中，σ為流動應力，R為氣體常數，T為溫度，m為應力系數，A為應變因子的倒數，ɑ為應力常數，Q稱為激活能，k0(T)為初始應變速率，溫度場的選取決定應變速率的大小。

1.3 擠壓工藝參數

擠壓工藝參數為，模具溫度480℃～500℃，棒料溫度490℃～510℃，擠壓筒溫度440℃～460℃，制品速度4～6m/min，擠壓系數28.8；工作帶處設為庫侖摩擦，摩擦因數為0.3，其它部位設為粘性摩擦。模具與棒料的表面?zhèn)鳠嵯禂禐?000 W/(m2·K)。

2 模擬結果與分析

2.1 擠壓變形模擬結果

圖3為擠壓型材各處金屬速度場，(a)～(c)分別對應著分流孔供料流速、焊合室供料流速和型材出口流速。

圖3 擠壓型材各處速度場Fig.3 Speed field of extrusion profiles in each part

由圖3(a)可見，4個分流孔流速不均勻，1號分流孔流速相對較慢，2號分流孔流速相對較快，這與分流孔大小及其他模具設計參數有關，可以通過調節(jié)分流孔形狀和大小使分流孔處供料更加均勻。由圖3(b)和3(c)可見，焊合室供料速度和型材出口流速趨勢一致，型材出口截面速度大小不均，2號分流孔對應位置型材出口速度較快，中間十字交叉部位流速較快，這與分流孔供料流速以及中間交叉處工作帶高度較低有關。工作帶高度較低，摩擦阻力減小，流速相對較快。型材出口截面流速大小不均，導致擠出型材容易發(fā)生彎曲扭擰等缺陷。

圖4為擠壓型材變形圖，由圖中可見，流速較快部位對應型材變形較大，圖4中A、B、C三處型材變形較大，與型材流速分布結果相一致。從型材的流速圖和變形圖可以提前判斷擠壓型材可能出現的缺陷。由于A處型材出口流速最快，導致A處一側型材流動快，型材容易出現彎曲扭擰缺陷。

2.2 擠壓溫度場模擬結果

圖5為擠壓過程溫度場分布，可見棒料擠壓過程中表面溫升不明顯，甚至有些位置溫度有所降低。這是由于棒料沿擠壓軸向擠壓時，棒料和擠壓筒和模具發(fā)生劇烈剪切摩擦，內腔由于摩擦作用產生熱量，但是模具溫度低于棒料預熱溫度，所以棒料與模具之間發(fā)生熱傳遞使得棒料溫度先升高后降低。對于型材出口部位，溫度分布較均勻，溫度明顯升高，這是由于擠壓過程中金屬流過工作帶時，發(fā)生較大變形，并與工作帶發(fā)生劇烈摩擦，產生塑性變形熱，從而使出口型材溫度升高。

圖4 擠壓型材變形場Fig.4 Deformation field of extrusion profile

圖5 擠壓型材溫度場Fig.5 Temperature field of extrusion profile

2.3 擠壓驗證

圖6為擠壓實驗所得型材照片。型材出口變形較大位置與模擬結果相吻合，型材試模料頭發(fā)生彎曲。參考模擬結果，建議對模具工作帶高度進行優(yōu)化，使型材出口部位流動更加均勻，減少彎曲扭擰等缺陷的產生。

3 結論

(1)通過穩(wěn)態(tài)擠壓模擬了十字管擠壓過程，分析了擠壓過程中制品可能出現的變形缺陷，并與車間生產試模料頭進行了比較，變形趨勢非常吻合；

圖6 擠壓實驗所得型材Fig.6 Profiles extrusion experiment

(2)型材流動較快部位如A、B、C處，可以適當增加工作帶高度，增加阻流塊設計來增加流動阻力，或減少供料量來減緩流動，從而使型材出口金屬流量趨于均勻，減少彎曲、扭擰等缺陷的產生。