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        阻礙角對6063鋁合金空心型材“T字位”表面凹痕缺陷的影響

        2021-05-13 11:44:10向文杰王澤群張婷蕊王孟君潘學(xué)著
        輕合金加工技術(shù) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:凹痕型材懸臂

        向文杰,王澤群,張婷蕊,王孟君,潘學(xué)著,王 崗

        (1.中南大學(xué) 有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點實驗室,湖南 長沙 410083;2.廣亞鋁業(yè)有限公司,廣東 佛山 528237)

        在擠壓鋁合金空心型材的過程中,型材空心部位與實心部位結(jié)合處的“T字位”區(qū)域經(jīng)常會出現(xiàn)凹痕。這種凹痕會導(dǎo)致型材表面不平整,噴漆處理后在反光條件下可以看到明顯的印痕,致使型材報廢。擠壓廠一般通過反復(fù)修模、試模的方法來解決這類問題,效率低下且提高了生產(chǎn)成本。近年來,隨著基于有限元的數(shù)值模擬技術(shù)不斷發(fā)展,有許多學(xué)者利用有限元數(shù)值模擬技術(shù),對鋁合金型材擠壓過程進行模擬,分析擠壓過程中金屬的溫度、流速和模具的受力情況等,在一定程度上預(yù)測產(chǎn)品可能出現(xiàn)的缺陷,然后對模具分流孔、分流橋、焊合室、工作帶、阻流塊等結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化[1-6]。繆驍?shù)萚7]研究了汽車天窗滑軌鋁型材“起鼓”缺陷,并通過增加沉橋的方式,對模具進行優(yōu)化。閆洪等[8]研究了擠壓比、擠壓帶面積和??拙嚯x對金屬流速的影響,建立了鋁型材擠壓模??坠ぷ鲙гO(shè)計計算的數(shù)學(xué)模型。王震虎等[9]采用HyperXtrude軟件進行模擬,分析了鋁合金空心型材擠壓截面內(nèi)凹的原因,并通過增加阻流塊的方式,對模具進行優(yōu)化。

        針對某擠壓廠擠壓生產(chǎn)的6063鋁合金空心鋁型材空心部位與實心部位結(jié)合處的“T字位”區(qū)域出現(xiàn)的凹痕問題,運用Q-Form數(shù)值模擬分析軟件對擠壓過程的流速進行分析,并通過模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化,增設(shè)微小阻礙角。試模驗證模擬分析結(jié)果。

        1 3D模型的建立

        1.1 型材截面

        某企業(yè)實際生產(chǎn)的6063鋁合金空心型材截面尺寸如圖1所示。型材的最小壁厚為1.21 mm,最大壁厚為2.02 mm,周長為342.78 mm,截面積為296.82 m2,呈兩端對稱形狀。圖2為該型材的三維模型。型材在位置B出現(xiàn)凹痕。圖3為該企業(yè)生產(chǎn)的出現(xiàn)凹痕的型材,經(jīng)噴漆處理后,在反光的條件下,可以看到位置B有內(nèi)凹的折痕。

        圖2 型材三維模型Fig.2 3D model of the profile

        圖3 “T字位”的凹痕缺陷Fig.3 Dent defect of “T-cross section”

        1.2 模型的建立

        圖4為該模具的工作帶尺寸。用SolidWorks軟件,按照該工作帶尺寸建立的三維模型如圖5所示。上模尺寸為Φ180 mm×60 mm,下模尺寸為Φ180 mm×60 mm。將上模和下模裝配后導(dǎo)出為STEP格式并導(dǎo)入到Q-Form軟件中,擠壓方向為Z軸負(fù)方向,模具填充階段的擠壓筒速度為5 mm/s,擠出階段的擠壓筒速度為7.1 mm/s,擠壓比為41.35。坯料加熱溫度為480 ℃,模具預(yù)熱溫度為450 ℃,擠壓筒溫度為410 ℃,鑄錠直徑為120 mm,長度為480 mm,模具材料為H13鋼,擠壓筒內(nèi)徑為125 mm。

        圖4 模具工作帶尺寸(單位mm)Fig.4 Size of the die band

        2 模擬結(jié)果與驗證

        2.1 模擬結(jié)果分析

        經(jīng)過模擬得到型材的流速如圖6所示。從圖6可知,型材沿Z方向整體流速不均勻,尤其在AC邊上有較大的差異,由位置A的218 mm/s逐漸增加至位置C的309 mm/s,毛條位處的流速最大,達到311 mm/s。位置A有沿Y軸負(fù)方向的速度,速度為0.7 mm/s,位置B附近有沿Y軸正方向的速度,速度為2.8 mm/s,位置C有沿Y軸負(fù)方向的速度,速度為0.03 mm/s。

        圖5 模具三維模型Fig.5 3D model of dies

        圖6 型材流速分布圖Fig.6 Velocity distribution diagram of the profile

        位置B為該型材空心部位與實心部位的結(jié)合部,位置A屬于空心部位,位置C屬于實心部位。圖7表示了型材所受的應(yīng)力云圖,位置A所受有效應(yīng)力約為23.7 MPa,位置B所受有效應(yīng)力約為26.2 MPa,位置C所受有效應(yīng)力約為22.3 MPa,位置B所受的有效應(yīng)力與位置A、C相比明顯偏大。因為位置A受到模芯的影響,金屬流速比位置C的慢,整個AC邊上形成局部的流速差異,造成金屬間的互相牽扯。位置B受到拉應(yīng)力,所受有效應(yīng)力偏大,根據(jù)最小阻力原則,位置B金屬會向Y軸正方向流動,故出現(xiàn)向Y軸正方向的流速,進而出現(xiàn)凹痕。因此,本文作者認(rèn)為導(dǎo)致凹痕出現(xiàn)的主要原因是沿擠壓方向局部區(qū)域金屬流速不均勻。為了解決凹痕缺陷,需要平衡“T字位”區(qū)域的金屬流速,使位置B金屬被“擠出去”而不是被“拉出去”。

        圖7 型材有效應(yīng)力分布圖Fig.7 Effective stress distribution of profile

        2.2 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        為了平衡金屬流速,在左右懸臂位置(圖8D-D位置)工作帶增設(shè)0.3°的微小阻礙角,如圖8所示。

        圖8 增設(shè)的阻礙角Fig.8 Additional angle of obstruction

        重新建立三維模型后用Q-form進行模擬仿真,得到型材流速如圖9所示。沿Z軸方向,位置A的金屬流速大幅增加至292 mm/s;位置B的金屬流速增加5 mm/s,達到288 mm/s;位置C的金屬流速明顯降低,降低26 mm/s至283 mm/s。整個懸臂金屬流速均勻,ABC局部區(qū)域沿Z軸方向金屬流速差異大幅度減小。位置A沿Y軸方向上的流速十分微小,可忽略不計;位置C沿Y軸方向上的流速變?yōu)檎较虻?.2 mm/s;位置B沿Y軸正方向的流速降低至0.09 mm/s。

        圖9 優(yōu)化后型材流速分布圖Fig.9 Velocity distribution diagram of the profile after die optimization

        圖10為模具優(yōu)化后型材有效應(yīng)力。位置A所受有效應(yīng)力為約為16.7 MPa,位置B所受有效應(yīng)力約為15.2 MPa,位置C所受有效應(yīng)力約18.4 MPa,整個ABC邊所受有效應(yīng)力減小,位置B所受有效應(yīng)力相比優(yōu)化前明顯減小,且小于位置A、C的有效應(yīng)力,說明位置B金屬受到的拉應(yīng)力減小。

        圖10 優(yōu)化后型材有效應(yīng)力分布圖Fig.10 Effective stress distribution of the profile after die optimization

        型材在擠壓的過程中,工作帶可以按摩擦狀態(tài)的不同分為兩個區(qū)域,一個區(qū)域為黏著摩擦區(qū),這個區(qū)域靠近金屬流入端,另一個為滑動摩擦區(qū),這個區(qū)域靠近金屬出口端[10]。國外有學(xué)者[11]提出了一種簡化的摩擦模型,認(rèn)為摩擦力為由黏著摩擦區(qū)域和滑動摩擦區(qū)域產(chǎn)生摩擦力的總和。假定在黏著摩擦區(qū)域為全黏摩擦;在滑動摩擦區(qū)域,摩擦力是摩擦因數(shù)為常數(shù)的剪切類型。

        Ff=m1kA1+m2kA2

        (1)

        式中:

        Ff—模具工作帶的總摩擦力;

        m1和m2—黏著摩擦區(qū)域和滑動摩擦區(qū)域的摩擦因數(shù);

        A1和A2—黏著摩擦區(qū)和滑動摩擦區(qū)的真實接觸面積;

        k—材料的剪切強度。

        當(dāng)狀態(tài)為完全黏著摩擦?xí)r,m1和m2都為1;如果考慮滑動摩擦區(qū)域,m2的取值通常小于0.7。當(dāng)黏著摩擦區(qū)域增大時,模具工作帶的總摩擦力會減小,會使得該區(qū)域的金屬流速降低。

        在滑動摩擦區(qū)域,摩擦為成形金屬表面與工作帶表面相互摩擦,表層金屬受到拉應(yīng)力;而在黏著摩擦區(qū)域,摩擦力與材料的剪切流動應(yīng)力接近,金屬在被擠出??字?,始終處于壓縮變形之中,表層金屬之間幾乎不會形成拉應(yīng)力,金屬流動較為均衡[12]。通過對懸臂處工作帶添加0.3°的阻礙角,改變金屬與工作帶表面的摩擦狀態(tài),增大黏著摩擦區(qū)的面積,減少滑動摩擦區(qū)的面積,從而達到了平衡金屬流速的目的。

        2.3 試模驗證

        在模具下模左右懸臂位置添加0.3°的阻礙角,按照初設(shè)定的擠壓工藝參數(shù)上機試模,得到的型材料頭如圖11所示。從圖11可以看出,優(yōu)化前型材左右懸臂位置明顯凸起,說明左右懸臂位置的流速相比于其他位置更快;優(yōu)化后左右懸臂位置凸起消失,整體流速均勻,與模擬結(jié)果一致。擠出的型材經(jīng)噴漆處理后,“T字位”處未見凹痕缺陷;經(jīng)檢測,表面平整度在允許范圍內(nèi),符合廠家生產(chǎn)要求。

        圖11 模具優(yōu)化前后的型材料頭Fig.11 Stub bar of profiles before and after the optimization

        3 結(jié) 論

        1)通過數(shù)值模擬和驗證試驗可知,6063鋁合金空心型材“T字位”表面的凹痕缺陷是沿擠壓方向金屬局部區(qū)域流速不均勻引起的;型材懸臂處的流速較大,會導(dǎo)致凹痕缺陷的產(chǎn)生。

        2)在懸臂處添加0.3°的阻礙角可以改變金屬與工作帶表面的摩擦狀態(tài),增大黏著摩擦區(qū)域,減小滑動摩擦區(qū)域,從而平衡金屬流速,凹痕缺陷消失。

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