鋁合金擠壓型材淬火模擬研究及工藝參數(shù)的改進(jìn)

摘要：為了解決“U”形鋁合金型材在噴水淬火過程中因冷卻速度不均勻而導(dǎo)致型材截面變形的問題，基于FLUENT和ANSYSWORKBENCH軟件平臺(tái)，建立了“U”形擠壓型材在噴水冷卻過程的有限元模型.分析了3種不同噴嘴速度大小方案下型材淬火冷卻過程的溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力和變形等變化規(guī)律.結(jié)果表明：經(jīng)工藝參數(shù)優(yōu)化后，型材截面上不同部位噴嘴速度大小設(shè)計(jì)更合理，淬火冷卻過程中型材的溫度場(chǎng)和等效應(yīng)力分布更均勻，最大等效應(yīng)力最小，型材的變形最小.通過有限元分析能較好地改進(jìn)型材淬火冷卻過程中噴嘴速度大小及分布，為實(shí)際擠壓生產(chǎn)過程提供指導(dǎo).

關(guān)鍵詞：擠壓鋁型材；淬火；噴嘴速度；溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TG166.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

對(duì)于可熱處理強(qiáng)化鋁合金來說，固溶、淬火與時(shí)效是提高其強(qiáng)度的關(guān)鍵工藝之一.鋁合金型材經(jīng)淬火處理，可為后續(xù)的時(shí)效強(qiáng)化準(zhǔn)備條件，但在淬火冷卻過程中常常因?yàn)樾筒膬?nèi)部溫度場(chǎng)分布不均勻而形成熱應(yīng)力，從而引起型材截面變形＼[1＼].因此，合理的淬火工藝對(duì)于鋁合金擠壓型材的質(zhì)量保證具有非常重要的意義.

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，DEFORM， MARC等軟件已廣泛應(yīng)用于淬火冷卻過程的模擬研究，表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性＼[2＼]然而在計(jì)算過程中，它們只能設(shè)置工件表面與介質(zhì)之間的換熱系數(shù)作為邊界條件，卻無法考慮介質(zhì)的流動(dòng)情況，而介質(zhì)在不同流動(dòng)條件下對(duì)應(yīng)的換熱系數(shù)差別很大，從而導(dǎo)致模擬溫度場(chǎng)往往跟實(shí)際溫度場(chǎng)存在較大差別＼[3＼].

FLUENT是一個(gè)用于模擬和分析在復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)與熱交換問題的專用軟件，可以將介質(zhì)與工件之間的換熱過程進(jìn)行耦合計(jì)算，使得溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確＼[4＼].但目前國內(nèi)利用FLUENT對(duì)淬火冷卻過程進(jìn)行模擬研究的尚不多，北京科技大學(xué)張少軍、胡樹山等利用FLUENT模擬研究了噴嘴直徑、噴嘴排數(shù)等參數(shù)對(duì)鋼管外壁冷卻均勻性的影響，這些研究為調(diào)節(jié)淬火工藝參數(shù)帶來了很大的方便＼[5＼].FLUENT的不足之處是無法得到工件的應(yīng)力、應(yīng)變及變形情況.將FLUENT計(jì)算所得的溫度場(chǎng)結(jié)果導(dǎo)入ANSYSWORKBENCH中，便可求得型材的應(yīng)力場(chǎng)以及變形量，從而預(yù)測(cè)工件在淬火過程中可能出現(xiàn)的缺陷，更好地為淬火工藝參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)＼[6＼].

對(duì)于鋁合金擠壓型材淬火工藝來說，噴水冷卻系統(tǒng)中，噴嘴方向、噴嘴間距、噴水速度等均會(huì)影響型材溫度場(chǎng)的分布，這些工藝參數(shù)直接決定型材淬火冷卻效果的好壞＼[7＼].“U”形擠壓鋁合金型材在噴水淬火過程中的變形，主要表現(xiàn)為頂部向上拱起，兩側(cè)向外撇開成八字形.根據(jù)分析，主要是由于冷卻過程中型材截面不同部位冷卻速度不同而導(dǎo)致型材截面溫度分布不均勻，從而引起截面的變形.本文主要研究淬火冷卻系統(tǒng)中不同噴嘴水流速度大小對(duì)型材溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及變形的影響，合理優(yōu)化工藝參數(shù)，使型材溫度場(chǎng)分布盡量均勻，從而得到較小的應(yīng)力和變形量，為實(shí)際擠壓生產(chǎn)過程提供指導(dǎo).

1擠壓型材淬火有限元模型的建立

1.1幾何模型及網(wǎng)格劃分

實(shí)驗(yàn)所用鋁合金型材截面形狀及尺寸如圖1所示，噴水冷卻系統(tǒng)垂直于型材橫截面方向，噴嘴分布情況如圖2所示.

3.1.1型材表面溫度場(chǎng)分布

型材在噴水冷卻過程中，水流速度越快的地方，單位時(shí)間內(nèi)與型材表面接觸的水量越大，換熱量也越大，型材冷卻速度較快.而且由于型材兩側(cè)距離噴嘴較近，水流從噴嘴噴出后到達(dá)型材表面的過程中散射量不大，速度變化也不大，因此兩側(cè)噴嘴只需較小的噴水速度.由于各個(gè)噴嘴噴出的水最終都將流經(jīng)型材兩端下側(cè)，兩端下側(cè)也比較容易冷卻，因此需要的冷卻水流速度更小.為了更好地說明冷卻過程中溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，特取第4 s和第8 s時(shí)3種不同方案下型材的溫度分布情況進(jìn)行比較，3種方案下型材表面在這兩個(gè)時(shí)刻的溫度分布如圖5和圖6所示.

由圖10可知，采用方案一時(shí)，淬火13 s后，型材左邊存在0.6～1.6 mm的變形，右邊存在0.4～1 mm的變形，且從上到下變形不斷增大，型材頂部也存在比較明顯的變形，約1 mm左右.采用方案二時(shí)，型材左右兩邊變形情況基本相同，從上到下不斷增大，為0.5～1.2 mm.而采用方案三時(shí)，左右兩邊形變均較小，大部分區(qū)域只有0.5 mm左右.采用方案二和方案三時(shí)型材上部變形量都很小.根據(jù)以上分析可知，采用方案三時(shí)型材頂部和左右兩邊得到最小的變形量，結(jié)合前文中得到的型材淬火后溫度場(chǎng)與等效應(yīng)力場(chǎng)的分布情況可知，第三種噴水方案能得到最理想的冷卻效果.

4結(jié)論

基于FLUENT和ANSYSWORKBENCH軟件平臺(tái)，建立了“U”形擠壓鋁型材噴水冷卻過程的有限元模型，分析了3種不同噴嘴速度分布方案下型材淬火過程的溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力場(chǎng)和變形量的變化規(guī)律.研究結(jié)果表明：

1）淬火冷卻系統(tǒng)中不同噴嘴的水流速度大小直接影響鋁合金擠壓型材淬火過程中溫度場(chǎng)分布的均勻性、殘余應(yīng)力以及變形量的大小；

2）與方案一和方案二對(duì)比，采用方案三時(shí)型材截面上不同部位噴嘴速度大小的設(shè)計(jì)更為合理，淬火冷卻過程的溫度場(chǎng)和等效應(yīng)力分布更加均勻，最大等效應(yīng)力最小，型材的變形最小；

3）通過有限元分析能較好地改進(jìn)擠壓鋁型材淬火冷卻過程中噴嘴速度大小及分布，為實(shí)際的生產(chǎn)過程提供指導(dǎo).

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