擠壓速度對鋁合金型材擠壓過程的影響分析

羅 翔

（重慶百能達普什汽車零部件有限責任公司，重慶 401122）

0 引言

鋁合金材料具有塑性好、密度小、抗蝕性和焊接性能好等特點，與傳統的鋼鐵材料相比具有不可替代的優越性[1]。目前鋁合金型材擠壓技術在汽車、船舶、鐵路、航空、航天等工業領域以及建筑等民用領域越來越顯示出其重要地位，用擠壓方法生產鋁型材，既節約材料又具有很高的生產效率，因而該工藝方法在生產和研究領域越來越受到關注。

鋁合金型材擠壓過程中，擠壓速度是一個主要工藝條件，對于坯料的溫度場、最大損傷值場等有著重要影響，從而影響到擠壓型材的質量。

本文基于Deform-2D塑形有限元軟件對7075鋁合金型材的擠壓過程進行數值模擬，分析并總結了擠壓速度對坯料溫度場、最大損傷值場和模具載荷的影響規律。為鋁合金型材擠壓工藝選擇合理的擠壓速度提供理論參考。

1 有限元模型的建立

坯料材料牌號為Aluminum-7075，楊氏模量Y=68900MPa，泊松比υ=0.3。模具材料選用H13鋼。采用剛（粘）塑形流動應力模型其中為等效應變；為等效應變速率；T為變形溫度。

鋁合金型材擠壓過程中，坯料與模具間的接觸壓力很大，坯料的表面層粘著在模具壁面上，故擠壓成形過程選用剪切摩擦類型，剪切應力，其中m為剪切摩擦因子，其值取0.3；k為剪切屈服強度。

目前，熱壓縮類變形過程中應用最廣泛的損傷準則是Cockcroft和Latham準則。其具體表達式為：

式中：f——材料斷裂時的等效塑性應變；

——等效應力；

σT——變形過程中某一時刻某一單元內的最大拉應力。材料在塑性變形過程中，當最大主應力 σ1≥0 時，σT=σ1；當 σ1＜0 時，σT=0；

d——等效應變增量；

C——損傷因子。

在數值計算中，將表達式（1）進一步變換成離散步求和表達式（2），可將復雜的積分計算簡化為單位時間增量內的損傷量計算：

式中：——變形過程中某一時刻某一單元內的等效塑性應變速率；

Δt——有限元計算中的時間增量。

擠壓坯料初始溫度設為380℃，模具的預熱溫度設為350℃，坯料和模具之間的熱交換系數取10N/（mm·s·℃），環境溫度設為20℃，擠壓件與環境的對流系數取0.02N/（mm·s·℃）。由于模型結構本身是軸對稱的，為提高模擬效率，取1/2模型進行分析。通過Deform-2D前處理將幾何模型進行網格劃分，并賦予邊界幾何條件得到有限元模型如圖1所示。

設置4種擠壓速度，分別為 2mm/s、6mm/s、10mm/s和14mm/s，上模壓下量為25mm，因為在此壓下量下能使材料流出工作帶，并且使擠壓過程達到穩定階段。

圖1 擠壓有限元模型

2 結果分析

2.1 擠壓速度對溫度場的影響

擠壓件的溫度變化影響到產品質量和模具壽命。擠壓過程中，較高的溫度有利于減小流動應力，從而材料變形更加容易，但當溫度過高會使材料產生過燒、晶粒粗大等問題，使得允許的最高溫度降低，進而降低生產率。分析鋁合金擠壓過程中溫度場的變化，對于保證擠壓制件的質量和提高生產率有著重要作用。圖2展示了坯料在擠壓速度為6mm/s時，不同階段的溫度場變化情況。可知在擠壓過程中，坯料溫度逐漸升高。這是由于坯料產生劇烈變形，生成大量的變形熱，從而材料溫度迅速升高。而且，坯料的最高溫度均出現在棒料剛開始成形的部位，因為這部分的材料變形最為嚴重，坯料與模具摩擦最嚴重，生成大量的熱量，所以溫度最高。圖3為擠壓速度與坯料最高溫度之間的關系。可以看出，隨著擠壓速度的增加，坯料最高溫度增加，其原因是隨著擠壓速度的增加，材料的變形劇烈程度增加；并且隨著擠壓速度的增加，坯料擠壓力增加，坯料和模具基礎面之間的壓力增加，所以摩擦熱也增加，使得溫度升高。另一方面，擠壓速度越大，坯料與模具熱傳導的時間越少，使擠壓件溫度升高。由圖可知，當擠壓速度為14mm/s時，最高溫度已經達到了495℃。但7075鋁合金的變形溫度超過490℃時，晶粒會迅速長大[5]，嚴重降低擠壓件的質量，所以7075鋁合金的擠壓速度最好不要超過12mm/s。

圖2 擠壓過程中溫度變化

圖3 不同擠壓速度下坯料最高溫度圖

2.2 擠壓速度對損傷場的影響

鋁合金擠壓過程中發生劇烈變形，坯料表面易產生裂紋。擠壓過程中，坯料金屬損傷值越小，則材料開裂傾向越小，成形制件表面質量越高。因此，研究鋁合金擠壓過程中最大損傷值的影響有著十分重要的意義。鋁合金棒料在擠壓速度為6mm/s成形過程中的損傷演化行為如圖4所示。可以得知，在成形過程中，最大損傷值主要出現在成形棒材的表面和擠壓模具出口處，這是因為棒材表層金屬在流經工作帶時，由于受到擠壓模具工作表面的摩擦作用，切應力對該處材料金屬的影響最為嚴重。圖5顯示了不同擠壓速度下棒料擠壓過程中的最大損傷值。由圖可知，擠壓速度在2～10mm/s范圍內，最大損傷值隨擠壓速度的增加而逐漸減小；擠壓速度在10～14mm/s范圍內，最大損傷值有些許增加。這是因為隨著擠壓速度的增大，坯料的溫度升高，增強了材料的塑形變形能力；而且擠壓速度增大有利于提高模具對坯料三向壓應力的效果，所以降低了最大損傷值；但是當擠壓速度過大時，摩擦力增長迅速，使得損傷值呈增長趨勢。所以，在棒料擠壓過程中，擠壓速度不能太大，也不能太小，這樣能減小擠壓件出現裂紋的可能性。

圖4 擠壓過程中損傷演化圖

圖5 不同擠壓速度下最大損傷演化圖

2.3 擠壓速度對模具載荷的影響

為合理選擇設備、正確設計模具以及確定工藝規程，變形力是一個重要依據。因此，計算模具的位移-載荷曲線非常有意義，既可得出實際擠壓可能需要的最大擠壓力，又可應用于優化擠壓工藝。圖6為不同擠壓速度下模具的位移-載荷曲線。可以看出，擠壓速度不同時，位移-載荷曲線圖趨勢基本相同，載荷的變化規律基本上可以分為3個階段。擠壓開始時，擠壓力以接近線性的方式緩慢增長；到一定程度后，擠壓力迅速增加到峰值；擠壓力到達峰值后呈突然下降趨勢。并且隨著速度的增加，擠壓載荷有一定的增大。從圖中可看出，擠壓速度對載荷的影響比較小。這是由于擠壓速度越大，坯料溫度升的越高，降低擠壓材料的流動應力，抵消了由于變形速度增加帶來的對變形抗力的影響。

圖6 不同擠壓速度下位移-載荷圖

3 結論

建立了鋁合金型材擠壓的有限元模型。分析了不同擠壓速度下溫度場、最大損傷值場以及模具載荷的演變規律。得出以下結論：

（1）隨著擠壓速度的增加，由于變形熱和摩擦熱增加，坯料的溫度場迅速增加。

（2）隨著擠壓速度的增加，坯料的最大損傷值場呈現先減小后增加的趨勢。

（3）隨著擠壓速度的增加，擠壓載荷有一定的增大。擠壓速度對載荷的影響比較小。

[1]劉靜安．現代鋁合金擠壓工業及技術發展概況與趨勢[J].鋁加工，2009，191（6）：29-33．

[2]B.P.P.A Gouveia,J.M.C.Rodrigues,P.A.F.Martins．Fracture predicting in bulk metal forming[J].International journal of mechanical sciences,1996,38（4）：361-372.

[3]陳慧琴，劉建生，郭會光．Mn18Cr18N鋼熱成形晶粒變化的模擬研究[J].金屬學報，1999，35（1）：53-56．

[4]權國政，王熠昕，張艷偉．溫度及應變速率對7075鋁合金臨界損傷因子的影響[J].重慶大學學報，2011，34（7）：51-56．

[5]孫永恒，吳代斌，吳潤廣．國產7075鋁合金的鍛造工藝研究[J].中國機械工程，1992，3（2）：10-12．