基于Deform-3D鋁棒材熱擠壓速度的優化

甘 純，劉 旭，張 超

（四川希望汽車職業學院 機電工程系，四川 資陽 641300）

基于Deform-3D鋁棒材熱擠壓速度的優化

甘 純，劉 旭，張 超

（四川希望汽車職業學院 機電工程系，四川 資陽 641300）

借助UG三維軟件建立了鋁合金棒料擠壓模型，利用Deform-3D數值模擬軟件對棒材在一定預熱溫度下以不同的擠壓速度進行熱力耦合擠壓過程的數值模擬。結果表明，在工作帶成形的工件軸向平直、端面平整，沒有發生波浪、扭曲等缺陷，證明該套模具設計合理；在480℃預熱溫度下，擠壓速度為10mm/s是一個合理的參數，得到的工件損傷最小，內部變形均勻。

鋁合金棒材；熱擠壓成形；Deform3D；擠壓速度；數值模擬

模具中金屬成形過程是其在下模中的流動過程，采用試驗方法測試其金屬塑性變形不僅困難，而且耗時、耗力、耗材。隨著現代制造業對塑性成形工藝分析和下模設計要求的提高，數值仿真技術在這一領域得到了廣泛應用。目前，鋁型材擠壓過程的數值模擬研究大多使用有限元法，通過在計算機上模擬整個擠壓成形過程，研究金屬材料的應力應變狀態、流變特性等參數變化規律，及早發現擠壓制品中的折疊、充填不滿、變形不合等缺陷，為成形工藝的制定和下模的設計提供科學根據，對提高金屬制品的組織和性能具有重要意義[1，2]。本文借助UG三維軟件建立了鋁合金棒料擠壓模型，并采用Deform-3D軟件對鋁棒材的熱擠壓過程進行了數值模擬，分析了在不同擠壓速度下金屬材料流動均勻性、應力場、應變場、溫度場、破壞系數等的變化規律。

1 建立模型及設定模擬參數

1.1 擠壓模型的建立

圖1為鋁棒料?96×50毛坯擠壓過程示意圖，圓柱鋁棒料毛坯首先在擠壓墊的作用下從擠壓筒進入半錐角為45°的錐模，然后經過錐模的工作帶形成?48的圓柱型棒材。

1.2 熱力耦合數學模型的建立

圖1 鋁棒擠壓過程示意圖

為了便于計算，忽略金屬塑性成型過程中彈性形變的影響，針對理想的剛塑性材料模型作以下基本假設[3]：①材料均勻且各向同性；②材料成形過程中體積不變，并忽略體積力與慣性力作用；③無加工硬化；④金屬流動服從列維-米塞斯法則。

基于以上假設，結合流動理論及有限元變分原理[4，5]，推導出穩定溫度場擠壓成形的熱傳導方程為：

式中：Kx，Ky、Kz——分別表示不同方向的導熱系數；

T——表示穩態溫度，T=T（x，y，z）。

由式（1）可進一步得到非穩態熱傳導問題的有限元方程表達式：

式中：[Cr]、[Gr]——分別表示總體熱熔矩和熱傳導矩；

[Qr]——表示熱通量向量。

再由塑性變形基本方程和邊界條件可以得到熱力耦合應力場的數學模型基本表達式為：

式中：[G]、{l}——分別表示剛度矩陣和位移矢量。

1.3 材料參數和網格劃分

棒料選擇6061鋁合金，下模具、擠壓墊、擠壓筒材料均為DIN-D5-1U，其具有良好的強韌性。對幾何模型進行網格劃分。工作帶和型材自由面靠近模口處的棒料變形量大，容易造成網格畸變，此處棒料網格需要局部細化，網格總共劃分為24000，而擠壓墊、擠壓筒、下模依次為 10000、18000、32000。然后，調入Deform劃分網格后的有限元模型如圖2所示。

圖2 鋁棒擠壓有限元模型

1.4 模擬參數的設定

棒料假設為塑性，初始溫度設為480℃。擠壓墊、擠壓筒、下模假設為剛性，初始溫度設為450℃，在有限元模型-Z方向設定擠壓墊的擠壓速度，并選取5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s 四種擠壓速度擠壓墊與棒料之間、棒料與擠壓筒之間、下模與工件之間的摩擦類型采用塑性剪切摩擦模型來描述[6]，摩擦系數為0.3，且這些對象熱傳導系數采用5w/（m·℃）。本次模擬的最小網格尺寸為1.87[7]。為了得到?48的工件，設置擠壓墊行程為48mm，總步數為80。

2 模擬結果和分析

2.1 材料的流動

圖3為棒料流速矢量圖，在四種擠壓速度下，鋁棒料由錐形型腔擠出，在工作帶成形的工件軸向平直、端面平整，沒有發生波浪、扭曲等缺陷，說明所設計的模孔、工作帶長度等是合理的。棒料錐形側面有小的鼓形，發生鐓粗過程，這是由于棒料初始直徑比擠壓筒略小所造成的。

2.2 擠壓速度對溫度場的影響

圖3 流速矢量圖

圖4 工件出口溫度隨擠壓速度變化曲線

圖4為工件出口的溫度隨擠壓速度的變化曲線。在一定預熱溫度下，工件出口溫度隨擠壓速度的增大而升高。這是因為擠壓速度越快，產生的熱量越多，同時用于散失熱量的時間短，使得擠壓件的溫度逐漸升高，熱量的產生與散失較難達到平衡，使擠壓件的溫度持續升高。降低擠壓速度是使擠壓件內部溫度保持在恒定范圍內的有效手段。但在實際生產中，生產效率會降低。

2.3 擠壓速度對等效應變的影響

圖5為工件最大等效應變隨擠壓速度的變化曲線。隨著擠壓速度的增加，工件最大等效應變呈增長趨勢。因為擠壓速度增加，工件的變形程度增加，變形速度加快。

圖5 工件最大等效應變隨擠壓速度變化曲線

2.4 擠壓速度對等效應力的影響

圖6為工件最大等效應力隨擠壓速度的變化曲線。擠壓速度為5～10mm/s時，工件最大等效應力隨擠壓速度的增大而逐漸減小；擠壓速度在10～20mm/s范圍內，最大等效應力稍有增加。因為隨著擠壓速度的增大，坯料溫度升高，增強了材料的塑性變形能力，擠壓過程中的流變應力減小；擠壓速度過大時，摩擦力的增加起主要作用，使得金屬變形變得困難。

圖6 工件最大等效應力隨擠壓速度變化曲線

2.5 擠壓速度對損傷系數的影響

圖7 工件最大損傷系數隨擠壓速度變化曲線

圖7為工件最大損傷系數隨擠壓速度的變化曲線。擠壓速度5～10mm/s時，最大損傷值隨擠壓速度的增大而逐漸減小；擠壓速度在10～20mm/s范圍內，最大損傷值增加比較明顯；擠壓速度為10mm/s時，工件具有最小的損傷系數1.86。這是因為隨著擠壓速度的增大，坯料溫度升高，增強了材料的塑性變形能力；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；但擠壓速度過大時，摩擦力增長迅速，使得損傷值增大。所以，在鋁合金棒料擠壓過程中，擠壓速度不能太大，也不能太小，這樣才可以兼顧生產效率的同時降低工件產生裂紋的可能性。

3 結論

（1）通過鋁棒變形過程中的流動性、溫度場、應力應變場、損傷系數和成形載荷的分析結果，檢驗了該套模具設置的合理性。

（2）在一定預熱溫度下，由鋁棒料在不同擠壓速度成形時的溫度場、應力場和損傷系數變化規律的分析結果可知，擠壓速度為10mm/s是一個合理的擠壓參數，得到的工件損傷最小，內部變形均勻。

[1]田 笑，張清萍，吳 磊，等.基于ANSYS的制粒機模孔參數分析及優化[J].鍛壓裝備與制造技術，2016，51（5）：74-78.

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[3]陳彪彪.鋁型材擠壓的數值模擬及工藝研究[D].廣州：廣東工業大學，2012.

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[5]唐志強.鋁型材擠壓模具的開裂失效分析及其研究[D].南寧：廣西大學，2010.

[6]劉 陶，龍思遠.基于DEFORM-3D的鋁合金簡形件旋壓成形過程數值模擬[J].特種鑄造及有色合金，2010，30（6）：508-510.

[7]胡建軍，李小平.DEFORM-3D塑性成形CAE應用教程 [M].北京：北京大學出版社，2011.

Optimization of hot extrusion velocity for aluminum alloy bar based on Deform-3D

GAN Chun,LIU Xu,ZHANG Chao
（Department of Mechanical and Electrical Engineering,Sichuan Hope Automotive Vocational College,Ziyang 641300,Sichuan China）

The extrusion model for aluminum alloy bar has been established by the aids of UG three-dimensional software.The numerical simulation of thermal-mechanical coupling extrusion process for the bar at a certain preheating temperature in different extrusion speed has been conducted by use of the Deform-3D numerical simulation software.The results show that the workpiece in the working belt has straight axial direction and flat surface without deflects like waving and twisting,which demonstrates that the tool design is reasonable.Under the 480℃preheating temperature,10 mm/s extrusion speed is a reasonable parameter.Thusin this way,the damage of obtained workpiece is minimum and the internal deformation is uniform.

Aluminum alloy bar;Hot extrusion molding;Deform-3D;Extrusion speed;Numerical simulation

TG376.2

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.022

1672-0121（2017）04-0075-03

2017-03-12；

2017-05-09

甘 純（1990-），男，助理講師，從事模具設計與制造教學研究。E-mail：m18381408090@163.com