鋁合金型材分流模擠壓的工藝參數研究

夏敏

摘? 要：本次研究當中以鋁合金型材為主要分析對象，借助于有限元分析模型了解到在分流模擠壓情況下鋁合金型材數值發生的變化情況。同時還分析了分流模擠壓速度對于型材各項指標的影響規律。

關鍵詞：鋁合金型材;分流模擠壓;工藝參數;有限元分析法

中圖分類號：TG379? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）33-0099-02

Abstract： In this study， aluminum alloy profile is taken as the main analysis object， and with the help of finite element analysis model， the change of aluminum alloy profile value under the condition of split die extrusion is understood. At the same time， the influence of the extrusion speed of the porthole die on the parameters of the profile is also analyzed.

Keywords： aluminum alloy profile; porthole die extrusion; process parameters; finite element analysis method

本次研究中所選擇的是空心鋁型材，分析了其在分流模擠壓過程中工藝參數的相關內容。著重分析鋁合金型材在分流模擠壓當中涉及到的一些數值情況和變化結果，了解鋁合金型材在分流模擠壓背景下，工藝參數的影響和呈現出的規律。

1 鋁合金型材分流模擠壓具體方法和數值特點

1.1 擠壓流程

平面分流組合模，簡稱是分流模。分流模是在橋式舌形模基礎上逐漸形成與發展起來的，本質上屬于變種，把凸橋進行改造，讓其變成平面橋[1]。通常情況下，平面分流模是包含四個部分，分別是連接螺釘、定位銷、上下模。在近些年以來，平面分流組合模得到了十分快速地發展。被廣泛應用在不帶穿孔系統擠壓機上，主要用于各種規格和類型的管材和型材生產，常見的類型為交通和建筑空心兩種型材。

鋁型材分流擠壓方法具有比較多的優點，主要有：（1）對于一些比較復雜的空心型材與棺材，如雙孔內腔、多孔內腔等也能夠同時生產多根空心制品，所以生產效率整體上也就比較高。（2）實現連續擠壓的目標，還可以結合具體的需求，選擇任意長度的制品。（3）讓分流空的形狀、數目以及形狀得到改變，斷面的形狀比較復雜，壁厚差也比較大，很難用促流角、工作帶等對空心型材進行調節。但同時也有一些缺點：有比較多的焊縫，可能會對制品的性能以及組織產生不良影響。和實心型材模相比較，有著比較大的變形阻力，擠壓力通常要比舌形模和平面模更高[2]。

1.2 鋁合金型材分流模擠壓工藝參數分析方法

隨著鋁型材種類的不斷豐富，尤其是我國鐵道交通行業以及航天航空事業的發展，對于大型和特大型鋁型材的需求比較迫切，可以幫助推動改進傳統模具方法，讓產品的開發速度提升，促進產品質量的提升，也成為了當前鋁型材發展過程中的迫切需求。當前對于鋁型材擠壓過程開展的數值分析方法，主要有以下幾種，分別是：（1）歐拉描述法，并非是處理單獨質點，而是分析不同主體之間的相關性，如流體速度、熱力學等參數和時間變化函數之間的相關性進行分析。（2）拉格朗日描述分析方法。描述跟蹤流體質點，指出隨著時間和質點變化，質點物理量也會跟著變化。如速度、壓強等數據，可以把這些指標納入到拉格朗日坐標當中。在此種描述方法當中，在有限元網格以及材料流動之間并沒有出現明顯的相對運動。（3）任意拉格朗日——歐拉描述方法。網格的點可以保持運動，也可以是固定不動的狀態，甚至還能夠在某個方向上開展網格點的固定。當網格運動速度和物體的運動速度之間的速度相同時，這樣便會拉格朗日描述方法。

2 基于有限元模型分析鋁合金型材分流模擠壓工藝參數

2.1 設計分流模型

在本次設計當中所選擇的型材，有兩個空腔，壁厚為2mm到5mm之間，橫截面積為2033.5mm2。所選擇的是空心型材，采用平面分流組合模來進行擠壓。上下模厚度分別為160mm和135mm。更好地保障金屬流動均勻性，分流孔設計形狀為扇形。設計焊接室的目的是確定焊合的深度，若是深度比較深的話，會對型材厚度的均勻程度產生影響。若是焊合室的深度比較淺的話，則會導致焊合的質量低下。所以在本次研究當中所設計的焊合室的深度為30mm。

起始模具二維結構的設計情況，需要采用UG軟件完成具體建模。因為定位稍以及連接螺釘對于最終的結果影響比較小。可以讓很多過程省略，促進模型的建模，完成分流模上模以及下模的建造。

2.2 模擬具體數值

需要在HyperMseh軟件當中導入三維模型，針對有限元模型構建是在模具內流經區域。按照模具具體的模型選擇材料所實際流經的區域，分別構建起不同區域，包含焊合室以及分流孔等。三維網格有5層，型材三維網格15層。網格的大小，從胚料到型材的過程是不斷變小的過程，數量由92萬左右，表1為相關數值的設置結果：

2.3 分析模擬結果

最終的模擬結果采用的軟件是Hyperview軟件，能夠得到其他相關信息，如擠壓力、型材變形情況以及型材溫度和擠壓力等。結合涉及到的這些具體參數，發現當前的型材流速分布上存在著不均勻的情況，最大流速和最小流速之間的差異比較大。型材溫度比較高，變形量比較大，這是因為型材兩側的流速比較大，摩擦力很大，因為摩擦生熱導致型材的溫度不斷增加。

3 擠壓速度對于鋁合金型材影響分析

3.1 擠壓速度和溫度相關性分析

在實際擠壓的過程當中，型材的質量會受到擠壓速度的影響。如果擠壓速度比較小的話，對生產效率會產生比較大的影響。而擠壓速度比較大的話，則是會對金屬的流動均勻性產生影響[3]。結合我們的設計生產經驗，需要對工藝參數進行調整，從1mm/s逐漸增加到10mm/s。其他設計的工藝參數并不發生改變。最終可以得到關于材料流速、擠壓力以及型材溫度和型材變形等相關信息，總結與分析擠壓速度對于以上提及的這些相關信息的影響。

研究結果發現，當分流模擠壓的速度不斷增加之后，材料的溫度也會隨著不斷增加，但是增加的速度比較緩慢。因為擠壓速度不斷增加，加大摩擦力，也會導致型材溫度升高，若擠壓速度的狀態比較高，模具腔中材料所停留的時間不短減少，升高溫度，速度會降低。

3.2 擠壓速度和材料變形、速度相關性分析

從表2中的數據能看出，擠壓速度的增加，型材最大形變量和擠壓速度的關系。結果發現，在型材兩側會出現最大流速和最大形變量。當擠壓速度不斷增加之后，型材的界面最大流速也會顯著升高。結合表格當中的數據還能發現，增加擠壓速度同時，最大形變量的變化趨勢為先降低，再增加。在擠壓速度增加之后，型材溫度增長的趨勢比較明顯，讓材料的軟化進程加快。型材最大的變形量也會隨之不斷減少。之后因為金屬的變形抗力不斷減少，對于金屬材料的流動起到了比較明顯的促進作用。

因為型材出口截面存在差別，所以導致速度存在差異，為了更準確地描述型材流速，需要選擇材料流速速度作為標準[4]。當速度均方差不斷增大之后，流速會變得越來越不均勻。反之當速度均方差降低的話，流速會越來越均勻。

研究結果，還可以看出，擠壓速度顯著增加后，增加了型材流速，讓型材流速均勻性降低，所以若是金屬流速比較快的話，會影響到型材流速的均勻性。在流速均勻性降低之后型材會出現彎曲和扭擰情況，改變型材尺寸。沒有辦法達到設計的目標，也讓型材力學性能明顯降低。

3.3 對于擠壓力的影響分析

表3是擠壓速度從1mm/s到10mm/s之間，金屬承受的最大擠壓力和擠壓速度之間呈現出的變化情況。隨著擠壓速度的不斷增加，金屬受到的最大擠壓力也會不斷增加，慢慢變得平穩。因為擠壓速度的不斷增大，金屬出現的變形速率也隨之顯著增加。由于擠壓速度處于不斷增加狀態，磨具中金屬停留時間會更短。溫度在升高后，促進金屬流動性。在受到擠壓力之后，進入的增長速度會慢慢降低，擠壓力也會處于更加平穩的狀態。

表3 擠壓速度與擠壓力關系變化結果

4 結束語

綜上所述，本次研究中分析了鋁合金型材分流模擠壓當中工藝參數所起到的相關作用。當擠壓速度在1mm/s到10mm/s之間的情況下，型材流速和溫度都會隨著擠壓速度的不斷增加而增大。整體上呈現出正相關的關系。

參考文獻：

[1]商全，王亞杰.工藝參數對鋁合金型材分流模擠壓過程的影響規律研究[J].黑龍江科技信息，2018，000（011）：22-23.

[2]趙茂密，姜小龍，蘭天虹，等.工藝參數對分流組合模擠壓6005A鋁合金型材焊合質量的影響[J].輕合金加工技術，2018，046（004）：20-25.

[3]趙國群，陳良，喻俊荃.鋁合金型材分流模擠壓過程焊合行為的研究進展[J].鍛壓技術，2018，043（007）：49-55.

[4]劉博.大懸臂鋁型材偽分流模擠壓過程材料流動分析[J].有色金屬加工，2018，268（04）：39-41+57.