擠壓速度對鋁合金型材擠壓過程的影響分析

梁奕清

（廣東興發鋁業有限公司，廣東 佛山 528000）

擠壓產品的產生使用鋁合金型材，是因此類材料的焊接性能好、塑性佳、密度小等優勢，能取代傳統化鋼鐵材料。當前，鋁合金型材擠壓技術廣泛應用在各領域中，并發揮著重要作用，如工業領域、民用領域等。在此項技術應用過程中可提升產品生產效率、工藝質量，提供合理控制擠壓速度影響鋁合金型材擠壓效果，保證擠壓產品合格率。

1 建立數值模擬模型

1.1 構建模具

本文選擇空心鋁型材為研究對象，在型材積壓過程中應用Pro/E軟件完成模具構建工作，搭配MSC－Superforge軟件，增強擠壓速度不同情況下的擠壓過程中模具溫度、載荷變化情況等，為擠壓速度對鋁合金型材擠壓過程的影響提供重要信息數據[1]。

構建模具階段，主要是對空心鋁型材規格的處理，設計其截面尺寸60mm*20mm，壁厚3mm，采取平面分流模擠壓成形方式，由Pro /E 軟件構建分流模。此外，坯料以Al6063合金為主（170mm*50mm）；模具以H13為主；擠壓比λ=51.1。

1.2 設置工藝參數

結合研究對象規格分析，設計坯料預熱溫度為480℃、模具預熱溫度為450℃，以常摩擦因子模型為主（m=0.33）；網格尺寸1.5mm。同時，在此階段還分析到型材擠壓過程中的效率與速度，在此階段設計凸模壓下量33mm，當擠壓處于穩定狀態后，模擬工作才可停止。

擠壓速度的控制，采用了兩種形式，一種是恒定速度模型；另一種是線性分布速度模型。其中，在恒定速度模型中設計擠壓速度為2mm/s、4mm/s、6mm/s、8mm/s、10mm/s。此環節中需要注意的是較高恒定擠壓速度，注意是8mm/s與10mm/s。而線性分布速度模型中設計擠壓速度為12mm～4mm、15mm～5mm。

2 擠壓速度對鋁合金型材擠壓過程的影響分析

2.1 模具載荷影響

鋁合金型材擠壓過程中發生的開裂、磨損等問題，主要原因是模具承受載荷過大，實際擠壓環節中所產生的載荷值與預期設計的載荷值存在較大從差異性，從而引發相應的問題。對此情況，需在擠壓過程中對所產生的信息數據詳細記錄工作人員可根據具體信息數據掌握鋁合金型材擠壓過程中的實況[2]。然后，借助電子設備，把所記錄的信息數據編制成受力曲線圖，可更直觀地掌握鋁合金型材擠壓過程中模具載荷情況，得到鋁合金型材擠壓行程增大，擠壓力隨之增大，鋁合金型材擠壓經歷四個階段。

第一階段，金屬經過擠壓筒達到分流孔時，擠壓力瞬間增加，保證金屬平穩流經分流孔，此階段的模具載荷有所增加，并增加適當比較緩慢；第二階段，金屬由分流孔流入焊合室，并處于“滿充”狀態，此階段的擠壓力逐漸升高；第三階段，金屬由焊合室流入工作帶方向，此階段屬于“熱擠壓”，但擠壓難度難度增加，擠壓力急劇上升，直至型材擠出工作帶才平穩，此時的載荷最大；第四階段，金屬流出工作帶，整個擠壓工作處于穩定成形狀態，因金屬大量流出，會在牽附作用影響下，載荷曲線更穩定，未有明顯的起伏情況。

此外，因模具載荷受恒定擠壓速度影響，在擠壓中所產生的信息數據影響載荷曲線趨勢，因擠壓速度加快而增大模具載荷程度，也增大材料變形抗力[3]。

例如：擠壓速度控制6mm/s，模具載荷發生異常情況，因擠壓速度加快，擠壓件的溫度不僅上升，而且還會有較大的升高幅度，導致材料變形抗力降低。如果擠壓速度控制2mm/s，可緩解模具載荷程度，材料變形抗力影響程度不大，了解到擠壓速度對模具載荷、使用年限等有一定影響（如圖1所示--不同擠壓速度下模具載荷分布曲線）。

圖1 不同擠壓速度下模具載荷分布曲線

在該項目實施階段對擠壓速度的控制，選擇呈線性分布方式，只需在設計階段對擠壓速度進行對比探究，就能掌握到模具載荷在不同擠壓速度下的實際情況，能在擠壓生產前結合具體信息數據詳細分析，就可根據產品生產要求合理設計，保證擠壓速度合理性，保證模具承載合理性。

2.2 溫度影響

擠壓速度影響材料擠壓過程中的熱量、熱交換時間、摩擦狀況等，也說明擠壓速度是材料擠壓過程中熱交換時間主要影響因素，需維持或控制擠壓件內部溫度。

例如：設計擠壓速度為2mm/s，材料擠壓中的壓下量發生變化，如果坯料溫度在454.5℃～477.2℃時，材料擠壓內部溫度有相應變化，為熱量傳遞提供充足時間，從起初的塑性變形穩定控制到480℃，壓下量為38mm，此階段的模口工作帶出口處的溫度最高，材料會在此區域中發生激烈的變形情況。此現象屬于正常現象，是擠壓生產環節中必要的溫度條件。

此外，針對上述內容中所設計的擠壓速度，對比2mm/s、4mm/s、6mm/s、8mm/s、10mm/s時，隨著擠壓速度的提升，壓下量發生顯著變化，此階段的擠壓件溫度以增高趨勢發展。

例如：對比擠壓速度2mm/s、擠壓速度4mm/s，凸模壓下量降低，可了解到擠壓速度較低，擠壓材料的塑性變形程度，并在塑性變形過程會產生較多的熱量，處于低溫度條件下完成擠壓工作[4]。對比6mm/s擠壓速度的溫度變化，整體穩定呈平穩性，說明擠壓材料生產過程中所產生的熱量，基本相等于散失熱量，才擺正擠壓材料溫度穩定性。對10mm/s擠壓材料，此階段的擠壓材料溫度會上升到9℃，因速度越快產生較多的熱量，但也會影響熱量散失時間，導致擠壓件的內部溫度升高，無法保證各項條件的均衡性，往往因擠壓件的內部溫度升高而出現變形情況。（如圖2所示--不同速度下擠壓件最高溫度隨壓下量變化曲線）。

圖2 不同速度下擠壓件最高溫度隨壓下量變化曲線

基于不同擠壓速度的對比分析條件下，能了解到擠壓速度會對鋁合金型材擠壓過程中的溫度有一定影響，而溫度的升高會出現材料變形情況，無法保證產品工藝質量。那么需在擠壓過程中控制擠壓速度，建議在擠壓生產前能對各項影響因素與實際要求綜合分析，設計擠壓件恒定溫度，然后再擠壓過程中中控制擠壓速度，才可保證擠壓機生產效率與質量。

2.3 抗拉強度、斷后伸長率影響

分析空心鋁型材研究對象的物理特點，在試驗階段對擠壓速度控制，可影響空心鋁型材的抗拉強度、斷裂伸長率。設計擠壓速度由1m/min提升至5m/min，結合圖1分析（擠壓速度對試樣力學性能的影響），了解空心鋁型材的由起初的抗拉強度方式變化，271MPa增加到292MPa，同時，有瞬間降低到268MPa；而空心鋁型材的斷后伸長率在12.1%～10.9%之間。再設計擠壓速度由1.5min提升至5m/min，抗拉強度達到274MPa，斷后伸長率為11.8%；設計擠壓速度由2.0min提升至5m/min，抗拉強度達到280MPa，斷后伸長率為11.6%[5]。

經過對不同擠壓速度下的空心鋁型材抗拉強度、斷后伸長率各項信息數據分析，隨著擠壓速度加快，空心鋁型材抗拉強度持續性增大，但斷后伸長率則逐漸降低。再對2.5m/min擠壓速度設計，空心鋁型材抗拉強度286MPa，斷后伸長率11.2%；3.0m/min擠壓速度設計，空心鋁型材抗拉強度292MPa，斷后伸長率10.9%；3.5m/min擠壓速度設計，空心鋁型材抗拉強度290MPa，斷后伸長率11%。對比相同擠壓速度下的空心鋁型材抗拉強度、斷后伸長率，每1m/min擠壓速度會增大15MPa、21MPa、19MPa抗拉強度，每1m/min擠壓速度斷后伸長率減小0.9%、1.2%、1.1%。

依據具體信息數據說明，擠壓速度對空心鋁型材抗拉強度、斷后伸長率有一定影響，只有在擠壓速度適宜條件下，才能保證空心鋁型材綜合性能，需在擠壓過程中注重擠壓速度控制。

圖3 擠壓速度對試樣力學性能的影響

2.4 高溫抗氧化影響

空心鋁型材截面尺寸60mm*20mm，壁厚3mm，在擠壓過程中會因擠壓速度影響單位面積質量增加。依然會在擠壓過程中設計1m/min提升至5m/min，此階段的單位面積質量發生變化，具體范圍在204mg/cm2～148mg/cm2，呈“先減小后增大”趨勢，此階段空心鋁型材高溫抗氧化性能“先提升后下降”。

此外，設計擠壓速度1.5m/min，此階段的單位面積為193mg/cm2，設計擠壓速度2.0m/min，此階段的單位面積為180mg/cm2；設計擠壓速度2.5m/min，此階段的單位面積為153mg/cm2；設計擠壓速度3.0m/min，此階段的單位面積為148mg/cm2；設計擠壓速度3.5m/min，此階段的單位面積為152mg/cm2。對比擠壓速度變化下的空心鋁型材單位面積質量，每1.0m/min擠壓速度變化，空心鋁型材單位面積質量發生51mg/cm2、56mg/cm2、52mg/cm2。其中，擠壓速度為3.0m/min時的空心鋁型材單位面積質量穩定，高溫抗氧化性能最佳[6]。

如果設計擠壓速度為4m/min，此條件下的空心鋁型材單位面積質量有大幅度的增加，但空心鋁型材的高溫抗氧化性能卻下降。說明擠壓速度會對鋁合金型材高溫抗氧化性能有一定影響，結合上述信息數據的對比分析，能了解到為控制鋁合金型材高溫抗氧化性能，建議設計擠壓速度3m/min。

3 結語

綜上所述，本文選擇空心鋁型材為研究對象，為保證擠壓速度對鋁合金型材擠壓過程影響結果的科學性與合理性，選擇建立數值模擬模型方式，構建模具、設置工藝參數，設計2mm/s、4mm/s、6mm/s、8mm/s、10mm/s擠壓速度，對比不用速度探究下的鋁合金型材擠壓變化情況，為便于對各項信息數據掌握，繪制成具體的曲線圖，最終掌握擠壓速度對鋁合金型材擠壓過程模具載荷、溫度、抗拉強度、斷后伸長率、高溫抗氧化等均有一定影響，還需在此工藝實施階段能對擠壓速度合理化控制，從而保證擠壓產品質量與效率。