工業純鋁管擠壓成形過程的數值模擬

陳一郡，楊 進，李正龍，趙 飛，陳朝軼，蘭元培，王林珠

（1.貴州大學 材料與冶金學院，貴州貴陽 550025；2.遵義恒佳鋁業有限公司，貴州遵義 563100）

工業純鋁具有較高的塑性、耐蝕性、導電性和導熱性等優良性能，常被加工成鋁管用于制冷行業[1]。工廠在采用連續擠壓法生產制冷鋁管過程中經常會因為工藝不當出現焊合不良、尺寸超差和壁厚不均勻以及力學性能不達標等問題。因此，系統分析擠壓工藝對鋁管顯微組織的影響，進而對工藝參數進行優化顯得非常重要。

鋁管連續擠壓成形過程是一個復雜的熱力耦合變形過程，其中坯料的加熱溫度和擠壓速度是控制管材質量的兩個關鍵擠壓參數[2]。關于金屬材料成形模擬的研究常采用DEFORM-3D 有限元軟件進行分析，可以比較準確的分析成形過程的應力場、溫度場和晶粒變化規律，為生產工藝設計提供指導[3]。本文將利用DEFORM-3D 有限元分析軟件對工業純鋁管的擠壓過程進行模擬分析，深入研究工業純鋁擠壓變形過程中擠壓溫度和擠壓速度對溫度場、應力場和晶粒尺度等相關參數的影響，進一步優化工業純鋁管的擠壓工藝參數，為高品質制冷鋁管的連續擠壓生產提供理論指導。

1 有限元模擬的建立

本文模擬選用的材料為1050 鋁合金，密度為2699.6 kg/m3，比熱容為946 J/（kg·℃），熱導率2.177 W/（m·℃）。以直徑8 mm，壁厚1.3 mm 的鋁合金管材為模擬對象（圖1），模具材料選用H-13模具鋼，密度為7850 kg/m3，比熱容為407 J/（kg·℃），熱導率為25 W/（m·℃）。數值模擬采用剛粘塑性有限元法，忽略彈性變形，所以把坯料設為剛塑性體，模具和其他工件都設置為剛性體。為減少單元網格數量節省計算時間，取1/3 模型進行計算（圖2）。材料的本構方程模型、動態再結晶模型取自之前的研究。數值模擬中的初始參數見表1。

表1 數值模擬的初始參數

圖1 純鋁管尺寸

圖2 有限元模型（1/3）

2 模擬結果與分析

2.1 金屬擠壓流動過程

從圖3 可知，金屬被沖頭擠壓產生鐓粗現象（第一階段）。隨著壓力的作用金屬被分流模分成三股流入分流孔（第二階段）。從分流孔流出的胚料流向焊合室內，流入焊合室的金屬受到流動限制，在高溫高壓作用下又重新融和在一起（第三階段）。最終材料充滿焊合室后從工作帶擠出成形[4]（第四階段）。

圖3 金屬流動的4 個階段

2.2 擠壓溫度對內部溫度場的影響

圖4 是擠壓行程為25 mm，擠壓速度為25 mm/s 時，不同擠壓溫度下鋁合金管材內部的溫度場分布。由圖4 可知，不同擠壓溫度下，管材溫度場分布規律基本相同。本次模擬結果與其他研究不同的是，雖然在定徑帶出口溫度得到升高，但溫度最大值并非在定徑帶獲得，而是在分流橋和分流孔的邊緣處獲得，這說明減少分流孔數有可能減少定徑帶的變形量。在模具與胚料接觸部分可以看到溫度有所下降，這是因為他們與環境存在熱交換的關系導致的。隨著擠壓溫度的增加，溫度峰值也不斷升高，這是符合實際變化規律的。鋁管出口處，溫度分布較均勻，并且溫度明顯升高，這是由于在擠壓過程中金屬流過定徑帶時，發生較大變形和摩擦引起的變形熱，因此導致鋁管出口溫度升高。并且隨著擠壓溫度的增加，出口溫度不斷增大。對鋁合金而言，出模孔溫度過高，制品的抗應力腐蝕性能會大幅度下降[5，6]。

圖4 不同擠壓溫度下管材溫度場分布

由圖5 可知，出模孔溫度隨擠壓溫度的升高而增加，但增加的趨勢變化不大。因此可以通過模擬仿真的技術來預測金屬在擠壓過程中溫度場的分布情況，避免大范圍溫度過高發生晶粒長大現象，合理控制金屬出模孔溫度，使晶粒組織細化，是獲得高性能擠壓組織無縫管的有效方法之一[7]。

圖5 鋁管出口溫度隨坯料加熱溫度的變化

2.3 擠壓溫度對應力分布的影響

圖6 為擠壓行程25 mm，擠壓速度25mm/s時，不同擠壓溫度下鋁合金管材內部的壓應力分布。由圖6 可知，擠壓溫度較低時，擠壓筒內部金屬壓應力較低，擠壓溫度較高時，擠壓筒內部金屬等效應力在靠近分流孔處壓應力升高，胚料到焊合室和分流孔處靠近模壁時應力達到最大值。

圖6 不同擠壓溫度下壓應力分布

圖7 不同擠壓溫度下最大壓應力

由圖6 可知隨著擠壓溫度升高應力最大值逐漸降低后又緩慢上升，這是溫度、應力和應變速度綜合作用的結果。隨著擠壓溫度升高，金屬變形抗力降低，塑性增強，金屬流動性增強，應力易在大范圍內傳遞，在應力圖中表現為變形區體積增大[8，9]。生產過程中應注意如果該位置拉應力大于純鋁的抗拉強度，擠壓出的管材制品表面就會產生向內擴展的裂紋。

2.4 擠壓溫度對晶粒尺寸的影響

圖8 為擠壓行程25 mm，擠壓速度25mm/s時，不同擠壓溫度下鋁合金管材內部的平均晶粒尺寸分布。由圖8 可知，不同擠壓溫度下，管材平均晶粒尺寸分布基本相同，擠壓筒內部金屬平均晶粒尺寸基本上都未發生變化，靠近分流孔擠壓變形區域體積增大，晶粒的分布規律是從上往下逐漸變小，到模孔處平均晶粒尺寸達到最小值。相對原始晶粒尺寸，晶粒明顯得到細化。隨著擠壓溫度的增加，焊合面和擠出的鋁管的晶粒尺寸變化規律是逐漸增大的，這是由于溫度升高引起的晶粒長大[10]。

圖8 不同擠壓溫度下管材的平均晶粒尺寸分布圖

圖9 為鋁管焊縫和基材晶粒尺寸點追蹤結果。由圖可知，焊縫的晶粒是小于基材的，大概相差1～2 μm，整體來看晶粒分布還是比較均勻。焊縫區晶粒在擠壓過程中發生動態再結晶，而基體區晶粒在擠壓過程中溫度較高的再結晶晶粒發生長大，因此導致基體區的晶粒尺寸相對較大。隨著擠壓溫度升高，無論是焊縫還是基體位置的晶粒尺寸都逐漸增大。由此可見，溫度增加會使得再結晶晶粒長大。因此我們在選擇擠壓溫度時需要考慮其對晶粒的影響。

圖9 不同胚料預熱溫度對晶粒尺寸的影響

2.5 擠壓速度對內部溫度場的影響

圖10 為擠壓行程25 mm，擠壓溫度460 ℃時，不同擠壓速度下鋁合金管材內部的溫度分布。由圖10 可知，最高溫度出現在分流橋和鋁管擠出部位。金屬在穩態時的溫度始終高于初始預熱溫度，并沿著擠壓方向逐漸增大。隨著擠壓速度的增大，型材在定徑帶出口溫度逐漸升高，隨著擠壓速度進一步增大，出口溫度有緩慢下降的趨勢。這和坯料與擠壓筒的摩擦程度、坯料本身塑性變形的激烈程度、散熱時間有關。并且速度加快會降低金屬在模具中停留時間，減少了金屬與模具之間的摩擦，因此導致溫度輕微下降的現象[11]。

圖10 不同擠壓速度下管材溫度場分布

2.6 擠壓速度對應力分布的影響

圖11 為擠壓行程為25 mm，擠壓溫度460℃時，不同擠壓速度下鋁合金管材內部的等效應力分布。由圖11 可知，不同擠壓速度下，管材等效應力分布基本相同，在變形量較大的區域（分流孔、分流橋和工作帶）時應力達到最大值。鋁管部位在擠壓速度為20 mm/s 時獲得的應力值是最小的，管材應力降低可以減少應力集中而引發裂紋等缺陷[12]。

圖11 不同擠壓速度下壓應力分布

由圖12 可知，隨著擠壓速度的增加，壓應力峰值呈先增大后降低的趨勢。擠壓速度從10 mm/s 增大到20 mm/s 時，壓應力峰值由67.2 MPa增加到86 MPa；繼續增加擠壓速度到25 mm/s，壓應力峰值降低為74.2 MPa。這是因為在擠壓過程中，材料內部同時進行著加工硬化和動態軟化兩個相互競爭的過程[13]。

圖12 壓應力的最大值

2.7 擠壓速度對晶粒尺寸分布的影響

圖13 為擠壓行程25 mm，擠壓溫度460 ℃時，不同擠壓速度下鋁合金管材內部的平均晶粒尺寸分布。由圖13 可知，隨著擠壓速度的增加，金屬的晶粒尺寸呈現不斷減小的現象。這是因為在擠壓速度較低時，金屬流動時間增加，為再結晶晶粒提供足夠時間使其長大；而擠壓速度過快時，縮短了金屬停留時間，金屬來不及長大，保留了動態再結晶時的晶粒形態[14]。

圖13 不同擠壓速度下管材的平均晶粒尺寸分布圖

由圖14 可知，與前面不同擠壓溫度的規律一致，基材的晶粒尺寸是大于焊縫的。隨著速度的增加，晶粒尺寸變化規律為逐漸減小的趨勢。在擠壓速度為10～15 mm/s 時，可以看到下降趨勢較大。隨著速度進一步增加，下降趨勢降低，由此可見，在低速且較高的溫度條件下，金屬在模具停留時間較長會引起再結晶晶粒的長大，因此出現擠壓速度為10 mm/s 的晶粒尺寸較大，而在擠壓速度為25 mm/s 時的晶粒尺寸相對較小。因此，我們綜合以上分析結果可知在較高的擠壓速度和擠壓溫度下，可擠壓出綜合性能較好的鋁管。

圖14 鋁管焊縫和基材晶粒尺寸隨擠壓速度的變化

3 結論

（1）擠壓速度一定，隨著擠壓溫度的增加，溫度峰值不斷升高，出口溫度不斷增大。應力最大值逐漸降低后又緩慢上升。焊合面和擠出的鋁管的晶粒尺寸也逐漸增大，焊縫的晶粒小于基材，相差1～2 μm。

（2）擠壓溫度一定，隨著擠壓速度的增加，型材在定徑帶出口溫度逐漸升高，隨著擠壓速度進一步增大，出口溫度有緩慢下降的趨勢。壓應力峰值呈先增大后降低的趨勢。金屬的晶粒尺寸呈現不斷減小的現象。

（3）在此模擬條件下最佳工藝參數為460℃、25 mm/s，鋁管和焊縫的晶粒尺寸分別為24.7μm和24.3μm。