文献综述——铝挤压

基于数值模拟研究铝合金管材挤压基于数值模拟研究铝合金管材挤压 过程中的金属流动规律及模具优化设计文献综述过程中的金属流动规律及模具优化设计文献综述 1 铝合金分类及铝合金挤压现状铝合金分类及铝合金挤压现状 纯铝的密度为 2 7g cm3 约是铁的 1 3 熔点为 660 铝是面心立方 结构 故具有很高的塑性 32 40 70 90 易于加工 可制成 各种型材 板材 并且具有极好的抗腐蚀性能 但是纯铝的强度很低 退火状 态 b值约为 8kgf mm2 故不宜作结构材料 通过长期的生产实践和科学实验 人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝 这就得到了一系列的 铝合金 添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高 的强度 b值分别可达 24 60kgf mm2 这样使得其 比强度 强度与比重 的比值 b 胜过很多合金钢 成为理想的结构材料 铝合金密度低 但强 度比较高 接近或超过优质钢 塑性好 可加工成各种型材 具有优良的导电 性 导热性和抗蚀性 近几十年来发展十分迅速 在国民经济和人民生活各领 域获得了十分广泛的应用 成为仅次于钢材的第二大金属材料 2002 2010 年间 全国铝合金产量如表 1 所示 时间产量 吨 同比增长 2002 年438 147 2020 95 2003 年508 654 2024 05 2004 年758 465 9623 85 2005 年944 607 2316 85 2006 年1 323 117 4332 33 2007 年1 955 190 9534 41 2008 年2 302 884 5822 55 2009 年2 429 698 043 75 2010 年 1 7 月2 097 074 71 表 1 2002 2010 年中国铝合金产量及增长速度统计 从表中可以看出 2002 2010 年间 全国的铝合金产量呈上升趋势 随着 加工技术 产品性能的提高 铝合金的产量将继续增大 其应用必定会更加广 泛 1 1 铝合金的分类 铝合金分两大类 铸造铝合金 在铸态下使用 变形铝合金 能承受压力 加工 可加工成各种形态 规格的铝合金材 主要用于制造航空器材 建筑用 门窗等 铝合金挤压所用的材料一般均为变形铝合金 1 1 1 铸造铝合金铸造铝合金 铸造铝合金 cast aluminium alloy 是指适于熔融状态下充填铸型获得 一定形状和尺寸铸件毛坯的铝合金 可按成分中铝以外的主要元素硅 铜 镁 锌分为四类 代号编码分别为 100 200 300 400 1 铝硅系合金 也叫 硅铝明 或 矽铝明 有良好铸造性能和耐磨性 能 热胀系数小 在铸造铝合金中品种最多 用量最大的合金 含硅量在 10 25 有时添加 0 2 0 6 镁的硅铝合金 广泛用于结构件 如壳体 缸体 箱体和框架等 有时添加适量的铜和镁 能提高合金的力学性能和耐热 性 此类合金广泛用于制造活塞等部件 2 铝铜合金 含铜 4 5 5 3 合金强化效果最佳 适当加入锰和钛能 显著提高室温 高温强度和铸造性能 主要用于制作承受大的动 静载荷和形 状不复杂的砂型铸件 3 铝镁合金 密度最小 2 55g cm3 强度最高 355MPa 左右 的铸造铝合 金 含镁 12 强化效果最佳 合金在大气和海水中的抗腐蚀性能好 室温下 有良好的综合力学性能和可切削性 可用于作雷达底座 飞机的发动机机匣 螺旋桨 起落架等零件 也可作装饰材料 4 铝锌系合金 为改善性能常加入硅 镁元素 常称为 锌硅铝明 在 铸造条件下 该合金有淬火作用 即 自行淬火 不经热处理就可使用 以 变质热处理后 铸件有较高的强度 经稳定化处理后 尺寸稳定 常用于制作 模型 型板及设备支架等 铸造铝合金具有与变形铝合金相同的合金体系 具有与变形铝合金相同的 强化机理 除应变强化外 他们主要的差别在于 铸造铝合金中合金化元素 硅的最大含量超过多数变形铝合金中的硅含量 铸造铝合金除含有强化元素之 外 还必须含有足够量的共晶型元素 通常是硅 以使合金有相当的流动性 易与填充铸造时铸件的收缩缝 为了获得各种形状与规格的优质精密铸件 用于铸造的铝合金一般具有以 下特性 1 有填充狭槽窄缝部分的良好流动性 2 有比一般金属低的熔点 但能满足极大部分情况的要求 3 导热性能好 熔融铝的热量能快速向铸模传递 铸造周期较短 4 熔体中的氢气和其他有害气体可通过处理得到有效的控制 5 铝合金铸造时 没有热脆开裂和撕裂的倾向 6 化学稳定性好 抗蚀性能强 7 不易产生表面缺陷 铸件表面有良好的表面光洁度和光泽 而且易于 进行表面处理 8 铸造铝合金的加工性能好 可用压模 硬模 生砂和干砂模 熔模石 膏型铸造模进行铸造生产 也可用真空铸造 低压和高压铸造 挤压铸造 半 固态铸造 离心铸造等方法成形 生产不同用途 不同品种规格 不同性能的 各种铸件 但是铝的化学性质比较活泼 熔炼过程中易与水气反应 氧化并吸氢 氢 在铝合金中从液态到固态的饱和溶解度相差近 17 倍 因此 铝合金铸件易产生 针孔和夹杂等缺陷 1 使得产品的性能难以稳定 1 1 2 变形铝合金变形铝合金 变形铝合金可以按其特征进行一下几种分类 1 按照抗拉强度的高低分为 低强度 b441MPa 铝合金 2 按照热处理强化程度分为 热处理强化铝合金和热处理不强化铝合金 3 按照焊接性能分为 可焊铝合金 在熔化焊接是时 能够保持或者仅 稍微改变其力学性能 不可焊铝合金 在熔化焊接时 合金的强度 力学性能 显著降低 4 按照抗腐蚀性能分为 高抗蚀性 在大气条件下和海水中抗一般腐蚀 性能和抗应力腐蚀性能高 中等抗蚀性和滴抗蚀性铝合金 几种典型挤压铝合金及其特性 1 1035 合金 1035 合金是含 0 7 以下杂质的工业纯铝 其中主要杂质是铁和硅 铁和硅 以及某些其他金属杂质能略微提高强度 但显著的降低了合金的塑性和导电性 能 随着杂质含量的减少 合金的抗蚀性逐渐提高 2 3A21 合金 3A21 合金是 Al Mn 二元系中的变形合金 具有极高的抗蚀性 3A21 合金的 半成品能够很好的进行气焊 氢原子焊 氩弧焊和接触焊 且焊缝的抗蚀性与 基体金属相同 在冷状态和热状态下合金的变形性能好 热变形的温度范围很 宽 320 470 热处理方法不能强化 合金型材在退火或热挤压状态下供应 3 5A06 合金 5A06 合金属于 Al Mg Mn 系合金 在室温及高温下 都具有很高的塑性 在各种介质中 都具有很高的抗蚀性 其良好的抗蚀性和可焊性使它在造船工 业中得到广泛的应用 该合金的焊缝具有高的强度及塑性性能 室温下 焊接 接头的强度可达到基体金属强度的 90 95 4 2A12 合金 2A12 合金是应用最广泛的一种硬铝合金 属于 Al Cu Mg Mn 系四元合金 该合金可以用热处理的方法剧烈强化 主要强化相是 S Al2CuMg 和 CuAl2 合 金在热状态和冷状态下均能很好的变形 热变形可以在很宽的温度范围内进行 350 450 进行 无论在退火还是淬火状态下 合金都能在室温下进行变 形 5 6063 合金 6063 合金是 Al Mg Si 系合金中的典型代表 具有优良的可挤压性和可焊 性 是建筑门窗型材的首选材料 在塑性加工的温度 速度条件下 塑性性能和 抗蚀性高 没有应力腐蚀倾向 在焊接时 其抗蚀性实际上不降低 6063 合金 的主要强化相是 Mg2Si 和 AlSiFe 淬火及人工时效之间的间隔时间对 6063 合金 的强化程度有显著的影响 本论文将选用 6063 合金作为研究对象 1 2 变形铝合金的可挤压性 定性的评价金属的挤压能力可以用一综合指标 可挤压性指数来表示 可挤压性的含义是指合金以高流出速度 大变形程度和低单位挤压压力进行挤 压的相对能力 其影响因素主要包括合金的特性和断面形状复杂程度 2 实用中一般采用以 6063 合金为一个单位 与其他的合金相比较 该方法往 往由于挤压条件的不同 得出的结果也不一样 可挤压性指数 Z 与挤压基本参 数之间的关系式如下所示 f k V f CZln 1 式中 C 比例系数 Vf 制品流出速度 m min k 合金的变形抗力 MPa f1 型材断面复杂程度系数 若取 6063 合金的可挤压性指数为 100 则按上式计算出的铝合金的可挤压 性指数如表 2 所示 3 按可挤压性指数的大小 铝合金可分为三组 易挤压合 金 Z 100 中等可挤压合金 Z 100 50 难挤压合金 Z 50 Z 指数 合金 Vf m min 1 k MPa 棒材 条材简单型材复杂型材 易挤压合金 10507518200160120 3A216020180145110 中等可挤压合金 606330351008060 70051250705542 5A03760504030 难挤压合金 2A114 575352821 2A122 5100181411 7A042 011013118 5A061 71201086 表 2 部分工业铝合金的可挤压性指数 平均值 可挤压性指数是一种相对值 其主要意义在于相对大小的比较 单纯考虑 某一合金的可挤压性数值的大小并无多大实用意义 比较不同铝合金材料挤压条件 可以确定出一个变形抗力与最大挤压流出 速度之间的近似经验计算式 2 1 k f kV 式中 k 为经验系数 即合金的变形抗力越高 可达到的最大挤压流出速 度就越小 可挤压性除与合金的特性有关外 还与型材断面形状的复杂程度有关 型 材断面形状越复杂 变形不均匀程度增加 会导致挤压力增大 流出速度减小 型材断面的复杂程度一般用型材断面的周长与断面积之比 f1来表征 此比值称 为形状系数或型材断面复杂程度系数 4 1 3 铝合金管材的生产现状与发展趋势 1 3 1 我国铝挤压材生产现状我国铝挤压材生产现状 中国铝挤压工业起步于上世纪 50 年代初 1956 年东北 101 厂建成投产 1968 1969 年西北铝和西南铝建成投产 这三家工厂的挤压生产线都是按铝及 铝合金管 棒 型 线材设计生产 主要用于航空和军工铝材生产 上世纪 80 年代 我国快速建成建筑铝门窗型材生产体系 随着中国房地产行业的蓬勃发 展 国内市场对建筑铝型材的需求呈逐年上升之势 进入 2000 年以来 随着中国 汽车及轨道车辆制造业 电力 机械装备制造业 家电等行业的快速发展 对铝 型材的需求也在不断增加 导致种类和应用领域繁多的工业用铝型材得到了国内 外铝挤压材生产企业的大力开发 成为推动全行业继续向前健康发展的新的增长 领域 目前 我国已成为全球铝挤压材生产最多的国家 也是铝挤压材消费最 多的国家 5 近年来中国铝挤压材的产量 出口量和表观消费量均快速增长 2001 年 2007 年间的年增长率分别为 1719 5318 和 1416 挤压材供应增长幅度略快 于消费增长速度 出口持续稳定地高幅度增长 铝型材和铝管材分别在 2001 年和 2004 年实现净出口 铝挤压材产量从 2001 年开始位居全球首位 根据 CRU 的统 计 2006 年美国 加拿大和整个欧洲的铝挤压材总产量为 467 万 t 中国为 450 万 t 中国在总产量方面远远高于西方各个国家 在消费方面 中国目前已经成 为全球第一大铝挤压材消费国 2006 年全球铝挤压材的总消费量约为 1050 万 t 中国为 39113 万 t 约占全球总消费量的 3713 铝挤压材中型棒材占 90 以上 其中通用型材以及中小型民用建筑型材占 型棒材的 90 以上 大中型型材和特种专用管材仅约占 10 管材约占铝合金挤 压材的 10 而异型管材和特种专用管材约占管材的 20 由此可见 铝及铝合 金挤压材中产销量最大 应用范围最广泛的是中小型民用建筑型材 通用型材 和棒材 管材 1 3 2 铝合金管材的应用现状与发展趋势铝合金管材的应用现状与发展趋势 1 办公机械用感光鼓铝合金管材 高纯 高精 高表面感光鼓用铝合金管材是打印机 复印机 扫描仪等办 公机械的核心部件 感光鼓的基体材料 也可推广应于电子 光学仪器等不 同领域 应用领域与应用前景十分广阔 近年来 办公机械产业向轻量化 小 型化 高速化 清晰化 低成本等方向发展 用铝量大大增加 高速化 清晰 化等对铝合金管材的尺寸精度和表面质量提出了更高的要求 随着信息产业和电子产业的高速发展 办公机械耗材业的发展进入快车道 处于高速增长期 目前 全球 OPC 有机光导体 精密铝管材年总需求量在 30 万吨左右 国内需求量在 5 万吨左右 且需求量的年增长率都在 5 以上 OPC 专用精密铝合金管材可用 6063 合金生产 也可用 3003 合金生产 但对材质的 成分 纯度和杂志含量要求特别严格 对产品的内外组织和表面质量要求特别 高 对尺寸公差也要求严格 因此 技术含量高 生产难度大 虽然国外已有 成熟的工艺 但仍不能满足市场需求 国内的生产水平与国际先进水平相比仍 有一定差距 急需加大力度研制开发 以满足我国国民经济的高速持续发展的 要求 6 2 铝合金经济断面管材 随着经济与科学技术的发展 简单的圆管已经不能满足要求 因此 经济 断面管材的研制与开发便应运而生了 目前 国外铝合金经济断面管的品种数 量 生产规模和质量水平都有了很大的发展 铝合金经济断面管主要分为异型 断面管 变直径和变壁厚管 特薄壁管三种 其主要特点是能最大限度满足零 件的强度及硬度要求 可按强度来设计各种零部件 不仅有可靠的安全性 而 且能大大减轻零件的重量 降低金属损耗 减少加工工时和减轻劳动量 降低 成本 提高社会效益和经济效益 近年 美 日 德 俄罗斯等国用挤压 轧制 拉伸或挤压 变径旋压法制造 的空心等壁厚或变壁厚的锥形电线杆 旗杆 灯杆 不仅符合等强度构件的要 求 而且大大节约了金属材料 节省加工工作量 减少了运输 安装和维护费 用 是一种典型的经济断面管 据不完全统计 全球年需求量在 50 万吨以上 国内也需要 5 万吨以上 工业发达国家虽然已研发出生产各种经济断面管材的 生产方法和技术 但仍不能大批量稳定的生产 而且有些品种仍在研制之中 我国在制造大型复杂的经济断面铝合金管材方面尚处于起步阶段 需加大开发 力度 3 铝合金钻探管材 铝合金钻探管杆具有质量轻 强度高 节能 容易制造和维护 便于运输 利于回收等一系列优点 特别在钻探井和海洋钻探方面 在国外已广泛推广应 用 具有显著的经济效益和社会效益 生产实践表明 使用与目前所采用的钢 钻探管强度相当的 7075T6 2024T4 等铝合金钻探管 可使重量减轻 1 2 1 3 生产效率提高 15 20 并能大大节约设备的制作和运输费用 因 此 铝合金钻探管是一种较为理想的深井钻探材料 大有替代传统钢钻探杆的 趋势 铝合金钻探管的生产工艺基本成熟 设备先进配套 技术水平相当高 生产效率和经济效益都很好 但由于需要大型挤压机和特殊的生产工具和工艺 所以仅分布于少数几个拥有先进制造技术的国家 我国几乎是空白 目前 世界铝钻探管年产量为 30 万吨左右 随着深井钻探 大沙漠油田和 海底油田的开发和地质矿床的深层钻探以及发展中国家钻具以铝代钢的发展 铝钻探杆需求量会日益增多 估计会以 3 5 的年增长率增加 我国目前钻探杆的年需求量为 14 万吨左右 而且大部分依靠进口 石油和 地质等部门多次强调国产化并主张以铝代钢 如果实现全铝化 年共需铝钻探 管 5 万吨以上 市场前景是十分可观的 4 铝合金大型厚壁管 大径薄壁管及气液体输送管材 铝合金大型厚壁管是指直径大于 250mm 以上 壁厚 5 100mm 以上的管材 主要用于高压容器 高压液体与气体输送 液压与气压传动装置 输电管母线 以及能源与动力 机械制造等领域以及制作炮筒外套等军事器械 也可用作进 一步加工的管坯或旋压大径薄壁管的坯料 用途十分广泛 目前全球铝及铝合 金大型厚壁管材的产量仅为 50 万吨左右 不能满足市场需求 而我国的大径厚 壁管年产量为 0 5 万吨左右 需要从国外引进 特别是大型管母线和液化天然 气罐体等铝合金管坯 铝合金大径薄壁管材主要是指直径大于 250mm 而壁厚小于 2mm 的管材 主要用于航空航天 导弹 火箭 机筒外壳以及气液体运送 各种保护外套等 领域 全球年需量为 10 万吨左右 我国年需量在 0 5 万吨以上 由于大径薄壁 铝及铝合金管材的生产工艺复杂 质量要求高而且需要大型的特殊的工艺设备 所以生产量不大 远远不能满足市场的需求 铝及铝合金气液体输送管道系统较镀锌铁管 塑料管 不锈钢管和铜管有 防锈 耐腐蚀 美观耐用 质轻 强度高 价格便宜等优越的特点 因此 近 年来或得广泛应用 铝及铝合金气液体输送管主要包括铸造管 热挤压管 冷 挤压管 冷压 拉拔管以及铝塑复合管等 主要用作建材管道 冷热自来水 酸 碱盐各种液体 燃气 氧气 压缩空气等各种气体和石油 天然气等输送管道 在汽车 飞机 轮船等交通运输工具上也有广泛的应用 市场潜力非常巨大 7 目前 全球铝及铝合金气液体输送管道系统用管材的产销量大约在 20 亿 m 左右 我国的产销量已达到 1 亿 m 以上 随着国民经济的高速持续发展和人民生活水 平的大幅度提高 各种功能 性能和用途的铝及铝合金气液体输送管的需求量 将会大幅度增加 其发展前景是十分可观的 1 4 2 铝合金挤压工具及挤压金属流动特性铝合金挤压工具及挤压金属流动特性 2 1 概述 挤压工具可分为大型基本工具和模具 大型基本工具包括挤压筒 挤压轴 针支承 支承环 压型嘴和模架等 模具包括模子 穿孔针等直接参与金属变 形且消耗比较大的工具 模具是最重要的挤压工具 在现代化的挤压生产活动 中 工具和模具对实现整个挤压过程有着十分重要的意义 模具寿命是评价某 一挤压方法经济可行的决定因素 工模具的设计与制造质量是实现挤压生产高 产 优质 低耗的最重要的保证之一 2 2 工模具在铝型材挤压中的重要作用 工具和模具对实现整个挤压过程有着十分重要的意义 具体来说 其重要 地位和作用表现在以下几方面 8 11 1 合理的工模具结构是实现任何一种挤压工艺过程的基础 因为它是使金 属产生挤压变形和传递挤压力的关键部件 挤压过程中 依靠挤压油输出压力 由挤压筒盛熔铸锭并使之在强烈的三向压应力作用下产生变形 模具是使金属 最后完成塑性变形或得所需形状的工具 在目前的条件下 还不能相象无挤压 筒 无模具的挤压工艺 2 模具是保证产品成形 具有正确形状 尺寸和精度的基本工具 只有结 构合理 精度和硬度合格的模具 才能实现产品的成形并具有精确的内外廓形 状和断面尺寸 同时 合理的模具和工具设计能保证产品具有最小的翘曲和扭 曲 最小的纵向弯曲和横向波浪度 3 模具是保证产品内外表面质量的重要因素之一 模具本身的表面光洁度 表面硬度对产品的内外表面光洁度有着决定性的影响 只有通过精磨抛光和氮 化处理或表面硬化处理的模具才能挤压出表面光亮的制品 过度光滑 表面光 洁的模后工具能保证挤压制品的光洁表面 使之经过表面处理后可获得色调美 观 厚度均匀 附着牢固的表面氧化膜 4 合理的工模具结构 形状和尺寸 在一定程度上可控制产品的力学性能 和内部组织 特别是在控制空心制品的焊缝组织和力学性能方面 分流孔的大 小 数量和形状以及分布位置 焊合腔的形状和尺寸 模芯的结构等起着决定 性的作用 挤压垫片 挤压筒和模子的结构形状与尺寸及表面质量 对控制产 品的粗晶环和缩尾 成层等缺陷也有一定的作用 5 工模具的结构形状与尺寸对金属的流变 挤压温度 速度场 应力 应变 场等有很大影响 从而对提高生产效率 产品质量和减少能耗有很大作用 6 合理的工模具设计对提高其装卸与更换速度 减少辅助时间 改善劳动 条件和保证生产安全等方面有重要意义 7 新型的模具结构对于开发新产品 新工艺 研制新材料和新设备 不断 提高挤压技术起着很大的作用 如扁挤压筒 舌型模 组合模 多层预紧应力 模 变断面模等 8 高比压优质圆挤压筒和扁挤压筒及特种型材模和异形管材模的设计与制 造技术 是铝合金挤压生产的核心和关键技术 其技术含量在整个挤压技术中 占有很大的比例 12 9 对于中等批量的挤压产品 工模具的成本占总制造成本的 30 左右 如 将其使用寿命提高 3 5 倍 则产品的成本可大幅度下降 13 2 3 铝合金挤压现状 挤压技术开始于 18 世纪末 经历了 200 余年的发展变化 挤压分为冷挤压 温挤压和热挤压 14 铝型材挤压属于热挤压 是指将铝合金高温铸坯置于专用 模具 机头 内 在挤压机提供的强大压力作用下 按给定的速度 将铝合金从 模具型腔中挤出 从而获得所需形状 尺寸以及具有一定力学性能的铝合金挤 压型材 铝合金型材挤压技术在汽车 船舶 铁路 航空 航天等工业领域以及建 筑等民用领域越来越显示出其重要地位 目前 国际上铝合金型材挤压技术发 展迅速 世界各发达国家已装备了各种形式 各种结构 不同吨位的铝型材挤 压机 铝型材挤压正在向大型化 复杂化 精密化 多品种 多规格 多用途 方向发展 挤压生产也日趋连续化 自动化和专业化 目前 不仅发展了一些 先进的特殊结构的大型挤压机 而且研制了多种类型的挤压结构的模具以及新 的挤压工艺 并能挤压出各种外形复杂的实心 空心制品 我国的铝型材挤压 技术起步较晚 尽管目前已有 1000 多家生产铝型材的国有企业 拥有 2000 多 台挤压机 但无论从挤压产品的质量还是从挤压生产的效率和标准化程度来看 都与世界先进水平存在较大差距 15 日本自 20 世纪 70 年代以来 就开始研究了各种各样的挤压加工方法 如 静水挤压 连续挤压等技术早已进入实用阶段 目前也在不断地开发研制出新 的特殊挤压技术 如连续挤压拉拔技术 可变断面挤压技术 新材料新功能挤 压技术 弯曲挤压技术以及精密挤压技术等 其挤压产品已大量应用到建筑 家电 汽车 船舶以及高速列车等行业中 在挤压领域 美国从基础理论到生 产实践都走在世界的前列 俄罗斯在铝合金型材挤压方面也占据十分重要的地 位 自 1956 年就开始了铝合金壁板的生产 我国有很多挤压技术到现在还仍然 沿用前苏联的技术 英国 意大利 法国 挪威 瑞典 加拿大以及澳大利亚 等国的铝合金型材挤压技术也发展到了相当高的程度 我国的铝型材挤压技术的研究主要内容为改进现有模具结构 开发各种新 的结构以及进行冷却系统和润滑系统的研究 以提高模具的寿命和产品的质量 研究金属流动规律以及模具和挤压加工过程的温度场 速度场 应力应变场及 其变化规律 在计算机上用 FEM 对挤压过程进行数值模拟 以指导设计模具和 制订工艺规程工作 2 4 铝合金挤压工模具设计现状及发展趋势 挤压模具设计和制造技术是铝合金型材挤压技术的核心 是保证产品形状 尺寸和精度内外表面质量的最为重要的因素 目前 挤压模具材料经历了一个 由碳素工具钢一低合金工具钢一高合金工具钢一高级合金模具材料的发展过程 16 设计合理的工模具结构能够在一定程度上控制产品的内部组织和力学性能 合理的工模具设计和制造能大大提高模具的寿命 因而对于提高生产率 降低 成本和能耗有重要意义 新型的模具结构 对于发展新品种 新工艺 不断提 高挤压技术水平起着重要的作用 工模具的设计一般包括设计理论和设计方法的选择 结构的设计计算 尺 寸的确定 强度的校核和材料的选择以及经济技术指标的评价等 模子 穿孔 针 挤压垫片 挤压筒内衬等直接参与金属变形的工具 其设计不同于一般的 机械零件设计 而是介于机械加工与压力加工之间的一种工艺性设计 在热挤 压条件下各种工艺因素 如铸锭的形状 尺寸与内外质量 产品的断面形状 尺寸与交货长度 被挤压合金的性能及挤压时的流动情况 挤压残料的形状与 分离残料的方法 设备的能力及其结构特点 设备与模具的联接方式工模具的 组装及加热温度 铸锭的加热温度 制品的流动速度 模子或铸锭的润滑情况 挤压力的大小 挤压筒的结构 形状与加热温度 模子出口的风冷或水冷情况 带牵引的情况 模具钢的高温性能等 铝合金挤压时金属是在密闭的型腔中流动 因此模具设计者对挤压过程中 的金属流动情况以及模具的应力 应变状况难以掌握 要想得到质量合格的产 品 必须尽量保证制品断面上每个质点以相同的速度流出模孔 在实际生产中 模具设计人员往往通过反复试模和修模来实现这一目的 但这种方式不利于短 周期低成本的产品开发要求 要设计出结构合理且经济实用的挤压模具是一件 十分复杂而困难的工作 因此 世界各国的挤压工作者对模具设计理论和方法 特别对优化理论和方法 进行了大量的研究工作 在挤压技术发展的初期 一 般根据机械设计原理 利用传统强度理论并结合设计者的实践经验来进行模具 设计 随着弹塑性理论和挤压理论的发展 许多新型的实验理论和方法 计算理 论为和方法已开始用于挤压模具设计制作领域 如 工程计算法 金属流动坐 标网格法 光弹光塑法 密栅纹云法 滑移线法 上限元理论和有限元理论等 被广泛用于模具应变场的确定和各种强度的校核 进而优化其结构和工艺要素 随着计算机技术的发展 挤压模具的 CAD CAM 技术在最近 20 30 年中得到迅速 发展 且很大一部分技术集中在模具设计的优化方面 何德林等人利用 IDEF0 方法开发出能对平面模和分流模进行优化设计的 CAD CAM 系统 王孟君等人以 AUTOCAD 1210 为图形支撑环境 VISUAL BA2SIC410 为开发工具 开发的 CAD 系 统 可以有效地从事挤压平模的各项计算 从而对设计结果进行优化 闫洪 17 19 等人将 CAE 概念引入模具设计过程 指出了优化设计的方向 刘汉武等人提 出智能 CAD 概念 为模具设计智能化提供了一些思路 此外 国内外科研人员 运用理论解析 物理模拟和数值模拟等方法 对铝型材挤压的变形过程 应力 场和温度场分布及变化 摩擦与润滑等问题进行了大量的分析和实验 并根据 其研究成果对挤压模具进行了优化 其中在铝型材挤压工艺和模具开发过程中采用成型过程有限元模拟技术 可以在制模以前就对成形过程进行计算机仿真 从而获得挤压件形状 挤压件 内部各种力学场量的分布等信息 便于及时发现挤压件中可能出现的缺陷 进 而实行工艺和模具设计方案的及时修改 甚至能够达到零试模的目的 这是现 代化生产发展的必然趋势 2 5 挤压时的金属流动特性 挤压时金属的流动情况一般分为三个阶段 图 1 平模正向填挤充过程 a 开始挤压阶段 b 平流挤压阶段 c 紊流挤压阶段 Pic 1 The filling process of forward extrusion a The beginning stage b Laminar flow stage c Turbulence flow stage a 阶段为开始挤压阶段 又称为填充挤压阶段 金属受挤压轴的压力后 首先充满挤压筒和模孔 挤压力上升直至最大值 b 阶段为基本挤压阶段 也 叫平流挤压阶段 当挤压力达到突破压力 高峰压力 时 金属从模孔流出瞬间 即进入此阶段 一般来说 在此阶段中金属的流动相当于无数同心薄壁圆管的 流动 即铸锭的内外层金属基本上不发生交错或反向的紊乱流动 锭坯上外层 或中心层的金属流出模孔后仍处于制品的外层或中心层 在平流阶段 锭坯在 同一横断面上的金属质点均以同一速度或保持一定的速度进入变形区压缩锥 靠近挤压垫片和模子角落处的金属不参与流动而形成难变形的阻滞区或死区 在此阶段中挤压力随着锭坯的长度减少而下降 c 阶段为终了挤压阶段 或称 紊流挤压阶段 在此阶段中 随着挤压垫片 已进入变形区 与模子间距离的缩 小 迫使变形区的金属向着挤压轴线方向由周围向中心发生剧烈的横向流动 同时 死区中的金属也向模孔流动 形成挤压加工特有的 挤压缩尾 等缺陷 在此阶段中 挤压力有重新回升的现象 此时应结束挤压操作过程 挤压时金属流动坐标网格的变化如图 2 所示 图 2 正挤压圆棒材时坐标网格 金属流动示意图 从图中可以看出 A 纵向网格线的变化 1 变形前后均保持平行直线 间距仍相等 2 每条线 除中间一条外 发生了两次方向相反的弯曲 各条线的弯曲 角度不同 外大内小 3 在挤压制品的最前端 除了中间一条外 其它线分别向外弯曲 B 横向网格线变化 1 靠近挤压垫一方部分横向线未变化 2 进入变形区后横向线向前发生弯曲 越靠近模孔 弯曲越大 出模孔 后不再发生变化 3 出模孔后的横向线的弯曲程度由前向后逐渐增加 最后趋于稳定 4 横向线距离不等 前小后大 最后趋于稳定 C 坐标网格的变化 1 变形前为正方形 变形后横向压缩 纵向拉长为矩形或平行四边形 2 挤压制品中心部位近似矩形 边部为平行四边形 2 6 影响金属流动的主要因素 影响金属流动的主要因素有合金特性 挤压方法 摩擦润滑条件 工模具 与铸锭的加热温度 工模具的结构与形状 变形程度等 2 6 1 接触摩擦与润滑的影响接触摩擦与润滑的影响 挤压时流动的金属与工具间存在接触摩擦力 其中以挤压筒壁上的摩擦力 对金属流动的影响最大 当挤压筒内壁上的摩擦力很小时 变形区范围小且集 中在模孔附近 金属流动比较均匀 而当摩擦力很大时 变形区压缩锥和死区 的高度增大 金属流动则很不均匀 以致促使锭坯外层金属过早地向中心流动 形成较长的缩尾 可见 接触摩擦力对金属的流动均匀性产生不良的影响 但 是 在某些情况下 可以有效地利用金属与工具之间接触摩擦作用来改善金属 的流动 如在挤压管材时 由于锭坯中心部分的金属受到穿孔针摩擦作用和冷 却作用 而使其流速减缓 从而使金属流动变得较为均匀 减短产生缩尾的长 度 在挤压断面壁厚变化急剧的复杂异形型材时 在设计模孔时利用不同的工 作带长度对金属产生不同的摩擦作用来调节型材断面上各部分的流速 从面减 少型材的扭拧 弯曲度 提高产品的精度 2 6 2 合金特性的影响合金特性的影响 合金的强度与塑性对流动也有很大的影响 一般来说 强度越高 粘性越 小 挤压温度越低则金属流动越均匀 对于同一种金属或合金来说 铸锭在挤 压前的加热条件对金属流动性也有一定的影响 当锭坯加热不均匀时会影响其 横断面上变形抗力的均匀性 从而导致金属流动不均匀 当加热温度增高 金 属的导热性下降 结果使锭坯断面温度分布不均匀 也会引起金属流动的不均 匀 此外 温度的改变往往会引起摩擦系数的变化 从而影响到金属流动的均 匀性 铝合金在挤压过程中最基本的工艺特点之一是对工具 挤压筒 穿孔针 模子 挤压垫片 的粘结作用十分强烈 会产生很大的接触摩擦应力 此应力接 近于金属的剪切屈服强度 这使锭坯的表面层和中心层之间的剪切变形量产生 很大的差异 从而加剧了金属流动的不均匀性 特别是对于挤压温度高 导热 性差的合金来说 在热挤压过程中 由于铸锭横断面上和长度上存在较大的温 度梯度 更增大了其流动的不均匀性 2 6 3 挤压方法的影响挤压方法的影响 一般来说 反向挤压比正向挤压流动均匀 润滑挤压比不润滑挤压流动均 匀 冷挤压比热挤压流动均匀 有效摩擦挤压比其他挤压方法流动均匀 2 6 4 挤压工模具的影响挤压工模具的影响 挤压工模具的结构形状 表面状态 模孔排列 加热温度对金属的流动有 很大的影响 设法提高金属流动的均匀性 是设计 制造和使用挤压工模具中 十分重要的问题 1 模具结构和形状的影响 挤压铝合金时 最常采用的模具主要有平面模和锥形模 模角越大 则金 属流动越不均匀 用平面模挤压时 变形的不均匀程度最大 随着模角的增大 死区的高度逐渐增加 但是 当模角小于 60 度时 易于将铸锭表面的脏物 缺 陷带入制品而影响产品的表面质量 为了保证产品质量 同时兼顾金属流动均 匀和挤压力不过分增大 在挤压管材和中间毛料时 通常取锥形模的模角为 60 度 65 度 而对于表面质量要求特别高的捧材和型材来说 一般采用平面模 模角 90 度 来进行挤压 此外 在挤压管材和空心型材时 穿孔针的结构和形状及锥度 舌型模和 平面分流组合模的结构 分流孔的大小和形状 焊合室的形状和尺寸 宽展模 的宽展角 变断面模中过渡区的结构和形状等都对金属的流动有很大的影响 在设计模具时应特别注意选择合理的结构和形状 以获得较均匀的金属流动 2 模孔排列的影响 模孔的排列从两个方面来影响金属的流动特性 一是距离挤压筒中心的远 近 接近中心的部分 金属流动快 而远离中心的部分由于受到挤压筒壁摩擦 阻力的影响而使金属流速减慢 二是塑性变形区内供给各模孔或模孔各部分的 金属量的分配 供应充足的部分流速较快 反之 供应不足的部分则金属流速 减慢 因此 为了增加金属流动的均匀性 模孔应尽量对称地布置在模子平面 上 在设计多孔模时 各模孔的中心应布置在距离中心某一合适距离的同心圆 上 在设计异形型材时应使易流出的厚望部分远离中心 而把难于流动的薄壁 部分靠近中心 3 表面状态的影响 工模具的表面粗糙度 圆滑度 表面硬度和表面润滑状态都是影响金属流 动均匀性的重要因素之一 表面越光洁 过渡越圆滑 表面硬度越高 润滑条 件越好 则挤压时金属流动越均匀 4 加热温度的影响 在挤压时 铸锭横断面上的温度越均匀 则挤压时的流动也越均匀 因此 应尽量减少挤压筒 挤压垫片和穿孔针 模子与变形金属之间的温度差 在挤 压过程中 挤压筒加热保温 工模具预热等措施是十分重要的 2 6 5 其它因素的影响其它因素的影响 铸锭长度 变形程度 挤压速度等对金属的流动均匀性也有一定的影响 如铸锭前端长度约为 1 1 5 倍挤压筒直径的部分金属流动极不均匀 变形程 度过大或过小时 金属流动都不均匀 金属的流速过快也会增大金属流动的不 均匀性等 根据上面的分析可知 由于各种因素错综复杂的影响 使挤压过程 金属的流动特性表现出多种多样的形式 3 数值模拟 模型建立及软件简介数值模拟 模型建立及软件简介 铝型材挤压成形是属于三维流动 非线性 大变形问题 在挤压成形过程 中 会不断的产生新的自由表面 产生新的热量 发生温度传递 大变形 复 杂几何形体变化等各种交叉耦合现象 整个挤压过程可以分为非稳态开始 稳 态成形 非稳态结束三个阶段 其材料的本构模型也非常复杂 同时 在高温 状态下材料的粘度性能不符合常粘度定律 材料的应变速率及温度对变形的影 响也不可忽视 针对大变形 几何非线性 材料非线性问题 主要有有限元法 有限体积法 任意拉格朗日欧拉法等几种处理方法 3 1 有限元法 有限元模拟技术最早应用于金属塑性加工成形领域始于上个世纪 70 年代 经过 30 多年的发展 有限元法 FEM 已经发展成为种类较为齐全 软件功能较 为丰富 工程应用较为广泛的一种有效的分析工具 有限元分析方法通用性强 适用于任意速度边界条件 能够模拟整个会属成形过程的流动规律 获得变形 过程任意时刻的力学信息和流动信息 如应力场 速度场 温度场以及预测缺 陷的形成和扩展 可以方便地分析处理模具形状 工件与模具之问的摩擦 材 料硬化效应和温度等多种因素对塑性加工过程的影响 有限元法 它的基础是变分原理和加权余量法 它是把计算域划分为有限 个互不重叠的单元 在每个单元内 选择一些合适的节点作为求解函数的插值 点 将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函 数组成的线性表达式 借助于变分原理或加权余量法 将微分方程离散求解 20 于挤压成形的大变形问题 一般采用刚塑性或刚粘塑性有限元法 在分析中忽 略变形材料的弹性变形 假设金属在成形过程中体积不变 3 1 1 MSC MSC MENTAT 是新一代非线性有限元分析的前后处理图形交互界面 与 MSC Marc 求解器无缝连接 它具有以 ASIC 为内核的一流实体造型功能 全自 动二维三角形和四边形 三维四面体和六面体网格自动划分建模能力 直观灵 活的多种材料模型定义和边界条件的定义功能 分析过程控制定义和递交分析 自动检查分析模型完整性的功能 实时监控分析功能 方便的可视化处理计算 结果能力 先进的光照 渲染 动画和电影制作等图形功能 并可直接访问常 用的 CAD CAE 系统 如 ACIS AutoCAD C MOLD IGES MSC NASTRAN MSC PATRAN IDEAS VDAFS STL 等等 MSC Marc AutoForge 综合了 MSC MENTAT 通用分析软件求解器和前后处 理器的精髓 以及全自动二维四边形网格和三维六面体网格自适应和重划技术 实现对具有高度组合的非线性体成型过程的全自动数值模拟 MSC Marc AutoForge 提供了大量实用材料数据以供选用 用户也能够自行创建材料数据 库备用 MSC Marc AutoForge 除了可完成全 2D 或全 3D 的成型分析外 还可 自动将 2D 分析与 3D 分析无缝连接 大大提高对先 2D 后 3D 的多步加工过程的 分析效率 利用 MSC Marc AutoForge 提供的结构分析功能 可对加工后的包 含残余应力的工件进行进一步的结构分析 模拟加工产品在后续的运行过程中 的性能 有助于改进产品加工工艺 此外 作为体成型分析的专用软件 MSC Marc AutoForge 为满足特殊用户的二次开发需求 提供了友好的用户开 发环境 3 1 23 1 2 DEFORMDEFORM DEFORM 是国际上最著名的 2D 3D 成形加工和热处理工艺模拟分析软件 美国 SFTC 公司出品 转为生产实际应用而设计开发 使用起来特别简单 保证 用户缩短设计 生产周期 优化最佳工艺 提高生产效率 DEFORM 具有如下突 出特色 1 模拟范围广 材料流动 锻造负荷 模具应力 晶粒流动 缺陷成因等 2 适用工艺广 1 冷 热 温过程 2 锻造 拉拔 挤压 镦头 礅粗 轧制 摆碾 机加工车削 冲切等 3 正火 退火 淬火 回火 时效 渗碳 蠕变 硬化处理等 3 适用设备多 液压锻机 锻锤 摩擦压力机 机械压力机 轧机 摆碾 机等 4 材料库丰富 146 种专用材料数据库 5 与 CAD 系统自由交换数据 智能化成形过程模拟分析 工艺评价 Deform 2D 是一套基于工艺模拟系统的有限元系统 FEM 专门设计用来分 析各种金属成型过程中的二维 2D 流动 提供极有价值得工艺分析数据 Deform 2D 几十年来一直被世界范围内的企业用于分析锻造 挤压 拉拔 镦 头 镦粗和其它成形手段 Deform 2D 提供了最现代化的工艺模拟技术 Deform 2D 强大的模拟引擎能够分析金属成形过程中 多个材料特性不同的关 联对象耦合作用下的大变形和热特性 以此能够保证金属成形过程中的模拟精 度 使得分析模型和模拟环境和实际生产环境高度一致 任何需要时 能够自 行触发高级自动网格重划生成器 生成优秀的网格系统 Deform 3D 是在一个集成环境内综合建模 成形 热传导和成形设备特性 进行模拟仿真分析 适用于冷 析数据 如 材料流动 模具填充 属微结构 和缺陷产生发展情况等 热 温成形 提供极有价值得工艺分锻造负荷 模具 应力 晶粒流动 金其特色如下 不需要人工干预 全自动网格剖分 前处理 中自动生成边界条件 确保数据准确快速可靠 Deform 3D 模型来自 CAD 系统 的面或实体造型 STL SLA 格式 集成有成形设备模型 如 液压压力机 锤 锻机 螺旋压力机 机械压力机 轧机 摆碾机和用户自定义类型 如胀压成形 表面压力边界条件处理功能适用于解决胀压成形工艺模拟 单步模具应力分析 方便快捷 适用于多个变形体 组合模具 带有预应力环时的成形过程分析 材料模型有弹性 刚塑性 热弹塑性 热刚粘塑性 粉末材料 刚性材料以及 自定义类型 实体之间或实体内部的热交换分析既可以单独求解 也可以耦合 在成形模拟中进行分析 具有 Flownet 和点迹示踪 变形 云图 矢量图 力 一行程曲线等后处理功能 具有 2D 切片功能 可以显示工件或模具剖面结果 程序具有多联变形体处理能力 能够分析多个塑性工件和组合模具应力 后处 理中的镜面反射功能 为用户提供了高效处理具有对称面或周期对称面的机会 并且可以在后处理中显示整个模型 自定义过程可用于计算流动应力 冲压系 统响应 断裂判据和一些特别的处理要求 如 金属微结构 冷却速率 机械 性能等 3 2 有限体积法 有限体积法 Finite volume method 也称为 Euler 描述方法 控制容积积 分法 21 其基本思路是 将计算区域划分为一系列不重复的控制体积 并使每 个网格点周围有一个控制体积 将待解的微分方程对每一个控制体积积分 便 得出一组离散方程 其中的未知数是网格点上的因变量的数值 为了求出控制 体积的积分 必须假定值在网格点之间的变化规律 即假设值的分段的分布剖 面 有限体积法能得出直接的物理解释 离散方程的物理意义 就是因变量在 有限大小的控制体积中的守恒原理 如同微分方程表示因变量在无限小的控制 体积中的守恒原理一样 有限体积法得出的离散方程 要求因变量的积分守恒 对任意一组控制体积都得到满足 对整个计算区域 自然也得到满足 这是有 限体积法吸引人的优点 有一些离散方法 例如有限差分法 仅当网格极其细