工业铝材热挤压成型中摩擦状态的CAE分析

唐 妍

(南京交通职业技术学院 机电工程学院，江苏 南京 211188)

工业铝材热挤压成型中摩擦状态的CAE分析

唐 妍

(南京交通职业技术学院 机电工程学院，江苏 南京 211188)

在工业铝材热挤压成型中，摩擦状态直接决定了铝材的产品质量和挤压模具的使用寿命，因此作为衡量摩擦状态的重要参数，摩擦因子是热挤压过程中主要的工艺参数之一。以某工程机械驾驶室窗框铝材为例，通过CAE技术模拟仿真了在热挤压成型过程中不同摩擦因子对挤压材料温度和模具受力的影响。模拟过程中采用Pro/E软件构建成型挤压模具，并导入模拟分析软件MSC Superforge仿真成型过程，后处理结果可为工业铝材热挤压模具的设计及企业生产实践提供参考。

工业铝材；摩擦状态；挤压；CAE

工业铝材热挤压工艺和模具设计是型材质量和提高模具寿命的重要保证，而摩擦因子是衡量热挤压过程中摩擦状态的重要工艺参数，对工业铝材产品质量、挤压模具寿命和企业生产效率都有重要影响。目前，我国的工业铝材加工企业仍大多靠经验设计挤压模具，以致模具生产周期较长、反复试模造成成本太高，且挤压材料产品质量也难以保证。在工业铝材挤压工艺和模具设计中采用CAE技术，可以实时仿真成型过程中挤压材料外形及内部各处应力、应变等力学场量的分布情况，有助于实现成型工艺参数和模具设计的及时修改和反馈。

本文以某工程机械驾驶窗框铝材为例，窗框材料为Al6063，首先利用三维绘图软件Pro/E构建成型热挤压模具，并导入CAE分析软件MSC-Superforge模拟仿真不同摩擦因子下热挤压成型中挤压材料的温度变化和模具受力的分布情况，软件后处理结果可为热挤压工艺及相关模具的优化设计提供理论参考依据[1-4]。

1 建立CAE模型

1.1设计挤压模具

本文以某工程机械驾驶室窗框(如图1所示)为研究对象，对其热挤压成型过程进行CAE分析，计算下模模孔处工作带长度(如图2所示)，同时利用Pro/E软件构建成型挤压模具(如图3所示)，成型模具材料选择H13。Al6063坯料为φ180mm×60mm的圆棒，计算总挤压比λ=54。

1.2选择摩擦模型

金属塑性变形过程中，工件与模具接触的边界存在着抑制或促进金属流动的摩擦力，而其作用机理是个复杂的问题，它是不断变化的，受多种因素制约，比如材料、边界条件、温度和速度等，对金属的流动、压力分布和挤压力都有很大的影响。本文工业铝材热挤压过程中Al6063变形毛坯料和挤压筒之间的摩擦力对金属流动的影响比较大。

在对金属塑性成形过程进行CAE分析时，常采用的摩擦模型是常摩擦因子模型和库仑摩擦模型。本文中工业铝材的热挤压过程较为复杂，一般采用常摩擦因子模型，即假设在摩擦表面上的摩擦因子是一常数：

式中：m为摩擦因子；k为剪切屈服极限。其中m=0代表毛坯料和模具表面间无剪切摩擦；m=1代表摩擦状态属于粘着摩擦，摩擦剪切应力即变形材料的流动剪切应力。为分析摩擦状态对工业铝材成型过程的影响情况，本文分别选择m为0，0.33，0.67，1.00进行CAE对比研究。

1.3设置工艺参数

成型挤压模具和Al6063毛坯料的预热温度分别设定为450℃和480℃；CAE仿真网格尺寸为0.8mm；考虑计算机硬件配置限制同时为节省模拟时间，设置33mm的总挤压压下量，即凸模压下量达到33mm时，热挤压过程正好进入稳定状态。

1.4输入物理性能参数

MSCSuperforge软件数据库中没有Al6063资料，需自行输入。查文献[5]，可知预热到480℃时Al6063的弹性模量E=32GPa，泊松比ν=0.35，密度ρ=2 700kg/m3。

2 讨论模拟结果

2.1摩擦因子对温度的影响

整个工业铝材热挤压过程中，480℃的Al6063圆棒在450℃的挤压筒和挤压模中由于压力作用被迫通过截面积较小的分流孔以及模孔工作带，作用在毛坯料上的功很大一部分用来克服分流模与变形材料间的摩擦[6]。

挤压速度为6mm/s时，4种不同摩擦因子下挤压材料最高温度随凸模压下量的变化曲线如图4所示。由图可见4条曲线基本吻合，即说明Al6063坯料与挤压筒和挤压模具间的摩擦状态对挤压材料的最高温度没有影响，原因是接触摩擦产生的热量可通过模具向外界完全散失。进一步说明引起工业型材成型过程温度变化的主要原因是毛坯料变形产生的热量和变形材料与模具及环境间的热交换。

挤压速度为6mm/s、摩擦因子为0.33、凸模压下量为33mm时，挤压材料的温度分布图如图5所示。可见在成型过程中，挤压材料的最高温度始终发生在材料与模孔工作带接触部分，与初始温度相比该温度升高了4.1℃；挤压材料表面温度最低，比初始温度低了18.0℃，总温差为22.1℃。由于坯料的预热温度比挤压模具的预热温度高了30℃，因此挤压材料产生的热量可以向模具传递，挤压材料的温度不会升高太多。

凸模压下量为33mm时挤压下模的温度分布如图6所示，由图可清楚看出下模分流桥处的温度最高，比预热温度高了15.3℃，外表面由于和环境接触，散失热量，温度最低时较预热温度低了20.2℃，总温差为35.5℃。

2.2摩擦因子对模具受力的影响

在4种不同摩擦因子下得到的模具受力曲线

如图7所示，由图可见曲线形状基本一致，受力载荷的峰值均产生于挤压材料前端挤出下模模孔工作带的时刻，即压下量33mm挤压进入稳定状态处。

图8为4种不同摩擦因子对模具受力的影响曲线，由图可知，随着摩擦因子的增加，模具受力也随之增大。在m=1.00时(纯粘着状态)比m=0时(纯滑动状态)模具受力载荷增加了6.2%，表明提高挤压模具表面润滑状态，可以降低模具所受载荷大小，从而达到降低模具开裂几率、提高模具有效使用寿命的目的，降低了企业成本。

3 结束语

本文以某工程机械驾驶室窗框铝材为例，利用Pro/E软件构建其成型模具，并导入CAE软件模拟了整个工业铝材的热挤压过程，探讨了不同挤压因子对挤压材料的最高温度和模具受力的影响。

由模拟结果可知，不同的摩擦状态对挤压材料最高温度大小的影响极小，成型过程中由于接触摩擦产生的热量可通过模具向外界完全散失；不同摩擦状态下模具受力最大值均出现在挤压材料流出下模模孔工作带处，随着摩擦因子的增加，模具受力最大值也随之增大，可通过提高挤压模具表面润滑状态来降低模具受力大小，从而达到降低模具开裂几率、提高模具有效使用寿命的目的，降低企业成本。

[1] 吴向红，赵国群，孙胜，等.挤压速度和摩擦状态对工业铝材挤压过程的影响[J].塑性工程学报，2007，14(2)：36-41.

[2] 于沪平，彭颖红，阮雪榆.平面分流焊合模成形过程的数值模拟[J].锻压技术，1999(5)：9-11.

[3] 刘石柏.工业铝材挤压成型数值模拟与模具结构优化设计研究[D].长沙：湖南工业大学,2012.

[4] 唐妍.不同挤压速度对铝型材挤压过程的影响[J].机械设计与制造工程，2013，42(9):58-61.

[5] 王尧.铝合金型材分流挤压过程的数值模拟研究[D].广州：华南理工大学，2010.

[6] 吴向红.工业铝材挤压过程有限体积数值模拟及软件开发技术的研究[D].济南：山东大学模具工程技术研究中心，2006.

The CAE analysis of friction state on the hot extrusion molding of aluminum

TANG Yan

(Nanjing Communication Institute of Technology, Jiangsu Nanjing, 211188, China)

The friction state determines the quality of the aluminum and the service life of extrusion dies in the aluminum hot extrusion forming. The friction factor is one of hot extrusion process parameters and measuring the friction state. Taking the construction machinery cab frame aluminum as an example, it analyzes the different friction factor for the temperature of extrusion materials and die stress in the process of hot extrusion forming based CAE technology. It builds the forming extrusion die in Pro/E and imports the model to simulation analysis MSC system, the simulation result provides the reference for forming extrusion die design.

aluminum; friction state; extrusion; CAE

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.02.008

2014-11-10

2014年南京交通职业技术学院青年教师科研基金资助项目(JQ1405)

唐妍(1983—)，女，江苏盐城人，南京交通职业技术学院讲师，硕士，主要从事塑性成形数值模拟研究。

TG376.2

A

2095-509X(2015)02-0031-04