基于有限元分析影响铝挤压力的主要因素

2020-03-18张德伟于长富

有色金属加工 2020年1期

徐鑫，张德伟，米东，于长富，李冰

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳 111003)

随着我国经济的飞速发展，城市化和工业化进程加快，极快的推动了各行各业的发展。铝合金挤压型材的生产技术在不断的完善和创新，在民用建筑、工业、航天、船舶、汽车、电子等领域的使用也越来越广泛。近年来铝型材断面逐步向大型化、复杂化、高精度等方向发展[1-2]。随着铝型材产品的大型化、复杂化，铝型材挤压过程中的挤压力需求也越来越大。如何最大化发挥挤压机的挤压极限，是目前铝型材挤压工作者亟待解决的技术难题。

挤压力是指在挤压过程中，通过挤压杆和挤压垫作用在金属坯料上的外力。挤压力是挤压过程最重要的参数之一[3]。挤压力上限由挤压机决定，但可通过优化挤压工艺参数来降低型材突破所需要的挤压力，以此最大化发挥挤压机的挤压能力。铝挤压生产中，挤压力的大小是选择挤压机吨位的决定因素，而影响挤压力的因素众多，掌握各因素对挤压力的影响程度对实际生产有重要意义。本文以铝合金管材为例，采用控制变量法，辅以有限元模拟软件，对各挤压参数对型材突破所需挤压力的影响程度进行分析。

1 挤压力计算简式

目前计算力的公式很多，根据变形力的计算方法共有4种，分别为主应力法、功平衡法、极值原理法、滑移线法，在生产实际中，最常用的是主应力法。主应力法的数学演算比较简单，由于主应力法得到的是解析解，从解的数学表达式中，可以看出各有关参数对求解结果的影响，因而在金属塑性成形分析中应用非常广泛[3]。以铝合金管材为例，省略推导过程，确定挤压力的一般公式如下：

2 有限元模拟分析

从挤压力简式可以发现，挤压力受金属的变形抗力、型材挤压速度、铸锭规格、挤压筒直径、模具工作带长度等因素影响。为比较各参数对挤压力的影响程度，本文以外径Φ56mm、壁厚3mm的铝合金管材为例，通过有限元方式，比较各组挤压参数下的挤压力大小。管材截面积499.5mm2，断面周长333mm，米重1.35kg/m，模具规格Φ180mm×120mm。

2.1 模型建立

根据管材断面设计模具图纸，采用三维绘图软件进行模具几何建模及装配，挤压模具上下图如图1(a)(b)所示。将装配好的几何模型导入到有限元分析软件中，进行几何清理，抽取流动实体，划分实体网格，建立挤压分析有限元模型(图1(c))。为比较不同参数对挤压力的影响程度，以控制变量为原则，排除个别影响较小的因素后，选择8组不同挤压工艺参数进行模拟，具体工艺如表1所示。

表1 挤压工艺参数及模拟结果

2.2 结果分析

以挤压力为主要输出项，对8组不同挤压工艺参数分别进行模拟，模拟结果如表1最右侧突破压力栏所示，部分模拟结果如图2所示。结果显示：

(1)通过第1和第2组模拟结果可以发现，突破压力主要受铸锭材质影响。同等参数下，采用7075铝合金(450℃下，应变0.01s-1，应力约50MPa)挤压时所需的突破压力远大于采用6063铝合金(450℃下，应变0.01s-1，应力约7MPa)，但通过优化合金材质来提高挤压性是无法满足客户要求的。

(2)通过第3和第4组模拟结果可以发现，在合金材质不变的情况下，当铸锭温度从450℃提高到500℃时，突破压力由5.706MN降到了5.452MN，这主要是因为随着铸锭加热温度的提高，铸锭发生了软化现象。但通过提高加热温度的方式并不能很大程度上减小突破压力。

(3)通过第4和第5组模拟结果可以发现，当挤压杆速度从5mm/s降低到1mm/s时，突破压力从5.452MN降低到了4.974MN，这是因为挤出速度的提高会造成施加在铸锭上的载荷变大，从而导致铸锭的整体变形抗力增大。

(4)通过第4和第6组模拟结果可以发现，当铸锭长度由350mm提高到500mm时，突破压力从5.452MN提高到了6.046MN，其主要原因也是由于随着铸锭长度的增加挤压变形抗力随之增加，但在缩短铸锭长度的同时必须考虑成品定尺长度对铸锭的影响。

(5)通过第4和第7组模拟结果可以发现，当挤压筒直径从125mm提高到160mm时(铸锭直径相应提高，长度不变)，突破压力从5.452MN提高到了8.893MN，这是由于同种断面产品采用大挤压筒挤出时变形程度(挤压比)变大，导致变形所需的变形抗力随之变大。在挤压筒、模具的强度范围内，采用大挤压机、小挤压筒的配置也是降低挤压力最理想的方式。

(6)通过第4和第8组模拟结果可以发现，当模具工作带长度由5mm提高到10mm时，突破压力从5.452MN提高到了5.783MN，挤压力的提高主要是为抵消产品定型过程中产生的摩擦力。