擠壓速度對(duì)鋁合金擠壓過程的影響

1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文摘 要擠壓速度是影響鋁合金圓管擠壓過程的主要因素之一。本文利用Deform有限元分析軟件對(duì)6063鋁合金管材冷擠壓過程進(jìn)行數(shù)值模擬,得到不同擠壓速度下坯料溫度，擠壓力，速度場(chǎng)，等效應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況。結(jié)果表明: 擠壓件內(nèi)部溫度變化主要受變形程度影響。本文所采用的是冷擠壓工藝，所選的4種擠壓速度對(duì)擠壓件溫升影響很小，最大溫升在2內(nèi)。但隨著擠壓速度的增大, 仍然能看到擠壓件內(nèi)的最大溫度成上升趨勢(shì)；在材料將要流出工作帶時(shí),擠壓力達(dá)到最大值。4種擠壓速度對(duì)擠壓力的影響范圍在2.5噸左右，模具載荷隨著擠壓速度的增加而成增大趨勢(shì)；隨著擠壓速度的增大,管材出口流速增加；擠壓速

2、度對(duì)等效應(yīng)力和應(yīng)變峰值無太大影響，但影響其分布范圍。隨著擠壓速度的增大，坯料的大變形區(qū)域增大。當(dāng)擠壓速度是6mm/min時(shí)，材料的等效應(yīng)變較大，擠出部分出現(xiàn)危險(xiǎn)變形區(qū)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及上述結(jié)論得出，擠壓速度為2mm/min時(shí)，所得擠壓件質(zhì)量最好。關(guān)鍵詞：6063鋁合金；管材；冷擠壓；擠壓速度31ABSTRACTThe extrusion speed is one of the main factors of the aluminum alloy tube extrusion process. In this paper, the Deform finite element analysis so

3、ftware to simulate the 6063 aluminum alloy pipe cold extrusion process, get different extrusion speed, billet temperature, extrusion pressure, velocity field, the distribution of effective stress and strain. The results showed that: extrusion internal temperature is mainly affected by the degree of

4、deformation effects. This is a cold extrusion process, selected the four kinds of extrusion speed on extrusion temperature rise is small, the maximum temperature rise within 2 . But with the increase of the extrusion speed is still able to see the maximum temperature within the extrusion into the up

5、ward trend; maximum material will flow with the squeeze pressure. Four kinds of extrusion speed on the extrusion pressure range of about 2.5 tons of die load with the extrusion speed increase from the increasing trend; pipe exit velocity increased with the increase of the extrusion speed, billet dea

6、d zone With decreases; extrusion speed on the peak of effective stress and strain was not affected but the impact of their distribution range. With the increase of the extrusion speed, billet deformation zone increases.When the speed of extrusion material 6mm/min effective strain extrusion portion o

7、f the risk of deformation zone.According to the experimental conditions and the conclusions drawn, the extrusion speed 2mm/min income squeeze that a parts quality is best.KEY WORDS：6063 aluminum alloy; pipe; cold extrusion; extrusion speed目 錄第一章 緒 論11.1研究背景及意義11.2擠壓技術(shù)研究現(xiàn)狀31.3研究?jī)?nèi)容5第二章 有限元理論62.1數(shù)值模擬中描

8、述運(yùn)動(dòng)的方法62.2有限元法在數(shù)值模擬中的發(fā)展現(xiàn)狀6第三章 有限元數(shù)值模擬結(jié)果分析103.1幾何模型構(gòu)建103.2結(jié)果分析133.2.1擠壓速度對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響133.2.2擠壓速度對(duì)擠壓力的影響163.2.3擠壓過程金屬流動(dòng)行的影響183.2.4擠壓速度對(duì)等效應(yīng)力及等效應(yīng)變分布的影響203.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證23結(jié) 論25參考文獻(xiàn)26致 謝29第 一 章 緒 論 1.1 研究背景及意義鋁合金無縫管材作為一種典型的鋁合金加工材，雖然在整個(gè)鋁合金擠壓材中所占的比例不大，但其應(yīng)用范圍非常廣泛，并在不斷擴(kuò)大，其產(chǎn)量也在迅速增加。1990年，我國(guó)僅生產(chǎn)鋁合金無縫管材1.3萬噸，到2000年增加到了5.3萬噸

9、，2005年則達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的孤4萬噸。而且，我國(guó)還由個(gè)鋁合金管材的凈進(jìn)口國(guó)轉(zhuǎn)變成為凈出口國(guó)，2000年凈進(jìn)口1.16萬噸，而2005年則凈出口0.61萬噸1,2。硬鋁合金的管材在航空航天以及軍工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但由于其加工難度較大，所以產(chǎn)量受到限制。長(zhǎng)期以來科研工作者對(duì)這些硬鋁和超硬鋁合金的無縫管材的生產(chǎn)做了大量的研究工作，也取得了一些突出的成績(jī)。而6063鋁合金是一種最典型的擠壓合金，也是一種用途最廣泛的合金材料，主要產(chǎn)品為擠棒材，型材，管材。主要用于電子，電器，家電，通訊，建筑和裝修等工業(yè)部門，如門框，窗框，壁板，貨柜，家具，升降梯，以及屹機(jī)，船舶，輕仁業(yè)部門，建筑物等不同色彩裝飾構(gòu)件。目

10、前，建筑用型材普遍采用6063鋁合金。6063鋁合金屬于低合金化的Al-Mg-Si系高塑性合金，具有以下可貴特點(diǎn):(1).熱處理強(qiáng)化后具有中等強(qiáng)度，沖擊韌性高，對(duì)缺口不敏感。(2).有極好的熱塑性，可以高速擠壓成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁、中空的各種型材或鍛造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鍛件，淬火溫度范圍寬，淬火敏感性低，擠壓和鍛造脫模后，只要溫度高于淬火溫度，即可用噴水方法淬火，薄壁件(<3mm)還可以實(shí)行風(fēng)淬。(3).焊接性能和抗蝕性能優(yōu)良，無應(yīng)力腐蝕開裂傾向，在熱處理可強(qiáng)化型合金中，AI-Mg-Si系合金為唯一沒有發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂傾向的合金。(4).加工后表面十分光潔，且容易陽極氧化和著色。其缺點(diǎn)是淬火后如在室

11、溫停放一段時(shí)間再時(shí)效，產(chǎn)生“停放效應(yīng)”，會(huì)對(duì)強(qiáng)度帶來不利影響。主要組成物: (Al)、Mg2Si?？赡茈s質(zhì)相:-AIFeSi、FeAl3等。鎂和硅為該合金主要強(qiáng)化元素，形成強(qiáng)化相Mg2Si。合金中Mg2Si含量為1.2%左右，鎂、硅含量是按成形Mg2Si所需要的量，即Mg:Si=1.73:1而設(shè)計(jì)的，若鎂過剩，Mg2Si在鋁中的溶解度會(huì)顯著減小，降低強(qiáng)化效果。若Si過剩，會(huì)降低合金的抗蝕性，降低陽極氧化膜的光澤度。錳和鉻可提高合金抗蝕性，減小“停放效應(yīng)”。并可細(xì)化鑄造組織和焊縫組織，減小熱裂傾向，并可提高合金伸長(zhǎng)率。銅雖然對(duì)合金有強(qiáng)化作用，但含量高則會(huì)損害抗蝕性。由于6063合金主要用于裝飾，

12、為保證其抗蝕性，銅含量作雜質(zhì)控制。鐵會(huì)明顯損害陽極氧化膜的色澤，鋅在允許范圍內(nèi)對(duì)合金性能影響不明顯。6063的工藝特點(diǎn)是高溫塑性好，淬火溫度范圍寬，臨界淬火速度小，可在擠壓鍛造脫模后實(shí)現(xiàn)噴水或風(fēng)淬。均勻化退火后宜快速冷卻，以保證陽極氧化著色后色澤的均勻性。對(duì)于質(zhì)量高的小直徑鑄錠，擠壓前可以不進(jìn)行均勻化退火。淬火與人工時(shí)效之間的停留時(shí)間，不應(yīng)超過1小時(shí)，否則對(duì)強(qiáng)度有損害，特別是對(duì)屈服強(qiáng)度。6063鋁合金固溶處理時(shí)，可能伴隨晶粒長(zhǎng)大，其原因是錳的偏析所致。因此應(yīng)保證鑄錠成分均勻，如果固溶處理與擠壓過程相結(jié)合，晶粒長(zhǎng)大可以避免3。所以本文選取6063鋁材料作為研究對(duì)象。而在鋁合金的無縫管生產(chǎn)中,擠壓

13、速度的設(shè)定與坯料初始溫度，擠壓比，摩擦等的設(shè)定都是非常重要的。擠壓速度對(duì)變形抗力及塑性有很大的影響，其影響能力決定于切應(yīng)變(或硬化)與軟化過程之間的相互關(guān)系。當(dāng)變形速度較高時(shí)，因變形引起的熱效應(yīng)，會(huì)使擠壓毛坯的溫度升高，從而使流動(dòng)應(yīng)力降低；當(dāng)變形速度再增高時(shí)，雖然毛坯的升溫也很明顯，但是由于變形過程中金屬的加工硬化速度比再結(jié)晶過程中的軟化速度快，坯料的流動(dòng)應(yīng)力不但不減小，反而明顯增大。因此擠壓過程中必須認(rèn)真控制擠壓速度。擠壓速度對(duì)變形熱效應(yīng)、變形均勻性、再結(jié)晶、制品力學(xué)性能及制品表面質(zhì)量均有重要影響。從生產(chǎn)觀點(diǎn)考慮，高的擠壓速度是所希望的。首先，由于擠壓速度提高，降低了摩擦系數(shù)，從而降低了變形

14、抗力，改善了變形的不均勻性；其次，減少了熱加工時(shí)的熱量損失，從而減少了坯料溫度下降和溫度分布的不均勻性，這對(duì)形狀復(fù)雜的工件十分有利。但高速變形由于熱效應(yīng)使得模具表面的溫升加大，因而模具的強(qiáng)度和抗疲勞性能都要下降，同時(shí)，溫度的上升也會(huì)引起潤(rùn)滑條件的惡化。所以，速度增大時(shí)將會(huì)對(duì)模具壽命產(chǎn)生不利影響。尤其值得注意的是，擠壓速度過快，反而會(huì)增加金屬變形的不均勻性，并且制品表面會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn)、裂紋等傾向。目前國(guó)內(nèi)鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)基本還停留在傳統(tǒng)的依賴工程設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)人員的試模、修模來保證模具設(shè)計(jì)的成功率，耗時(shí)、耗力，而且模具壽命和產(chǎn)品質(zhì)量也難以保證。將數(shù)值模擬技術(shù)引入擠壓模具設(shè)計(jì)中，通過在計(jì)算機(jī)上

15、模擬試模，能夠得到鋁合金在模腔內(nèi)的變形信息，如速度、溫度、應(yīng)力應(yīng)變、壓力等物理場(chǎng)量的分布，由此可以判斷型材產(chǎn)品有無扭擰、彎曲、波浪等缺陷，從而評(píng)價(jià)工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，及時(shí)修改工藝和設(shè)計(jì)參數(shù)，代替費(fèi)時(shí)費(fèi)力的試模及返修過程4,5。 本文采用Deform-3D有限元擠壓成形軟件對(duì)鋁型材擠壓過程進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠在計(jì)算機(jī)上描述整個(gè)擠壓成形過程，獲得不同擠壓速度下變形體的有效應(yīng)力和應(yīng)變分布、溫度分布、金屬流速分布情況及載荷一行程曲線等，從而確定合理的擠壓速度，并可預(yù)測(cè)實(shí)際擠壓過程中可能出現(xiàn)的缺陷，及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，修改工藝和模具設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，代替“試壓”與返工修配工作，為正確設(shè)計(jì)擠壓模具提

16、供科學(xué)依據(jù)。1.2擠壓技術(shù)研究現(xiàn)狀擠壓法與軋制、鍛壓等金屬塑性加工方法相比，出現(xiàn)的較晚。英國(guó)人S.Braman于1797年設(shè)計(jì)了世界第一臺(tái)用于鉛擠壓的機(jī)械式擠壓機(jī)，并取得了專利。1820年英國(guó)人B.ThomaS首先設(shè)計(jì)制造了液壓式鉛管擠壓機(jī)，這臺(tái)擠壓機(jī)具有現(xiàn)代管材擠壓機(jī)的基本組成部分:擠壓筒、可更換擠壓摸、裝有墊片的擠壓軸和通過螺紋連接在軸上的隨動(dòng)擠壓針。從此，管材擠壓得到了較快的發(fā)展。著名的Tresca屈服準(zhǔn)則就是法國(guó)人Tresca在1864年通過管材的擠壓實(shí)驗(yàn)建立起來的。1870年，英國(guó)人HaineS發(fā)明了鉛管反向擠壓法，即擠壓筒的一端封閉，將擠壓模固定在空心擠壓軸上實(shí)現(xiàn)擠壓。1879年法

17、國(guó)的Borel、德國(guó)的Wesslau先后開發(fā)了鉛包覆電纜生產(chǎn)工藝，成為世界上采用擠壓法制備復(fù)合材料的歷史開端。大約在1893年，英國(guó)人J.Robertson發(fā)明了靜液擠壓法，但當(dāng)時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)這種方法有何工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，直到20世紀(jì)50年代才一開始得以實(shí)用化。1894年英國(guó)人G.A.Dick設(shè)計(jì)了第一臺(tái)可擠壓熔點(diǎn)和硬度較高的黃銅及其他銅合金的擠壓機(jī)，其操作原理與現(xiàn)代的擠壓機(jī)基本相同。1903年和1906年美國(guó)人G.WLee申請(qǐng)并公布了鋁、黃銅的冷擠壓專利。1910年出現(xiàn)了鋁材擠壓機(jī)，1923年Duraatuminum最先報(bào)道了采用復(fù)合坯料成形包覆材料的方法。1927年出現(xiàn)了可移動(dòng)擠壓筒，并采用了電感

18、應(yīng)加熱技術(shù)。1930年歐洲出現(xiàn)了鋼的熱擠壓，但由于當(dāng)時(shí)采用油脂、石墨等作潤(rùn)滑劑，其潤(rùn)滑性能差，存在擠壓制品缺陷多、工模具壽命短等致命的弱點(diǎn)。鋼的真正擠壓得到較大發(fā)展并被用于工業(yè)生產(chǎn)，是在1942年發(fā)明了玻璃潤(rùn)滑劑之后。1941年美國(guó)人H.H.Stout報(bào)道了銅粉末直接擠壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1965年，德國(guó)人R.Schunerder發(fā)表了等溫?cái)D壓實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，英國(guó)的J.M.Sabroff等人申請(qǐng)并公布了半連續(xù)靜液擠壓專利。1971年英國(guó)人D.Green申請(qǐng)了Conform連續(xù)擠壓專利之后，擠壓生產(chǎn)的連續(xù)化受到極大重視，于20世紀(jì)80年代初實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。由上述可知，擠壓技術(shù)的前期發(fā)展過程是從軟金屬到

19、硬金屬，從手工到機(jī)械化、半連續(xù)化，進(jìn)一步發(fā)展到連續(xù)化的過程。由于擠壓技術(shù)具有理論性強(qiáng)、工藝技術(shù)性高等許多重要特點(diǎn)，它是金屬材料工業(yè)生產(chǎn)、新材料制備與加工的重要方法之一。自1797年世界第一臺(tái)鉛管成形用機(jī)械式擠壓機(jī)問世以來，經(jīng)過200多年的發(fā)展，有了很大的進(jìn)步，特別是自20世紀(jì)50年代以來，隨著歐美、日本等先進(jìn)國(guó)家對(duì)建筑、運(yùn)輸、電力、電子電器用鋁合金擠壓型材需求量的急劇增長(zhǎng)，近20年來高速發(fā)展的工業(yè)技術(shù)對(duì)擠壓制品斷面形狀復(fù)雜化、尺寸大、范圍化與高精度化、性能均勻化等的要求，以及對(duì)高效率化生產(chǎn)和高剩余價(jià)值產(chǎn)品的追求，擠壓技術(shù)和生產(chǎn)得到了迅速的發(fā)展。僅就鋁合金擠壓型材而言，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全球共有

20、鋁材擠壓機(jī)5000臺(tái)以上，鋁材品種40000種以上，鋁材年產(chǎn)量1000萬噸以卜。擠壓型材應(yīng)用領(lǐng)域越來越大，且不斷地向小斷面超精密化、大型或超大型化兩個(gè)方向發(fā)展3。中國(guó)鋁擠壓工業(yè)始1956年東北輕合金有限責(zé)任公司的建成投產(chǎn)，有從前蘇聯(lián)引進(jìn)的水壓機(jī)8臺(tái),全部生產(chǎn)工業(yè)鋁材，生產(chǎn)能力50 kt/a;現(xiàn)代化的油壓機(jī)擠壓技術(shù)從20世紀(jì)70年代初從日本宇部興產(chǎn)公司引進(jìn)油壓機(jī)開始,也用于生產(chǎn)工業(yè)擠壓材，而建筑擠壓材的生產(chǎn)則始于上世紀(jì)80年代初。中國(guó)目前不但是全球最大的擠壓鋁材生產(chǎn)國(guó),2005年產(chǎn)量3050 kt，占世界總產(chǎn)量的27.7%，而且已進(jìn)入強(qiáng)國(guó)初級(jí)階段,即已成為初級(jí)鋁擠壓強(qiáng)國(guó)6。在世界鋁擠壓發(fā)展史上最

21、值得稱道的是美國(guó)鋁業(yè)公司，1905年首次生產(chǎn)鋁擠壓材，1934年研制成了6061合金，1944年研制成6063合金,6063合金既有一定的強(qiáng)度性能又有良好的可擠壓性能,還可在擠壓機(jī)上淬火，從此得以生產(chǎn)成本低的且很有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的擠壓鋁材,使鋁材在建筑工業(yè)上的大量應(yīng)用取得了突破性進(jìn)展。1933年又是美國(guó)鋁業(yè)公司首創(chuàng)擠壓機(jī)淬火工藝；另外，直接水冷鑄造工藝(DC鑄造法)于1935年問世與完善，為鑄造又長(zhǎng)又大的成本低的擠壓圓錠開辟了一片新天地；20世紀(jì)50年代至60年代鋁熔體爐外連續(xù)凈化處理工藝的完善,為生產(chǎn)品質(zhì)高的鋁材與提高產(chǎn)量起了決定性的作用，大規(guī)格鋁材生產(chǎn)才成為現(xiàn)實(shí)7，高品質(zhì)鋁材的批量生產(chǎn)才有可能

22、。等溫?cái)D壓、冷卻模擠壓、高速擠壓、靜液擠壓等先進(jìn)工藝技術(shù)得到迅速的發(fā)展與應(yīng)用。Conform連續(xù)擠壓新技術(shù)的開發(fā)成功與大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，使擠壓生產(chǎn)由不連續(xù)變?yōu)檫B續(xù)，在節(jié)能降耗、簡(jiǎn)化工藝生產(chǎn)、提高成品率與生產(chǎn)效率等方面，新的擠壓方法較傳統(tǒng)擠壓方法大大地向前邁進(jìn)了一步。各種特殊擠壓技術(shù)，如粉末擠壓，鋁包鋼線和低溫超導(dǎo)材料等層狀復(fù)合材料(包覆材料)擠壓技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，有關(guān)擠壓基礎(chǔ)理論的研究也取得了許多重要的成果。鋁合金型材擠壓正在向以下趨勢(shì)發(fā)展：(1).鋁合金擠壓型材正在向大型化、扁寬化、薄壁化、高精化、復(fù)雜化、多品種、多用途、多功能、高效率、高質(zhì)量

23、的方向發(fā)展。目前世界上最大擠壓機(jī)為35OMN的立式反向擠壓機(jī)，可生產(chǎn)直徑1500mm以上的管材。(2).研究開發(fā)擠壓模具和大型工具的設(shè)計(jì)計(jì)算系統(tǒng)，進(jìn)一步提高工模具的質(zhì)量和使用壽命。(3).開發(fā)測(cè)定各種擠壓變形性能的方法及相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)，以不斷提高擠壓生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。(4).研究相對(duì)應(yīng)變、變形速度、溫度、應(yīng)力狀態(tài)對(duì)鋁合金材料擠壓變形性的影響，以優(yōu)化工藝。1.3 研究?jī)?nèi)容(1).擠壓速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響：金屬材料擠壓過程中，由于摩擦生熱和變形生熱，金屬的溫度會(huì)發(fā)生變化，一般金屬發(fā)生變形時(shí)，溫度會(huì)升高。變形越劇烈，溫度就升高的越快，同時(shí)溫度也會(huì)越高，本文利用有限元數(shù)值模擬來對(duì)鋁合金擠壓過程中溫度場(chǎng)的

24、變化情況進(jìn)行研究，從而進(jìn)一步研究鋁合金的熱力學(xué)性能。(2).擠壓速度對(duì)擠壓力的影響：在金屬擠壓過程中擠壓速度的大小對(duì)擠壓力有著直接的影響，因此，本文利用有限元數(shù)值模擬對(duì)不同擠壓速度下的擠壓力進(jìn)行研究，進(jìn)而從中找出最優(yōu)擠壓速度從而達(dá)到優(yōu)化加工工藝及工藝參數(shù)。(3).擠壓速度對(duì)金屬流動(dòng)性的影響：不同的擠壓速度對(duì)金屬擠壓的難易程度有著一定的影響，本文利用有限元數(shù)值模擬對(duì)擠壓速度和金屬的流動(dòng)性進(jìn)行了研究，通過模擬實(shí)驗(yàn)可以直觀的看到擠壓速度的大小對(duì)金屬的流動(dòng)性是否有影響。(4).擠壓速度對(duì)等效應(yīng)力和應(yīng)變的影響：金屬材料擠壓過程中研究其等效應(yīng)力和應(yīng)變具有很重要的意義，能夠直觀的了解到金屬在擠壓時(shí)的變形機(jī)理

25、。本文利用有限元數(shù)值模擬對(duì)不同擠壓速度下等效應(yīng)力和應(yīng)變分布情況進(jìn)行了研究，通過模擬找出最優(yōu)的擠壓速度來達(dá)到優(yōu)化工藝的目的。(5).實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證以上模擬情況，從而得出最優(yōu)的擠壓速度，達(dá)到優(yōu)化工藝的目的。第 二 章 有限元理論2.1數(shù)值模擬中描述運(yùn)動(dòng)的方法鋁型材擠壓成形可以認(rèn)為是一種特殊的流體運(yùn)動(dòng)，即粘性不可壓縮非牛頓流體。目前描述流體運(yùn)動(dòng)的方法主要有：歐拉描述法，拉格朗日描述法，任意拉格朗日一歐拉描述法三種8。(1).歐拉描述方法歐拉描述中不是處理單獨(dú)的質(zhì)點(diǎn)，而是研究在空間的某些點(diǎn)上流體的速度、加速度或熱力學(xué)參量隨著時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系。即它把流體物理量表示為歐拉坐標(biāo)及時(shí)間的函數(shù)。(2

26、).拉格郎日描述方法拉格朗日描述跟蹤流體質(zhì)點(diǎn)，認(rèn)為質(zhì)點(diǎn)的物理量是隨質(zhì)點(diǎn)及時(shí)間變化的，如矢徑、速度、壓強(qiáng)等在任意時(shí)刻的值，可以寫成拉格朗日坐標(biāo)及時(shí)問的函數(shù)。拉格朗目描述中，在材料流動(dòng)和有限元網(wǎng)格之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。(3).任意拉格朗日一歐拉描述方法任意拉格朗日一歐拉描述法中，網(wǎng)格點(diǎn)可以隨著物質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，也可以固定在空間中不動(dòng)，甚至網(wǎng)格點(diǎn)可以在一個(gè)方向上固定，而在另一個(gè)方向上隨物體一起運(yùn)動(dòng)。拉格朗目和歐拉描述分別是這種方法的兩個(gè)特例，即當(dāng)網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)速度等于物體的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)就退化為拉格朗日描述，而當(dāng)網(wǎng)格固定于空間不動(dòng)時(shí)就退化為歐拉描述。2.2有限元法在數(shù)值模擬中的發(fā)展現(xiàn)狀世界范圍內(nèi)的激烈競(jìng)爭(zhēng)及電子計(jì)算機(jī)

27、的普及和數(shù)值計(jì)算方法的改進(jìn)，使得有限元的理論和應(yīng)用得到了蓬勃的發(fā)展，有限元技術(shù)在金屬塑性加工分析中的應(yīng)用也取得了驚人的進(jìn)步。離散化的數(shù)值計(jì)算方法的基本思想早在上個(gè)世紀(jì)40年代初期就已經(jīng)提出來了，但直到50年代中期，M.J.Turner和R.W.Clough等人才將此方法用簡(jiǎn)單受載鉸接的三角平板單元進(jìn)行了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)分析，這一工作被認(rèn)為是有限元法的創(chuàng)始。1960年R. W.Clough正式使用有限元(finite element)這一術(shù)語，并用這種方法求解了彈性力學(xué)的二維平面應(yīng)力問題，引起了人們的極大關(guān)注。以后，O.C.7ienkiewicz等人對(duì)建立有限元法的完備理論體系和計(jì)算方法方面作出了重要

28、貢獻(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，有限元法已成為能處理幾乎所有連續(xù)介質(zhì)和場(chǎng)問題的一種強(qiáng)有力的數(shù)值計(jì)算方法，其在金屬塑性加工中的應(yīng)用也得到了迅速而深入地發(fā)展。1967年，P.V.Marcal和LP.King9用有限元求解彈塑性問題，開始了在塑性領(lǐng)域中的應(yīng)用。1968年Y.Yamada等人10推導(dǎo)了彈塑性小變形問題的應(yīng)變矩陣顯式，大大推進(jìn)了小變形彈塑性有限元的發(fā)展和實(shí)用。但是以小變形理論為基礎(chǔ)的彈塑性有限元只適用于分析金屬成形的初期情況，隨著變形量的增加會(huì)出現(xiàn)明顯的誤差，這就推動(dòng)了大變形彈塑性有限元法的發(fā)展。大變形的理論基礎(chǔ)研究可追溯到1959年R.Hill的工作，直到1970年H.D.Hibbit

29、等人11首次利用Lagrange描述提出大變形彈塑性有限元列式，從此，大變形彈塑性有限元法不斷完善并解決了一系列實(shí)際問題。采用彈塑性有限元法分析金屬塑性成形問題，不僅能按照變形路徑得到塑性變形區(qū)的發(fā)展?fàn)顩r、工件中的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律以及幾何形狀的變化，而且還能有效地處理卸載等問題。計(jì)算殘余應(yīng)力和應(yīng)變等，從而可以分析和防止產(chǎn)品的缺陷等問題。但大變形彈塑性有限元法是建立在有限變形理論基礎(chǔ)上的，從分析金屬成形過程的角度出發(fā)，存在著計(jì)算工作量大的缺點(diǎn)。為了保證計(jì)算精度和解的收斂性，每次增量加載中不能有過多的單元進(jìn)入屈服狀態(tài)，所以每次計(jì)算的增量步長(zhǎng)不可能太大，在計(jì)算變形問題時(shí)，需要較長(zhǎng)的時(shí)間和較多的費(fèi)用，

30、效率較低。 為克服上述的不足，C.H.Lee和S.Kobayashi12于1973年提出了基于變分原理的剛塑性有限元法，采用Lagrange乘子技術(shù)施加體積不可壓縮條件。由于這種方法不象彈塑性有限法那樣用應(yīng)力、應(yīng)變?cè)隽壳蠼?，因此，?jì)算時(shí)每步的增量步長(zhǎng)可以適當(dāng)取大，但對(duì)于每次增量變形來說，材料仍處于小變形狀態(tài)，下一步計(jì)算時(shí)在材料以前的累加變形幾何形狀和硬化特性基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此可以用小變形的計(jì)算方法來處理大變形問題。1979年，O.C.Zienkiewicz等人13給出了罰函數(shù)法的體積不可壓縮的剛塑性有限元法。剛塑性有限元法通常只適用于冷加工。對(duì)于熱加工(再結(jié)晶溫度以上)，應(yīng)變硬化效應(yīng)不顯著，而

31、對(duì)變形速度有較大的敏感性，因此熱加工時(shí)要用粘塑性本構(gòu)關(guān)系，相應(yīng)地發(fā)展了剛粘塑性有限元法。O.C.Zienkiewicz等人14把熱加工時(shí)的金屬流動(dòng)視為非線性Newton型不可壓縮粘性流體，導(dǎo)出了剛粘塑性有限元列式。S.Kobayashi和S.Oh在剛粘塑性材料變分原理的基礎(chǔ)上，也導(dǎo)出了類似的剛粘塑性有限元列式。目前剛粘塑性有限元是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的分析金屬塑性成形問題最先進(jìn)的方法之一。近幾十年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的日益完善，尤其是隨著有限元技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，有限元數(shù)值模擬法已被廣泛應(yīng)用于鋁型材擠壓的變形模擬、溫度場(chǎng)模擬以及摩擦與潤(rùn)滑分析等方面。在國(guó)外，科普、道森、湯姆森等人

32、用有限元法，采用不同網(wǎng)格尺寸，對(duì)各種鋁型材熱擠壓過程進(jìn)行了不同層次的模擬，獲得了力、功、能、平均壓力和平均溫度、金屬流動(dòng)、應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率、溫度等信息。Iwata等人15采用彈塑性有限元分析了軸對(duì)稱和平面應(yīng)變靜液擠壓?jiǎn)栴}，預(yù)測(cè)出了靜液擠壓過程中塑性變形區(qū)的發(fā)展情況及靜液壓力隨坯料位移的變化情況。Lee等人16 彈塑性有限變形理論對(duì)曲線模平面擠壓過程進(jìn)行了分析。Shah和Kobayashi17采用剛塑性有限元法，分析了軸對(duì)稱狀態(tài)下無摩擦的錐模擠壓。Guo等人18采用剛塑性有限元技術(shù)，對(duì)復(fù)合擠壓過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。Long等人29采用熱力禍合彈塑性有限元法分析了熱效應(yīng)對(duì)擠壓件成形精度的影響。在

33、國(guó)內(nèi)，于滬平等人20采用塑性成形模擬軟件DEFORM，用剛粘塑性有限元罰函數(shù)法對(duì)平面分流模的擠壓變形過程進(jìn)行了二維模擬，得出了擠壓過程中鋁合金的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度以及流動(dòng)速度等的分布和變化。劉漢武等人21應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)分流組合模擠壓鋁型材進(jìn)行了有限元分析與計(jì)算。周飛等人22對(duì)鋁型材擠壓過程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬。謝水生等人23也對(duì)軸對(duì)稱靜液擠壓進(jìn)行了彈塑性有限元模擬，分析了不同模角、不同型線凹模及不同擠壓比對(duì)擠壓力的影響。為了克服用小變形彈塑性有限元分析擠壓?jiǎn)栴}時(shí)存在較大累計(jì)誤差的不足，阮雪榆等人24對(duì)雙層金屬的正反向擠壓工藝進(jìn)行了有限元分析。各國(guó)學(xué)者還以有限元法為核心，將各種研究方法綜合運(yùn)

34、用，以求發(fā)揮不同方法的優(yōu)點(diǎn)，獲得最佳的研究效果。T.Sheppard等人25綜合運(yùn)用有限元法、上限元法和低倍光學(xué)技術(shù)分析了橋模擠壓6063鋁合金空心型材過程。20世紀(jì)90年代以來，我國(guó)綜合高溫密柵云紋法、有限差分法和電子顯微分析技術(shù)，利用Gleeble-1500熱模擬機(jī)等設(shè)備，探索出一套鋁合金熱擠壓工藝控制與質(zhì)量控制系統(tǒng)的研究方法，確定了材料的本構(gòu)關(guān)系、熱擠壓時(shí)的變形、應(yīng)變速率及應(yīng)力分布、溫度分布、顯微組織變化規(guī)律，變形參數(shù)對(duì)材料內(nèi)部組織的影響以及材料的熱擠壓性能。最近幾年以來，國(guó)內(nèi)采用PVC作為模擬材料，已環(huán)氧樹脂制作擠壓模具，采用光彈性應(yīng)力凍結(jié)實(shí)驗(yàn)法和三維彈性有限元法對(duì)鋁型材擠壓模具進(jìn)行了

35、應(yīng)力應(yīng)變分析。清華大學(xué)等單位對(duì)導(dǎo)流模技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，通過型材擠壓過程變形流動(dòng)狀態(tài)的模擬實(shí)驗(yàn)，建立了導(dǎo)流模尺寸設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并用三維剛粘塑性有限元法模擬鋁型材擠壓過程。研究查明了擠壓過程中引起材料內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)變形速度不均勻的主要原因是塑變區(qū)表面的摩擦阻力，弄清了導(dǎo)流?？刂平饘倭魉俚臋C(jī)制，提出了導(dǎo)流模的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。鋁型材熱擠壓過程中，模具系統(tǒng)(包括導(dǎo)流模、模子、模墊、模套等)和變形金屬之間的熱平衡狀態(tài)非常復(fù)雜，既包括由金屬變形產(chǎn)生的熱量，也包括模具內(nèi)壁和金屬之間摩擦產(chǎn)生的熱量，還包括金屬內(nèi)部相互摩擦所產(chǎn)生的熱量。各個(gè)部位之間的熱交換也很復(fù)雜。在這方面，英國(guó)的塞拉德等人26從20世紀(jì)70年代

36、起，采用有限差分法等方法進(jìn)行熱加工的溫度場(chǎng)模擬和顯微組織變化模擬。國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了鋁合金擠壓時(shí)溫升的有限元分析27。主要思路是，利用工程計(jì)算法計(jì)算出熱能的發(fā)生源和發(fā)生量，用微分方程和有限元法計(jì)算出發(fā)生熱的熱傳導(dǎo)，建立數(shù)學(xué)模型，選擇和處理邊界條件，單元及網(wǎng)格劃分。圍繞坯料，擠壓筒，模具等，計(jì)算和確定坯料溫升的熱源，坯料內(nèi)的熱傳導(dǎo)，擠壓筒壁和?？字車l(fā)熱引起的溫升，向模具和擠壓筒擴(kuò)散的熱，擠壓溫升與擠壓速度的關(guān)系等問題。為了更好的描述擠壓過程中擠壓速度對(duì)擠壓力，溫度場(chǎng)，速度場(chǎng)，等效應(yīng)力和應(yīng)變的影響，本文采用彈塑性有限元模型來模擬整擠壓過程。第 三 章 有限元數(shù)值模擬結(jié)果分析3.1 幾何模型構(gòu)建根據(jù)某企

37、業(yè)實(shí)際生產(chǎn)，本文研究采用入模角=30°,工作帶寬b=5mm,擠壓前坯料的外徑D0=36, 擠壓前坯料內(nèi)徑d0=20，擠壓后坯料的外徑D1=26，擠壓后坯料的內(nèi)徑d1=20mm，為消除非穩(wěn)定性變形段影響L0>D0,故幾何模型長(zhǎng)度取L0=50mm。具體參數(shù)見圖3-1擠壓筒芯棒模具坯料頂板圖3-1幾何尺寸模擬采用有限元分析軟件Deform3D。如圖3-2(a)所示，幾何模型在三維建模軟件Pro/E中構(gòu)建?？紤]到模具和預(yù)成形管材為軸對(duì)稱圖形，因此為了簡(jiǎn)化模型提高運(yùn)算速度，模具與工件的構(gòu)建均取為實(shí)體的1/8。材料參數(shù)：毛坯選用6063鋁合金,因此在模擬軟件中選用與6063號(hào)鋁合金物理性能

38、相近的AL6063,COLD70-500F(20-250)，因?yàn)椴豢紤]模具的變形，所以凹模與凸模都視為剛體。環(huán)境設(shè)置：模擬采用冷擠壓工藝，環(huán)境溫度選擇為室溫20。本次模擬選用相對(duì)網(wǎng)格劃分方法,共劃網(wǎng)格分25000,實(shí)際劃分網(wǎng)格數(shù)為23370。網(wǎng)格劃分圖見圖3-2(b)。運(yùn)動(dòng)參數(shù)：設(shè)凹模位置固定不變,凸模運(yùn)動(dòng)速度分別設(shè)為1mm/min、2mm/min、4mm/min，6mm/min。設(shè)置運(yùn)行250步,步長(zhǎng)0.2,每10步保存一次運(yùn)算結(jié)果。采用剪切摩擦模型,摩擦因子設(shè)為0.5，傳熱系數(shù)設(shè)為5N/Sec/mm/。頂板芯棒模具擠壓筒坯料 (a) 模型 (b) 網(wǎng)格劃分圖3-2模型及網(wǎng)格劃分圖擠壓力的理

39、論計(jì)算：錐模管材單位擠壓力理論計(jì)算公式： (1)擠壓力為： (2)計(jì)算變形前毛坯橫斷面積AO和變形后橫斷面積A1： (3) (4)式中擠壓比式中擠壓坯料的變形抗力，其值按對(duì)數(shù)變形程度 由沖壓設(shè)計(jì)手冊(cè)圖7-36查得；為擠壓比； 為擠壓前坯料內(nèi)徑； 為?？字睆?；為芯棒直徑；為擠壓筒內(nèi)徑；l為模具工作帶長(zhǎng)度；l3為未變形前坯料的長(zhǎng)度；為擠壓筒內(nèi)金屬與擠壓筒壁及穿孔針表面之間的摩擦系數(shù)；為變形區(qū)內(nèi)金屬與模面及穿孔針表面之間的摩擦系數(shù)；為?？滋幗饘倥c模子工作帶長(zhǎng)度及穿孔針之間的摩擦系數(shù)；為單位擠壓力；為擠壓力。R0=22mm、R1=26mm、R2=20mm、R3=36mm、µ1=0.5、

40、81;2=µ3= =0.577、l=5mm、l3=50mm =3.25對(duì)數(shù)變形= 1.18 由沖壓設(shè)計(jì)手冊(cè)圖7-36查得 =115Mpa將以上數(shù)據(jù)載入公式（1）求得P=708.4MPa所以總擠壓力F=P×A0=45.1t3.2結(jié)果分析3.2.1擠壓速度對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響溫度是影響金屬流動(dòng)變形的重要因素之一，在金屬擠壓過程中，溫度的變化非常重要，因?yàn)槠渥兓瘜?duì)擠壓過程的力學(xué)和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及性能均有明顯影響。優(yōu)化鋁擠壓操作的關(guān)鍵是溫度的控制。擠壓過程中，擠壓制品沿縱向和橫向由一點(diǎn)到另一點(diǎn)溫度均有變化。擠壓制品的最大溫度決定了擠壓生產(chǎn)率和擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量(包括微觀組織，機(jī)械性能，形狀和

41、尺寸公差等)28。因此，對(duì)擠壓成形過程中溫度場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行研究是非常必要的。在鋁合金管材擠壓過程中，坯料在擠壓筒和模具中被迫通過具有較小截面面積的模具工作帶。施加到材料上的功一部分被克服變形阻力所消耗；一部分用于克服模具與材料間的摩擦、摩擦和變形產(chǎn)生的熱而保留在變形的金屬中；一部分被傳遞到擠壓筒和模具；還有一部分被傳遞到尚未變形的坯料。坯料和擠壓筒之間以及擠壓筒、擠壓材料與環(huán)境間存在熱交換平衡。當(dāng)擠壓件的變形熱和摩擦熱超過熱散失時(shí)，擠壓件溫度升高，反之則降低。本文中坯料的溫度是隨著擠壓的進(jìn)行在上升的，擠壓速度在2mm/min時(shí)，溫度場(chǎng)隨行程的分布情況如圖3-3(a)(h)所示。在其他擠壓速度

42、下，溫度場(chǎng)的分布情況大至和圖3-3一樣。由圖3-3可以看出在穿孔開始時(shí)，坯料與芯棒，與擠壓筒的摩擦不是很劇烈，所以溫升不是很明顯，只是在出模孔附近，由于率擦比較大，有一部分溫升。在中間階段，坯料與芯棒的摩擦加劇，故在坯料內(nèi)部溫升明顯。當(dāng)穿孔進(jìn)行到結(jié)束階段時(shí)，由于前面溫升的積累，以及摩擦的影響，此時(shí)坯料的溫升達(dá)到最大。隨著擠壓的進(jìn)行，擠出后的坯料至于空氣中由于與空氣的熱交換，所以溫度逐漸下降。特別需要注意的是，在坯料的尾端，由于芯棒與擠壓墊的雙重影響，溫度的變化也很劇烈。 (a) 擠壓行程6mm (b) 擠壓行程8mm (c) 擠壓行程21.8mm (d) 擠壓行程30.1mm (e) 擠壓行程

43、33.5mm (f) 擠壓行程39.3mm (g) 擠壓行程41.3mm (h) 擠壓行程43.2mm圖3-3溫度場(chǎng)隨行程分布情況圖3-4為Al-6063擠出速度與最高溫度之間的關(guān)系。如圖3-4所示，擠壓件內(nèi)最高溫度隨速度增加而升高，速度越大，溫升越大。這是因?yàn)?，一方面，擠壓速度越高，變形區(qū)產(chǎn)生的熱量越多；擠壓速度越高，熱傳導(dǎo)需要的時(shí)間越少，導(dǎo)致大量變形熱來不及擴(kuò)散，使擠壓件溫升增高。為了保證擠壓件內(nèi)部組織均勻穩(wěn)定, 需要采用較低的擠壓速度，以維持?jǐn)D壓件溫度的相對(duì)恒定。圖3-4擠壓速度與最高溫度之間的關(guān)系3.2.2擠壓速度對(duì)擠壓力的影響圖3-5表示Al-6063擠出速度為2m/min時(shí)模擬的載

44、荷-行程曲線。由圖3-5可見, 在擠壓開始時(shí)，擠壓力很快便達(dá)到峰值，這是因?yàn)楸敬文M中坯料直徑和擠壓筒內(nèi)徑只相差2mm，因此坯料充滿擠壓筒的墩粗過程很短暫。隨著坯料在擠壓筒內(nèi)不斷壓縮，彈性變形可以忽略，在擠壓力達(dá)到峰值前，變形區(qū)很快在?？浊岸诵纬?。峰值產(chǎn)生于壓下量為12mm，即擠壓材料前端已流出工作帶的時(shí)刻。這時(shí)材料變形程度達(dá)到最大；此后，材料不斷從工作帶流出， 變形區(qū)不再變化，但坯料的體積和摩擦面積逐漸減小，變形抗力和摩擦力都隨之減小，所以模具受力會(huì)逐漸降低，后受多種因素如溫度等的影響，使載荷趨于穩(wěn)定；擠壓末期，坯料末端參與變形時(shí)，變形抗力增加，擠壓力再次升高。擠壓速度對(duì)擠壓力變化影響不大。

45、因?yàn)閿D壓速度越大，溫升越高，降低擠壓材料的流動(dòng)應(yīng)力，抵消了由于變形速度增加帶來的對(duì)變形抗力的影響。 圖3-5模擬中的載荷-行程曲線圖Al-6063在其它擠出速度下的載荷-行程曲線形貌大致與圖3-4相同。圖3-6為Al-6063擠出速度與最大擠壓力之間的關(guān)系。由圖3-6可見,最大擠壓力隨著擠壓速度的增大而增大。這是因?yàn)閿D出速度的提高會(huì)造成施加在坯料上的載荷值增加,用以克服因坯料整體應(yīng)變速率的提高而導(dǎo)致的變形抗力增大,從而維持?jǐn)D出速度的恒定。當(dāng)擠壓速度為2mm/min時(shí)，模擬所得的最大擠壓力為38t,與計(jì)算所得的45.1t相差不到2%，由此可知理論計(jì)算所用公式合適。圖3-6擠壓速度與最大擠壓力之間

46、的關(guān)系3.2.3擠壓過程金屬流動(dòng)行的影響坯料在擠壓過程中速度場(chǎng)的分布情況如圖3-7所示。從圖3-7中可以看出坯料在不同擠壓速度下速度場(chǎng)的分布形貌大致相同。在同一橫截面上位于變形區(qū)域坯料內(nèi)壁的流動(dòng)速度明顯小于外壁的流動(dòng)速度，這是因?yàn)樽冃沃饕l(fā)生在外壁，且內(nèi)壁與芯棒的接觸面積較大，所以變形的時(shí)候?qū)?nèi)壁材料的流動(dòng)阻力也很大，流動(dòng)速度也就變得很小。在開始階段，材料流動(dòng)較緩慢，主要是因?yàn)椴牧蠈?duì)芯棒及模具的抗力較大，擠壓力處于逐步加載過程中。在中間間階段，擠壓力逐漸增大，所以材料的流動(dòng)速度也逐漸增大。當(dāng)材料擠出模具出口后，流動(dòng)速度便達(dá)到最大值，并處于平穩(wěn)狀態(tài)，這是因?yàn)椴牧蠑D出模具之后便脫離了來自芯棒和模具

47、的阻力(雖然芯棒也隨著擠壓運(yùn)動(dòng)，但其運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于坯料的速度，所以對(duì)擠出后坯料的速度影響很小)。 (a) 擠壓速度1mm/min (b) 擠壓速度2mm/min (c) 擠壓速度4mm/min (d) 擠壓速度6mm/min圖3-7速度場(chǎng)分布圖圖3-8為Al-6063擠出速度與最大流動(dòng)速度之間的關(guān)系。如圖3-8所示，擠壓過程中坯料的流動(dòng)速度隨著擠壓速度的增大而增大 。 圖3-8擠壓速度與最大流動(dòng)速度之間的關(guān)系3.2.4擠壓速度對(duì)等效應(yīng)力及等效應(yīng)變分布的影響等效應(yīng)力的分布情況如圖3-9的(a)、(b)、(c)、(d)所示。從圖3-9的(a)、(b)、(c)、(d)圖中我們可以看出，應(yīng)力主要集中在

48、坯料與模具接觸的區(qū)域。在此處，材料的應(yīng)力比較復(fù)雜，且值也比較大。應(yīng)力的最大點(diǎn)在坯料和芯棒及模具接觸的側(cè)面芯棒的側(cè)面，由于受到壞料的拉應(yīng)力，芯棒在此位置很容易被拉斷，屬于危險(xiǎn)位置。特別需要注意的是，在坯料的尾端，由于芯棒與擠壓墊的雙重影響，等效應(yīng)力的變化也很劇烈。不同壓速度下模擬所得等效應(yīng)力的變化很小，約為1Mpa。 (a) 擠壓速度1mm/min (b) 擠壓速度2mm/min (c)擠壓速度4mm/min (d) 擠壓速度6mm/min圖3-9等效應(yīng)力分布圖等效應(yīng)變的分布情況如圖3-10的(a)、(b)、(c)、(d)所示。從圖3-10的(a)、(b)、(c)、(d)圖中我們可以看出，應(yīng)變主

49、要集中在坯料與模具接觸的區(qū)域。在此處，材料的應(yīng)變比較復(fù)雜，且值也比較大。應(yīng)變的最大點(diǎn)出現(xiàn)坯料和模具出口與錐角部分的側(cè)面。隨著擠壓速度的提高,?？赘浇牡刃?yīng)變值有明顯的提高,且較大的應(yīng)變值分布范圍也有明顯的增大。 (a) 擠壓速度1mm/min (b) 擠壓速度2mm/min (c)擠壓速度4mm/min (d) 擠壓速度6mm/min圖3-10等效應(yīng)變分布3.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證根據(jù)擠壓力的理論計(jì)算、模擬結(jié)果以及學(xué)院實(shí)驗(yàn)室條件，選用最大壓力為60t的材料實(shí)驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)所用模具如圖3-11所示。圖3-11模具實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證如圖3-12所示。圖3-12 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模擬所得的擠壓件如圖3-13所示。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所得擠壓件

50、如圖3-14所示。通過兩圖對(duì)比，可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)所得的產(chǎn)品大致相同。由于模具精度及潤(rùn)滑的原因，擠壓完成后所得的圓管表面有少許劃痕，但這對(duì)所得結(jié)論無太大影響。圖3-13模擬所得擠壓件 圖3-14實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所得擠壓件結(jié) 論(1).擠壓件內(nèi)部溫度變化主要受變形程度影響。本文所采用的是冷擠壓工藝，所選的4種擠壓速度對(duì)擠壓件溫升影響很小，最大溫升在2內(nèi)。但隨著擠壓速度的增大, 仍然能看到擠壓件內(nèi)的最大溫度成上升趨勢(shì)。(2).在材料將要流出工作帶時(shí),擠壓力達(dá)到最大值,模具載荷隨著擠壓速度的增加而成增大趨勢(shì)。4種擠壓速度對(duì)擠壓力的影響范圍在2.5噸左右。(3).隨著擠壓速度的增大，管材出口流速增加

51、。(4).擠壓速度對(duì)等效應(yīng)力和應(yīng)變峰值無太大影響。但影響其分布范圍。隨著擠壓速度的增大，坯料的大變形區(qū)域增大。當(dāng)擠壓速度是6mm/min時(shí)材料的等效應(yīng)變較大，擠出部分出現(xiàn)危險(xiǎn)變形區(qū)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件及上述結(jié)論得出，擠壓速度為2mm/min時(shí)，所得擠壓件質(zhì)量最好。參考文獻(xiàn)1 張文竹，王祝堂.中國(guó)鋁加工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) J.中國(guó)金屬通報(bào).2006, 24: 692 吳秀銘.我國(guó)鋁工業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)及人世的影響與對(duì)策 A.首屆中國(guó)國(guó)際輕金屬冶煉加工與裝備會(huì)議文集.上海，2002，4：8113 甘春雷.6xxx系鋁合金低溫快速擠壓模擬研究.中南大學(xué)學(xué)位論文.20044 吳向紅.鋁型材擠壓過程有限體積數(shù)值模

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