型材挤压（精选8篇）
型材挤压 篇1
0引言
铝合金材料具有塑性好、密度小、抗蚀性和焊接性能好等特点,与传统的钢铁材料相比具有不可替代的优越性[1]。目前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,用挤压方法生产铝型材,既节约材料又具有很高的生产效率,因而该工艺方法在生产和研究领域越来越受到关注。
铝合金型材挤压过程中,挤压速度是一个主要工艺条件,对于坯料的温度场、最大损伤值场等有着重要影响,从而影响到挤压型材的质量。
本文基于Deform-2D塑形有限元软件对7075铝合金型材的挤压过程进行数值模拟,分析并总结了挤压速度对坯料温度场、最大损伤值场和模具载荷的影响规律。为铝合金型材挤压工艺选择合理的挤压速度提供理论参考。
1有限元模型的建立
坯料材料牌号为Aluminum-7075,杨氏模量Y=68900MPa,泊松比υ=0.3。模具材料选用H13钢。采用刚(粘)塑形流动应力模型σ軍=σ軍(ε軈,ε廴,T)其中ε軈为等效应变;ε廴为等效应变速率;T为变形温度。
铝合金型材挤压过程中,坯料与模具间的接触压力很大,坯料的表面层粘着在模具壁面上,故挤压成形过程选用剪切摩擦类型,剪切应力,其中m为剪切摩擦因子,其值取0.3;k为剪切屈服强度。
目前,热压缩类变形过程中应用最广泛的损伤准则是Cockcroft和Latham准则。其具体表达式为:
式中:——材料断裂时的等效塑性应变
———等效应力;
σT———变形过程中某一时刻某一单元内的最大拉应力。材料在塑性变形过程中,当最大主应力
———等效应变增量
C———损伤因子。
在数值计算中,将表达式(1)进一步变换成离散步求和表达式(2),可将复杂的积分计算简化为单位时间增量内的损伤量计算:
式中———变形过程中某一时刻某一单元内的等效塑性应变速率;
△t———有限元计算中的时间增量。
挤压坯料初始温度设为380℃,模具的预热温度设为350℃,坯料和模具之间的热交换系数取10N/(mm·s·℃),环境温度设为20℃,挤压件与环境的对流系数取0.02N/(mm·s·℃)。由于模型结构本身是轴对称的,为提高模拟效率,取1/2模型进行分析。通过Deform-2D前处理将几何模型进行网格划分,并赋予边界几何条件得到有限元模型如图1所示。
设置4种挤压速度,分别为2mm/s、6mm/s、10mm/s和14mm/s,上模压下量为25mm,因为在此压下量下能使材料流出工作带,并且使挤压过程达到稳定阶段。
2结果分析
2.1挤压速度对温度场的影响
挤压件的温度变化影响到产品质量和模具寿命。挤压过程中,较高的温度有利于减小流动应力,从而材料变形更加容易,但当温度过高会使材料产生过烧、晶粒粗大等问题,使得允许的最高温度降低,进而降低生产率。分析铝合金挤压过程中温度场的变化,对于保证挤压制件的质量和提高生产率有着重要作用。图2展示了坯料在挤压速度为6mm/s时,不同阶段的温度场变化情况。可知在挤压过程中,坯料温度逐渐升高。这是由于坯料产生剧烈变形,生成大量的变形热,从而材料温度迅速升高。而且,坯料的最高温度均出现在棒料刚开始成形的部位,因为这部分的材料变形最为严重,坯料与模具摩擦最严重,生成大量的热量,所以温度最高。图3为挤压速度与坯料最高温度之间的关系。可以看出,随着挤压速度的增加,坯料最高温度增加,其原因是随着挤压速度的增加,材料的变形剧烈程度增加;并且随着挤压速度的增加,坯料挤压力增加,坯料和模具基础面之间的压力增加,所以摩擦热也增加,使得温度升高。另一方面,挤压速度越大,坯料与模具热传导的时间越少,使挤压件温度升高。由图可知,当挤压速度为14mm/s时,最高温度已经达到了495℃。但7075铝合金的变形温度超过490℃时,晶粒会迅速长大[5],严重降低挤压件的质量,所以7075铝合金的挤压速度最好不要超过12mm/s。
2.2挤压速度对损伤场的影响
铝合金挤压过程中发生剧烈变形,坯料表面易产生裂纹。挤压过程中,坯料金属损伤值越小,则材料开裂倾向越小,成形制件表面质量越高。因此,研究铝合金挤压过程中最大损伤值的影响有着十分重要的意义。铝合金棒料在挤压速度为6mm/s成形过程中的损伤演化行为如图4所示。可以得知,在成形过程中,最大损伤值主要出现在成形棒材的表面和挤压模具出口处,这是因为棒材表层金属在流经工作带时,由于受到挤压模具工作表面的摩擦作用,切应力对该处材料金属的影响最为严重。图5显示了不同挤压速度下棒料挤压过程中的最大损伤值。由图可知,挤压速度在2~10mm/s范围内,最大损伤值随挤压速度的增加而逐渐减小;挤压速度在10~14mm/s范围内,最大损伤值有些许增加。这是因为随着挤压速度的增大,坯料的温度升高,增强了材料的塑形变形能力;而且挤压速度增大有利于提高模具对坯料三向压应力的效果,所以降低了最大损伤值;但是当挤压速度过大时,摩擦力增长迅速,使得损伤值呈增长趋势。所以,在棒料挤压过程中,挤压速度不能太大,也不能太小,这样能减小挤压件出现裂纹的可能性。
2.3挤压速度对模具载荷的影响
为合理选择设备、正确设计模具以及确定工艺规程,变形力是一个重要依据。因此,计算模具的位移-载荷曲线非常有意义,既可得出实际挤压可能需要的最大挤压力,又可应用于优化挤压工艺。图6为不同挤压速度下模具的位移-载荷曲线。可以看出,挤压速度不同时,位移-载荷曲线图趋势基本相同,载荷的变化规律基本上可以分为3个阶段。挤压开始时,挤压力以接近线性的方式缓慢增长;到一定程度后,挤压力迅速增加到峰值;挤压力到达峰值后呈突然下降趋势。并且随着速度的增加,挤压载荷有一定的增大。从图中可看出,挤压速度对载荷的影响比较小。这是由于挤压速度越大,坯料温度升的越高,降低挤压材料的流动应力,抵消了由于变形速度增加带来的对变形抗力的影响。
3结论
建立了铝合金型材挤压的有限元模型。分析了不同挤压速度下温度场、最大损伤值场以及模具载荷的演变规律。得出以下结论:
(1)随着挤压速度的增加,由于变形热和摩擦热增加,坯料的温度场迅速增加。
(2)随着挤压速度的增加,坯料的最大损伤值场呈现先减小后增加的趋势。
(3)随着挤压速度的增加,挤压载荷有一定的增大。挤压速度对载荷的影响比较小。
型材挤压 篇2
在铝及铝合金半成品生产中，挤压是主要成形工艺之一，挤压产品（型材、管材及少量的线材、棒材）约占全部半成品的30%。1998年，全球的铝半成品产量约19100kt,其中挤压产品为5820kt,品种已近40000种。全世界铝材工业铝型材挤压机在5500台以上，中国大陆的在 2500台以上，台湾省约190台。不过，工业发达国家98%工业铝型材挤压机的挤压力超过15MN,但中国90%工业铝型材挤压机的挤压力在15MN以下。工业铝型材挤压机的开工率不 足是一个全球性的问题，平均能力利用率约65%,其中日本的最高为91.6%,北美和西欧的约70%,中国的35%左右。
在这种情况下，如何提高工业铝型材挤压机的生产率已成为当务之急。提高生产率的措施很多，如提高装机水平、提高工人素质、提高管理水平等这样普遍性的措施。本文着重谈一些如何提高产量与质量的更为具体的措施。先进装备与高素质工人是提高产量的前提
对提高挤压产品的产量来说，先进的装备、高素质的工人、现代化的科学管理起着至关重要的作用。在我国现有的2500多台工业铝型材挤压机中，够得上国际水平的只不过25台左右，即约1%，如南平铝厂的14.5MN(1600UStf.)工业铝型材挤压机与25MN(2750UStf.)工业铝型材挤压机、天津有色金属集团公司 从意大利引进的55MN（5500UStf.)工业铝型材挤压机、裕华铝业有限公司从美国西马克.萨顿公司（SMS Sutton）引进的 21 MN2(2200/2500Ustf.)的工业铝型材挤压机、西安飞机公司从日本宇部兴产公司（UBE）引进的21MN(2350Ustf.)与 16.3MN(1800Ustf.)工业铝型材挤压机等。
我国铝挤压工业正处于结构调整阶段，应避免低水平的重复引进与建设，对现有的有改造价值的工业铝型材挤压机最好改造成现代化的高水平工业铝型材挤压机。新引进的正挤 压机应装有：计算机辅助正挤压系统（CADEX—Computer Aided DirectExtrusion），以使在等温挤压期间都处于最大挤压力作用下，尽量缩短实际挤压时间；需装有超精细的液压油过滤器，并有连续监测液压油 质量与温度的仪器；装有各项工艺参数显示与监控电子系统PICOS(Process Information &ControlSystem);还应有MIDIS系统（管理信息与诊断显示系统—Management Information and Diagnostic Indication System），以显示各项工艺参数与生产情况的种种信息，以及对设备的故障及时发出警告与显示信号，指导维护与检修，最大限度地缩短停车时间；等等。温度控制与提高产量的关系
通常，如果没有非预定的停机时间，那么最大产量主要决定于挤压速度，而后者受制于四个因素，其中三个固定不变而另一个则是可变的。第一个因素是 工业铝型材挤压机的挤压力，挤压力大的可在锭坯温度较低时顺利地挤压；第二个因素是模具设计，挤压时金属与模壁的摩擦通常可使通过的铝合金的温度上升35～62℃； 第三个因素是被挤压合金的特性，是限制挤压速度的不可控制的因素，型材的出口温度一般不可超过540℃，否则，材料表面质量会下降，模痕明显加重，甚至出 现粘铝、凹印、微裂缝、撕裂等。最后一个因素是温度及其受控程度。
如果工业铝型材挤压机的挤压力不够大，很难顺利挤压或甚至出现塞模现象而挤不动时，就可提高锭坯温度，但挤压速度应低些，以防材料的出口温度过高。每一个 合金都有其特定的最优的挤压(锭坯)温度。生产实践证明，锭坯温度最好保持在430℃左右（挤压速度≥16mm/s时）。6063合金型材的出模温度不得
超过500℃，6005合金的最高出口温度为512℃，6061合金的最好不大于525℃。出模温度的不大变化也会影响产品的产量与质量。
挤压筒温度也是很重要的，特别应注意预热阶段的温度升高，应避免各层之间产生过大的热应力，最好是使挤压筒与衬套同时升高到工作温度。预热升温 速度不得大于38℃/h。最好的预热规范是：升高到235℃，保温8h,继续升温到430℃，保温4h后，才投入工作。这样不但能保证内外温度均匀一致，而且有足够的时间消除一切内部热应力。当然在炉内加热挤压筒是最佳的预热方式。
在挤压过程中，挤压筒温度应比锭坯温度低15～40℃。如果挤压速度过快，以致挤压筒温度上升到高于锭坯温度，就要设法使挤压筒温度下降，这不 但是一件麻烦的工作，而且产量会下降。在生产速度上升过程中，有时受电偶控制的加热元件会被切断，可是挤压筒温度仍在上升。如果挤压筒温度高于470℃，挤压废品就会上升。应根据不同的合金确定理想的挤压筒温度。
千万不要认为预热挤压筒是在浪费时间、消耗能源。有一个工厂有一次为了赶生产任务，一方面用内部电阻元件加热，另一方面又以液化气烧嘴加热。在 这种情况，温度无法测量与控制，会产生巨大的热应力，内衬温度高，膨胀比外套的快，以致挤压筒裂开，并听到“炸裂”的声音。这是作者亲身经历的。挤压轴在工作过程中会积蓄内应力，这种应力大到一定程度会产生疲劳裂纹，一旦受到非轴向的径向力作用就会断裂。因此，挤压轴的累计工作时间达到 4500h后，最好进行一次消除应力处理，在430～480℃保温12h,然后随炉冷却到50℃以下。遗憾的是，我国很少有工厂照此处理。
生产高档优质表面建筑型材时，对挤压垫温度也应严格控制，以减少表面色调不一致废品量。固定挤压垫的质量比活动的好得多，能积聚更多的热量，因 而能降低锭坯端头温度，能减少杂质进入型材内，有助于提高产量。美国卡斯图尔公司（Castool）采用压缩空气冷却挤压垫与挤压轴，使其温度降到50℃ 左右[1]。
模具温度对于获得高的产量起着重要的作用，一般不得低于430℃；另方面，也不得过高，否则，不但硬度可能下降，同时会产生氧化，主要在工作带。在模具加热过程中，应避免模具之间紧靠着，阻碍空气流通。最好采用带格的箱式加热炉，每个模放于一个单独的箱内。
锭坯在挤压过程中的温度升高可达40℃左右或更高些，升高量主要决定于模具设计。为了获得最大产量，对各项温度决不可忽视，应记录各个温度并严加控制，以找出机台的最大产量与各项温度的关系。最后，挤压生产厂的员工都应牢记：温度的精密控制，对提高产量是至关重要的。Optalex控制系统
丹麦阿列罗得市（Alleroed）阿卢马克公司（Alumac）开发的Optalex控制系统可装于常规的等温工业铝型材挤压机上，可与大多数PLC系 统接口，始终控制材料的出口温度恒定，可使一根锭坯的挤压周期缩短5%～35%,使挤压工作达到最优化,既能提高产量，又能改善产品质量，各项性能始终均 匀一致。图1挤压速度、温度与挤压时间的关系
实线—装有Optalex控制系统的等温挤压；
虚线—常规等温挤压；A—时间节约
Optalex系统由3种元件组成：红外线照相机，操纵盘与过程控制系统。温度测量系统是非接触式的，建立在对靶的多波长红外线扫描原理上。照 相机内装有激光装置，发射的激光始终对准靶面的中心。照相机安于尽量靠近模出口处，因而能精确地测定型材的温度。操纵盘是用标准的工业硬件专门设计的，而 软件系统则是根据用户提供的数据(模具型式与数量、合金类型、最大挤压速度与温度)设计的。生产数据全部储存于磁盘内，可随时提取。
过程控制系统(process controlsystem)有3个独立过程控制，各司其职；信息传递（conmmunication），控制与温度测量。该系统根据照相机拍得的数据与 部分传来的信息进行闭环控制演算，对有关参数进行自动控制，使型材的出模温度保持恒定。瑞典型材集团公司31.5MN工业铝型材挤压机提高产量的措施
瑞典型材集团公司（Profil Gruppen）于1998年投产了1台意大利联合金属工程公司
（CometalEngineering）设计制造的31.5MN工业铝型材挤压机，用于挤压汽车工 业型材与建筑型材[3]。该生产线有两大特点：采取了一系列的措施来减少废品，以提高产量；对环境污染降到了当今世界最低水平，可谓是一条“绿色”的样板 挤压生产线。
挤压锭直径为250mm,可生产挤压比为45～50的型材，型材的线密度为2.46～2.216kg/m。非工作（辅助）时间为15s,采用梯度加热，以实现等温挤压，并严格控制型材出口温度，以达到最合理的最大挤压速度。
由于产品产量与质量主要取决于工人素质，所以在未投产前就对操作工人与维修工人进行了严格的训练。对降低废品量的具体措施如下：
—加长锭坯，由过去的900m增长到1100mm,而压余厚度仍为25mm。
—利用热剪，可使金属实收率提高4%。
—在型材的焊合处锯断。因而，在43m长的材料上产生的废料长度仅1m,而常规料的长度为44m,产生的废料却长达2.5m。这样改的结果是成 品率提高3.3%,同时，由于精心控制挤压速度，型材的表面质量也有所提高。另外，特别注意型材在后部设备上的运动状况，尽量避免擦伤与划伤，使成品率提 高0.5个百分点。
—尽量减少零部件的磨损，采用自动润滑，以缩短维护检修时间，延长生产有效时间，尽量采用精密结构。
该厂在设计与建设过程中对环境保护给予了特别注意，瑞典属斯堪的纳维亚国家，是全球对环保要求最严格的地区之一。工厂的最大噪声为70dbA, 因此，圆锯与牵引机都安于隔声室内。加热炉排放的烟气中的NOx最大含量为55mg/MJ,CO的最大含量为100×10-6。并设有热交换系统，利用废 热加热生活用水，使排入大气的烟气温度低于150℃。厂内所有设备的零部件都用水清洗，锯屑采用特殊装置接收，不会掉落到地面上。全部设备都经过安全分 析。瑞典型材集团公司可以说是世界上典型的“绿色”工业铝型材挤压厂，代表了工业铝型材厂的发展方向。
铝型材挤压模具的预变形设计 篇3
1 铝型材挤压模具的预变形设计
1.1 XC321-17
铝型材断面图如图2所示。
铝合金型材挤压生产中, 模具是决定产品质量及生产效率的重要因素之一。该型材选用LY12合金, 根据1250t油压机Φ130mm筒上生产的制造工艺, 模具外形为Φ150mm×50mm。原设计方案如图3、图4所示。
由于硬铝合金对工作带宽度不太敏感, 修模时, 在综合采用减薄顶部工作带加快金属流速、靠近两个支脚的侧翼部分锉阻碍角减缓流速等措施后, 成型均不太理想;导致模具上机挤压后, 头尾端开口尺寸比名义尺寸大4mm～8mm。
总结前两次试模经验分析, 如果只采取增大两个支脚及侧翼靠近支脚部分的工作带厚度, 将增大挤压阻力, 对制品表面和模具寿命均带来不利影响, 且型材的扩口现象未必能得到进一步遏制。
综上, 在研究并判断首次试模的料头形状后, 采取了从模孔上进行预变形设计的方案, 即"并口"设计方案如图5示。
从源头抑制制品变形, 并对两个支脚及侧翼靠近支脚的部分加厚了工作带 (挤压该类小壁厚1mm～3mm的硬合金型材不宜采用较厚工作带, 工作带视具体实际通常采用2.5mm～8mm即可) , 如图6。并在模具背后配置了专用挤压垫环 (图7) , 以减少模具的弹性变形。
金属被挤出相对于常规设计"并口"的模具模孔后产生一定"扩口"变形, 此消彼长正好满足图纸要求, 试模取得成功。
1.2 EL4090
该型材是铝型材的另一个典型。型材断面图如图8所示。
该型材为2A12合金, 采用的是在西南铝2500t油压机Φ260mm筒生产的挤压工艺。
由于该型材是典型的"高帽子"形状, 外形尺寸大, 挤压制品变形空间大, 根据经验, 开口扩张的趋势在金属流出模孔的瞬间必然发生, 在牵引机的牵引下制品形状逐渐趋于稳定。因此, 采用常规设计和预变形设计相结合的方法不可或缺。
首先, 采用常规设计方法设计出模孔尺寸如图9示。
其次, 对模孔进行变形。以图示虚拟交点为旋转中心, 使右侧侧翼及支脚整体顺时针旋转4.5°, 左侧侧翼及支脚整体参照此方法旋转, 缩小常规设计出的开口尺寸, 达到变形目的, 如图10所示。
最后调整好模孔各部分的工作带, 对工作带尺寸设置的出发点, 仍是加快"帽子"顶端的金属流速, 减缓支脚及靠近支脚部分的金属流速, 使顶端受到底端的牵制, 减缓型材开口扩张的趋势。型材被挤出模具的瞬间, 利用型材开口扩张的特点, 达到其变形基本满足型材图纸要求。
采用这一思路后, 还需在模具背后配备专用垫环。这样在挤压过程中, 金属流出模具后, 其变形亦相应受到模垫及专用环通道的限制, 挤压试制该型材获得成功。
结语
通过模具的预变形设计, 铝型材与过去相比, 成型好、尺寸精度都容易保证, 缺陷问题得到了很好的解决, 提高了模具的上机合格率。随着市场经济的发展, 人们对铝型材产品质量要求也在不断的提高, 因此, 要挤出各种优质型材, 模具设计就要不断积累在生产、工作中的经验, 不断创新和改进模具设计, 以适应生产的需要。
参考文献
[1]王秀凤.如何在模具设计中克服挤压型材缺陷的产生[J].轻合金加工技术, 2006 (01) .
铝型材挤压机的自动控制研究 篇4
1 铝型材挤压机工作原理
铝型材挤压机是将铝或者铝合金的棒料挤压成为各种规格的型材的运转机器, 在挤压机运转时, 铝棒坯料经过加热炉加热到挤压所需的温度, 然后送到供锭器中, 由供锭器将坯料与挤压垫自动送到模筒口, 工作缸活塞推模筒到模口, 在快速地推料过程中, 供锭器自动复位, 此时挤压筒与模具实现预热, 再进入工作缸中进行挤压加工。在挤压的过程中, 棒料依赖挤压筒中的电热元件保持温度, 当挤压工作结束后, 剪切装置会将制品与余料分离, 剩料和压垫会落入残料溜槽中, 压机中所有部件复原, 完成一次挤压加工程序。
在整个铝型材挤压机工作的过程中, 分模具闭合、挤压快进、模具开启等多道工序, 这些动作都由液压系统中的电动机, 带动大油泵、小油泵产生的油压来完成, 而这些动作的控制装置则是各种电器, 如行程开关、按钮开关、转换开关及电磁铁等。
2 铝型材挤压机自动控制系统的特点
1) 生产过程中实现全自动控制, 包括推锭、运锭、供锭器受锭、主剪、挤压筒、挤压速度、挤压形成及压力等都由PLC实现自动控制, 全过程无需人工干预行为;
2) 具备人机友好界面。系统中的画面实时、形象, 且可动态展现现场生产过程与工艺参数, 可具体仿真显示位置、液压回路、气动回路等;
3) 实现数字检测, 提高检测精度;
4) 可实现对各种工艺参数要求的设定、存储、优化、查询等;
5) 及时显示故障并报警。当某一项参数出现异常或者设备故障时, 可发出声光报警, 并显示相关提示信息与画面。
3 铝型材挤压机的自动控制组成
3.1 挤压速度的闭环控制
挤压速度的闭环控制, 是铝型材挤压机运转的主要特点。在生产过程中, 一旦进入挤压程序, 必须确保速度的恒定性, 否则将造成型材的变形、损坏, 或者表面产生波纹、光洁度不佳, 对成品的质量产生严重影响, 这就要求自动化控制中必须可保证各种扰动情况下的自动纠正偏差。例如挤压机运行的速度设定为数字量, 通过上位机给定电压, 其输出量经过泵头传感器检测, 再转换成反馈电压, 将此电压反馈到输入端, 与给定量进行比较, 通过放大器来控制偏差电压, 确保挤压速度在给定速度范围内。
3.2 输入与输出点数的确定
在铝型材挤压机的自动控制系统中, 各种动作的转换主要通过压力开关与行程开关对信号的检测, 再加上指令信号来实现, 这些信号即输入信号, 共有38个输入点。液压系统中则具备14个电磁阀, 是各项动作的执行原件。在挤压轴的运转过程中, 实现4级速度转换, 在自动化过程中, 需要显示三个状态。因此, 在自动化控制系统中需要输出21个指令信号, 也就是21个输出点。
3.3 挤压筒的感应加热
在机器的挤压过程中, 从铸锭到挤压结束, 挤压筒需要承受高压、高温、高摩擦作用, 因此适宜采用梯度式多段曲线的加热方式, 这样可减少挤压筒中的温度分布, 缩小外套及内套的热膨胀差值, 避免脱出或者发生裂纹现象, 有效提高挤压筒的使用效果与使用寿命。
4 上位机在挤压机自动控制中的应用
4.1 上位机的系统组成
上位机系统主要由计算机、通讯线缆、计算机挤压系统软件组成。上位机的串口和PLC连接, 以RS232为通讯协议, 完成工作程序。计算机挤压系统软件则由辅助系统与监控系统构成, 二者相互配合完成挤压工作。一方面, 辅助系统结合管理与PLC共同设定, 实现对工艺及数据的编辑、选择模具和班次、下载参数、检测PLC等;另一方面, 监测系统实现对挤压机工作状态、机、电等模拟量信号的显示, 并记录当班次的运转情况。
4.2 工艺参数的管理
工艺参数可分为模具参数、型材参数及铸锭参数。在工艺参数管理状态下, 对不同型材实现工艺计算、输入参数, 并存入数据库中。
4.3 系统数据的管理
定期对工艺数据、控制数据、系统数据、生产数据等完成备份工作, 并具有还原功能, 可在系统损坏的情况下及时恢复重要数据, 尽量降低损失。
4.4 工艺的计算
工艺计算的程序任务是计算每一个批次作业需要的铝锭数据。已知数据可分为设备信息、用户信息以及型材、铝锭等基本数据。其中, 设备信息包括铸锭的最大长度、挤压筒直径等;用户信息包括产品型号、批次、长度等;型材及铝锭的基本数据包括产品的型号、压余厚度、坯锭直径、拉伸料头长度以及产品的理论重量等。计算的结果则包括产品数量、铝锭的数量与长度、铝锭总重以及产品总重等。
近年来, 我国铝型材挤压机技术发展迅速, 目前我国已投入大型铝型材挤压生产线8条, 正在建设的大型铝型材挤压机生产线5条, 其中具备中国自主知识产权的125MN油压双动铝挤压生产线, 是目前已经投产的国际上同类最大挤压设备, 并于2007年6月安装、调试完毕, 该设备全线应用计算机网络控制, 完全实现自动化生产。可见, 铝型材挤压机的自动控制将成为必然趋势。
参考文献
[1]肖刚, 萧今声.我国的铝挤压材与铝挤压机[J].轻合金加工技术, 2010 (9) .
型材挤压 篇5
近年来, 随着轨道交通、高速铁路、航空航天、军工、船舶、新能源汽车和核电等行业的快速发展, 对铝及铝合金挤压型材的要求越来越高, 要求挤压型材具有断面积大且形状复杂化、薄壁扁宽化、尺寸高精度化、高的力学性能和组织性能均一化等。具体如下[1]:
(1) 大型化、整体化。从轨道交通、航空航天、船舶等已使用的大型铝挤压材中可以看出, 过去用数枚小型挤压材组装拼接而成的部件, 现在都尽可能地使用整体大规格材代替。如新型列车车体制作已经实现模块化装配, 车辆将车体结构与装配结构作为一个车体系统, 采用几个部件组合的自承重模块结构, 要求铝材壁薄且宽度要宽。如目前生产的新型车体铝材宽度达800mm, 长度30m左右, 整个车体焊缝为3~5道。焊缝的数量直接影响车体性能, 焊缝数量越少越好, 则要求铝型材越宽越好, 因此, 铝型材的大型化和整体化是发展趋势[2]。
(2) 薄壁化、轻量化。铝挤压材的薄壁化也是一大趋势。在满足强度等的前提下, 挤压材的壁厚越薄, 列车或飞机自重就越轻;并可大幅改善动力性能, 节省动力, 提高加速性和灵活性, 减少制动, 也大大提高舒适性, 还可节省材料。
(3) 断面尺寸和形位公差高精度化。大型铝挤压材的断面多数是多功能的集合体, 因此对断面尺寸偏差、定尺长度、扭拧度、弯曲度等形位公差的要求十分严格。虽然大型铝挤压材材料中允许有偏差范围, 但实际上允许这种偏差几乎是不存在的, 尤其是精度要求高的高速列车用挤压材部件。
(4) 组织性能均匀与优质化。大型铝挤压材往往作为重要的结构材料用于关键部位, 要求组织均匀、无粗大晶粒和粗晶环组织, 而且具有均匀的纵向及横向力学性能等, 高性能特种工业铝型材成为工业铝型材发展的主流方向。
目前全世界已投产的挤压力大于50MN的铝型材挤压机约有70台左右。美国拥有大型挤压机达20台, 超过100MN (10000t) 的有4台;俄罗斯有10台, 大部分是80年代以前投产的。其中前苏联古比雪夫铝加工厂的200MN (20000t) 挤压机是世界上最大的投产的挤压机。日本有4台大型挤压机, 挤压力最大的为95MN (9500t) 。德国有5台, 德国VAW波恩工厂1999年投产了一台100MN的双动油压挤压机。韩国、波兰、瑞士、挪威、瑞典各有一台大型挤压机, 挤压力在65MN~90MN之间。意大利有3台大型挤压机, 2000年建成投产了一台130MN的铜铝油压挤压机[3]。我国拥有大型挤压机已投产的大约是24台, 计划再建14台。国内最大已投产的是山东兖矿轻合金有限公司的150MN挤压机。
目前全世界尤其是我国对高性能特种工业铝型材的需求增长很快。中国成为全球大型工业铝型材的生产基地, 但挤压机的区域分布主要集中在东部沿海, 而且工业铝型材生产的技术和装备水平亟待提高。
我国目前在建和已建大型铝型材挤压机主要集中在山东、辽宁和吉林等地, 地域分布不平衡;而大型工业铝型材由于受运输成本的制约, 销售半径一般在400公里以内, 中西部地区在青海建设了一台100MN双动铝挤压机, 在重庆正在建设120MN铝型材挤压机。作为铝型材生产的大省, 广东省的大型和重型铝挤压生产线的建设仍有很大市场。本文主要介绍广东最大90MN铝型材挤压机研制的关键技术。
290MN挤压装备关键技术研究
90MN铝型材挤压机研制的关键技术包括挤压机前后梁设计优化、挤压筒热力耦合优化设计、液压控制系统和电气控制系统的集成技术等。
2.1 前后梁有限元优化设计
前后梁是挤压机的主要零部件, 占挤压机重量的1/4左右。前后梁应力分布的合理性, 不仅决定着挤压机的使用寿命, 而且可以降低设备的投资成本, 前后梁的优化设计是挤压机设计的关键技术。
前后梁的设计是按照以往的经验和第四强度理论确定面板的厚度、筋板位置和尺寸, 再按照主要校核中间截面强度方法进行理论分析[4]。
在以上计算的基础上, 建立有限元数值分析模型, 考虑到对称性和减少计算量, 采用1/4模型, 图1为建立的有限元模型。
根据建立的有限元模型划分网格, 施加边界条件, 采用有限元软件进行分析, 得到应力应变分布, 根据得到应力分布情况, 进行局部材料分布的调整, 进行有限元分析优化, 最终确定前后梁的结构。按照50年设计寿命, 以380万使用次数考虑最大应力集中值的选择, 有限元分析得到的最大应力集中值在材料的使用范围以内。最终得到前后梁的应力分布如图2所示。
从图中可以看出:前、后梁的最大应力值均不超过80MPa, 前梁的最大应力发生在前面板与凸台过渡圆弧处, 后梁的最大应力发生在后面板上下对称中心线处。
按照目前挤压机的发展趋势和设计使用寿命, 前后梁的材料也从ZG270-500发展到ZG35Cr1Mo, 两种材料机械性能对比如表1所示[5]。
从以上对比可以看出:ZG35Cr1Mo比ZG270-500有更高的机械性能, 而且该材料相比ZG270-500有更好的铸造性能, 铸造后不易开裂, 按照前面有限元分析的结果, 使用该材料可以满足使用寿命50年的要求, 因此, 前后梁材料选为ZG35Cr1Mo。
2.2 挤压筒有限元热力耦合分析
挤压筒作为挤压过程中铝锭坯变形的容室, 挤压过程中是在高温的情况下承受着高的压强, 同时, 由于等温挤压工艺的要求, 挤压筒在挤压过程中温度要通过空气冷却进行调节, 因此, 挤压筒不仅要进行加热冷却, 而且要承受很高的压强。大型挤压筒一般采用三层热装配的衬筒, 三层衬筒之间有装配应力。
对于大型挤压筒来讲, 考虑拆卸方便, 外壳上设计有拆卸用的沟槽、定位安装用的键槽和起吊用的沟槽;加热管安装在外壳上, 从而在外壳上设计有加热管的安装深孔和接线连接板的连接槽;另外还有冷却空气进出通道和测量温度的热电偶深孔, 这些分布众多的沟槽和深孔正是易产生应力集中的地方, 外壳的损坏往往也是发生在这些应力集中处, 因此, 对于挤压筒的热力耦合有限元分析和优化尤为重要。
按照挤压筒的功能性要求和三层筒的比例关系, 确定三层衬筒的结构, 按照使用经验确定各层筒之间的过盈量, 在此基础上, 建立有限元分析模型如图3所示。
按照实际的边界条件施加载荷, 各层筒之间选取接触单元, 根据过盈量的大小确定接触, 在内衬内表面施加静水压力。
根据分析结果进行优化, 对于局部应力值高于800MPa的地方进行修改, 通过改变圆角大小、沟槽深度和键槽位置等方法, 降低应力集中值的大小, 通过优化设计, 最终得到的三层筒热力耦合有限元分析结果如图4和表2所示。
图4为挤压筒内衬、中衬和外筒的有限元热力耦合分析Mises应力分布图, 表2为挤压筒内衬、中衬和外筒的有限元热力耦合分析结果。结果显示:经过优化设计, 三层筒的应力和位移均在要求的范围以内。
2.3 液压系统集成技术
大型铝挤压机的液压系统设计不仅要考虑设备的可靠性和安全性, 同时要兼顾快速性和经济性, 需要采用集成技术, 建立大型挤压机的液压系统。
液压系统设计首先按照机械动作快速性的要求, 根据瞬时最大流量确定主泵的总流量, 并留有一定的富裕量。按照挤压速度要求, 考虑到经济性, 选取主泵时采用定变量组合的方式, 确定主泵的数量。
其次是按照辅助系统的要求确定辅助泵的数量, 之后是主系统阀站和辅助系统阀站的设计, 设计时考虑以下因素:
(1) 主控制系统采用插装式锥阀控制, 通过功能元件来调节主阀芯的开关时间、速度, 以满足挤压机大流量、快速、无冲击的要求, 调整部分均置于阀盖的外部, 调整方便。
(2) 主泵可分组控制和组合, 若干动作可以同时进行, 互不干扰。
(3) 移动横梁、挤压筒、剪刀等主要动作的空程前进或返回采用慢速启动, 快速运行, 接近停止点前再慢速缓冲停止。
(4) 设有专用恒压泵对挤压筒锁紧进行保压, 以保证挤压筒端面与模具之间的比压。
(5) 剪刀缸在剪切压余时, 瞬时有一个冲击, 为了减震, 在液压剪回程腔设了一个两级压力阀, 压力较高一级用于过载保护, 起安全作用, 压力低的一级适当调整其设定压力值, 在冲击时起背压溢流作用, 使其动作快速、平稳。
(6) 辅助系统大量采用比例控制系统, 使机械化机构能实现动作快捷, 启动和停止时平稳且停位准确。
(7) 为了检修方便, 液压阀块及每个液压缸前均设有测压点, 随时可检测其压力情况, 并设有多个压力传感器和抗振压力表, 显示泵出口及各部位压力, 信号可由PLC采集, 用于系统控制。
(8) 主缸、侧缸前后端和挤压筒移动油缸锁紧端的卸压等采用比例控制技术, 使高压大流量的液体在短时间内很快卸压;快换模装置、上料机械手的前进后退、上料机械手臂的打开闭合和固定挤压垫润滑装置手臂摆动等动作采用比例控制技术, 保证各动作慢速启动, 快速运行, 接近停止点时再慢速缓冲停止, 实现动作的快速性。
最后是管路和油箱设计, 油箱设计时要考虑油箱的温度控制和油液的冲击, 同时考虑与空气的连通和液位的控制, 管路设计时考虑以下因素:
(1) 高压油管均采用厚壁无缝管, 其壁厚较规范中规定要厚;
(2) 高压法兰采用高颈法兰, 比插入式法兰更安全可靠;
(3) 直径≤60mm的管子现场冷弯, 大管道弯头弯制好后在现场焊接, 小管子氩弧焊满焊, 大管子氩弧焊打底后再电焊满焊, 焊后酸洗、中和、钝化和涂油;
(4) 气动管路采用紫铜管;
(5) 高压管道管夹间距≤1000mm, 避免管路振动;
(6) 主吸油管和设备之间设装有可曲挠式橡胶管接头、吸油管与泵之间装有能吸收振动的可曲挠式橡胶管接头, 泵的高压出口与管道之间装有高压软管, 油泵支座和设备基础之间采用减震结构连接;
(7) 液压系统中的截止阀均采用球阀结构。
通过以上集成技术的应用, 液压系统满足了快速性要求, 同时减少节流环节, 减低发热, 减少能耗。
2.4 电气控制系统集成技术
90MN挤压机电气控制系统采用功能强大的Siemens系列工业可编程控制器产品作为主站及分布站。以处理器为中心, 与远程I/O构成Profibus总线网络系统, 对机组进行逻辑控制和精度控制, 根据预设工艺参数和要求, 对挤压机动作进行准确控制, 并从时间上对各个运行过程进行合理分配, 可进行参数修改, 从而实现机组的各种工作制度和工艺过程的自动控制, 并采用带触摸的显示器为人机接口, 监控系统监控整个生产线的生产流程, 在屏幕上以多画面和表格直观实时显示机械、液压、电气设备的工作状态, 并可实现参数输入、输出、工件数据进行管理和显示机组实际工艺参数、故障报警信息提示等。在可靠性方面、过程自动化控制方面、工艺变更及参数输入方面、缩短自动周期等方面可达到最佳工作状态。同时借助HMI和可编程控制器实时通讯, 既可采集挤压机生产线工作过程中各种参数, 实现自动化参数在线管理、调节, 又可通过HMI输入各种工艺参数, 调整挤压机生产线各种工作状态, 使设备工作时平稳可靠, 挤压时间和辅助工作时间大为缩短, 产品的产量和成品率进一步提高, 从而使设备在最佳参数匹配下进行工作。
电气系统具备以下功能:采用TCP/IP协议向上一级网络传送所需数据;接受初级控制系统数据;挤压过程优化控制;挤压工艺数据预设;挤压过程管理 (挤压过程数据及速度变化曲线记录) ;工模具管理系统;生产管理系统;视频监视系统 (4个点) 。
触摸屏可以完成以下功能:挤压机系统故障诊断;报警显示及记录;位置、压力、油温、油位等显示;液压系统动态显示;气动系统动态显示;挤压速度与挤压力等显示;泵启动、停止;挤压杆和挤压筒对中位置显示;各种参数设定;动态挤压压力曲线;各动作到位指示。
系统主要控制功能包括:
(1) 挤压速度控制。液压系统采用进口变量泵, 在挤压速度低时采用变量泵和比例阀共同控制, 并由位移/速度传感器进行速度的实时反馈, 从而实现低速时的速度闭环控制;挤压速度高时, 由比例变量泵直接通过插装阀控制主柱塞的速度, 由于比例变量泵的高度灵敏性, 可以实现速度的精确控制。根据不同工艺要求, 可任意设定挤压速度并对其进行实时调节, 并可在上位机上监视和在线修改挤压过程中的各种动作速度。
(2) 挤压筒加热。挤压筒的加热采用进口加热管加热, 通过温度传感器将挤压筒加热温度采集到温度控制器中, 控制升温速度使其沿着设定的升温曲线进行加热, 从室温加热到450℃的加热时间为18h, 采用三相功率调节器 (变流器) 进行加热, 通过过零触发、调功方式调整控制温度;采用进口双点热电偶进行温度检测, 控温精度±5℃。
(3) 铝型材等温挤压控制系统。等温挤压是指铝材在模具出口处温度基本恒定的情况下尽可能地提高挤压速度。所谓基本恒定出口温度是指出口温度变化范围在±10℃以内。等温挤压不仅可以提高铝型材挤压产品的生产率, 而且可以提高铝型材挤压产品的质量, 是最为先进的挤压工艺。
采用温度和挤压速度闭环控制实现铝型材的等温挤压。根据有限元数值模拟的结果, 将挤压速度在铝锭坯的全长上分为逐渐减少的几个区域, 挤压机前梁出口安装有多波长红外测温仪, 连续检测铝型材离开模具口的温度, 检测结果直接送入机组的主PLC, PLC将检测到的温度与要求值进行对比, 如果温度在所要求的范围内, 继续挤压;如果温度高于要求值, 则降低挤压速度, 反之则增加挤压速度;挤压速度在>3mm/s时采用变量泵开环容积调速, 在0.2~3mm/s的低速段采用小流量变量泵加高频响的比例阀联合闭环调速, 电气上采用PID调节器等技术来提高调速的灵敏性和准确性;挤压机前梁出口处设有温度检测, 采用以色列3T公司可与上位机进行信息反馈, 实现模拟等温挤压。
(4) 挤压力限定。通过在监控计算机上设定最大允许挤压力, 防止模具、挤压工具等损坏。
(5) 挤压机自动调零。经过长期使用, 挤压机的测控系统可能出现偏差, 这时只需在监控计算机上点击自动调零按钮, 一切预置点自动调整。
(6) 优化式卸荷。在挤压结束时系统依据不同的压力采用不同的卸荷曲线, 使挤压机以最佳速度最小冲击完成卸荷动作。
2.590MN铝挤压机主要技术参数
3 试验验证
2012年6月, 90MN铝挤压机进行了出厂试验, 如图6所示。试验显示:前后梁的应力和位移值与有限元模拟结果一致, 挤压筒的应力和有限元模拟结果一致。
4 结论
(1) 理论分析和有限元数值模拟相结合的手段是大型铝挤压机前后梁和关键零部件设计的有效方法。
(2) 大型挤压筒热力耦合有限元优化设计可以建立高效可靠的挤压筒加热冷却系统。
(3) 液压和电气控制系统的集成技术不仅可以提高设备可靠性和安全性, 而且可以提高快速性和经济性。
摘要：介绍了90MN单动卧式铝挤压机的主要技术参数和结构特点, 对挤压机前后梁进行了有限元数值模拟优化分析, 得到了前后梁的应力应变分布;对挤压筒进行了热力耦合有限元仿真分析;介绍了液压控制系统的集成技术, 介绍了电气控制系统的主要组成。实验表明前后梁应力分布合理, 挤压筒受力状况良好, 液压电气控制系统稳定可靠。
关键词：机械设计,铝挤压机,关键技术,控制系统,挤压筒
参考文献
[1]王祝堂.大型铝型材生产与应用现状及发展动向[C]//2002年交通运输用铝市场及技术研讨会论文集.北京:2002:1-24.
[2]刘静安, 谢建新.大型铝合金型材挤压技术与工模具优化设计.北京:冶金工业出版社, 2003.
[3]魏军.金属挤压机.北京:化学工业出版社, 2006.
[4]俞新陆.液压机的设计与应用.北京:机械工业出版社, 2006.
型材挤压 篇6
1 变断面铝型材模具的结构和特点
过去, 在我国对变断面铝型材模具加工过程中, 工作人员往往会采用传统的胎具平磨分模具进行加工, 采用这种方法所加工出的模具往往不够平直, 再加上属于加工形式属于冷加工, 这就大大降低了模具的强度与刚度, 将这种材料运用在建筑装饰当中, 就会导致材料变形, 达不到设计的要求, 也无法保证建筑装饰的质量。据此, 我们对其进行研究与分析, 在传统的胎具上不断改进, 采用这种先进的胎具加工出的变断面铝型材平直度高、精准度高、质量好。
在变断面铝型材中, 一般由三个部分组成, 即基本型材、过渡区以及大头 (即断面很大的型材尾部) 。这种材料属于一种比较特殊的铝型材, 其断面的形状与尺寸都会随着长度的变化而变化。我们从变断面铝型材的两端来看, 其变断面可分为“T”形、“I”形或者异形等。其中最为常见的也就是“I”形。在该铝型材当中, 由于断面的尺寸与形状大有不同, 所以在生产过程中采用的模具结构也有一定的差异, 通常情况下, 在生产过程中, 工作人员都应该准备两套模具, 这样才能够保证铝材顺利的生产, 首先工作人员需要采用第一套模具对基本型材以及过渡区进行加工, 这两个部分的加工我们称作前端模;然后再采用另一套模具对大头部分进行加工, 我们称之为尾端模。我们再将模具根据横截面的不同分为若干瓣, 也就是我们通常所说的分模面, 在设置分模面的过程中, 设计人员一定要严格设计分模面的位置, 这样可以很方便的拆卸或者安装模具, 并能在加工过程中使铝型材达到设计的要求。根据模具截面的不同, 可以将“I”形的前端模分为四瓣, 而尾端模可分为两瓣。
总而言之, 相对于普通铝型材而言, 变断面铝型材的形状较为复杂, 在加工过程中要求其精准度高、平直度高、表面光滑, 在进行热加工的过程中, 工作人员需要注意的是: (1) 要求采用淬火, 回火后应将模具的强度、硬度控制在48~52之间, 而且模孔的公差尽量控制在-0.05mm左右; (2) 将模具的表面磨平, 保证其平直度以及光滑度, 而且还需要将模具的各个角度凸现出来, 保证其精准度。
2 平磨分模面所使用的传统胎具存在的缺点
传统的胎具如图1 (a, b) 所示, (a) 所示为平磨“八”字形或“工”字形模的胎具, 图中l为磨分模面角度所依赖的斜面, 2为夹紧模瓣的靠板, 3为靠板上的螺丝孔, 使用方法为:将胎具 (a) 吸附在M7132型平面磨床的平台上, 将模瓣靠在胎具中的斜面上, 然后用千分表找正, 将千分表的触头轻轻地放在模瓣上, 然后移动千分表找正和找平后, 用M8螺丝通过螺丝孔3顶住模瓣, 从而夹住模瓣, 由于是靠肉眼找正, 所以磨出来的分模面的垂直度很难达到图纸的要求, 上述加工方法和胎具均存在着许多缺点, 当胎具使用时间过长时, 会发生严重的几何变形, 例如图1 (a) 中斜面与两端靠板不垂直时, 磨出来的分模面与模具的两端面就不垂直, 两侧分模面之间的夹角也达不到图纸的要求, 以前的做法是, 每次平磨分模面时, 都由钳工配合体助磨削, 然后由钳工将磨好的几瓣模瓣合好, 用这样的胎具加工分模面, 不仅操作困难。而且难以保证精度要求, 并且在模具组合在一起后, 会使分模面间隙过大, 导致在挤压过程中, 各瓣模具容易错位, 挤压出的变断面型材壁厚不均。
1-刻度;2-紧固螺栓;3-调整螺栓;4-标尺板螺钉;5-标尺板;6-工件;7-上调板紧固螺栓;8-上调板;9-滑块;10-夹板;11-推进螺栓;12-夹板盖螺钉;13-夹板紧固螺栓;14-定位销;15-调整座;16-垫板
3 新胎具的结构及优点
新胎具 (如图2) 的主要零件有:上调板, 滑块, 调整座, 扣盖和垫板等, 这些零件垒用45号钢材制成, 热处理为淬火、回火后HRC36~40·新胎具的工原理为:将胎具吸附在M7132型平面磨床的平台上, 将模瓣 (也就是图2中的工件6) 放在上调板8与调整座15形成的凹槽内, 工件6下面放若垫板16, 找正时用紧固螺栓2调整刻度5, 将工件上平面用千分表找平, 找平后, 用推进螺栓顶住滑块9, 以便顶住工件6, 操作者就可以磨削分模面了, 整个操作过程简单快速, 这种胎具的优点是:新胎具的结构合理, 调整座15是一个封闭的方形槽, 高为80mm, HRC为38~42, 与上调板8用四块夹板10通过定位销14固定。定位销共有8个, 都是标准件, 这样就避免了用手搬动工件所产生的误差, 夹紧工件6时, 利用推进螺栓推进滑块9, 从而顶住工件6, 把点接触改为面接触, 这样就增加了工件的稳定性, 用这种胎具磨出来的分模面, 无论是平面度还是与两端面的垂直度, 都能符合图纸的要求, 提高了生产效率, 减轻了劳动强度, 提高了变断面模具的尺寸精度和使用寿命。
结束语
随着社会的发展以及技术水平的不断提高, 传统的胎具已经不能够满足人们的需求, 在生产变断面铝型材的过程中, 由于传统的胎具极易变形, 刚度、强度不能达到设计的要求, 所以生产出的模具也不符合建筑装饰材料的规定, 无法保证建筑装饰的质量。由此, 通过对传统的胎具进行研究与分析, 研制出一种新的胎具, 将其运用在生产模具中, 可以有效的提高模具的精准度、平直度, 提高生产效率, 缩短生产周期, 在建筑装饰过程中, 能够充分发挥挤压变断面铝型材的功能。
摘要：铝型材是当前最为常见的材料之一, 采用铝型材可以做出各种各样的产品, 并且铝型材的变断面结构也越来越复杂。在市场经济条件下, 为了适应社会的发展需求, 就需要我们不断对铝型材产品不断更新, 使模具生产向多样化方向发展, 并且在保证质量的前提下缩短设计及生产工期。目前, 在采用胎具加工变断面铝型材的过程中, 由于各种原因只是模具达不到设计的要求, 存在较多的问题与不足, 本文针对这些缺点, 提出了全新的模具生产方案, 使模具在生产过程中提高其工作效率以及保证产品的质量。
关键词：变断面铝型材,模具:分模面,垂直度,平面度,胎具
参考文献
[1]赵应.变断面型材模具加工工艺的改进[J].轻合金加工技术, 1997 (07) .
型材挤压 篇7
高温合金是广泛应用于航空、 航天飞行器、舰船、发电、火箭发动机、核反应堆、机车以及石油化工等工业中能源转化装置关键部件的材料[1]。 GH4169是镍基高温合金中应用最广泛的牌号之一, 由于强度很高、塑性成形温度区间较窄,加工工艺控制起来很困难[2]。 AISI316 为铬镍系奥氏体不锈钢,相当于国产的0Cr17Ni12Mo, 具有良好的力学性能和和抗腐蚀性,在医用设备、器械、建筑中应用很广泛[3]。 目前高温合金GH4169 在塑性加工方面的研究有不少集中在棒材挤压或轧制, 而对于不锈钢无缝管材的挤压则包括304、316、321 等型号, 按截面形状则有C型、W型、H型及角钢,并取得了可以参考的成果,如相关文献中分别研究了H型截面钢材的挤压成形和L型截面型材挤压过程的金属流动模型[4，5],在异型截面挤压理论研究方面, 不少集中于上限法研究挤压过程金属均匀化流动[6，7],对难变形金属挤压成形有很重要的参考作用。
本文分别对高温合金GH4169,AISI316截面形状(如图1)为L的异型截面型材非等温挤压中应力应变、挤压力、温度场的影响因素及影响效果进行了分析及适当的比较,对于难变形材料异型截面型材的工业生产具有实际指导意义。
1型材挤压有限元模型建立与验证
1.1有限元模型与模拟条件
如图1 所示型材截面的几何尺寸, 属非对称型截面,模拟中坯料、模具都要建立三维实体模型。 坯料为高温合金GH4169,其本构关系[1]:
式中:———应变速率;
σ———峰值应力;
R———气体常数;
T——变形绝对温度。
模拟时坯料的有关热物理参数如下: 密度8.24kg·m-3,导热系数27.6W·m-1·k-1,对流换热系数200W·m-2·k-1。 不锈钢和模具材料则分别使用AISI316和H13 热作模具钢。 图2 是平模挤压几何模型:采用平模挤压,挤压垫片从上往下运动,从挤压筒的出口处得到挤压型材。 在CAD软件进行三维实体建模,导入到Deform 3D,采用系统自带的单元划分方式,离散成四节点四边形等参单元。在型材挤压过程中热传递包括:模具、坯料、挤压垫片都与外界存在热交换、模具与坯料之间的摩擦生热、塑性变形产生的热传递,采用热力耦合方式进行分析,模拟过程挤压筒和垫片都设为传热刚体,坯料为塑性体,采用反正切摩擦模型来描述坯料与挤压筒、 凸凹模接触边界上的摩擦。
1.2模型可靠性验证
为验证有限元模型的合理性, 利用解析公式求解挤压力与模拟结果的挤压力对比, 挤压力的计算方法有多种,其中主应力法、上限法与经验公式通常给出具体的挤压力数值,使用方便,这里使用主应力法,对上限法有兴趣可参阅文献[6]、[7]。 主应力法是目前理论求解管材、 型材挤压过程挤压力的常用方法,经生产反复的实验验证该理论计算值接近实测值。 根据挤压力P计算公式[8]:
式中:σj———挤压应力,
α———死区角度,平模取60°,锥模时无死区,则取模角;
λ———挤压比;
Dt———挤压筒内径;
d1———模孔直径;
l1———工作带长度;
l2———变形区长度;
l3———未变形区部分锭坯的长度;
l0———锭坯长度;
σs———挤压坯料的变形抗力,取决于材料、挤压温度、变形速度和变形程度;
∑Z———制品的周边长度总和;
∑F———制品的断面总和;
a———经验系数,,a考虑了制品断面复杂性及模孔数。
实际挤压过程中, 由于摩擦和塑性功大量转换为热量使得坯料温度上升,变形抗力下降;如果直接使用坯料初始加热温度的变形抗力进行计算的话,计算值一般都大于实测值,误差较大,考虑挤压过程的温升,对于GH4169,取平均温升80℃。 应力法只能求取稳定挤压阶段的单位挤压力, 以进入稳定挤压阶段,挤压速度为5mm/s时,采用主应力法分别计算不同坯料温度下的挤压力,与模拟值进行比较。如表1 所示, 主应力法计算的稳定挤压力与模拟计算值相差不大,在0.5MN以内,误差在6%以内。 理论计算结果与有限元模拟结果的良好吻合, 验证了所建立的型材挤压有限元模型的正确性。
2主要工艺参数对型材挤压过程的影响
分析对比挤压速度、挤压比、摩擦因子、坯料温度、模具预热温度对两种材料( GH4169、AISI316)型材挤压过程的影响。
2.1主要工艺参数选定
对于GH4169、AISI316 两种材料, 合适的变形温度分别是930~1120℃、900~1200℃, 低于或高于这个温度范围,都会对挤压有不良影响,如晶粒粗化、变形抗力增大,塑性变差、对缺口敏感等问题[10]。 选取的挤压速度为50~250mm/s,主要有以下3 点考虑:GH4169 变形温度的范围很小,通常不超过1200℃,挤压速度较高时,挤压后期坯料温度过高,超过初熔温度晶粒急剧长大,不适于变形;挤压速度较低时,能避免高速挤压引起挤压力较大的问题; 挤压速度也不是越慢越好,挤压速度越慢,模具对金属的冷却作用和模具受高温变形越严重。 研究工艺参数对挤压过程的影响,其模拟工艺参数及方案如表2 所示。
2.2模拟结果分析
2.2.1L形截面型材挤压
图2 为GH4169、不锈钢AISI316 L形截面型材挤压过程典型的行程-载荷图:完整的挤压过程包括填充挤压阶段、稳定挤压阶段和终了挤压阶段,图示为前两个阶段挤压力变化情况。从图上看,两种材料L形截面型材的挤压行程-载荷曲线,挤压力的基本变化规律相同, 在填充挤压阶段, 随着挤压行程增大,挤压力迅速增大,开始是近线性增大,增大的斜率较大,紧接着进入一小段,挤压力较平稳,时间很短, 这时坯料主要在发生镦粗和进入挤压模口的预变形,随后挤压力又开始近线性增大,各自到达稳定挤压阶段,此时挤压力变的很平稳。
2.2.2工艺参数对挤压力的影响
工艺参数对挤压力的影响如表3 所示,为 λ、v、μ三个影响因子分别改变时两种材料型材挤压所需挤压力的变化情况。随着各因子不断增大,挤压力是非线性增加的,尤其是当挤压比 λ 改变时,对挤压力的影响是明显的,λ 由7 变为13,2 种材料的挤压力分别增加了110%和115%,在其他条件许可时,挤压比是越小越好。 v、μ 虽然也对挤压力产生了一定的影响,但在选定的变化范围内,并没有挤压比对挤压力引起的变化那么明显,尽管这样,在挤压过程中还是要注意选择合适的润滑剂和挤压速度。
在挤压速度较小时,GH4169和AISI316的最大挤压力随着挤压速度增大,变化不大,当挤压速度从1mm/s变至5mm/s时两种材料所需的挤压力大小基本不变,究其原因:GH4169坯料挤压过程中,塑性变形区软化速率改变小于应变速率的增加引起的变形强化,其所需的挤压力有小幅的增加,为0.3MN。 而对于AISI316 坯料,应变速率增大,也能引起变形强化, 但坯料主要塑性变形区热效应对坯料作用明显,温度上升,变形抗力降低,即应变强化小于热效应软化效果, 表现为所需的挤压力有小幅的减小,减小0.1MN。 而当挤压速度从50mm/s依次变至250mm/s,GH4169 和AISI316 的最大挤压力随着挤压速度增大是稳定上升的,在这个增速范围内,挤压力分别增大了4.2MN、2.9MN, 同挤压力随着挤压速度增大呈非线性增加的一般规律是吻合的。
2.2.3工艺参数对坯料温度的影响
图3a、b、c依次是型材挤压过程典型等效应变、等效应力、温度场的云图。 一般挤压过程中,坯料通常分为塑性区和刚性区,塑性区的金属流向模口,因此塑性变形区的温度应与金属塑性最好的温度范围相适应。 塑性区的温度取决于坯料和模具的加热温度、变形热以及环境吸收的热量,变形热与环境吸收的热取决于应变速率或者挤压速度,合适的挤压速度可以控制坯料塑性变形区的温升,使其处于塑性较好的温度范围之内。 如图3c,红色区域属于塑性变形最大的区域,坯料的温升也较为明显,达到1140℃,在它的周围,温度呈阶梯状减小至与模具接触区域,坯料温度已经接近模具的预热温度。 对应于温度场,图3a在塑性变形大的区域,其应变速率也较大,达到2.718mm/mm,反观图3c,与挤压筒底部和侧面接触的区域,温降较大,其中与挤筒底部接触的挤压的死区,金属流动较少,塑性变形很小,应变速率也相应减小,导致这个区域应力比较大,从图3b中也得到了验证,等效应力接近360MPa。 挤压中的应力、挤压力由坯料在挤压温度下的变形抗力决定,控制坯料的温度变化,等于掌握坯料在挤压时的变形抗力。
坯料温升受挤压速度、摩擦因子、挤压比、坯料温度、模具预热温度影响,如表3 所示。 坯料在挤压过程的最高温度点、 最低温度点分别出现在模口发生大塑性变形的区域、 坯料下端与挤压筒接触的区域。 对比三个影响因子对GH4169、AISI316 坯料最高温升:v、μ、λ 三个影响因子单独增大时,GH4169、AISI316 坯料最高温升是非线性增大的。 v、μ、λ 对GH4169 坯料的温度升高的影响明显大于AISI316,随着v、μ、λ 的增大,这种趋势并没有得到改变。
模拟中,根据挤压过程功能转换、摩擦生热的基本规律:塑性变形功、坯料与模具的接触摩擦是挤压塑性变形区温度升高的两个主要原因,除此之外,模具的预热温度对坯料温升也有影响。 对于GH4169,模具温度由300℃变到550℃过程中,坯料温升先是缓慢增大到一个极值后开始减小, 从表格中可以看到,当模具温度为450℃时,坯料温升达到一个较小值,为159℃。
坯料温升的能量主要来源是塑性变形功、 坯料与模具的接触摩擦生热。 当模具温度上升时,首先,坯料的热导率和热容都增大, 有利于坯料散热和减缓坯料温升; 其次, 模具与坯料之间的温度梯度减小,这又使得坯料散热减速;最后,坯料受模具的冷激作用减小, 坯料变形到同样程度所需的塑性变形功减小,在材料热导率、热容、模具与坯料间温度梯度、塑性变形功四个因素共同作用下,必定有一个模具温度是有利于散热的,即坯料温升较小。根据模拟结果可知,GH4169 较好的模具温度是在450℃左右,AISI316 是在300℃左右。 同等条件下,GH4169所需的挤压力比AISI316 大, 当v、μ、λ 任意一个挤压参数增大相同的幅度时,GH4169 型材挤压所需的挤压力增加的绝对值比AISI316 大, 如表3,v由50mm/s变至150mm/s时,GH4169 和AISI316 型材挤压所需的挤压力增加的绝对值分别为2.7MN、1.3MN。 GH4169 型材挤压所需的挤压力基数和增加的绝对值所做的功比AISI316 的大, 而两种材料在模拟给定的挤压温度下的比热是前者小, 使得坯料散热性较差, 这也就能解释GH4169 挤压时温升效应明显的原因。
根据模拟结果,λ=13、v=250mm/s、μ=0.05 时,挤压图1 所示截面尺寸GH4169 型材所需的挤压力为24.7MN,考虑摩擦因素在实际中较大及可以通过调整挤压比来降低挤压力, 选择挤压能力为25MN的挤压机即可满足生产要求, 同样截面的不锈钢型材用15MN的挤压机即可。
坯料在挤压过程中因与低温的模具发生接触,坯料的热量大量散失, 在挤压坯料与挤压筒底部接触的区域温降最严重,随着挤压的进行,此区域温度不断接近模具的预热温度,直至相等,温度降低的部分流动应力增加,对于高温合金GH4169 更是如此,当温度从1020℃降到920℃时, 流动应力增加了近200MPa,显然这会增加挤压变形的困难,而挤压坯料发生塑性变形区域的局部升温现象, 无疑使得坯料的内外温差增大,这将会导致应力集中,金属流动不均匀或裂纹的产生, 最终破坏挤压产品的力学性能。 而在挤压GH4169 中,因采用的是平模挤压,提高挤压速度时,局部升温达到200℃,这是必需改善的, 改变挤压筒的设计和降低挤压速度无疑是可行的方法,根据文献[1],GH4169 初熔点是1210℃,在表3 的相关数据中,当挤压速度较大时,坯料的局部温度已经接近甚至超过合金的初熔点, 很有可能坯料出现局部熔化, 这对于挤压过程是危险的, 而对于AISI316,它的熔点超过1500℃,虽然不用考虑坯料熔化的现象, 在挤压温度范围内是单一的奥氏体相,温降太大的话,也会产生相变,而且对于大部分材料,温度过高会使晶粒粗化,如AISI316,晶粒粗化温度大约是1250℃,导致塑性降低,材料的可加工性能下降。
3工艺参数优化
数值模拟的方法在工艺优化方面有着深厚的理论基础与实际应用,对于节约材料成本、实验时间发挥着重要的作用。 它在各种金属材料塑性成形方式中有着广泛的应用,如板料冲压[10]、复杂件高温锻造。 由于GH4169 合适的塑性变形温度范围狭窄,通常是950~1120℃, 而AISI316 单考虑变形温度的话其合适的变形温度在900~1250℃内都是奥氏体相,范围较大,在这里以讨论GH4169 温升优化为例。 该材料的最大优点是通过调整热变形工艺参数, 可以获得不同晶粒尺寸和不同性能水平的各种冶金产品。 但是,热变形工艺参数控制并不是那么容易,如该材料中最重要的 δ 相, 对GH4169 合金冶金产品的力学性能有重要的影响,δ 相产生与热变形参数密切相关,其形貌、数量与热变形的终加工温度高低相关,而数量则与变形量、终加工温度、加工后的冷却速度相关。 所以, 对于温度变化敏感的高温合金GH4169, 控制挤压过程的温升现象显的十分重要,根据论文前段的单因素模拟结果, 影响坯料在挤压过程中温升的因素主要有挤压比 λ、 挤压速度v、挤压温度、模具预热温度、摩擦因子 μ,在这里取 λ=9、μ=0.05 理想润滑的工况进行3 因素4 水平,以最小温升为优化目标进行正交实验模拟。
正交实验结果分析: 影响因素主次顺序为挤压速度、挤压温度、模具预热温度;实验出来的最佳方案是A4B3C1, 即挤压温度取1060℃ 、 模具温度取450℃、 挤压速度取50mm/s, 根据该方案模拟实验后,坯料温升96℃,这个坯料温度变化范围比较合理。 从结果中不难看出, 对于控制坯料温度上升过快,减小挤压速度是一个可行的方案,但会降低生产效率。 考虑到效率,且当模具预热温度较低的话,坯料温降也会很严重。 最佳的模具温度是450℃,这跟表3 中的单因素实验的结果是一致的, 说明正交实验的合理性。随挤压温度的上升,坯料温升效应在减弱;模具与坯料之间应该有一个合适的温差,这样由塑性变形产生的热量才能快速散发出去。
4结论
GH4169 和AISI316 两种难变形材料型材挤压过程在稳定挤压阶段的应力应变、 温度场分布基本相同,工艺参数对挤压过程的影响规律也基本一致:随着挤压比、挤压速率、摩擦因子的增大,挤压力与坯料温升呈非线性增大;当坯料温度一定时,对于挤压力影响最大的是挤压比, 而影响坯料温升的主要因素是挤压速度。 同等条件下, 前者所需挤压力较大,后者坯料温升更高。
型材挤压 篇8
平面分流模的工作原理是采用实心铸锭, 在挤压力的作用下, 使铸锭经过分流孔时被分成几股金属流, 然后在高温、高压和高真空的焊合室内被重新焊合, 最后通过模芯与下模所形成的间隙流出, 从而形成符合一定尺寸要求的管材或者空心型材。分流模挤压以生产效率高、周期短, 并能生产断面复杂、壁厚差大的型材等优点在近年来获得了迅速的发展, 并广泛地用于不带独立穿孔系统的挤压机上生产各种规格的民用及军用管材和空心型材[1,2]。然而, 平面分流模挤压同样存在一定的缺点。在“锭接锭”的连续挤压条件下, 使用分流模挤压的铝合金空心型材同时存在纵向和横向焊缝。纵向焊缝是位于分流桥下方的大剪切应变带, 其位置取决于分流孔的布局, 此结构特征在阳极氧化后可能呈现织构或晶粒尺寸异常区域 (如再结晶晶粒) [3];横向焊缝是两个连续挤压锭之间的接触平面, 其焊合过程包含高温下焊合面的压焊及剪切接触。铝合金结构型材的失效位置往往发生在焊合界面, 且不良焊缝通常无孔洞或者空穴缺陷, 难以应用无损检测技术, 极大地制约了分流模的使用[3]。因此, 本文从挤压焊缝的焊合机制、模具结构及挤压工艺对焊合质量的影响、焊合质量判据等方面较为全面地阐述了铝合金空心型材分流挤压焊合问题的研究现状, 这对提升挤压模具设计水平、提高型材焊合质量具有重要意义。
1 挤压焊缝的形成
1.1 横向焊缝
横向焊缝出现在新坯料与前坯料压余的接触面上, 其实质是两个连续挤压锭之间的分离平面。横向焊缝在型材内部沿挤压方向呈“舌”状或者“抛物线”状, 且在型材横截面上的形状随着挤压产品的长度而变化。“抛物线”顶点处的焊合质量最低, 型材的头部一般应该舍弃 (除了连续产品, 如盘管的生产) 。横向焊缝是新铸锭材料挤入前一铸锭所产生, 因此横向焊缝的专业术语为“Charging weld”。横向焊缝通常发生在带导流腔的锭接锭挤压或者分流模挤压中[3,4,5,6]。
1.2 纵向焊缝
纵向焊缝是材料经分流后在焊合室内重新结合而形成的结合面, 其位置一般固定于模桥下方。纵向焊缝为分流焊合挤压产品的最大特征。因为这种焊缝一直存在于型材的长度方向, 因此其专业术语为“Longitudinal weld”, 纵向焊缝仅存在于分流模挤压中[3,4,5,6]。
2 焊合机制
2.1 横向焊缝
横向焊缝的焊合机制包括两个匹配表面和其间的氧化层在高温高压作用下的塑性变形[3]。由于接触表面粗糙, 一小部分空气将会被压入焊合面。随着挤压力的增大, 更多的表面开始接触, 氧化层的塑性通常要低于基体金属, 因此氧化物层将在大塑性变形条件下破碎成分离的氧化物颗粒 (见图1 (b) ) 。随后, 新鲜的基体金属流入氧化物破碎颗粒之间的空间形成接触 (见图1 (c) ) 。最终在高压和高温下实现横向焊合[3,7,8] (见图1 (d) ) 。
2.2 纵向焊缝
纵向焊缝的形成有两种完全不同的机制[3]。其中一种为粘着摩擦条件下的剪切机制, 另一种是滑动摩擦条件下的压力焊合机制[9,10,11,12,13,14]。
2.2.1 粘着摩擦条件
分流模挤压中存在金属流动死区, 且分流孔及焊合室内压余无法去除, 因此新挤压锭材料就会在残留金属的表面流动。由于材料压余与模桥之间存在粘着摩擦阻力, 压余和模桥之间不会产生剧烈的滑动, 因此, 粘着摩擦条件下纵向焊缝的形成并不是压力焊合, 而由模桥周围多层材料之间的剪切过程所代替。此时不会出现分流金属被新焊合表面所隔离的现象 (即没有自接触) 。唯一被焊合的氧化表面是新旧坯料之间的接触表面 (横向焊缝) , 见图2。
如果模桥下方的死区体积足够大, 那么该位置将出现残余材料形成的横向焊缝 (图2 (a) ) , 而模桥周围的死区或者压余金属将会随着挤压过程的进行不断进入纵向焊缝 (图2 (b) ) 。相反, 若模桥下方死区金属体积较小, 那么这些死区金属将在剪切力的作用下被后续挤压锭金属流“冲刷”干净 (图2 (c) ) 。粘着摩擦条件下的焊合组织比母材强度更高。
2.2.2 滑动摩擦条件
当新模具第一次使用, 或者分流孔/焊合室与型材截面积之比较小时, 焊合室内的材料不能提供足够的焊合压力而导致粘着摩擦条件的发生受阻, 此时材料与模具内壁存在滑动摩擦条件。当滑动摩擦条件占主导地位时, 将会出现两种不同的情况: (1) 模桥下缘两股金属完全接触 (图3 (b) ) ; (2) 模桥下缘两股金属不完全接触, 此时未接触部位产生气体封闭 (图3 (c) ) 。
滑动接触条件下的焊合机理类似于横向焊合:两个在临界点产生的自由表面首先沿着模桥滑动。在气体封闭现象中, 自由表面先于自接触前就从模桥表面滑出, 然后以经典的压力焊合机制发生部分或者完全焊合。
滑动摩擦条件下的焊合机制必须避免。在预制裂纹的断裂实验中, 裂纹更容易沿焊合界面扩展。
3 模具结构及挤压工艺对焊合质量的影响
平面分流组合模具结构复杂, 而且整个挤压过程在封闭的生产环境中进行, 很难对模腔内部金属的成型过程进行直接的研究, 因此针对模腔内金属的流动和焊缝形成的试验也受到了限制。在这种情况下, 依赖于有限元技术的数值模拟方法在直观地显示金属在模腔内的流动以及焊合参数的计算等方面就成为一种不可或缺的手段[15,16,17,18]。H.H.Jo等[19,20,21]采用FEM研究了铸锭的预热温度、工作带长度、型材壁厚以及挤压比对焊合压力以及表面缺陷的影响规律, 并用“胀形”实验表征各参数对焊合质量的影响。研究表明:焊合压力随着挤压比、铸锭预热温度和工作带长度的增加而增加, 当工作带较短时, 扩展实验条件下焊缝处的扩展率最低, 即焊合强度较差;随着坯料预热温度的升高, 型材表面形成焊合线缺陷的几率降低。工作带长度越短, 焊合线的形成几率越小。固定挤压比, 改变型材壁厚, 型材表面缺陷 (焊合线) 变化不大。L.Donati等[22,23,24]用焊缝位于中央的AA6082“I型”型材来研究模具结构对焊合质量的影响。结构变量为喂料板孔径、焊合室高度、坯料预热温度以及挤压速度, 并用无焊缝试样的强度和等效断裂应变作为焊合质量的评估判据。研究结果表明:喂料板孔径越大, 可挤压速度越大, 则焊合压力越大。喂料板孔径和焊合室高度的优化都可使型材的力学性能达到相同的水平, 但是增加焊合室高度更有利于型材焊合质量的提高。焊合质量越好, 则断裂应变越大, 因此裂纹扩展实验最能表征焊合质量。K.J.Kim等[25]通过改变焊合室高度、相邻焊合面面积以及模桥形状等参数, 同样采用有限元以及“胀形”实验, 研究了焊合面压力与模具参数的关系, 结果表明:随着焊合室高度的增加, 以及相邻焊合面接触面积的减小, 焊合压力增大, 有利于焊合质量的提高。He Youfeng等[26]也认为焊合室高度的增加以及焊合角的减小提高了焊缝质量。Y.A.Khan等[27]在焊合过程的有限元模拟方面做了更为细致的工作, 用改进型网格法的2D有限元模拟了完整的分流挤压焊合过程, 即空模挤压以及锭接锭挤压。空模挤压时, 挤压焊合的形成过程是两股金属在挤压力作用下的对焊;在锭接锭条件下, 形成挤压焊缝的金属来自上一个挤压锭压余, 且焊缝处残余金属量随着型材长度的增加而逐渐减少, 尤其当模桥下缘为直角形过渡时, 残余金属会一直存在于焊缝处, 最终形成由残余金属构成中央纵向焊缝以及由后续挤压锭材料构成横向焊缝的复杂焊合组织, 这一结论与文献[3]的结论一致。Y.A.Khan等[28]利用Deform-2D单独比较了矩形以及倒三角形状的模桥纵截面对模桥下死区大小及其对材料流动、应变速率和拉伸区间的分布和形状的影响。结果表明:倒三角模桥结构下, 应变速率在焊合室高度方向上呈“V”形, 而矩形模桥结构下呈“X”形, 倒三角模桥结构下的最大应变速率和最大拉伸区域更靠近模桥下端, 因此材料的焊合时间延长, 死区小, 有利于焊合。此外, Y.A.Khan等[29]巧妙地利用2-D有限元建模, 将模桥从中心位置向一边偏移的方法来模拟分流孔截面不均匀对金属流动以及焊合参数的影响。研究表明, 分流孔面积差异增加时, 焊合面发生了巨大的扭曲, 且面积较小的分流孔对应的金属流动速度几乎为零, 从而改变了焊合机制以及流动死区的分布情况, 其研究结果对横向焊缝的形成具有重要意义。Qiang Li等[30]模拟了横向焊缝的形成过程, 指出焊合室底部角度的增加有利于横向焊缝长度的减小。
相对于分流焊合挤压过程的虚拟模拟研究, 焊合过程的物理模拟工作鲜见报道。E.Ceretti等[31]通以过轧制压下量的变化来模拟焊合室高度对焊合压力的影响, 同时考虑轧制温度的变化与金属流动的关系, 轧制实验表明, 焊合室高度的增加和焊合温度的升高等因素对焊合质量的提高是有益的。P.F.Bariani等[32]在Gleeble热模拟实验机上, 对不同模桥形状及表面接触条件下纵向焊缝形成过程进行了模拟, 得到了各种焊合缺陷以及相应的焊合组织, 有利地补充了纵向焊缝的固态焊合理论。J.Andrew等[33]利用Gleeble进一步研究了变形量、焊合温度以及合金种类对焊合质量的影响, 发现增加变形量最有利于提高焊合质量;且AlMgSi合金相对AlZnMg合金更容易焊合, 在此基础上, J.Andrew等提出了“表面展宽量”理论来评估焊合质量, 从实验方面进一步完善了焊合准则。
4 焊合准则
随着挤压焊合问题研究的深入, 针对型材无损检测的目的, 各国学者提出了一系列焊合准则。Akeret[9]认为焊合压力到达一个临界值时, 即可保证焊合质量, 即Pm=max (pi) >Cost, 将压力参数归一化得到Pmn=max (pi/σi) >Cost, 其中pi和σi分别为焊合面的正压力与等效应力。虽然该判据过于简化, 但是作为焊合质量量化标准的首次提出, 为焊合准则的发展开辟了道路。在“最大压力”准则的基础上, Plata等[34]考虑了焊合压力与焊合时间的综合作用, 提出了“压力-时间”积分准则, 即:
在离散条件下, 积分参数用Q表示, 即:
式中:l、m为焊合面上的有限元节点编号;vij是节点速度。H.H.Jo[19,20,21]、L.Donati[23,24]、E.Ceretti[31]和P.F.Bariani[32]等分别通过模拟和物理实验验证了“压力-时间积分”判据在一定参数范围内的精确度。同时, L.Donati等[22]也指出“压力-时间”积分准则将流动死区的问题扩大化, 因为死区金属的节点流动速度几乎为零, 这将导致评估误差。因此, L.Donati[22]详细对比了各焊合判据, 并引入流动速度作为修正参数, 提出一种更为全面的焊合准则:
式中:L为模桥下端到模孔的流动路径长度, 该判据在离散条件下的积分参数Kad表示为:
值得注意的是, 上述各焊合准则仍然以有限元模拟作为焊合参数的计算平台, 因此, 有限元技术仍将是研究分流焊合挤压问题的基本手段。
5 焊合问题的最新研究进展
目前, 对铝型材焊合问题的研究主要集中在意大利、美国等挤压生产强国, 在近5年, 欧美学者对该问题的研究已经扩展到航空航天用铝型材的焊合质量、型材锯切长度的精确计算[35]以及焊合质量的力学性能表征手段[36]等更为细致的研究上, 使得铝合金空心型材的生产水平得到了质的提升, 并相应地提高了模具设计和挤压工艺水准, 在数值模拟技术的推动下, 加深了对挤压加工方法的理解, 进一步扩大了分流挤压制品的范围。意大利人提出“蝶形模具”[37,38,39]的概念就是对这一研究成果最有力的体现, 蝶形模具经过Alcoa Fossanova和Almax-Mori等公司的进一步开发, 已被大多数欧洲客户普遍认同并采用, 该型模具的分流桥与传统分流模相比较低, 用来减小突破挤压力, 延长模具寿命的同时增加金属流动的均匀性。分流桥设计为弯曲的弓形, 改善了模桥桥下金属的流动, 有效限制了死区的形成, 提高了焊合组织性能。
6 结束语