7050铝合金热挤压成形过程的有限元模拟

许柏华，张 翔，王晓溪

（1.山东山矿技工学校 理论教研组，山东 济宁272100；2.江苏徐州工程机械研究院，江苏 徐州221004；3.徐州工程学院 机电工程学院，江苏 徐州221111）

作为工程机械中最为常见、通用性最强、用量最大的结构类零件，销轴的使用工况复杂且对其力学性能和安全性要求较高。为了适应工程机械结构的轻量化设计思想，实现销轴材料“以铝代钢、节能减排”的目标，近年来逐渐采用轻质高强铝合金代替传统钢材［1-2］。7050铝合金系典型的Al-Si-Mg-Cu系高强变形铝合金，化学成分及相组成均较为复杂。在实际铸造生产中，由于受到熔炼条件和变质工艺等因素的限制，合金力学性能的提高幅度十分有限，尤其是塑性相对较低，不能很好地满足工业生产中销轴对合金优良综合性能的要求。因此，常常需要后续热挤压成形来改善合金组织，提高力学性能［3-4］。

热挤压过程中，挤压制品的组织和性能，挤压模具的受力、磨损和使用寿命等，与变形材料的金属流变特征、应力应变状态、变形温度等参数密切相关。因此，实际生产过程中对挤压工艺设计、挤压变形参数的选择提出了更高的要求。计算机模拟仿真技术的出现，为求解分析塑性成形问题提供了可能［5］。通过模拟金属材料的变形过程，可获得变形过程中成形材料及模具在任意变形时刻各质点、各方向的热力学参数变化规律。然而，目前国内外对高强轻质铝合金挤压方面的研究较少，且多数局限于冷挤压变形［6-8］，热挤压的工艺制订和模具设计主要根据经验，因此不可避免地存在一定的盲目性。

为此，本研究采用有限元模拟仿真技术，借助DEFORM-3D软件分析平台，对7050铝合金销轴热挤压成形过程进行有限元数值模拟，分析了挤压载荷、金属流动速率、等效应变、等效应力和温度场等参量的变化规律，以期为7050铝合金销轴的改性研究及挤压模具的优化设计提供技术指导。

1 有限元模型的建立

利用三维造型软件UG建立所需的工件和模具几何模型，模具结构尺寸与三维装配关系如图1（a）所示。挤压模具结构设计时，采用平模模口结构，以防止坯料表面氧化皮流入成形工件。三维几何模型装配完成后，导入有限元分析软件DEFORM-3D中进行数值模拟，最终建立的有限元分析模型如图1（b）所示。

图1 模具结构与三维模型Fig.1 Die structure and 3DFEM model

2 模拟参数的设置

采用刚黏塑性热力耦合有限元模型，不考虑模具变形，将其视为刚体，工件设为变形体；模具和工件间的摩擦采用剪切摩擦模型，摩擦因数设为0.2［5-10］。工件为φ90mm×350mm的圆柱体，通过用户自定义输入建立7050铝合金的材料模型。模拟用具体参数：初始工件温度500℃，初始模具温度250℃，工件与模具之间传热系数20N／℃·S·mm，摩擦因子0.2，冲头挤压速度20 mm／s，凹模工作带长度5mm，挤压比λ3.69℃，工件直径90mm，凹模工作带直径50mm。

采用四节点四面体等参单元对工件和模具进行离散。考虑挤压速度与模拟总步长，并结合材料变形程度、模拟运算效率与计算机存储空间等因素，按挤出方向对工件进行局部网格细化［9-10］，设置3个等级的网格划分区，即粗化区、过渡区和细化区，如图2所示。其中，粗化区网格单元尺寸为15mm，过渡区网格单元尺寸为5mm，细化区网格单元尺寸为2mm。

图2 工件网格划分区域Fig.2 Mesh refinement of billet

3 模拟结果分析与讨论

3.1 挤压变形前后工件宏观变化

将变形前后工件的宏观变化情况进行比较，如图3所示。可以发现，工件挤出模具后，由于不再受到凹模的约束，在重力与残余应力的共同作用下，挤出工件略微发生翘曲。经测量，挤压后工件长度约为1 100mm，约为挤出前工件长度的3.14倍，并未达到挤压比λ。这是由于挤压过程采用平模模口结构，挤压终了死区金属没有完全参与变形过程所致。

3.2 挤压变形工件的一般特征

图4为挤压变形过程中某一时刻工件变形的示意图。根据材料在挤压变形过程中的流动特性，可以将整个工件的变形分为4个区域，即Ⅰ区：未变形区，Ⅱ区：死区，Ⅲ区：变形区，Ⅳ区：已变形区。

图3 挤压前后工件长度变化Fig.3 Length of billet before and after extrusion

图4 工件挤压变形特征Fig.4 Deformation characteristics of billet

3.3 挤压载荷变化

图5 为挤压变形过程中的载荷-时间曲线。根据载荷曲线的变化趋势，可以将整个挤压变形过程分为4个阶段，分别为Ⅰ挤压填充阶段，Ⅱ开始挤出阶段，Ⅲ稳定挤压阶段，Ⅳ挤压终了阶段。

3.3.1 挤压填充阶段

由于工件与挤压筒之间存在间隙，挤压开始时，金属首先向四周间隙自由流动，载荷较小，基本维持在170kN附近，金属在冲头作用下不断被镦粗直至充满挤压筒。

3.3.2 开始挤出阶段

当工件材料充满挤压筒间隙时，金属周向流动受到挤压筒内壁约束，材料开始从挤压筒流入凹模模口，完成挤压变形后进入工作带。随着挤压进程的继续，被挤入工作带的材料越来越多，挤压载荷迅速增大到峰值。此时，金属充满挤压筒和凹模模口，变形逐渐趋于稳定。

3.3.3 稳定挤压阶段

此阶段材料连续、稳定流动，工件上同一断面上的金属质点以一定速度进入工作带后平稳流出。由于摩擦较小，材料经过挤压变形后类似于刚性平移，因此，随着挤压筒内工件长度的减小，工件与挤压筒之间的摩擦力减小，载荷大小基本不变，总体载荷基本平稳。

3.3.4 挤压终了阶段

当参与挤压变形的材料长度达到工件原长的90%以后，即进入挤压终了阶段。由于该阶段材料内部变形不均匀，实际生产中该段材料将作为废料被切除［11］。

3.4 等效应变分布

图6为不同挤压变形阶段下工件的等效应变分布情况。从图6（a）中可以看出，最初工件近似呈镦粗状态，材料开始从挤压筒流入凹模模口，在挤压凹模模口附近等效应变梯度较大，剪切变形较为剧烈。结合图6（b）和图6（c）可以看出，随着金属不断流出，凹模模口完成挤压，材料基本不再发生变形，类似于刚性平移阶段，应变量也逐渐趋于稳定。由于头部金属挤出凹模模口时，金属的流动速度存在差异，即中心快、四周慢，从而导致工件整体变形不均匀，变形后头部呈现圆棒状。从图6（d）中还可以看出，随着大部分材料被依次挤出凹模模口，死区金属也开始参与变形，但工件尾部阶段等效应变分布梯度较大且分布均匀性较差。

图5 挤压变形过程的载荷-时间曲线Fig.5 Load-time curve during extrusion

图6 不同挤压变形阶段工件等效应变分布图Fig.6 Effective strain distribution in different deformation stages

3.5 其他相关场量变化

在稳定挤压变形阶段中，选取2个不同变形时刻工件的中心纵截面部位进行分析研究，观察变形过程中材料内部其他场量的变化情况。图7～9分别为不同变形时刻下，金属流动速率、等效应力及温度场的分布云图。

从图7可以看出，金属质点的流动呈现出“中心快、四周慢”的变化规律，并且在凹模模口附近，金属流动速率变化显著，四周金属逐渐向凹模模口附近汇聚，两边逐渐形成流动死区，如图7圆圈所示。这也是后续挤压完成后，死区金属最终进入工件尾部而致使该部分金属变形不均匀，需要进行切除的原因。

从图8可以看出，金属在凹模模口附近变形最为剧烈，等效应力梯度最大，在变形死区部位，金属等效应力达到最大值。如果该部位模具结构设计不合理，在残余拉应力的作用下，挤压件将会出现表面裂纹，最终影响制品的表面质量和尺寸精度［11-12］。

在挤压过程中，温度是一个重要的工艺参数，如工件的变形抗力、工件与模具之间的摩擦力等都与温度密切相关。此外，挤压件的尺寸精度、微观组织、表面质量、力学性能和变形过程中的金属流动等都直接受到温度的影响。从图9可以看出，挤压件在凹模模口处温度最高，温度梯度最大。这一方面是因为除了挤压筒与工件之间的接触摩擦产生热量外，在塑性变形过程中的变形能将不断转换成热能的形式，使得工件局部温度升高［12］；另一方面，当挤压速度较快时，由于工件与模具之间来不及充分热传递，导致工件局部温升明显。需要注意的是，在挤压过程中，局部温度分布不均匀，可能使微观组织不均匀，最终对其性能产生不利影响。

图7 金属流动速率分布Fig.7 Distribution of metal flow rate

图8 工件内部等效应力分布Fig.8 Distribution of effective strain

图9 工件内部温度场分布Fig.9 Distribution of temperature field

4 结 语

销轴的热挤压变形过程可分为4个阶段，即挤压填充阶段、开始挤出阶段、稳定挤压阶段及终了挤压阶段。

销轴热挤压变形过程中，其内部等效应变在纵向上从头到尾逐渐增大；在横向上除了尾部均匀性较差外，其他部位应变分布基本一致，即工件内部等效应变分布横向均匀性较好。

在挤压凹模模口处，工件内部等效应力达到最大值，该区附近死区金属发生强烈剪切变形。若模具结构设计不合理，挤压件将产生表面裂纹，影响制件表面质量和尺寸精度。此外，在挤压过程中，剧烈的塑性变形将导致该区温度急剧上升。

［1］ 侯亮，郭涛.轻装上阵工程机械轻量化设计之势［J］.工程机械与维修，2013（10）：62-68.

［2］ 高顺德，潘志毅.轻量化技术在工程机械设计中的应用［J］.叉车技术，2011（1）：01-02.

［3］ 吴生绪，潘琦俊.变形铝合金及其模锻成形技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2014.

［4］ 俞汉清，陈金德.金属塑性成形原理［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［5］ 张丹，晏建军.DEFORM 金属挤压成形工艺数值模拟技术［J］.CAD／CAM 与制造业信息化，2012（1）：104-105.

［6］ 段园培，张海涛，黄仲佳，等.基于 DEFORM-3D的支撑销冷挤压成形数值模拟［J］.热加工工艺，2013，42（9）：125-127，130.

［7］ Chen D C，Syu S K，Wu C H，et al.Investigation into cold extrusion of aluminum billets using three-dimensional finite element method［J］.Journal of Materials processing Technology，2007，192／193：188-193.

［8］ Cetin A，Kalkanli A.Numerical simulation of solidification kinetics in A356／SiCpcomposites for assessment of as-cast particle distribution［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209（10）：4795-4801.

［9］ 黄珍媛，李文芳，吴锡坤，等.铝型材挤压成形仿真技术研究［J］.铝加工，2008（5）：4-8.

［10］ 方刚，王飞，雷丽萍，等.铝型材挤压数值模拟的研究进展［J］.稀有金属，2007，31（5）：682-688.

［11］ 刘静安.铝型材挤压模具设计、制造、使用及维修［M］.北京：冶金工业出版社，1999.

［12］ 梁波，崔红森，张军.冷挤压过程的表面处理及润滑［J］.模具制造，2008，8（12）：71-73.