铝合金型材分流模挤压的工艺参数研究

夏敏

摘  要：本次研究当中以铝合金型材为主要分析对象，借助于有限元分析模型了解到在分流模挤压情况下铝合金型材数值发生的变化情况。同时还分析了分流模挤压速度对于型材各项指标的影响规律。

关键词：铝合金型材;分流模挤压;工艺参数;有限元分析法

中图分类号：TG379         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）33-0099-02

Abstract： In this study， aluminum alloy profile is taken as the main analysis object， and with the help of finite element analysis model， the change of aluminum alloy profile value under the condition of split die extrusion is understood. At the same time， the influence of the extrusion speed of the porthole die on the parameters of the profile is also analyzed.

Keywords： aluminum alloy profile; porthole die extrusion; process parameters; finite element analysis method

本次研究中所选择的是空心铝型材，分析了其在分流模挤压过程中工艺参数的相关内容。着重分析铝合金型材在分流模挤压当中涉及到的一些数值情况和变化结果，了解铝合金型材在分流模挤压背景下，工艺参数的影响和呈现出的规律。

1 铝合金型材分流模挤压具体方法和数值特点

1.1 挤压流程

平面分流组合模，简称是分流模。分流模是在桥式舌形模基础上逐渐形成与发展起来的，本质上属于变种，把凸桥进行改造，让其变成平面桥[1]。通常情况下，平面分流模是包含四个部分，分别是连接螺钉、定位销、上下模。在近些年以来，平面分流组合模得到了十分快速地发展。被广泛应用在不带穿孔系统挤压机上，主要用于各种规格和类型的管材和型材生产，常见的类型为交通和建筑空心两种型材。

铝型材分流挤压方法具有比较多的优点，主要有：（1）对于一些比较复杂的空心型材与棺材，如双孔内腔、多孔内腔等也能够同时生产多根空心制品，所以生产效率整体上也就比较高。（2）实现连续挤压的目标，还可以结合具体的需求，选择任意长度的制品。（3）让分流空的形状、数目以及形状得到改变，断面的形状比较复杂，壁厚差也比较大，很难用促流角、工作带等对空心型材进行调节。但同时也有一些缺点：有比较多的焊缝，可能会对制品的性能以及组织产生不良影响。和实心型材模相比较，有着比较大的变形阻力，挤压力通常要比舌形模和平面模更高[2]。

1.2 铝合金型材分流模挤压工艺参数分析方法

随着铝型材种类的不断丰富，尤其是我国铁道交通行业以及航天航空事业的发展，对于大型和特大型铝型材的需求比较迫切，可以帮助推动改进传统模具方法，让产品的开发速度提升，促进产品质量的提升，也成为了当前铝型材发展过程中的迫切需求。当前对于铝型材挤压过程开展的数值分析方法，主要有以下几种，分别是：（1）欧拉描述法，并非是处理单独质点，而是分析不同主体之间的相关性，如流体速度、热力学等参数和时间变化函数之间的相关性进行分析。（2）拉格朗日描述分析方法。描述跟踪流体质点，指出随着时间和质点变化，质点物理量也会跟着变化。如速度、压强等数据，可以把这些指标纳入到拉格朗日坐标当中。在此种描述方法当中，在有限元网格以及材料流动之间并没有出现明显的相对运动。（3）任意拉格朗日——欧拉描述方法。网格的点可以保持运动，也可以是固定不动的状态，甚至还能够在某个方向上开展网格点的固定。当网格运动速度和物体的运动速度之间的速度相同时，这样便会拉格朗日描述方法。

2 基于有限元模型分析铝合金型材分流模挤压工艺参数

2.1 设计分流模型

在本次设计当中所选择的型材，有两个空腔，壁厚为2mm到5mm之间，横截面积为2033.5mm2。所选择的是空心型材，采用平面分流组合模来进行挤压。上下模厚度分别为160mm和135mm。更好地保障金属流动均匀性，分流孔设计形状为扇形。设计焊接室的目的是确定焊合的深度，若是深度比较深的话，会对型材厚度的均匀程度产生影响。若是焊合室的深度比较浅的话，则会导致焊合的质量低下。所以在本次研究当中所设计的焊合室的深度为30mm。

起始模具二维结构的设计情况，需要采用UG软件完成具体建模。因為定位稍以及连接螺钉对于最终的结果影响比较小。可以让很多过程省略，促进模型的建模，完成分流模上模以及下模的建造。

2.2 模拟具体数值

需要在HyperMseh软件当中导入三维模型，针对有限元模型构建是在模具内流经区域。按照模具具体的模型选择材料所实际流经的区域，分别构建起不同区域，包含焊合室以及分流孔等。三维网格有5层，型材三维网格15层。网格的大小，从胚料到型材的过程是不断变小的过程，数量由92万左右，表1为相关数值的设置结果：

2.3 分析模拟结果

最终的模拟结果采用的软件是Hyperview软件，能够得到其他相关信息，如挤压力、型材变形情况以及型材温度和挤压力等。结合涉及到的这些具体参数，发现当前的型材流速分布上存在着不均匀的情况，最大流速和最小流速之间的差异比较大。型材温度比较高，变形量比较大，这是因为型材两侧的流速比较大，摩擦力很大，因为摩擦生热导致型材的温度不断增加。

3 挤压速度对于铝合金型材影响分析

3.1 挤压速度和温度相关性分析

在实际挤压的过程当中，型材的质量会受到挤压速度的影响。如果挤压速度比较小的话，对生产效率会产生比较大的影响。而挤压速度比较大的话，则是会对金属的流动均匀性产生影响[3]。结合我们的设计生产经验，需要对工艺参数进行调整，从1mm/s逐渐增加到10mm/s。其他设计的工艺参数并不发生改变。最终可以得到关于材料流速、挤压力以及型材温度和型材变形等相关信息，总结与分析挤压速度对于以上提及的这些相关信息的影响。

研究结果发现，当分流模挤压的速度不断增加之后，材料的温度也会随着不断增加，但是增加的速度比较缓慢。因为挤压速度不断增加，加大摩擦力，也会导致型材温度升高，若挤压速度的状态比较高，模具腔中材料所停留的时间不短减少，升高温度，速度会降低。

3.2 挤压速度和材料变形、速度相关性分析

从表2中的数据能看出，挤压速度的增加，型材最大形变量和挤压速度的关系。结果发现，在型材两侧会出现最大流速和最大形变量。当挤压速度不断增加之后，型材的界面最大流速也会显著升高。结合表格当中的数据还能发现，增加挤压速度同时，最大形变量的变化趋势为先降低，再增加。在挤压速度增加之后，型材温度增长的趋势比较明显，让材料的软化进程加快。型材最大的变形量也会随之不断减少。之后因为金属的变形抗力不断减少，对于金属材料的流动起到了比较明显的促进作用。

因为型材出口截面存在差别，所以导致速度存在差异，为了更准确地描述型材流速，需要选择材料流速速度作为标准[4]。当速度均方差不断增大之后，流速会变得越来越不均匀。反之当速度均方差降低的话，流速會越来越均匀。

研究结果，还可以看出，挤压速度显著增加后，增加了型材流速，让型材流速均匀性降低，所以若是金属流速比较快的话，会影响到型材流速的均匀性。在流速均匀性降低之后型材会出现弯曲和扭拧情况，改变型材尺寸。没有办法达到设计的目标，也让型材力学性能明显降低。

3.3 对于挤压力的影响分析

表3是挤压速度从1mm/s到10mm/s之间，金属承受的最大挤压力和挤压速度之间呈现出的变化情况。随着挤压速度的不断增加，金属受到的最大挤压力也会不断增加，慢慢变得平稳。因为挤压速度的不断增大，金属出现的变形速率也随之显著增加。由于挤压速度处于不断增加状态，磨具中金属停留时间会更短。温度在升高后，促进金属流动性。在受到挤压力之后，进入的增长速度会慢慢降低，挤压力也会处于更加平稳的状态。

表3 挤压速度与挤压力关系变化结果

4 结束语

综上所述，本次研究中分析了铝合金型材分流模挤压当中工艺参数所起到的相关作用。当挤压速度在1mm/s到10mm/s之间的情况下，型材流速和温度都会随着挤压速度的不断增加而增大。整体上呈现出正相关的关系。

参考文献：

[1]商全，王亚杰.工艺参数对铝合金型材分流模挤压过程的影响规律研究[J].黑龙江科技信息，2018，000（011）：22-23.

[2]赵茂密，姜小龙，兰天虹，等.工艺参数对分流组合模挤压6005A铝合金型材焊合质量的影响[J].轻合金加工技术，2018，046（004）：20-25.

[3]赵国群，陈良，喻俊荃.铝合金型材分流模挤压过程焊合行为的研究进展[J].锻压技术，2018，043（007）：49-55.

[4]刘博.大悬臂铝型材伪分流模挤压过程材料流动分析[J].有色金属加工，2018，268（04）：39-41+57.