铝合金无缝管挤压成形过程的数值模拟与分析

张 焱,梁 淇,肖朝阳,郑森琳,唐 宇

(湖南理工学院 机械工程学院,湖南 岳阳 414006)

0 引言

挤压是指装入挤压筒内的金属锭坯在挤压轴的强推力作用下,在挤压筒内产生塑性变形,从挤压筒一侧特定的模孔中以一定速度流出,从而获得特定形状、结构和精度的金属制品的加工方法.在铝型材的生产加工过程中,挤压加工相比于其他加工方法(锻造、轧制、拉拔等),具有金属变形能力高、可生产产品范围广、生产灵活性大、生产成本低等优点[1].

7075 铝合金无缝管是广泛应用于航空航天和高级民用领域的高强度管材,但由于7075 铝合金变形抗力大,加工难度高,加工过程中易产生组织及成形缺陷,因此研究其塑性加工过程中相关工艺参数对塑性变形的影响很有必要[2].铝合金无缝管挤压过程是一个大型的热力耦合复杂变形过程,难以进行相关材料力学理论研究和塑性力学理论研究[3].利用金属塑性成形有限元分析软件DEFORM-3D,可有效模拟3D金属材料流动,深入分析7075 铝合金挤压变形过程中工件之间相互接触情况和热传导扩散情况,探究影响7075 铝合金变形情况的相关参数,根据模拟挤压产品的表面质量、残余应力、晶粒尺度和应力应变等相关参数,优化7075 铝合金无缝管挤压的工艺技术路线,并通过实验验证,作为指导实践的依据.

1 有限元建模

1.1 三维模型创建

挤压模型是根据现有的12.5 t 双动反向挤压机相关参数建立的,为了便于接触单元生产,模拟过程直接从挤压成型过程开始模拟[4].根据相关数据及模具图纸利用三维建模软件SolidWorks 分别创建挤压筒、挤压模具、穿孔针的三维实体模型,并在SolidWorks 软件上进行装配后导出为stl 格式文件,再导入到DEFORM V6.1 中用于挤压模拟.挤压三维模型相关参数见表1.

表1 无缝管挤压三维模型相关参数

1.2 网格划分

将利用SolidWorks 画好的挤压锭坯及工件导入到DEFORM V6.1,并进行工件间位置设定后,对该反向模拟挤压模型进行网格划分.根据锭坯形状和大小,采用DEFORM V6.1 中的网格相对划分方法,将铝合金锭坯划分为70000 个网格,其他参数使用DEFORM V6.1的缺省值,即单元表面曲率设为0.5,应变分布、温度分布和应变率分布均设置为0.25.对于不发生塑性变形的其他刚体工模具,采用DEFORM V 6.1中的相对划分方式,设置穿孔针单元数为10000,挤压筒单元数为8000,挤压外模单元数为10000.

1.3 挤压参数的设置

实际挤压过程可分为三个过程进行,分别为:铸锭在挤压轴作用下在挤压筒内进行墩粗;穿孔针在挤压筒内穿孔;挤压成型.模拟过程从挤压成型开始.铝锭坯采用热-塑性材料7075 铝合金,穿孔针和挤压模具等工模具采用热-刚性材料H13 钢.设定挤压模拟参数见表2.

表2 无缝管挤压模拟参数设置

2 数值模拟分析

2.1 温度对挤压成型的影响

2.1.1 温度对挤压力的影响图1 为7075 铝合金无缝管在挤压速度为5 mm/s、6 mm/s、7 mm/s、8 mm/s 时的的载荷-行程曲线.由图1 可知,当挤压速度为5 mm/s 时,金属挤压温度从400 ℃升高到450 ℃,挤压力下降约1 t,金属挤压温度由450 ℃升高500 ℃,挤压力下降约0.7 t.在挤压速度一定的情况下,挤压温度升高,挤压力降低.这是因为随着挤压温度的升高,7075 铝合金滑移系增多,金属变形抗力降低,挤压过程中动态软化作用明显,加工过程中的硬化现象更容易被动态软化作用所抵消.但是由于金属的变形抗力并不随温度升高线性减小,故挤压力不随挤压温度的升高而线性降低.

图1 不同挤压速度行程-载荷曲线

当挤压速度为5mm/s时,挤压温度由400℃升高50℃时,挤压力约减小1t;当挤压速度为6mm/s时,挤压温度由400℃升高50℃,挤压力约减小1.2 t;当挤压速度为7mm/s 时,挤压温度由400℃升高50℃,挤压力约减小1.4t;当挤压速度为8 mm/s时,挤压温度由400℃升高50℃,挤压力约减小1.5t.这说明,挤压速度不同时,温度对挤压力的影响不同,挤压速度较高时,挤压温度的变化对挤压力大小的影响较大.挤压速度也是通过影响金属变形抗力的大小对挤压力大小产生影响.挤压速度越高,金属变形速率相应越高,金属硬化效应显著,导致挤压力升高[5].另外在铝合金热挤压过程中,存在动态回复和动态再结晶过程,金属变形过程中的加工硬化会被动态再结晶软化,当挤压速度较快时,再结晶过程来不及发生,动态软化来不及进行,将导致金属变形抗力增加,挤压力上升.

2.1.2 温度对内部温度场的影响

图2 为挤压行程为12mm、挤压速度为5mm/s时,不同挤压温度下铝合金管材内部的温度分布.

由图2可知,不同挤压温度下,管材温度场分布基本相同.挤压过程中,沿管材挤出方向,温度逐渐升高,在出模孔处由于与模具之间的热交换以及前面挤出模孔的管材带走大量的热,温度趋于稳定.挤压管材内部温度横向分布不均匀,因为管材与挤压筒及模具之间存在热交换作用,挤压过程中靠近挤压筒和挤压模具位置的温度较低.由图2 可知,随着挤压温度的增高,挤出管材各部位温度都增高.挤压温度为400 ℃时,挤出管材温度范围为360 ℃～402℃,挤压温度为450 ℃时,挤出管材温度范围为370 ℃～ 414 ℃,挤压温度为500 ℃时,挤出管材温度范围约为410℃～ 429℃.在挤压过程中,模孔处金属变形量较大,产生的塑性变形热最多,导致挤出管材在模孔处温度较高且温升较大.对于7000系高强度铝合金而言,出模孔温度过高,制品的抗应力腐蚀性能会大幅度下降,另外,温度是影响变形金属动态回复和动态再结晶的重要因素之一,因此合理控制金属出模孔温度,使晶粒组织细化,避免大范围地发生晶粒长大现象,是获得高性能挤压组织无缝管的有效方法之一[6].同时,金属出模孔时的温度沿长度方向变化较大,也会造成其组织性能沿长度方向发生变化,性能不均[7].

图2 不同挤压温度下管材温度场分布

2.1.3 温度对应力分布的影响

挤压行程为12mm,挤压速度为5mm/s时,不同挤压温度下铝合金管材内部的等效应力分布如图3所示.

图3 不同挤压温度下等效应力分布

由图3可知,随着挤压温度的升高,挤压筒内部未发生大变形区域金属等效应力降低,靠近模孔处挤压大变形区域体积增大,最大等效应力升高.随着挤压温度升高,金属变形抗力降低,塑性增强,金属流动性增强,应力易于在大范围内传递,在应力图中表现为变形区体积增大.同时注意到挤压管材在靠近模具出口处,由于挤压筒和模具与坯料之间的摩擦作用阻碍了金属流动,靠近模孔处金属表面层流速低于中间部位金属的流速,表面层受到附加拉应力,而且越靠近模孔处此拉应力的值越大.随着挤压温度的升高,金属变形抗力降低,中间部位金属流速增大,而靠近模孔处金属由于温度升高可能会与模具产生黏合作用,从而导致摩擦力增大,靠近模孔处金属受到的附加拉应力也相应增大,拉应力区域同时增大.生产过程中应注意如果该位置拉应力大于7075铝合金的抗拉强度,挤压出的管材制品表面就会产生向内扩展的裂纹.除了金属流动的不均匀性,影响管材裂纹的另一重要因素是温度,管材出模孔时温度过高,强度降低,就很容易满足金属拉裂的条件,所以选择合理的挤压温度-速度规程从而控制管材出模孔温度是防止管材拉裂的重要方法之一.

2.2 速度对挤压成型的影响

2.2.1 速度对内部温度场的影响

挤压温度为450 ℃,挤压速度分别为5mm/s、6mm/s、7mm/s、8mm/s时,铝合金内部温度场如图4所示.

图4 不同挤压速度对挤压过程温升的影响

选取挤压进程为12mm 时,挤压管材上的30 个点如图4(a)所示,利用点追踪获得不同挤压速度下各点温度情况如图4(b)所示,横坐标为各点在挤压方向上距第一个点的距离.不难看出,挤压温度为400℃时,不同挤压速度下挤压管材内部温度场分布情况基本相同,靠近模具和挤压筒的位置因热交换作用,温度较低,挤压管材靠近模孔处由于发生大变形,大量的变形功转化为热量,导致模具口处金属温度较高.随着挤压速度的增加,挤出管材最高温度升高,一方面是因为挤压速度增加,金属变形速率增加,相应的变形热增大;另一方面,挤压速度增加,在挤压进程相同的情况下,所用的时间越短,热量来不及传导,金属管材温升严重.由图4(b)可知,挤压速度与管材内部温升的关系并不是线性的,挤压速度越快,温升效应越明显.一般来说这种温升效应对挤压管材的组织性能是有害的,温升过高会导致金属变形过程中晶粒长大;同时挤压管材内部温度不均匀会造成管材各部分产生不同程度的温升变形,容易造成微裂纹,影响挤压管材的力学性能.对于7075这样的高硬度高强度铝合金而言,挤压需要较高的挤压温度,如果再选择较快的挤压速度,挤压管材出模孔的温度可能会上升到接近挤压温度的固相线温度,从而造成制品表面粗糙、擦伤、裂纹等缺陷,导致组织性能恶化.针对这个问题,目前有人提出采用挤压速度分段递减的挤压工艺来实现大型无缝管的反向等温挤压,并采用优化后的挤压速度曲线进行数值模拟,提出了反向等温挤压技术路线,此技术路线切实可行[8].

2.2.2 挤压速度对应变分布的影响

挤压温度为400 ℃,挤压速度分别为5mm/s、6mm/s、7mm/s、8mm/s时,铝合金内部的应变场如图5所示.

图5 不同挤压速度下应变分布

由图5可知,挤出管材应变分布不均匀,管材横截面上,表面等效应变较高,内部等效应变较低;沿制品长度方向,头部应变较小,尾部应变较大.这是因为表层金属在管材成形过程中,与模具和穿孔针之间的摩擦作用较大,产生了附加的剪切变形,晶粒变形较大,而中心层金属流动曲线相对较为平稳,未发生大的剪切变形,晶粒变形量较小.管材内部由于受到穿孔针的摩擦作用,同样产生了剪切变形,部分管材内表面变形程度甚至大于管材外表面.实际生产中若要获得组织性能优良的高精度7075 铝合金无缝管,应考虑润滑穿孔针挤压或调整穿孔针外形结构.挤压过程的主变形为两向压缩一向拉伸,由图5可知,金属纤维朝着挤压方向取向,挤压制品纵向性能相对较好.随着挤压速度的增加,等效应变分布越来越不均匀,挤压出的管材组织和性能也越来越不均匀.

2.2.3 挤压速度对模具应力的影响

图6 为不同挤压速度下挤压模受力情况.利用插值法,将挤压模拟过程中坯料的受力通过反向插值的方法插入到挤压模的节点上,重新建立模型,加入模支承分析模具的应力.由于利用反向插值法求模具应力一次只能求得挤压模拟过程中一步的受力,故一般选取无缝管挤压过程中模具受力最大的一步,进行模具受力分析.

图6 不同挤压速度下挤压模受力情况

图6(a)是挤压温度为450 ℃时,不同挤压速度下,挤压过程中模具在挤压方向的受力与挤压速度的关系曲线.当挤压温度为450 ℃时,随着挤压速度的增加,模具沿挤压方向的受力随之增加,挤压速度为8 mm/s 时,模具在挤压过程中受到的冲击力最大.比较稳定生产过程中不同速度下模具受力情况可发现,挤压温度为450 ℃时,在5 mm/s～8 mm/s的速度区间内,挤压速度对7075 铝合金无缝管稳定挤压过程中模具受力的影响不大.图6(b)为挤压温度为450 ℃时,不同挤压速度下挤压模具受到的最大应力变化情况.挤压速度为7 mm/s 时,模具受到的应力最小,为167 MPa;挤压速度为8 mm/s 和5 mm/s 时,模具受到的应力最大,为243 MPa.挤压速度较低时,金属流动不均匀,挤压模具容易产生应力集中现象,导致模具应力较大;而挤压速度较高时,金属变形速率大,变形抗力高,受到的冲击载荷较大,导致模具应力相应增加.

3 结论

本文针对7075 铝合金无缝管的挤压生产,设计了挤压模具和穿孔针并建立有限元挤压模型,利用DEFORM V6.1 有限元软件进行数值模拟与仿真计算,分别选用不同的挤压工艺参数,制定挤压工艺规程,进行数值模拟计算,得到以下结论:

7075 铝合金无缝管挤压模拟过程中,挤压温度在400 ℃～500 ℃的范围内,挤压力随着挤压温度升高非线性降低.挤压速度越快时,挤压温度对挤压力的影响效果越明显;挤压速度在5 mm/s～8 mm/s的范围内,挤压力随着挤压速度的增加非线性降低,挤压温度越高时,挤压速度对挤压力的影响效果越明显.挤压速度和挤压温度的变化都对挤压力的大小有较大的影响.

在400 ℃～500 ℃的温度范围内,随着挤压温度升高,挤压筒内未产生大变形区域等效应力降低,管材靠近模孔处附加拉应力增大.可预测若继续升高挤压温度,会造成管材外表面拉裂.在5 mm/s～8 mm/s的挤压速度范围内,随着挤压速度的增加,挤出管材温升现象严重,管材出模孔温度较高,同时应变分布不均匀性增大.可预测若继续提升挤压速度,会导致挤出管材外表面产生缺陷,横向组织性能不均匀,管材晶粒长大现象严重,性能较差.

在450 ℃的挤压温度下,挤压速度越快,模具在挤压过程中受到的冲击载荷越大.挤压速度为8 mm/s时,冲击载荷显著提高.