1、精選優質文檔-傾情為你奉上基于數值模擬研究鋁合金管材擠壓過程中的金屬流動規律及模具優化設計文獻綜述1.鋁合金分類及鋁合金擠壓現狀純鋁的密度為=2.7g/cm3，約是鐵的1/3，熔點為660，鋁是面心立方結構，故具有很高的塑性（：3240%，：7090%），易于加工，可制成各種型材、板材，并且具有極好的抗腐蝕性能；但是純鋁的強度很低，退火狀態b值約為8kgf/mm2，故不宜作結構材料。通過長期的生產實踐和科學實驗，人們逐漸以加入合金元素及運用熱處理等方法來強化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。添加一定元素形成的合金在保持純鋁質輕等優點的同時還能具有較高的強度，b值分別可達2460kgf/mm2。這樣

2、使得其“比強度”（強度與比重的比值b/）勝過很多合金鋼，成為理想的結構材料，鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優質鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性。近幾十年來發展十分迅速，在國民經濟和人民生活各領域獲得了十分廣泛的應用，成為僅次于鋼材的第二大金屬材料。20022010年間，全國鋁合金產量如表1所示。時間產量（噸）同比增長（%）2002年438,147.2020.952003年508,654.2024.052004年758,465.9623.852005年944,607.2316.852006年1,323,117.4332.332007年1,955,190.95

3、34.412008年2,302,884.5822.552009年2,429,698.043.752010年1-7月2,097,074.71表1 2002-2010年中國鋁合金產量及增長速度統計從表中可以看出，2002-2010年間，全國的鋁合金產量呈上升趨勢。隨著加工技術，產品性能的提高，鋁合金的產量將繼續增大，其應用必定會更加廣泛。1.1鋁合金的分類鋁合金分兩大類：鑄造鋁合金，在鑄態下使用；變形鋁合金，能承受壓力加工。可加工成各種形態、規格的鋁合金材。主要用于制造航空器材、建筑用門窗等。鋁合金擠壓所用的材料一般均為變形鋁合金。1.1.1鑄造鋁合金鑄造鋁合金（cast aluminium al

4、loy）是指適于熔融狀態下充填鑄型獲得一定形狀和尺寸鑄件毛坯的鋁合金，可按成分中鋁以外的主要元素硅、銅、鎂、鋅分為四類，代號編碼分別為100、200、300、400。(1)鋁硅系合金，也叫“硅鋁明”或“矽鋁明”。有良好鑄造性能和耐磨性能，熱脹系數小，在鑄造鋁合金中品種最多，用量最大的合金，含硅量在1025。有時添加0.20.6鎂的硅鋁合金，廣泛用于結構件，如殼體、缸體、箱體和框架等。有時添加適量的銅和鎂，能提高合金的力學性能和耐熱性。此類合金廣泛用于制造活塞等部件。(2)鋁銅合金，含銅4.55.3合金強化效果最佳，適當加入錳和鈦能顯著提高室溫、高溫強度和鑄造性能。主要用于制作承受大的動、靜載荷

5、和形狀不復雜的砂型鑄件。(3)鋁鎂合金，密度最小(2.55g/cm3)，強度最高(355MPa左右)的鑄造鋁合金，含鎂12，強化效果最佳。合金在大氣和海水中的抗腐蝕性能好，室溫下有良好的綜合力學性能和可切削性，可用于作雷達底座、飛機的發動機機匣、螺旋槳、起落架等零件，也可作裝飾材料。(4)鋁鋅系合金，為改善性能常加入硅、鎂元素，常稱為“鋅硅鋁明”。在鑄造條件下，該合金有淬火作用，即“自行淬火”。不經熱處理就可使用，以變質熱處理后，鑄件有較高的強度。經穩定化處理后，尺寸穩定，常用于制作模型、型板及設備支架等。鑄造鋁合金具有與變形鋁合金相同的合金體系，具有與變形鋁合金相同的強化機理除應變強化外，他

6、們主要的差別在于：鑄造鋁合金中合金化元素硅的最大含量超過多數變形鋁合金中的硅含量。鑄造鋁合金除含有強化元素之外，還必須含有足夠量的共晶型元素通常是硅，以使合金有相當的流動性，易與填充鑄造時鑄件的收縮縫。為了獲得各種形狀與規格的優質精密鑄件，用于鑄造的鋁合金一般具有以下特性。（1）有填充狹槽窄縫部分的良好流動性；（2）有比一般金屬低的熔點，但能滿足極大部分情況的要求；（3）導熱性能好，熔融鋁的熱量能快速向鑄模傳遞，鑄造周期較短；（4）熔體中的氫氣和其他有害氣體可通過處理得到有效的控制；（5）鋁合金鑄造時，沒有熱脆開裂和撕裂的傾向；（6）化學穩定性好，抗蝕性能強；（7）不易產生表面缺陷，鑄件表面有

7、良好的表面光潔度和光澤，而且易于進行表面處理；（8）鑄造鋁合金的加工性能好，可用壓模、硬模、生砂和干砂模、熔模石膏型鑄造模進行鑄造生產，也可用真空鑄造、低壓和高壓鑄造、擠壓鑄造、半固態鑄造、離心鑄造等方法成形，生產不同用途、不同品種規格、不同性能的各種鑄件。但是鋁的化學性質比較活潑，熔煉過程中易與水氣反應，氧化并吸氫。氫在鋁合金中從液態到固態的飽和溶解度相差近17倍。因此，鋁合金鑄件易產生針孔和夾雜等缺陷1。使得產品的性能難以穩定。1.1.2變形鋁合金變形鋁合金可以按其特征進行一下幾種分類：（1）按照抗拉強度的高低分為：低強度（b<294MPa）、中等強度（b=294441MPa）和高強

8、度（b>441MPa）鋁合金；（2）按照熱處理強化程度分為：熱處理強化鋁合金和熱處理不強化鋁合金；（3）按照焊接性能分為：可焊鋁合金，在熔化焊接是時，能夠保持或者僅稍微改變其力學性能；不可焊鋁合金，在熔化焊接時，合金的強度、力學性能顯著降低；（4）按照抗腐蝕性能分為：高抗蝕性（在大氣條件下和海水中抗一般腐蝕性能和抗應力腐蝕性能高）、中等抗蝕性和滴抗蝕性鋁合金。幾種典型擠壓鋁合金及其特性。（1）1035合金。1035合金是含0.7%以下雜質的工業純鋁，其中主要雜質是鐵和硅。鐵和硅以及某些其他金屬雜質能略微提高強度，但顯著的降低了合金的塑性和導電性能。隨著雜質含量的減少，合金的抗蝕性逐漸提高

9、。（2）3A21合金。3A21合金是Al-Mn二元系中的變形合金，具有極高的抗蝕性。3A21合金的半成品能夠很好的進行氣焊、氫原子焊、氬弧焊和接觸焊，且焊縫的抗蝕性與基體金屬相同。在冷狀態和熱狀態下合金的變形性能好，熱變形的溫度范圍很寬（320-470）。熱處理方法不能強化，合金型材在退火或熱擠壓狀態下供應。（3）5A06合金。5A06合金屬于Al-Mg-Mn系合金，在室溫及高溫下，都具有很高的塑性；在各種介質中，都具有很高的抗蝕性。其良好的抗蝕性和可焊性使它在造船工業中得到廣泛的應用。該合金的焊縫具有高的強度及塑性性能。室溫下，焊接接頭的強度可達到基體金屬強度的90%-95%。（4）2A12

10、合金。2A12合金是應用最廣泛的一種硬鋁合金，屬于Al-Cu-Mg-Mn系四元合金。該合金可以用熱處理的方法劇烈強化。主要強化相是S(Al2CuMg)和CuAl2。合金在熱狀態和冷狀態下均能很好的變形。熱變形可以在很寬的溫度范圍內進行（350-450）進行。無論在退火還是淬火狀態下，合金都能在室溫下進行變形。（5）6063合金。6063合金是Al-Mg-Si系合金中的典型代表，具有優良的可擠壓性和可焊性，是建筑門窗型材的首選材料。在塑性加工的溫度-速度條件下，塑性性能和抗蝕性高；沒有應力腐蝕傾向。在焊接時，其抗蝕性實際上不降低。6063合金的主要強化相是Mg2Si和AlSiFe。淬火及人工時效

11、之間的間隔時間對6063合金的強化程度有顯著的影響。本論文將選用6063合金作為研究對象。1.2變形鋁合金的可擠壓性定性的評價金屬的擠壓能力可以用一綜合指標可擠壓性指數來表示。可擠壓性的含義是指合金以高流出速度、大變形程度和低單位擠壓壓力進行擠壓的相對能力。其影響因素主要包括合金的特性和斷面形狀復雜程度2。實用中一般采用以6063合金為一個單位，與其他的合金相比較。該方法往往由于擠壓條件的不同，得出的結果也不一樣。可擠壓性指數Z與擠壓基本參數之間的關系式如下所示：式中 C比例系數; Vf制品流出速度，m/min; k合金的變形抗力，MPa； f1型材斷面復雜程度系數。若取6063合金的可擠壓性

12、指數為100，則按上式計算出的鋁合金的可擠壓性指數如表2所示3。按可擠壓性指數的大小，鋁合金可分為三組：易擠壓合金，Z>100；中等可擠壓合金，Z=10050；難擠壓合金，Z<50。合金Vf/m·min-1k/MPaZ指數棒材、條材簡單型材復雜型材易擠壓合金105075182001601203A216020180145110中等可擠壓合金606330351008060700512507055425A03760504030難擠壓合金2A114.5753528212A122.51001814117A042.0110131185A061.71201086表2 部分工業鋁合金的可

13、擠壓性指數（平均值）可擠壓性指數是一種相對值，其主要意義在于相對大小的比較，單純考慮某一合金的可擠壓性數值的大小并無多大實用意義。比較不同鋁合金材料擠壓條件，可以確定出一個變形抗力與最大擠壓流出速度之間的近似經驗計算式：式中，k為經驗系數。即合金的變形抗力越高，可達到的最大擠壓流出速度就越小。可擠壓性除與合金的特性有關外，還與型材斷面形狀的復雜程度有關。型材斷面形狀越復雜，變形不均勻程度增加，會導致擠壓力增大，流出速度減小。型材斷面的復雜程度一般用型材斷面的周長與斷面積之比f1來表征，此比值稱為形狀系數或型材斷面復雜程度系數4。1.3鋁合金管材的生產現狀與發展趨勢1.3.1我國鋁擠壓材生產現狀

14、中國鋁擠壓工業起步于上世紀50年代初,1956年東北101廠建成投產，1968-1969年西北鋁和西南鋁建成投產，這三家工廠的擠壓生產線都是按鋁及鋁合金管、棒、型、線材設計生產，主要用于航空和軍工鋁材生產。上世紀80年代，我國快速建成建筑鋁門窗型材生產體系，隨著中國房地產行業的蓬勃發展,國內市場對建筑鋁型材的需求呈逐年上升之勢。進入2000年以來,隨著中國汽車及軌道車輛制造業、電力、機械裝備制造業、家電等行業的快速發展,對鋁型材的需求也在不斷增加,導致種類和應用領域繁多的工業用鋁型材得到了國內外鋁擠壓材生產企業的大力開發,成為推動全行業繼續向前健康發展的新的增長領域。目前，我國已成為全球鋁擠壓

15、材生產最多的國家，也是鋁擠壓材消費最多的國家5。近年來中國鋁擠壓材的產量、出口量和表觀消費量均快速增長,2001年- 2007年間的年增長率分別為1719%、5318%和1416%。擠壓材供應增長幅度略快于消費增長速度,出口持續穩定地高幅度增長,鋁型材和鋁管材分別在2001年和2004年實現凈出口,鋁擠壓材產量從2001年開始位居全球首位。根據CRU的統計,2006年美國、加拿大和整個歐洲的鋁擠壓材總產量為467萬t,中國為450萬t,中國在總產量方面遠遠高于西方各個國家。在消費方面,中國目前已經成為全球第一大鋁擠壓材消費國,2006年全球鋁擠壓材的總消費量約為1050萬t,中國為39113萬

16、t,約占全球總消費量的3713%。鋁擠壓材中型棒材占90%以上，其中通用型材以及中小型民用建筑型材占型棒材的90%以上，大中型型材和特種專用管材僅約占10%。管材約占鋁合金擠壓材的10%，而異型管材和特種專用管材約占管材的20%。由此可見，鋁及鋁合金擠壓材中產銷量最大，應用范圍最廣泛的是中小型民用建筑型材、通用型材和棒材、管材。1.3.2鋁合金管材的應用現狀與發展趨勢（1）辦公機械用感光鼓鋁合金管材高純、高精、高表面感光鼓用鋁合金管材是打印機、復印機、掃描儀等辦公機械的核心部件感光鼓的基體材料，也可推廣應于電子、光學儀器等不同領域，應用領域與應用前景十分廣闊。近年來，辦公機械產業向輕量化、小型

17、化、高速化、清晰化、低成本等方向發展，用鋁量大大增加。高速化、清晰化等對鋁合金管材的尺寸精度和表面質量提出了更高的要求。隨著信息產業和電子產業的高速發展，辦公機械耗材業的發展進入快車道，處于高速增長期。目前，全球OPC（有機光導體）精密鋁管材年總需求量在30萬噸左右，國內需求量在5萬噸左右，且需求量的年增長率都在5%以上。OPC專用精密鋁合金管材可用6063合金生產，也可用3003合金生產，但對材質的成分、純度和雜志含量要求特別嚴格，對產品的內外組織和表面質量要求特別高，對尺寸公差也要求嚴格，因此，技術含量高，生產難度大，雖然國外已有成熟的工藝，但仍不能滿足市場需求，國內的生產水平與國際先進水

18、平相比仍有一定差距，急需加大力度研制開發，以滿足我國國民經濟的高速持續發展的要求6。（2）鋁合金經濟斷面管材隨著經濟與科學技術的發展，簡單的圓管已經不能滿足要求，因此，經濟斷面管材的研制與開發便應運而生了。目前，國外鋁合金經濟斷面管的品種數量、生產規模和質量水平都有了很大的發展。鋁合金經濟斷面管主要分為異型斷面管、變直徑和變壁厚管、特薄壁管三種，其主要特點是能最大限度滿足零件的強度及硬度要求，可按強度來設計各種零部件，不僅有可靠的安全性，而且能大大減輕零件的重量，降低金屬損耗，減少加工工時和減輕勞動量，降低成本，提高社會效益和經濟效益。近年，美、日、德、俄羅斯等國用擠壓-軋制-拉伸或擠壓-變徑

19、旋壓法制造的空心等壁厚或變壁厚的錐形電線桿、旗桿、燈桿，不僅符合等強度構件的要求，而且大大節約了金屬材料，節省加工工作量，減少了運輸、安裝和維護費用，是一種典型的經濟斷面管。據不完全統計，全球年需求量在50萬噸以上，國內也需要5萬噸以上。工業發達國家雖然已研發出生產各種經濟斷面管材的生產方法和技術，但仍不能大批量穩定的生產。而且有些品種仍在研制之中。我國在制造大型復雜的經濟斷面鋁合金管材方面尚處于起步階段，需加大開發力度。（3）鋁合金鉆探管材鋁合金鉆探管桿具有質量輕、強度高、節能、容易制造和維護、便于運輸、利于回收等一系列優點，特別在鉆探井和海洋鉆探方面，在國外已廣泛推廣應用，具有顯著的經濟效

20、益和社會效益。生產實踐表明，使用與目前所采用的鋼鉆探管強度相當的7075T6、2024T4等鋁合金鉆探管，可使重量減輕1/21/3，生產效率提高15%20%，并能大大節約設備的制作和運輸費用。因此，鋁合金鉆探管是一種較為理想的深井鉆探材料，大有替代傳統鋼鉆探桿的趨勢。鋁合金鉆探管的生產工藝基本成熟，設備先進配套，技術水平相當高，生產效率和經濟效益都很好，但由于需要大型擠壓機和特殊的生產工具和工藝，所以僅分布于少數幾個擁有先進制造技術的國家，我國幾乎是空白。目前，世界鋁鉆探管年產量為30萬噸左右，隨著深井鉆探、大沙漠油田和海底油田的開發和地質礦床的深層鉆探以及發展中國家鉆具以鋁代鋼的發展，鋁鉆探

21、桿需求量會日益增多，估計會以3%5%的年增長率增加。我國目前鉆探桿的年需求量為14萬噸左右，而且大部分依靠進口。石油和地質等部門多次強調國產化并主張以鋁代鋼。如果實現全鋁化，年共需鋁鉆探管5萬噸以上，市場前景是十分可觀的。（4）鋁合金大型厚壁管、大徑薄壁管及氣液體輸送管材鋁合金大型厚壁管是指直徑大于250mm以上，壁厚5100mm以上的管材，主要用于高壓容器、高壓液體與氣體輸送、液壓與氣壓傳動裝置、輸電管母線以及能源與動力、機械制造等領域以及制作炮筒外套等軍事器械，也可用作進一步加工的管坯或旋壓大徑薄壁管的坯料，用途十分廣泛。目前全球鋁及鋁合金大型厚壁管材的產量僅為50萬噸左右，不能滿足市場需

22、求，而我國的大徑厚壁管年產量為0.5萬噸左右，需要從國外引進，特別是大型管母線和液化天然氣罐體等鋁合金管坯。鋁合金大徑薄壁管材主要是指直徑大于250mm，而壁厚小于2mm的管材，主要用于航空航天、導彈、火箭、機筒外殼以及氣液體運送、各種保護外套等領域。全球年需量為10萬噸左右，我國年需量在0.5萬噸以上。由于大徑薄壁鋁及鋁合金管材的生產工藝復雜、質量要求高而且需要大型的特殊的工藝設備，所以生產量不大，遠遠不能滿足市場的需求。鋁及鋁合金氣液體輸送管道系統較鍍鋅鐵管、塑料管、不銹鋼管和銅管有防銹、耐腐蝕、美觀耐用、質輕、強度高、價格便宜等優越的特點，因此，近年來或得廣泛應用。鋁及鋁合金氣液體輸送管

23、主要包括鑄造管、熱擠壓管、冷擠壓管、冷壓-拉拔管以及鋁塑復合管等，主要用作建材管道、冷熱自來水、酸堿鹽各種液體、燃氣、氧氣、壓縮空氣等各種氣體和石油、天然氣等輸送管道，在汽車、飛機、輪船等交通運輸工具上也有廣泛的應用，市場潛力非常巨大7。目前，全球鋁及鋁合金氣液體輸送管道系統用管材的產銷量大約在20億m左右，我國的產銷量已達到1億m以上。隨著國民經濟的高速持續發展和人民生活水平的大幅度提高，各種功能、性能和用途的鋁及鋁合金氣液體輸送管的需求量將會大幅度增加，其發展前景是十分可觀的。1.42.鋁合金擠壓工具及擠壓金屬流動特性2.1概述擠壓工具可分為大型基本工具和模具。大型基本工具包括擠壓筒、擠壓

24、軸、針支承、支承環、壓型嘴和模架等。模具包括模子、穿孔針等直接參與金屬變形且消耗比較大的工具。模具是最重要的擠壓工具。在現代化的擠壓生產活動中，工具和模具對實現整個擠壓過程有著十分重要的意義。模具壽命是評價某一擠壓方法經濟可行的決定因素，工模具的設計與制造質量是實現擠壓生產高產、優質、低耗的最重要的保證之一。2.2工模具在鋁型材擠壓中的重要作用工具和模具對實現整個擠壓過程有著十分重要的意義。具體來說，其重要地位和作用表現在以下幾方面8-11。(1)合理的工模具結構是實現任何一種擠壓工藝過程的基礎，因為它是使金屬產生擠壓變形和傳遞擠壓力的關鍵部件。擠壓過程中，依靠擠壓油輸出壓力，由擠壓筒盛熔鑄錠

25、并使之在強烈的三向壓應力作用下產生變形。模具是使金屬最后完成塑性變形或得所需形狀的工具。在目前的條件下，還不能相象無擠壓筒，無模具的擠壓工藝。(2)模具是保證產品成形，具有正確形狀、尺寸和精度的基本工具。只有結構合理、精度和硬度合格的模具，才能實現產品的成形并具有精確的內外廓形狀和斷面尺寸。同時，合理的模具和工具設計能保證產品具有最小的翹曲和扭曲，最小的縱向彎曲和橫向波浪度。(3)模具是保證產品內外表面質量的重要因素之一。模具本身的表面光潔度、表面硬度對產品的內外表面光潔度有著決定性的影響，只有通過精磨拋光和氮化處理或表面硬化處理的模具才能擠壓出表面光亮的制品。過度光滑、表面光潔的模后工具能保

26、證擠壓制品的光潔表面，使之經過表面處理后可獲得色調美觀、厚度均勻、附著牢固的表面氧化膜。(4)合理的工模具結構、形狀和尺寸，在一定程度上可控制產品的力學性能和內部組織，特別是在控制空心制品的焊縫組織和力學性能方面，分流孔的大小、數量和形狀以及分布位置，焊合腔的形狀和尺寸，模芯的結構等起著決定性的作用。擠壓墊片、擠壓筒和模子的結構形狀與尺寸及表面質量，對控制產品的粗晶環和縮尾、成層等缺陷也有一定的作用。(5)工模具的結構形狀與尺寸對金屬的流變、擠壓溫度-速度場、應力-應變場等有很大影響，從而對提高生產效率、產品質量和減少能耗有很大作用。(6)合理的工模具設計對提高其裝卸與更換速度，減少輔助時間，

27、改善勞動條件和保證生產安全等方面有重要意義。(7)新型的模具結構對于開發新產品、新工藝，研制新材料和新設備，不斷提高擠壓技術起著很大的作用。如扁擠壓筒、舌型模、組合模、多層預緊應力模、變斷面模等。(8)高比壓優質圓擠壓筒和扁擠壓筒及特種型材模和異形管材模的設計與制造技術，是鋁合金擠壓生產的核心和關鍵技術，其技術含量在整個擠壓技術中占有很大的比例12。(9)對于中等批量的擠壓產品，工模具的成本占總制造成本的30%左右。如將其使用壽命提高35倍，則產品的成本可大幅度下降13。2.3鋁合金擠壓現狀擠壓技術開始于18世紀末，經歷了200余年的發展變化。擠壓分為冷擠壓、溫擠壓和熱擠壓14。鋁型材擠壓屬于

28、熱擠壓，是指將鋁合金高溫鑄坯置于專用模具(機頭)內，在擠壓機提供的強大壓力作用下，按給定的速度，將鋁合金從模具型腔中擠出，從而獲得所需形狀、尺寸以及具有一定力學性能的鋁合金擠壓型材。鋁合金型材擠壓技術在汽車、船舶、鐵路、航空、航天等工業領域以及建筑等民用領域越來越顯示出其重要地位。目前，國際上鋁合金型材擠壓技術發展迅速，世界各發達國家已裝備了各種形式、各種結構、不同噸位的鋁型材擠壓機，鋁型材擠壓正在向大型化、復雜化、精密化、多品種、多規格、多用途方向發展，擠壓生產也日趨連續化、自動化和專業化。目前，不僅發展了一些先進的特殊結構的大型擠壓機，而且研制了多種類型的擠壓結構的模具以及新的擠壓工藝，并

29、能擠壓出各種外形復雜的實心、空心制品。我國的鋁型材擠壓技術起步較晚，盡管目前已有1000多家生產鋁型材的國有企業，擁有2000多臺擠壓機，但無論從擠壓產品的質量還是從擠壓生產的效率和標準化程度來看，都與世界先進水平存在較大差距15。日本自20世紀70年代以來，就開始研究了各種各樣的擠壓加工方法，如靜水擠壓、連續擠壓等技術早已進入實用階段。目前也在不斷地開發研制出新的特殊擠壓技術，如連續擠壓拉拔技術、可變斷面擠壓技術、新材料新功能擠壓技術、彎曲擠壓技術以及精密擠壓技術等。其擠壓產品已大量應用到建筑、家電、汽車、船舶以及高速列車等行業中。在擠壓領域，美國從基礎理論到生產實踐都走在世界的前列。俄羅斯

30、在鋁合金型材擠壓方面也占據十分重要的地位，自1956年就開始了鋁合金壁板的生產，我國有很多擠壓技術到現在還仍然沿用前蘇聯的技術。英國、意大利、法國、挪威、瑞典、加拿大以及澳大利亞等國的鋁合金型材擠壓技術也發展到了相當高的程度。我國的鋁型材擠壓技術的研究主要內容為改進現有模具結構、開發各種新的結構以及進行冷卻系統和潤滑系統的研究，以提高模具的壽命和產品的質量，研究金屬流動規律以及模具和擠壓加工過程的溫度場、速度場、應力應變場及其變化規律；在計算機上用FEM對擠壓過程進行數值模擬，以指導設計模具和制訂工藝規程工作。2.4鋁合金擠壓工模具設計現狀及發展趨勢擠壓模具設計和制造技術是鋁合金型材擠壓技術的

31、核心，是保證產品形狀、尺寸和精度內外表面質量的最為重要的因素。目前，擠壓模具材料經歷了一個由碳素工具鋼一低合金工具鋼一高合金工具鋼一高級合金模具材料的發展過程16。設計合理的工模具結構能夠在一定程度上控制產品的內部組織和力學性能。合理的工模具設計和制造能大大提高模具的壽命，因而對于提高生產率、降低成本和能耗有重要意義。新型的模具結構，對于發展新品種、新工藝，不斷提高擠壓技術水平起著重要的作用。工模具的設計一般包括設計理論和設計方法的選擇、結構的設計計算、尺寸的確定、強度的校核和材料的選擇以及經濟技術指標的評價等。模子、穿孔針、擠壓墊片、擠壓筒內襯等直接參與金屬變形的工具，其設計不同于一般的機械

32、零件設計，而是介于機械加工與壓力加工之間的一種工藝性設計。在熱擠壓條件下各種工藝因素，如鑄錠的形狀、尺寸與內外質量，產品的斷面形狀、尺寸與交貨長度，被擠壓合金的性能及擠壓時的流動情況，擠壓殘料的形狀與分離殘料的方法，設備的能力及其結構特點，設備與模具的聯接方式工模具的組裝及加熱溫度，鑄錠的加熱溫度，制品的流動速度，模子或鑄錠的潤滑情況，擠壓力的大小，擠壓筒的結構、形狀與加熱溫度，模子出口的風冷或水冷情況，帶牽引的情況，模具鋼的高溫性能等。鋁合金擠壓時金屬是在密閉的型腔中流動，因此模具設計者對擠壓過程中的金屬流動情況以及模具的應力、應變狀況難以掌握。要想得到質量合格的產品，必須盡量保證制品斷面上

33、每個質點以相同的速度流出模孔。在實際生產中，模具設計人員往往通過反復試模和修模來實現這一目的，但這種方式不利于短周期低成本的產品開發要求。要設計出結構合理且經濟實用的擠壓模具是一件十分復雜而困難的工作，因此，世界各國的擠壓工作者對模具設計理論和方法(特別對優化理論和方法)進行了大量的研究工作。在擠壓技術發展的初期，一般根據機械設計原理，利用傳統強度理論并結合設計者的實踐經驗來進行模具設計。隨著彈塑性理論和擠壓理論的發展，許多新型的實驗理論和方法、計算理論為和方法已開始用于擠壓模具設計制作領域。如，工程計算法、金屬流動坐標網格法、光彈光塑法、密柵紋云法、滑移線法、上限元理論和有限元理論等被廣泛用

34、于模具應變場的確定和各種強度的校核，進而優化其結構和工藝要素。隨著計算機技術的發展，擠壓模具的CAD/CAM技術在最近2030年中得到迅速發展，且很大一部分技術集中在模具設計的優化方面。何德林等人利用IDEF0方法開發出能對平面模和分流模進行優化設計的CAD/CAM系統；王孟君等人以AUTOCAD 1210為圖形支撐環境，VISUAL BA2SIC410為開發工具，開發的CAD系統，可以有效地從事擠壓平模的各項計算，從而對設計結果進行優化；閆洪17-19等人將CAE概念引入模具設計過程，指出了優化設計的方向；劉漢武等人提出智能CAD概念，為模具設計智能化提供了一些思路。此外，國內外科研人員運用

35、理論解析、物理模擬和數值模擬等方法，對鋁型材擠壓的變形過程、應力場和溫度場分布及變化、摩擦與潤滑等問題進行了大量的分析和實驗，并根據其研究成果對擠壓模具進行了優化。其中在鋁型材擠壓工藝和模具開發過程中采用成型過程有限元模擬技術，可以在制模以前就對成形過程進行計算機仿真，從而獲得擠壓件形狀、擠壓件內部各種力學場量的分布等信息，便于及時發現擠壓件中可能出現的缺陷，進而實行工藝和模具設計方案的及時修改，甚至能夠達到零試模的目的，這是現代化生產發展的必然趨勢。2.5擠壓時的金屬流動特性擠壓時金屬的流動情況一般分為三個階段。圖1 平模正向填擠充過程（a）開始擠壓階段 （b）平流擠壓階段 （c）紊流擠壓階

36、段Pic 1 The filling process of forward extrusion(a)The beginning stage (b)Laminar flow stage (c)Turbulence flow stagea階段為開始擠壓階段，又稱為填充擠壓階段。金屬受擠壓軸的壓力后，首先充滿擠壓筒和模孔，擠壓力上升直至最大值。b階段為基本擠壓階段，也叫平流擠壓階段。當擠壓力達到突破壓力(高峰壓力)時，金屬從模孔流出瞬間即進入此階段。一般來說，在此階段中金屬的流動相當于無數同心薄壁圓管的流動，即鑄錠的內外層金屬基本上不發生交錯或反向的紊亂流動，錠坯上外層或中心層的金屬流出模孔后仍處于

37、制品的外層或中心層。在平流階段，錠坯在同一橫斷面上的金屬質點均以同一速度或保持一定的速度進入變形區壓縮錐。靠近擠壓墊片和模子角落處的金屬不參與流動而形成難變形的阻滯區或死區，在此階段中擠壓力隨著錠坯的長度減少而下降。c階段為終了擠壓階段，或稱紊流擠壓階段。在此階段中，隨著擠壓墊片(已進入變形區)與模子間距離的縮小，迫使變形區的金屬向著擠壓軸線方向由周圍向中心發生劇烈的橫向流動，同時，死區中的金屬也向模孔流動，形成擠壓加工特有的“擠壓縮尾"等缺陷。在此階段中，擠壓力有重新回升的現象。此時應結束擠壓操作過程。擠壓時金屬流動坐標網格的變化如圖2所示圖2. 正擠壓圓棒材時坐標網格-金屬流動示

38、意圖從圖中可以看出：A、縱向網格線的變化（1）變形前后均保持平行直線，間距仍相等。（2）每條線（除中間一條外）發生了兩次方向相反的彎曲。各條線的彎曲角度不同，外大內小。（3）在擠壓制品的最前端，除了中間一條外，其它線分別向外彎曲。B、橫向網格線變化（1）靠近擠壓墊一方部分橫向線未變化；（2）進入變形區后橫向線向前發生彎曲，越靠近模孔，彎曲越大，出模孔后不再發生變化；（3）出模孔后的橫向線的彎曲程度由前向后逐漸增加，最后趨于穩定；（4）橫向線距離不等，前小后大，最后趨于穩定。C、坐標網格的變化（1）變形前為正方形，變形后橫向壓縮、縱向拉長為矩形或平行四邊形；（2）擠壓制品中心部位近似矩形，邊部為

39、平行四邊形。2.6影響金屬流動的主要因素影響金屬流動的主要因素有合金特性、擠壓方法、摩擦潤滑條件、工模具與鑄錠的加熱溫度、工模具的結構與形狀、變形程度等。2.6.1接觸摩擦與潤滑的影響擠壓時流動的金屬與工具間存在接觸摩擦力，其中以擠壓筒壁上的摩擦力對金屬流動的影響最大。當擠壓筒內壁上的摩擦力很小時，變形區范圍小且集中在模孔附近，金屬流動比較均勻，而當摩擦力很大時，變形區壓縮錐和死區的高度增大，金屬流動則很不均勻，以致促使錠坯外層金屬過早地向中心流動形成較長的縮尾。可見，接觸摩擦力對金屬的流動均勻性產生不良的影響。但是，在某些情況下，可以有效地利用金屬與工具之間接觸摩擦作用來改善金屬的流動，如在

40、擠壓管材時，由于錠坯中心部分的金屬受到穿孔針摩擦作用和冷卻作用，而使其流速減緩，從而使金屬流動變得較為均勻，減短產生縮尾的長度；在擠壓斷面壁厚變化急劇的復雜異形型材時，在設計模孔時利用不同的工作帶長度對金屬產生不同的摩擦作用來調節型材斷面上各部分的流速，從面減少型材的扭擰、彎曲度、提高產品的精度。2.6.2合金特性的影響合金的強度與塑性對流動也有很大的影響。一般來說，強度越高，粘性越小；擠壓溫度越低則金屬流動越均勻。對于同一種金屬或合金來說，鑄錠在擠壓前的加熱條件對金屬流動性也有一定的影響。當錠坯加熱不均勻時會影響其橫斷面上變形抗力的均勻性，從而導致金屬流動不均勻；當加熱溫度增高，金屬的導熱性

41、下降，結果使錠坯斷面溫度分布不均勻，也會引起金屬流動的不均勻。此外，溫度的改變往往會引起摩擦系數的變化，從而影響到金屬流動的均勻性。鋁合金在擠壓過程中最基本的工藝特點之一是對工具(擠壓筒、穿孔針、模子、擠壓墊片)的粘結作用十分強烈，會產生很大的接觸摩擦應力，此應力接近于金屬的剪切屈服強度，這使錠坯的表面層和中心層之間的剪切變形量產生很大的差異，從而加劇了金屬流動的不均勻性。特別是對于擠壓溫度高，導熱性差的合金來說，在熱擠壓過程中，由于鑄錠橫斷面上和長度上存在較大的溫度梯度，更增大了其流動的不均勻性。2.6.3擠壓方法的影響一般來說，反向擠壓比正向擠壓流動均勻，潤滑擠壓比不潤滑擠壓流動均勻，冷擠

42、壓比熱擠壓流動均勻，有效摩擦擠壓比其他擠壓方法流動均勻。2.6.4擠壓工模具的影響擠壓工模具的結構形狀，表面狀態、模孔排列、加熱溫度對金屬的流動有很大的影響，設法提高金屬流動的均勻性，是設計、制造和使用擠壓工模具中十分重要的問題。（1)模具結構和形狀的影響擠壓鋁合金時，最常采用的模具主要有平面模和錐形模。模角越大，則金屬流動越不均勻，用平面模擠壓時，變形的不均勻程度最大。隨著模角的增大，死區的高度逐漸增加。但是，當模角小于60度時，易于將鑄錠表面的臟物、缺陷帶入制品而影響產品的表面質量。為了保證產品質量，同時兼顧金屬流動均勻和擠壓力不過分增大，在擠壓管材和中間毛料時，通常取錐形模的模角為60度

43、65度。而對于表面質量要求特別高的捧材和型材來說，一般采用平面模(模角90度)來進行擠壓。此外，在擠壓管材和空心型材時，穿孔針的結構和形狀及錐度，舌型模和平面分流組合模的結構、分流孔的大小和形狀、焊合室的形狀和尺寸、寬展模的寬展角、變斷面模中過渡區的結構和形狀等都對金屬的流動有很大的影響。在設計模具時應特別注意選擇合理的結構和形狀，以獲得較均勻的金屬流動。（2)模孔排列的影響模孔的排列從兩個方面來影響金屬的流動特性。一是距離擠壓筒中心的遠近，接近中心的部分，金屬流動快，而遠離中心的部分由于受到擠壓筒壁摩擦阻力的影響而使金屬流速減慢；二是塑性變形區內供給各模孔或模孔各部分的金屬量的分配，供應充足

44、的部分流速較快，反之，供應不足的部分則金屬流速減慢。因此，為了增加金屬流動的均勻性，模孔應盡量對稱地布置在模子平面上，在設計多孔模時，各模孔的中心應布置在距離中心某一合適距離的同心圓上。在設計異形型材時應使易流出的厚望部分遠離中心，而把難于流動的薄壁部分靠近中心。（3)表面狀態的影響工模具的表面粗糙度、圓滑度、表面硬度和表面潤滑狀態都是影響金屬流動均勻性的重要因素之一。表面越光潔、過渡越圓滑、表面硬度越高、潤滑條件越好，則擠壓時金屬流動越均勻。（4)加熱溫度的影響在擠壓時，鑄錠橫斷面上的溫度越均勻，則擠壓時的流動也越均勻。因此，應盡量減少擠壓筒、擠壓墊片和穿孔針、模子與變形金屬之間的溫度差。在

45、擠壓過程中，擠壓筒加熱保溫、工模具預熱等措施是十分重要的。2.6.5其它因素的影響鑄錠長度、變形程度、擠壓速度等對金屬的流動均勻性也有一定的影響，如鑄錠前端長度約為115倍擠壓筒直徑的部分金屬流動極不均勻；變形程度過大或過小時，金屬流動都不均勻；金屬的流速過快也會增大金屬流動的不均勻性等。根據上面的分析可知，由于各種因素錯綜復雜的影響，使擠壓過程金屬的流動特性表現出多種多樣的形式。3數值模擬、模型建立及軟件簡介鋁型材擠壓成形是屬于三維流動、非線性、大變形問題。在擠壓成形過程中，會不斷的產生新的自由表面、產生新的熱量，發生溫度傳遞、大變形、復雜幾何形體變化等各種交叉耦合現象；整個擠壓過程可以分為

46、非穩態開始、穩態成形、非穩態結束三個階段，其材料的本構模型也非常復雜；同時，在高溫狀態下材料的粘度性能不符合常粘度定律，材料的應變速率及溫度對變形的影響也不可忽視。針對大變形，幾何非線性，材料非線性問題，主要有有限元法，有限體積法，任意拉格朗日歐拉法等幾種處理方法。3.1有限元法有限元模擬技術最早應用于金屬塑性加工成形領域始于上個世紀70年代，經過30多年的發展，有限元法(FEM)已經發展成為種類較為齊全、軟件功能較為豐富、工程應用較為廣泛的一種有效的分析工具。有限元分析方法通用性強，適用于任意速度邊界條件，能夠模擬整個會屬成形過程的流動規律，獲得變形過程任意時刻的力學信息和流動信息，如應力場

47、、速度場、溫度場以及預測缺陷的形成和擴展；可以方便地分析處理模具形狀、工件與模具之問的摩擦、材料硬化效應和溫度等多種因素對塑性加工過程的影響。有限元法，它的基礎是變分原理和加權余量法。它是把計算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內，選擇一些合適的節點作為求解函數的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導數的節點值與所選用的插值函數組成的線性表達式，借助于變分原理或加權余量法，將微分方程離散求解20。于擠壓成形的大變形問題，一般采用剛塑性或剛粘塑性有限元法，在分析中忽略變形材料的彈性變形，假設金屬在成形過程中體積不變。3.1.1 MSCMSCMENTAT是新一代非線性有限元分析的前后

48、處理圖形交互界面，與MSCMarc求解器無縫連接。它具有以ASIC為內核的一流實體造型功能；全自動二維三角形和四邊形、三維四面體和六面體網格自動劃分建模能力；直觀靈活的多種材料模型定義和邊界條件的定義功能；分析過程控制定義和遞交分析、自動檢查分析模型完整性的功能：實時監控分析功能；方便的可視化處理計算結果能力；先進的光照、渲染、動畫和電影制作等圖形功能。并可直接訪問常用的CADCAE系統，如：ACIS、AutoCAD、CMOLD、IGES、MSCNASTRAN、MSCPATRAN、IDEAS、VDAFS、STL等等。MSCMarc AutoForge綜合了MSCMENTAT通用分析軟件求解器和

49、前后處理器的精髓，以及全自動二維四邊形網格和三維六面體網格自適應和重劃技術，實現對具有高度組合的非線性體成型過程的全自動數值模擬。MSCMarc AutoForge提供了大量實用材料數據以供選用，用戶也能夠自行創建材料數據庫備用。MSCMarc AutoForge除了可完成全2D或全3D的成型分析外，還可自動將2D分析與3D分析無縫連接，大大提高對先2D后3D的多步加工過程的分析效率。利用MSCMarc AutoForge提供的結構分析功能，可對加工后的包含殘余應力的工件進行進一步的結構分析，模擬加工產品在后續的運行過程中的性能，有助于改進產品加工工藝。此外，作為體成型分析的專用軟件，MSCM

50、arc AutoForge為滿足特殊用戶的二次開發需求，提供了友好的用戶開發環境。3.1.2 DEFORMDEFORM是國際上最著名的2D3D成形加工和熱處理工藝模擬分析軟件，美國SFTC公司出品，轉為生產實際應用而設計開發，使用起來特別簡單。保證用戶縮短設計、生產周期，優化最佳工藝，提高生產效率。DEFORM具有如下突出特色：1模擬范圍廣：材料流動，鍛造負荷，模具應力，晶粒流動，缺陷成因等；2適用工藝廣：(1)冷、熱、溫過程；(2)鍛造，拉拔，擠壓，鐓頭，礅粗，軋制，擺碾，機加工車削，沖切等；(3)正火，退火，淬火，回火，時效，滲碳，蠕變，硬化處理等；3適用設備多：液壓鍛機，鍛錘，摩擦壓力機

51、，機械壓力機，軋機，擺碾機等；4材料庫豐富：146種專用材料數據庫；5與CAD系統自由交換數據，智能化成形過程模擬分析、工藝評價。Deform-2D是一套基于工藝模擬系統的有限元系統(FEM)，專門設計用來分析各種金屬成型過程中的二維(2D)流動，提供極有價值得工藝分析數據。Deform-2D幾十年來一直被世界范圍內的企業用于分析鍛造、擠壓、拉拔、鐓頭、鐓粗和其它成形手段。Deform-2D提供了最現代化的工藝模擬技術。Deform-2D強大的模擬引擎能夠分析金屬成形過程中，多個材料特性不同的關聯對象耦合作用下的大變形和熱特性。以此能夠保證金屬成形過程中的模擬精度，使得分析模型和模擬環境和實際

52、生產環境高度一致，任何需要時，能夠自行觸發高級自動網格重劃生成器，生成優秀的網格系統。Deform-3D是在一個集成環境內綜合建模、成形、熱傳導和成形設備特性進行模擬仿真分析，適用于冷、析數據。如：材料流動、模具填充、屬微結構和缺陷產生發展情況等。熱、溫成形，提供極有價值得工藝分鍛造負荷、模具應力、晶粒流動、金其特色如下：不需要人工干預，全自動網格剖分；前處理中自動生成邊界條件，確保數據準確快速可靠；Deform-3D模型來自CAD系統的面或實體造型(STLSLA)格式；集成有成形設備模型，如：液壓壓力機，錘鍛機，螺旋壓力機，機械壓力機，軋機，擺碾機和用戶自定義類型(如脹壓成形)；表面壓力邊界

53、條件處理功能適用于解決脹壓成形工藝模擬；單步模具應力分析方便快捷，適用于多個變形體，組合模具，帶有預應力環時的成形過程分析；材料模型有彈性、剛塑性、熱彈塑性、熱剛粘塑性。粉末材料、剛性材料以及自定義類型；實體之間或實體內部的熱交換分析既可以單獨求解，也可以耦合在成形模擬中進行分析：具有Flownet和點跡示蹤、變形、云圖、矢量圖、力一行程曲線等后處理功能；具有2D切片功能，可以顯示工件或模具剖面結果；程序具有多聯變形體處理能力，能夠分析多個塑性工件和組合模具應力；后處理中的鏡面反射功能，為用戶提供了高效處理具有對稱面或周期對稱面的機會，并且可以在后處理中顯示整個模型；自定義過程可用于計算流動應

54、力，沖壓系統響應，斷裂判據和一些特別的處理要求，如：金屬微結構，冷卻速率，機械性能等。3.2有限體積法有限體積法(Finite volume method)也稱為Euler描述方法，控制容積積分法21。其基本思路是：將計算區域劃分為一系列不重復的控制體積，并使每個網格點周圍有一個控制體積；將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程。其中的未知數是網格點上的因變量的數值。為了求出控制體積的積分，必須假定值在網格點之間的變化規律，即假設值的分段的分布剖面。有限體積法能得出直接的物理解釋。離散方程的物理意義，就是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無限小的控制體積中的守恒原理一樣。有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對任意一組控制體積都得到滿足，對整個計算區域，自然也得到滿足。這是有限體積法吸引人的優點。有一些離散方