基于ALE 法的2195 鋁鋰合金擠壓溫度影響的數(shù)值模擬研究

徐遠(yuǎn)帆 張立華

（湖南中南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

鋰是最輕的金屬元素，將鋰加入鋁合金不僅可以改善鋁合金的高周疲勞性能、提高疲勞裂紋擴(kuò)展抗力，還能提高鋁合金的拉伸強(qiáng)度[1-2]，提高在低溫條件下的強(qiáng)度-斷裂韌性綜合性能[3]。然而，由于鋁鋰合金的擠壓性指數(shù)相對(duì)傳統(tǒng)鋁合金更高，且鋰元素的存在使得鋁鋰合金對(duì)擠壓式的溫度更為敏感，擠壓后的表面質(zhì)量差且難以連續(xù)[4]。

本文以2195 鋁鋰合金擠壓成型過(guò)程為研究對(duì)象，使用Inspire Extrude 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了不同擠壓溫度下穩(wěn)定擠壓階段金屬流動(dòng)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力和應(yīng)變速率場(chǎng)的分布規(guī)律，并通過(guò)擠壓實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，為鋁鋰合金擠壓工藝的方案設(shè)計(jì)提供了新的參考。

1 Inspire Extrude 有限元理論基礎(chǔ)

鋁合金的擠壓加工是一種塑性變形的過(guò)程，變形過(guò)程非線性，是一個(gè)包含大變形、熱量傳遞、多受力的多個(gè)變量交叉耦合的復(fù)雜過(guò)程[5]。在市面上主流的擠壓仿真軟件中，所采用的算法可以分為以下三種：Lagrange 法；Euler 法；任意拉格朗日-歐拉法（Arditrary Lagrange-Euler，ALE）法。

其中ALE 法結(jié)合了Lagrange 法和Euler 法的優(yōu)點(diǎn)，使用ALE法進(jìn)行仿真模擬，可以通過(guò)改變網(wǎng)格點(diǎn)與金屬材料之間的指向關(guān)系，選擇性的進(jìn)行拉格朗日描述或歐拉描述。因此，ALE 法是目前運(yùn)用最為廣泛的金屬擠壓過(guò)程仿真方法之一[6]。

2 2195 鋁鋰合金擠壓過(guò)程的模擬模型

2.1 流體模型：定義工作帶長(zhǎng)度4mm，型材長(zhǎng)度12mm；定義棒料長(zhǎng)度300mm，棒料直徑90mm，擠壓筒直徑95mm。

2.2 材料模型：本文設(shè)定的2195 鋁鋰合金本構(gòu)模型方程為：

式中：n——材料的盈利指數(shù)，取5.66。

應(yīng)變偏置值取0.0001，活化能為158300J/mol，應(yīng)變因子倒數(shù)為5.18*1010，通常氣體常熟8.314J/mol-K，α=4.5*10-8。材料密度測(cè)得為1650kg/m3，比熱為750J/kg-k，傳導(dǎo)率1.38W/m-K，熱膨脹系數(shù)為0.00001，楊氏模量取4*1010Pa，泊松比0.35。

2.3 網(wǎng)格模型：對(duì)坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分的單元形狀為三棱柱六節(jié)點(diǎn)單元，兩塊區(qū)域共劃分148345 個(gè)網(wǎng)格單元，整個(gè)模型攻擊213978 個(gè)網(wǎng)格單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)69873 個(gè)。劃分結(jié)果如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)格劃分結(jié)果

本次仿真設(shè)定的擠壓溫度變量如表1 所示，擠壓速度設(shè)定為0.8mm/s，共計(jì)9 組。

表1 擠壓溫度變化分組設(shè)定

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 壓應(yīng)力分析。壓應(yīng)力如圖2 所示，壓應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在坯料末尾擠壓墊和坯料接觸的地方。用壓應(yīng)力最大值乘以擠壓墊和坯料的接觸面積即可得到所需的擠壓力，壓應(yīng)力最大值的變化趨勢(shì)即為所需擠壓力的變化趨勢(shì)。

圖2 壓力分布云圖

壓應(yīng)力最大值、對(duì)應(yīng)擠壓力如表2 所示。隨著擠壓溫度升高，擠壓力下降。這是由于隨著2195 鋁鋰合金坯料的溫度升高，材料的塑性提高，抗變形的能力有所下降，使其發(fā)生塑性變形所需要的擠壓力減小。

表2 壓應(yīng)力最大值、所需的擠壓力

3.2 速度場(chǎng)分析。以第1 組為例，速度場(chǎng)的仿真結(jié)果如圖3 所示。正向擠壓2195 鋁鋰合金的過(guò)程中，速度分布并不均勻，在擠壓模和坯料接觸的出料口處速度達(dá)到最大值。在Inspire Extrude 軟件中可以查看相對(duì)出口速度差異，分布云圖與速度云圖相同。

圖3 速度、相對(duì)出口速度差異分布云圖

速度最大值、相對(duì)出口速度最大值如表3 所示。但隨著擠壓溫度的提高，2195 鋁鋰合金在擠壓過(guò)程中的速度最大值呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，這是由于溫度的提高降低里2195 鋁鋰合金抗變形的能力，且存在一定程度的熱膨脹現(xiàn)象，提高出料口界面上的速度和相對(duì)出口速度差異輕微提高。

表3 速度最大值、相對(duì)出口速度差異最大值

以最小晶粒尺寸為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如表4 所示。隨著擠壓溫度的升高，擠壓產(chǎn)品的晶粒尺寸逐漸變大。原因是擠壓溫度越高，材料降溫的時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒長(zhǎng)大的時(shí)間越長(zhǎng)，形成的晶粒尺寸也就越大。

表4 最小晶粒尺寸（μm）

3.3 數(shù)值模擬總結(jié)

提高擠壓溫度可以減小所需要的擠壓力，對(duì)擠壓設(shè)備的要求降低，但材料的流動(dòng)速度、相對(duì)出口速度差異增大，容易造成擠出產(chǎn)品的端面不平整和產(chǎn)品表面出現(xiàn)裂紋缺陷，且產(chǎn)品的晶粒尺寸會(huì)變大。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

使用630 擠壓機(jī)對(duì)相同批次的2195 鋁鋰合金鑄棒進(jìn)行正擠壓實(shí)驗(yàn)，擠壓溫度分別設(shè)置為450℃與480℃，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖4-5 所示。由圖中可知，480℃下擠壓產(chǎn)品產(chǎn)生了更多的表面裂紋，且晶粒尺寸更大。與數(shù)值模擬獲得的擠壓溫度對(duì)擠壓成型質(zhì)量的影響規(guī)律相吻合。

圖4 450℃擠壓產(chǎn)品表面及金相圖

圖5 480℃擠壓產(chǎn)品表面及金相圖

5 結(jié)論

利用任意拉格朗日-歐拉（ALE）有限元法對(duì)鋁鋰合金的正向穩(wěn)態(tài)擠壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，成功預(yù)測(cè)了擠壓溫度的提高帶來(lái)的擠壓力減小、流動(dòng)速度和相對(duì)出口速度差異增大造成產(chǎn)品表面缺陷裂紋、產(chǎn)品晶粒尺寸變大的影響規(guī)律，并通過(guò)實(shí)際的擠壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該規(guī)律。證明ALE 有限元法能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鋁鋰合金擠壓溫度對(duì)擠壓成型質(zhì)量的影響，可以為鋁鋰合金擠壓工藝方案的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。