工業(yè)純鋁管擠壓成形過程的數(shù)值模擬

陳一郡，楊 進(jìn)，李正龍，趙 飛，陳朝軼，蘭元培，王林珠

（1.貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，貴州貴陽 550025；2.遵義恒佳鋁業(yè)有限公司，貴州遵義 563100）

工業(yè)純鋁具有較高的塑性、耐蝕性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等優(yōu)良性能，常被加工成鋁管用于制冷行業(yè)[1]。工廠在采用連續(xù)擠壓法生產(chǎn)制冷鋁管過程中經(jīng)常會因?yàn)楣に嚥划?dāng)出現(xiàn)焊合不良、尺寸超差和壁厚不均勻以及力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)等問題。因此，系統(tǒng)分析擠壓工藝對鋁管顯微組織的影響，進(jìn)而對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化顯得非常重要。

鋁管連續(xù)擠壓成形過程是一個(gè)復(fù)雜的熱力耦合變形過程，其中坯料的加熱溫度和擠壓速度是控制管材質(zhì)量的兩個(gè)關(guān)鍵擠壓參數(shù)[2]。關(guān)于金屬材料成形模擬的研究常采用DEFORM-3D 有限元軟件進(jìn)行分析，可以比較準(zhǔn)確的分析成形過程的應(yīng)力場、溫度場和晶粒變化規(guī)律，為生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)[3]。本文將利用DEFORM-3D 有限元分析軟件對工業(yè)純鋁管的擠壓過程進(jìn)行模擬分析，深入研究工業(yè)純鋁擠壓變形過程中擠壓溫度和擠壓速度對溫度場、應(yīng)力場和晶粒尺度等相關(guān)參數(shù)的影響，進(jìn)一步優(yōu)化工業(yè)純鋁管的擠壓工藝參數(shù)，為高品質(zhì)制冷鋁管的連續(xù)擠壓生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 有限元模擬的建立

本文模擬選用的材料為1050 鋁合金，密度為2699.6 kg/m3，比熱容為946 J/（kg·℃），熱導(dǎo)率2.177 W/（m·℃）。以直徑8 mm，壁厚1.3 mm 的鋁合金管材為模擬對象（圖1），模具材料選用H-13模具鋼，密度為7850 kg/m3，比熱容為407 J/（kg·℃），熱導(dǎo)率為25 W/（m·℃）。數(shù)值模擬采用剛粘塑性有限元法，忽略彈性變形，所以把坯料設(shè)為剛塑性體，模具和其他工件都設(shè)置為剛性體。為減少單元網(wǎng)格數(shù)量節(jié)省計(jì)算時(shí)間，取1/3 模型進(jìn)行計(jì)算（圖2）。材料的本構(gòu)方程模型、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型取自之前的研究。數(shù)值模擬中的初始參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬的初始參數(shù)

圖1 純鋁管尺寸

圖2 有限元模型（1/3）

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 金屬擠壓流動(dòng)過程

從圖3 可知，金屬被沖頭擠壓產(chǎn)生鐓粗現(xiàn)象（第一階段）。隨著壓力的作用金屬被分流模分成三股流入分流孔（第二階段）。從分流孔流出的胚料流向焊合室內(nèi)，流入焊合室的金屬受到流動(dòng)限制，在高溫高壓作用下又重新融和在一起（第三階段）。最終材料充滿焊合室后從工作帶擠出成形[4]（第四階段）。

圖3 金屬流動(dòng)的4 個(gè)階段

2.2 擠壓溫度對內(nèi)部溫度場的影響

圖4 是擠壓行程為25 mm，擠壓速度為25 mm/s 時(shí)，不同擠壓溫度下鋁合金管材內(nèi)部的溫度場分布。由圖4 可知，不同擠壓溫度下，管材溫度場分布規(guī)律基本相同。本次模擬結(jié)果與其他研究不同的是，雖然在定徑帶出口溫度得到升高，但溫度最大值并非在定徑帶獲得，而是在分流橋和分流孔的邊緣處獲得，這說明減少分流孔數(shù)有可能減少定徑帶的變形量。在模具與胚料接觸部分可以看到溫度有所下降，這是因?yàn)樗麄兣c環(huán)境存在熱交換的關(guān)系導(dǎo)致的。隨著擠壓溫度的增加，溫度峰值也不斷升高，這是符合實(shí)際變化規(guī)律的。鋁管出口處，溫度分布較均勻，并且溫度明顯升高，這是由于在擠壓過程中金屬流過定徑帶時(shí)，發(fā)生較大變形和摩擦引起的變形熱，因此導(dǎo)致鋁管出口溫度升高。并且隨著擠壓溫度的增加，出口溫度不斷增大。對鋁合金而言，出?？诇囟冗^高，制品的抗應(yīng)力腐蝕性能會大幅度下降[5，6]。

圖4 不同擠壓溫度下管材溫度場分布

由圖5 可知，出?？诇囟入S擠壓溫度的升高而增加，但增加的趨勢變化不大。因此可以通過模擬仿真的技術(shù)來預(yù)測金屬在擠壓過程中溫度場的分布情況，避免大范圍溫度過高發(fā)生晶粒長大現(xiàn)象，合理控制金屬出?？诇囟龋咕Я＝M織細(xì)化，是獲得高性能擠壓組織無縫管的有效方法之一[7]。

圖5 鋁管出口溫度隨坯料加熱溫度的變化

2.3 擠壓溫度對應(yīng)力分布的影響

圖6 為擠壓行程25 mm，擠壓速度25mm/s時(shí)，不同擠壓溫度下鋁合金管材內(nèi)部的壓應(yīng)力分布。由圖6 可知，擠壓溫度較低時(shí)，擠壓筒內(nèi)部金屬壓應(yīng)力較低，擠壓溫度較高時(shí)，擠壓筒內(nèi)部金屬等效應(yīng)力在靠近分流孔處壓應(yīng)力升高，胚料到焊合室和分流孔處靠近模壁時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大值。

圖6 不同擠壓溫度下壓應(yīng)力分布

圖7 不同擠壓溫度下最大壓應(yīng)力

由圖6 可知隨著擠壓溫度升高應(yīng)力最大值逐漸降低后又緩慢上升，這是溫度、應(yīng)力和應(yīng)變速度綜合作用的結(jié)果。隨著擠壓溫度升高，金屬變形抗力降低，塑性增強(qiáng)，金屬流動(dòng)性增強(qiáng)，應(yīng)力易在大范圍內(nèi)傳遞，在應(yīng)力圖中表現(xiàn)為變形區(qū)體積增大[8，9]。生產(chǎn)過程中應(yīng)注意如果該位置拉應(yīng)力大于純鋁的抗拉強(qiáng)度，擠壓出的管材制品表面就會產(chǎn)生向內(nèi)擴(kuò)展的裂紋。

2.4 擠壓溫度對晶粒尺寸的影響

圖8 為擠壓行程25 mm，擠壓速度25mm/s時(shí)，不同擠壓溫度下鋁合金管材內(nèi)部的平均晶粒尺寸分布。由圖8 可知，不同擠壓溫度下，管材平均晶粒尺寸分布基本相同，擠壓筒內(nèi)部金屬平均晶粒尺寸基本上都未發(fā)生變化，靠近分流孔擠壓變形區(qū)域體積增大，晶粒的分布規(guī)律是從上往下逐漸變小，到?？滋幤骄Я３叽邕_(dá)到最小值。相對原始晶粒尺寸，晶粒明顯得到細(xì)化。隨著擠壓溫度的增加，焊合面和擠出的鋁管的晶粒尺寸變化規(guī)律是逐漸增大的，這是由于溫度升高引起的晶粒長大[10]。

圖8 不同擠壓溫度下管材的平均晶粒尺寸分布圖

圖9 為鋁管焊縫和基材晶粒尺寸點(diǎn)追蹤結(jié)果。由圖可知，焊縫的晶粒是小于基材的，大概相差1～2 μm，整體來看晶粒分布還是比較均勻。焊縫區(qū)晶粒在擠壓過程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，而基體區(qū)晶粒在擠壓過程中溫度較高的再結(jié)晶晶粒發(fā)生長大，因此導(dǎo)致基體區(qū)的晶粒尺寸相對較大。隨著擠壓溫度升高，無論是焊縫還是基體位置的晶粒尺寸都逐漸增大。由此可見，溫度增加會使得再結(jié)晶晶粒長大。因此我們在選擇擠壓溫度時(shí)需要考慮其對晶粒的影響。

圖9 不同胚料預(yù)熱溫度對晶粒尺寸的影響

2.5 擠壓速度對內(nèi)部溫度場的影響

圖10 為擠壓行程25 mm，擠壓溫度460 ℃時(shí)，不同擠壓速度下鋁合金管材內(nèi)部的溫度分布。由圖10 可知，最高溫度出現(xiàn)在分流橋和鋁管擠出部位。金屬在穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度始終高于初始預(yù)熱溫度，并沿著擠壓方向逐漸增大。隨著擠壓速度的增大，型材在定徑帶出口溫度逐漸升高，隨著擠壓速度進(jìn)一步增大，出口溫度有緩慢下降的趨勢。這和坯料與擠壓筒的摩擦程度、坯料本身塑性變形的激烈程度、散熱時(shí)間有關(guān)。并且速度加快會降低金屬在模具中停留時(shí)間，減少了金屬與模具之間的摩擦，因此導(dǎo)致溫度輕微下降的現(xiàn)象[11]。

圖10 不同擠壓速度下管材溫度場分布

2.6 擠壓速度對應(yīng)力分布的影響

圖11 為擠壓行程為25 mm，擠壓溫度460℃時(shí)，不同擠壓速度下鋁合金管材內(nèi)部的等效應(yīng)力分布。由圖11 可知，不同擠壓速度下，管材等效應(yīng)力分布基本相同，在變形量較大的區(qū)域（分流孔、分流橋和工作帶）時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大值。鋁管部位在擠壓速度為20 mm/s 時(shí)獲得的應(yīng)力值是最小的，管材應(yīng)力降低可以減少應(yīng)力集中而引發(fā)裂紋等缺陷[12]。

圖11 不同擠壓速度下壓應(yīng)力分布

由圖12 可知，隨著擠壓速度的增加，壓應(yīng)力峰值呈先增大后降低的趨勢。擠壓速度從10 mm/s 增大到20 mm/s 時(shí)，壓應(yīng)力峰值由67.2 MPa增加到86 MPa；繼續(xù)增加擠壓速度到25 mm/s，壓應(yīng)力峰值降低為74.2 MPa。這是因?yàn)樵跀D壓過程中，材料內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行著加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化兩個(gè)相互競爭的過程[13]。

圖12 壓應(yīng)力的最大值

2.7 擠壓速度對晶粒尺寸分布的影響

圖13 為擠壓行程25 mm，擠壓溫度460 ℃時(shí)，不同擠壓速度下鋁合金管材內(nèi)部的平均晶粒尺寸分布。由圖13 可知，隨著擠壓速度的增加，金屬的晶粒尺寸呈現(xiàn)不斷減小的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵跀D壓速度較低時(shí)，金屬流動(dòng)時(shí)間增加，為再結(jié)晶晶粒提供足夠時(shí)間使其長大；而擠壓速度過快時(shí)，縮短了金屬停留時(shí)間，金屬來不及長大，保留了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)的晶粒形態(tài)[14]。

圖13 不同擠壓速度下管材的平均晶粒尺寸分布圖

由圖14 可知，與前面不同擠壓溫度的規(guī)律一致，基材的晶粒尺寸是大于焊縫的。隨著速度的增加，晶粒尺寸變化規(guī)律為逐漸減小的趨勢。在擠壓速度為10～15 mm/s 時(shí)，可以看到下降趨勢較大。隨著速度進(jìn)一步增加，下降趨勢降低，由此可見，在低速且較高的溫度條件下，金屬在模具停留時(shí)間較長會引起再結(jié)晶晶粒的長大，因此出現(xiàn)擠壓速度為10 mm/s 的晶粒尺寸較大，而在擠壓速度為25 mm/s 時(shí)的晶粒尺寸相對較小。因此，我們綜合以上分析結(jié)果可知在較高的擠壓速度和擠壓溫度下，可擠壓出綜合性能較好的鋁管。

圖14 鋁管焊縫和基材晶粒尺寸隨擠壓速度的變化

3 結(jié)論

（1）擠壓速度一定，隨著擠壓溫度的增加，溫度峰值不斷升高，出口溫度不斷增大。應(yīng)力最大值逐漸降低后又緩慢上升。焊合面和擠出的鋁管的晶粒尺寸也逐漸增大，焊縫的晶粒小于基材，相差1～2 μm。

（2）擠壓溫度一定，隨著擠壓速度的增加，型材在定徑帶出口溫度逐漸升高，隨著擠壓速度進(jìn)一步增大，出口溫度有緩慢下降的趨勢。壓應(yīng)力峰值呈先增大后降低的趨勢。金屬的晶粒尺寸呈現(xiàn)不斷減小的現(xiàn)象。

（3）在此模擬條件下最佳工藝參數(shù)為460℃、25 mm/s，鋁管和焊縫的晶粒尺寸分別為24.7μm和24.3μm。