工业纯铝管挤压成形过程的数值模拟.pdf

第 1 期工业纯铝具有较高的塑性、耐蚀性、导电性和导热性等优良性能，常被加工成铝管用于制冷行业1。工厂在采用连续挤压法生产制冷铝管过程中经常会因为工艺不当出现焊合不良、尺寸超差和壁厚不均匀以及力学性能不达标等问题。因此，系统分析挤压工艺对铝管显微组织的影响，进而对工艺参数进行优化显得非常重要。铝管连续挤压成形过程是一个复杂的热力耦合变形过程，其中坯料的加热温度和挤压速度是控制管材质量的两个关键挤压参数2。关于金属材料成形模拟的研究常采用 DEFORM-3D 有限元软件进行分析，可以比较准确的分析成形过程的应力场、温度场和晶粒变化规律，为生产工艺设计提供指导3。本文将利用 DEFORM-3D 有限元分析软件对工业纯铝管的挤压过程进行模拟分析，深入研究工业纯铝挤压变形过程中挤压温度和挤压速度对温度场、应力场和晶粒尺度等相关参数的影响，进一步优化工业纯铝管的挤压工艺参数，为高品质制冷铝管的连续挤压生产提供理论指导。1有限元模拟的建立本文模拟选用的材料为 1050 铝合金，密度为2699.6 kg/m3，比热容为 946 J/（kg），热导率2.177 W/（m ）。以直径 8 mm，壁厚 1.3 mm 的铝合金管材为模拟对象（图 1），模具材料选用 H-13模具钢，密度为 7850 kg/m3，比热容为 407 J/（kg ），热导率为 25 W/（m ）。数值模拟采用刚粘塑性有限元法，忽略弹性变形，所以把坯料设为刚塑性体，模具和其他工件都设置为刚性体。为减少单元网格数量节省计算时间，取 1/3 模型进行计算（图 2）。材料的本构方程模型、动态再结晶收稿日期：2023-07-07；修订日期：2023-08-11作者简介：陈一郡（1997），男，硕士，研究方向：材料加工工程。E-mail：工业纯铝管挤压成形过程的数值模拟陈一郡1，杨进1，李正龙2，赵飞1，陈朝轶1，兰元培1，王林珠1（1.贵州大学 材料与冶金学院，贵州贵阳 550025；2.遵义恒佳铝业有限公司，贵州遵义 563100）摘要：针对连续挤压法生产制冷铝管过程中经常出现的焊合不良、尺寸超差和壁厚不均匀以及力学性能不达标等问题，利用 DEFORM-3D 有限元软件对铝管的挤压过程进行数值模拟，分析挤压温度和速度对温度场、应力场和晶粒尺寸的影响，为挤压工艺参数优化提供指导。结果表明：挤压速度一定时，定径带出口温度随胚料预热温度的升高而增加，应力随着挤压温度升高逐渐降低，平均晶粒尺寸随着挤压温度的增加而变大。挤压温度一定时，出模孔温度随挤压速度升高而增加，应力峰值随着挤压速度的增加呈先增大后降低的趋势，平均晶粒尺寸随着挤压速度的增加呈逐渐降低的趋势，管材焊缝处的晶粒尺寸比基材小。在此模拟条件下最佳工艺参数为 460 益、25 mm/s，铝管和焊缝的晶粒尺寸分别为 24.7 滋m 和 24.3 滋m。关键词：铝管；挤压成形；挤压温度；挤压速度；数值模拟中图分类号：TG379文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2024.01.012文章编号：1006-9658（2024）01-0057-07第 59 卷 第 1 期Vol.59 No.1CHINA FOUNDRY MACHINERY&TECHNOLOGY2024 年 1 月Jan.20241.3 mm挤压垫挤压筒胚料上模焊合室下模图 1纯铝管尺寸图 2 有限元模型（1/3）57-第 59 卷模型取自之前的研究。数值模拟中的初始参数见表 1。2模拟结果与分析2.1金属挤压流动过程从图 3 可知，金属被冲头挤压产生镦粗现象（第一阶段）。随着压力的作用金属被分流模分成三股流入分流孔（第二阶段）。从分流孔流出的胚料流向焊合室内，流入焊合室的金属受到流动限制，在高温高压作用下又重新融和在一起（第三阶段）。最终材料充满焊合室后从工作带挤出成形4（第四阶段）。2.2挤压温度对内部温度场的影响图 4 是挤压行程为 25 mm，挤压速度为 25mm/s 时，不同挤压温度下铝合金管材内部的温度场分布。由图 4 可知，不同挤压温度下，管材温度场分布规律基本相同。本次模拟结果与其他研究不同的是，虽然在定径带出口温度得到升高，但温度最大值并非在定径带获得，而是在分流桥和分流孔的边缘处获得，这说明减少分流孔数有可能减少定径带的变形量。在模具与胚料接触部分可以看到温度有所下降，这是因为他们与环境存在热交换的关系导致的。随着挤压温度的增加，温度峰值也不断升高，这是符合实际变化规律的。铝管出口处，温度分布较均匀，并且温度明显升高，这是由于在挤压过程中金属流过定径带时，发生较大变形和摩擦引起的变形热，因此导致铝管出口温度升高。并且随着挤压温度的增加，出口温度不断增大。对铝合金而言，出模孔温度过高，制品的抗应力腐蚀性能会大幅度下降5，6。由图 5 可知，出模孔温度随挤压温度的升高而增加，但增加的趋势变化不大。因此可以通过模参数数值毛坯材料AL 1050模具材料AISI H-13坯料直径/mm32坯料长度/mm100毛坯初始温度/400、420、440、460挤压速度/（mm s-1）10、15、20、25毛坯与模具的摩擦系数0.3界面热传导系数/（W m-2-1）1初始晶粒尺寸/滋m58表 1数值模拟的初始参数镦粗阶段分流阶段焊合阶段成形阶段图 3金属流动的 4 个阶段493478437396511464436408519480450419545507469431（a）（b）（c）（d）图 4不同挤压温度下管材温度场分布（a）400（b）420（c）440（d）460 58-第 1 期480475470465460455450445440435400420440460胚料预热温度/益图 5铝管出口温度随坯料加热温度的变化陈一郡，等：工业纯铝管挤压成形过程的数值模拟拟仿真的技术来预测金属在挤压过程中温度场的分布情况，避免大范围温度过高发生晶粒长大现象，合理控制金属出模孔温度，使晶粒组织细化，是获得高性能挤压组织无缝管的有效方法之一7。2.3挤压温度对应力分布的影响图 6 为挤压行程 25 mm，挤压速度 25mm/s时，不同挤压温度下铝合金管材内部的压应力分布。由图 6 可知，挤压温度较低时，挤压筒内部金属压应力较低，挤压温度较高时，挤压筒内部金属等效应力在靠近分流孔处压应力升高，胚料到焊合室和分流孔处靠近模壁时应力达到最大值。由图 6 可知随着挤压温度升高应力最大值逐渐降低后又缓慢上升，这是温度、应力和应变速度综合作用的结果。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，应力易在大范围内传递，在应力图中表现为变形区体积增大8，9。生产过程中应注意如果该位置拉应力大于纯铝的抗拉强度，挤压出的管材制品表面就会产生向内扩展的裂纹。2.4挤压温度对晶粒尺寸的影响图 8 为挤压行程 25 mm，挤压速度 25mm/s时，不同挤压温度下铝合金管材内部的平均晶粒尺寸分布。由图 8 可知，不同挤压温度下，管材平均晶粒尺寸分布基本相同，挤压筒内部金属平均晶粒尺寸基本上都未发生变化，靠近分流孔挤压变形区域体积增大，晶粒的分布规律是从上往下逐渐变小，到模孔处平均晶粒尺寸达到最小值。相对原始晶粒尺寸，晶粒明显得到细化。随着挤压温度的增加，焊合面和挤出的铝管的晶粒尺寸变化规律是逐渐增大的，这是由于温度升高引起的晶粒长大10。82.657.031.34.61（a）（b）（c）（d）79.754.228.63.1173.949.925.81.7174.249.625.00.427图 6不同挤压温度下压应力分布（a）400（b）420（c）440（d）460 400420440460胚料预热温度/益848280787674图 7不同挤压温度下最大压应力59-第 59 卷图 9 为铝管焊缝和基材晶粒尺寸点追踪结果。由图可知，焊缝的晶粒是小于基材的，大概相差 12 m，整体来看晶粒分布还是比较均匀。焊缝区晶粒在挤压过程中发生动态再结晶，而基体区晶粒在挤压过程中温度较高的再结晶晶粒发生长大，因此导致基体区的晶粒尺寸相对较大。随着挤压温度升高，无论是焊缝还是基体位置的晶粒尺寸都逐渐增大。由此可见，温度增加会使得再结晶晶粒长大。因此我们在选择挤压温度时需要考虑其对晶粒的影响。2.5挤压速度对内部温度场的影响图 10 为挤压行程 25 mm，挤压温度 460 时，不同挤压速度下铝合金管材内部的温度分布。由图 10 可知，最高温度出现在分流桥和铝管挤出部位。金属在稳态时的温度始终高于初始预热温度，并沿着挤压方向逐渐增大。随着挤压速度的增大，型材在定径带出口温度逐渐升高，随着挤压速度进一步增大，出口温度有缓慢下降的趋势。这和坯料与挤压筒的摩擦程度、坯料本身塑性变形的激烈程度、散热时间有关。并且速度加快会降低金属在模具中停留时间，减少了金属与模具之间的摩擦，因此导致温度轻微下降的现象11。2.6挤压速度对应力分布的影响图 11 为挤压行程为 25 mm，挤压温度 460时，不同挤压速度下铝合金管材内部的等效应力分布。由图 11 可知，不同挤压速度下，管材等效应力分布基本相同，在变形量较大的区域（分流孔、分流桥和工作带）时应力达到最大值。铝管部位在挤压速度为 20 mm/s 时获得的应力值是最小的，管材应力降低可以减少应力集中而引发裂纹等缺陷12。由图 12 可知，随着挤压速度的增加，压应力峰值呈先增大后降低的趋势。挤压速度从 10mm/s 增大到 20 mm/s 时，压应力峰值由 67.2 MPa增加到 86 MPa；继续增加挤压速度到 25 mm/s，压应力峰值降低为 74.2 MPa。这是因为在挤压过程中，材料内部同时进行着加工硬化和动态软化两个相互竞争的过程13。2.7挤压速度对晶粒尺寸分布的影响图 13 为挤压行程 25 mm，挤压温度 460 时，不同挤压速度下铝合金管材内部的平均晶粒333231302928272625242322400420440460胚料预热温度/益333231302928272625242322铝管焊缝晶粒尺寸铝管晶粒尺寸图 9不同胚料预热温度对晶粒尺寸的影响58.039.621.22.85（a）（b）（c）（d）58.040.022.04.0058.041.024.17.0858.042.026.110.1图 8不同挤压温度下管材的平均晶粒尺寸分布图（a）400（b）420（c）440（d）460 60-第 1 期尺寸分布。由图 13 可知，随着挤压速度的增加，金属的晶粒尺寸呈现不断减小的现象。这是因为在挤压速度较低时，金属流动时间增加，为再结晶晶粒提供足够时间使其长大；而挤压速度过快时，缩短了金属停留时间，金属来不及长大，保留了动态再结晶时的晶粒形态14。由图 14 可知，与前面不同挤压温度的规律一致，基材的晶粒尺寸是大于焊缝的。随着速度的增加，晶粒尺寸变化规律为逐渐减小的趋势。在挤压速度为 1015 mm/s 时，可以看到下降趋势较大。随着速度进一步增加，下降趋势降低，由此可见，在低速且较高的温度条件下，金属在模具停留时间较长会引起再结晶晶粒的长大，因此出现挤压速度为 10 mm/s 的晶粒尺寸较大，而在挤压速度为 25 mm/s 时的晶粒尺寸相对较小。因此，我们综合以上分析结果可知在较高的挤压速度和挤压温498474449424（a）（b）（c）（d）494472449427550510470430545507469431图 10不同挤压速度下管材温度场分布（a）10 mm/s（b）15 mm/s（c）20 mm/s（d）25 mm/s图 12压应力的最大值90858075706510152025挤压速度/（mm s-1）（a）10 mm/s（b）15 mm/s（c）20 mm/s（d）25 mm/s67.245.022.80.555（a）（b）（c）（d）66.444.622.81.0386.058.931.84.6474.249.625.00.427图 11不同挤压速度下压应力分布陈一郡，等：工业纯铝管挤压成形过程的数值模拟61-第 59 卷度下，可挤压出综合性能较好的铝管。3结论（1）挤压速度一定，随着挤压温度的增加，温度峰值不断升高，出口温度不断增大。应力最大值逐渐降低后又缓慢上升。焊合面和挤出的铝管的晶粒尺寸也逐渐增大，焊缝的晶粒小于基材，相差12 m。（2）挤压温度一定，随着挤压速度的增加，型材在定径带出口温度逐渐升高，随着挤压速度进一步增大，出口温度有缓慢下降的趋势。压应力峰值呈先增大后降低的趋势。金属的晶粒尺寸呈现不断减小的现象。（3）在此模拟条件下最佳工艺参数为 460、25 mm/s，铝管和焊缝的晶粒尺寸分别为 24.7m和 24.3m。参考文献：1刘友良,张新明,李慧中,等.工业纯铝的动态再结晶行为J.湖南有色金属,2006(03):33-36.2杨纯梅,王燕,曹海龙,等.7055 铝合金的热变形行为及挤压工艺研究J.铝加工,2020(03):52-57.3李世康，李落星，刘志文，等.挤压速度对 6063 铝合金管材焊合 强 度 的 影 响 J.中 国 有 色 金 属 学 报.2017,27(9):1775-1784.4程磊,谢水生,黄国杰,等.分流组合模挤压铝合金口琴管的数值模拟J.塑性工程学报,2008(04):131-135+170.5邓小民.无润滑挤压铝合金管工艺参数的确定J.轻合金加工技术,2002(40):25-286张一兵,朱磊,任杰.基于 Deform-3D 两端齿形件的冷挤压成形数值模拟研究J.中国设备工程,2021(24):272-273.7薛江平,黄东男,左壮壮,等.挤压温度对 6005A 铝合金焊合区域显微组织和力学性能的影响J.中国有色金属学报,2018,28(07):1291-1298.8王乾廷,谢志敏,梁卫抗,等.铝合金型材高速挤压的曲面抛物线形分流桥成形机理J.塑性工程学报,2023,30(01):18-27.9杨志高,徐永礼,庞祖高,等.基于 Deform-3D 方管铝合金型材等温挤压的变速挤压数值模拟 J.锻压技术,2015,40(04):152-157.10王文熙,孙有平,王松辉,等.高温拉伸对 2524 铝合金显微组织与力学性能的影响J.特种铸造及有色合金,2018,38(02):227-229.11李贤睿,方文利,唐鼎,等.铝合金微通道扁管热挤压成形数值模拟J.塑性工程学报,2017,24(05):1-6+31.3231302928272625248101214161820222426铝管焊缝晶粒尺寸铝管晶粒尺寸3231302928图 14铝管焊缝和基材晶粒尺寸随挤压速度的变化挤压速度/（mm s-1）58.043.428.914.3（a）（b）（c）（d）58.042.026.110.158.041.625.28.8758.041.224.37.46图 13不同挤压速度下管材的平均晶粒尺寸分布图（a）10 mm/s（b）15 mm/s（c）20 mm/s（d）25 mm/s62-第 1 期陈一郡，等：工业纯铝管挤压成形过程的数值模拟12武美妮,陈灿龙,张勇,等.挤压对 6N01 铝合金型材性能均匀性的影响J.有色金属工程,2014,4(03):18-20.13程磊，谢水生，黄国杰，等.焊合室高度对分流组合模挤压成形过程的影响J.稀有金属，2008,32(4):5.14He Y,Xie S,Cheng L,et al.FEM simulation of weldingquality in porthole die extrusionJ.Journal of Wuhan Uni-versity of Technology-Mater.Sci.Ed.2011,26(2):292-295.Numerical simulation ofthe extrusion formingprocess of industrial pure aluminum tubesCHEN Yijun1，YANG Jin1，LI Zhenglong2,ZHAO Fei1，CHEN Chaoyi1，LAN Yuanpei1，WANG Linzhu1（1.College ofMaterials and Metallurgy，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou China;2.Zunyi Hengjia Aluminum Co.Ltd.，Zunyi 563100,Guizhou China）Abstract:In order to solve the problems of poor welding,out-of-size,uneven wall thickness and sub-standard mechanical properties in the process of continuous extrusion of refrigerated aluminum tube,DEFORM-3D finite element software was used to numerically simulate the extrusion process of alu-minum tube,and to analyze the effects of extrusion temperature and velocity on temperature field,stressfield and grain size,providing guidance for the optimization of extrusion process parameters.The resultsshow that when the extrusion speed is constant,the outlet temperature of the sizing zone increases withthe increase of the preheating temperature of the blank,the stress decreases with the increase of theextrusion temperature,and the average grain size increases with the increase of the extrusion tempera-ture.When the extrusion temperature is constant,the temperature of the die hole increases with the in-crease of the extrusion speed,the stress peak increases first and then decreases with the increase of theextrusion speed,and the average grain size gradually decreases with the increase of the extrusion speed,and the grain size at the weld is smaller than that of the substrate.Under the simulated conditions,theoptimum process parameters are 460,25 mm/s,and the grain sizes of aluminum tube and weld are24.7 m and 24.3 m,respectively.Key words:Aluminum tube;Extrusion forming;Extrusion temperature;Extrusion speed;Numerical sim-ulation63-