唐 妍

(南京交通職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院，江蘇 南京 211188)

工業(yè)鋁材熱擠壓成型中摩擦狀態(tài)的CAE分析

唐 妍

(南京交通職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院，江蘇 南京 211188)

在工業(yè)鋁材熱擠壓成型中，摩擦狀態(tài)直接決定了鋁材的產(chǎn)品質(zhì)量和擠壓模具的使用壽命，因此作為衡量摩擦狀態(tài)的重要參數(shù)，摩擦因子是熱擠壓過程中主要的工藝參數(shù)之一。以某工程機械駕駛室窗框鋁材為例，通過CAE技術(shù)模擬仿真了在熱擠壓成型過程中不同摩擦因子對擠壓材料溫度和模具受力的影響。模擬過程中采用Pro/E軟件構(gòu)建成型擠壓模具，并導入模擬分析軟件MSC Superforge仿真成型過程，后處理結(jié)果可為工業(yè)鋁材熱擠壓模具的設(shè)計及企業(yè)生產(chǎn)實踐提供參考。

工業(yè)鋁材；摩擦狀態(tài)；擠壓；CAE

工業(yè)鋁材熱擠壓工藝和模具設(shè)計是型材質(zhì)量和提高模具壽命的重要保證，而摩擦因子是衡量熱擠壓過程中摩擦狀態(tài)的重要工藝參數(shù)，對工業(yè)鋁材產(chǎn)品質(zhì)量、擠壓模具壽命和企業(yè)生產(chǎn)效率都有重要影響。目前，我國的工業(yè)鋁材加工企業(yè)仍大多靠經(jīng)驗設(shè)計擠壓模具，以致模具生產(chǎn)周期較長、反復試模造成成本太高，且擠壓材料產(chǎn)品質(zhì)量也難以保證。在工業(yè)鋁材擠壓工藝和模具設(shè)計中采用CAE技術(shù)，可以實時仿真成型過程中擠壓材料外形及內(nèi)部各處應力、應變等力學場量的分布情況，有助于實現(xiàn)成型工藝參數(shù)和模具設(shè)計的及時修改和反饋。

本文以某工程機械駕駛窗框鋁材為例，窗框材料為Al6063，首先利用三維繪圖軟件Pro/E構(gòu)建成型熱擠壓模具，并導入CAE分析軟件MSC-Superforge模擬仿真不同摩擦因子下熱擠壓成型中擠壓材料的溫度變化和模具受力的分布情況，軟件后處理結(jié)果可為熱擠壓工藝及相關(guān)模具的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考依據(jù)[1-4]。

1 建立CAE模型

1.1設(shè)計擠壓模具

本文以某工程機械駕駛室窗框(如圖1所示)為研究對象，對其熱擠壓成型過程進行CAE分析，計算下模模孔處工作帶長度(如圖2所示)，同時利用Pro/E軟件構(gòu)建成型擠壓模具(如圖3所示)，成型模具材料選擇H13。Al6063坯料為φ180mm×60mm的圓棒，計算總擠壓比λ=54。

1.2選擇摩擦模型

金屬塑性變形過程中，工件與模具接觸的邊界存在著抑制或促進金屬流動的摩擦力，而其作用機理是個復雜的問題，它是不斷變化的，受多種因素制約，比如材料、邊界條件、溫度和速度等，對金屬的流動、壓力分布和擠壓力都有很大的影響。本文工業(yè)鋁材熱擠壓過程中Al6063變形毛坯料和擠壓筒之間的摩擦力對金屬流動的影響比較大。

在對金屬塑性成形過程進行CAE分析時，常采用的摩擦模型是常摩擦因子模型和庫侖摩擦模型。本文中工業(yè)鋁材的熱擠壓過程較為復雜，一般采用常摩擦因子模型，即假設(shè)在摩擦表面上的摩擦因子是一常數(shù)：

式中：m為摩擦因子；k為剪切屈服極限。其中m=0代表毛坯料和模具表面間無剪切摩擦；m=1代表摩擦狀態(tài)屬于粘著摩擦，摩擦剪切應力即變形材料的流動剪切應力。為分析摩擦狀態(tài)對工業(yè)鋁材成型過程的影響情況，本文分別選擇m為0，0.33，0.67，1.00進行CAE對比研究。

1.3設(shè)置工藝參數(shù)

成型擠壓模具和Al6063毛坯料的預熱溫度分別設(shè)定為450℃和480℃；CAE仿真網(wǎng)格尺寸為0.8mm；考慮計算機硬件配置限制同時為節(jié)省模擬時間，設(shè)置33mm的總擠壓壓下量，即凸模壓下量達到33mm時，熱擠壓過程正好進入穩(wěn)定狀態(tài)。

1.4輸入物理性能參數(shù)

MSCSuperforge軟件數(shù)據(jù)庫中沒有Al6063資料，需自行輸入。查文獻[5]，可知預熱到480℃時Al6063的彈性模量E=32GPa，泊松比ν=0.35，密度ρ=2 700kg/m3。

2 討論模擬結(jié)果

2.1摩擦因子對溫度的影響

整個工業(yè)鋁材熱擠壓過程中，480℃的Al6063圓棒在450℃的擠壓筒和擠壓模中由于壓力作用被迫通過截面積較小的分流孔以及模孔工作帶，作用在毛坯料上的功很大一部分用來克服分流模與變形材料間的摩擦[6]。

擠壓速度為6mm/s時，4種不同摩擦因子下擠壓材料最高溫度隨凸模壓下量的變化曲線如圖4所示。由圖可見4條曲線基本吻合，即說明Al6063坯料與擠壓筒和擠壓模具間的摩擦狀態(tài)對擠壓材料的最高溫度沒有影響，原因是接觸摩擦產(chǎn)生的熱量可通過模具向外界完全散失。進一步說明引起工業(yè)型材成型過程溫度變化的主要原因是毛坯料變形產(chǎn)生的熱量和變形材料與模具及環(huán)境間的熱交換。

擠壓速度為6mm/s、摩擦因子為0.33、凸模壓下量為33mm時，擠壓材料的溫度分布圖如圖5所示。可見在成型過程中，擠壓材料的最高溫度始終發(fā)生在材料與模孔工作帶接觸部分，與初始溫度相比該溫度升高了4.1℃；擠壓材料表面溫度最低，比初始溫度低了18.0℃，總溫差為22.1℃。由于坯料的預熱溫度比擠壓模具的預熱溫度高了30℃，因此擠壓材料產(chǎn)生的熱量可以向模具傳遞，擠壓材料的溫度不會升高太多。

凸模壓下量為33mm時擠壓下模的溫度分布如圖6所示，由圖可清楚看出下模分流橋處的溫度最高，比預熱溫度高了15.3℃，外表面由于和環(huán)境接觸，散失熱量，溫度最低時較預熱溫度低了20.2℃，總溫差為35.5℃。

2.2摩擦因子對模具受力的影響

在4種不同摩擦因子下得到的模具受力曲線

如圖7所示，由圖可見曲線形狀基本一致，受力載荷的峰值均產(chǎn)生于擠壓材料前端擠出下模?？坠ぷ鲙У臅r刻，即壓下量33mm擠壓進入穩(wěn)定狀態(tài)處。

圖8為4種不同摩擦因子對模具受力的影響曲線，由圖可知，隨著摩擦因子的增加，模具受力也隨之增大。在m=1.00時(純粘著狀態(tài))比m=0時(純滑動狀態(tài))模具受力載荷增加了6.2%，表明提高擠壓模具表面潤滑狀態(tài)，可以降低模具所受載荷大小，從而達到降低模具開裂幾率、提高模具有效使用壽命的目的，降低了企業(yè)成本。

3 結(jié)束語

本文以某工程機械駕駛室窗框鋁材為例，利用Pro/E軟件構(gòu)建其成型模具，并導入CAE軟件模擬了整個工業(yè)鋁材的熱擠壓過程，探討了不同擠壓因子對擠壓材料的最高溫度和模具受力的影響。

由模擬結(jié)果可知，不同的摩擦狀態(tài)對擠壓材料最高溫度大小的影響極小，成型過程中由于接觸摩擦產(chǎn)生的熱量可通過模具向外界完全散失；不同摩擦狀態(tài)下模具受力最大值均出現(xiàn)在擠壓材料流出下模模孔工作帶處，隨著摩擦因子的增加，模具受力最大值也隨之增大，可通過提高擠壓模具表面潤滑狀態(tài)來降低模具受力大小，從而達到降低模具開裂幾率、提高模具有效使用壽命的目的，降低企業(yè)成本。

[1] 吳向紅，趙國群，孫勝，等.擠壓速度和摩擦狀態(tài)對工業(yè)鋁材擠壓過程的影響[J].塑性工程學報，2007，14(2)：36-41.

[2] 于滬平，彭穎紅，阮雪榆.平面分流焊合模成形過程的數(shù)值模擬[J].鍛壓技術(shù)，1999(5)：9-11.

[3] 劉石柏.工業(yè)鋁材擠壓成型數(shù)值模擬與模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[D].長沙：湖南工業(yè)大學,2012.

[4] 唐妍.不同擠壓速度對鋁型材擠壓過程的影響[J].機械設(shè)計與制造工程，2013，42(9):58-61.

[5] 王堯.鋁合金型材分流擠壓過程的數(shù)值模擬研究[D].廣州：華南理工大學，2010.

[6] 吳向紅.工業(yè)鋁材擠壓過程有限體積數(shù)值模擬及軟件開發(fā)技術(shù)的研究[D].濟南：山東大學模具工程技術(shù)研究中心，2006.

The CAE analysis of friction state on the hot extrusion molding of aluminum

TANG Yan

(Nanjing Communication Institute of Technology, Jiangsu Nanjing, 211188, China)

The friction state determines the quality of the aluminum and the service life of extrusion dies in the aluminum hot extrusion forming. The friction factor is one of hot extrusion process parameters and measuring the friction state. Taking the construction machinery cab frame aluminum as an example, it analyzes the different friction factor for the temperature of extrusion materials and die stress in the process of hot extrusion forming based CAE technology. It builds the forming extrusion die in Pro/E and imports the model to simulation analysis MSC system, the simulation result provides the reference for forming extrusion die design.

aluminum; friction state; extrusion; CAE

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.02.008

2014-11-10

2014年南京交通職業(yè)技術(shù)學院青年教師科研基金資助項目(JQ1405)

唐妍(1983—)，女，江蘇鹽城人，南京交通職業(yè)技術(shù)學院講師，碩士，主要從事塑性成形數(shù)值模擬研究。

TG376.2

A

2095-509X(2015)02-0031-04