某铝合金T型材双模孔反向挤压变形分析及模孔位置优化_吕正风.pdf

第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023特种成形某铝合金 T 型材双模孔反向挤压变形分析及模孔位置优化吕正风1,李烨旭2,孙有政1,曹善鹏1,马新武2,赵国群2(1.山东南山铝业股份有限公司,山东 龙口 264000;2.山东大学 材料液固结构与加工教育部重点实验室,山东 济南 250061)摘要:双模孔反向挤压过程中,模孔布局对挤压型材的变形及质量具有重要影响。对某铝合金 T 型材双模孔反向挤压过程进行了数值模拟,分析了不同模孔布局对挤压型材变形及其均匀性的影响规律,获得了平模挤压两模孔的合理布局方案。并针对平模挤压两模孔之间存在的等效应变集中问题,提出了一种在平模挤压两模孔之间设置劈料台的方法,对比分析了设置劈料台前后型材的等效应变、温度分布和流速分布等。结果表明,模孔布局对挤压型材的等效应变分布的影响明显,合理的模孔布局可有效提高型材的变形均匀性,具有劈料台的挤压模具能够显著改善型材的等效应变集中问题。关键词:双模孔;反向挤压;T 型材;模孔布局;劈料台DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.020中图分类号:TG375 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0144-08Deformation analysis and mold hole position optimization on double mold hole reverse extrusion for aluminum alloy T profileLyu Zhengfeng1,Li Yexu2,Sun Youzheng1,Cao Shanpeng1,Ma Xinwu2,Zhao Guoqun2(1.Shandong Nanshan Aluminum Co.,Ltd.,Longkou 264000,China;2.Key Laboratory for Liquid-Solid Structure Evolution&Processing Materials Ministry of Education,Shandong University,Jinan 250061,China)Abstract:During the process of reverse extrusion with double mold holes,the layout of mold hole has an important impact on the deforma-tion and quality of extruded profiles.Therefore,the numerical simulation of reverse extrusion process with double mold holes for aluminum alloy T profile was carried out,and the influence laws of different mold hole layouts on the deformation and its uniformity of extruded pro-file were analyzed to obtain a reasonable layout plan for double mold holes in flat mold extrusion.Then,aiming at the problem of equiva-lent strain concentration between the double mold holes in the flat mold extrusion,a method of setting a cleaver divider between the double mold holes in the flat die extrusion was proposed,and the equivalent strain,temperature distribution and velocity distribution of profiles before and after setting the cleaver divider were compared and analyzed.The results show that the mold hole layout has a significant effect on the equivalent strain distribution of extruded profile.Thus,a reasonable mold hole layout can effectively improve the deformation uniformity of profile,and the extrusion mold with cleaver divider can significantly improve the problem of equivalent strain concentration of profile.Key words:double mold holes;reverse extrusion;T profile;mold hole layout;cleaver divider收稿日期:2022-05-04;修订日期:2022-08-12基金项目:山东省重点研发计划(重大科技创新工程)(2021 ZLGX01)作者简介:李烨旭(1998-),男,博士研究生E-mail:202020483 通信作者:赵国群(1962-),男,博士,教授E-mail:zhaogq 世界能源问题愈演愈烈,轻量化已成为社会可持续发展的重要举措。铝合金具有强度高、密度小、耐腐蚀性能优异等优点,在航空航天1、交通运输2、建筑装饰等领域得到广泛应用。热挤压法是生产铝合金构件的重要方法之一3,一般分为正挤压、反挤压和侧向挤压。反挤压的金属流动相对均匀,变形抗力小,由于挤压过程中金属温升小,故可提高挤压速度,且制品表面上不易出现裂纹4。但采用多模孔反向挤压铝合金型材时,模孔布局对挤压型材的变形及质量具有重要影响。研究模孔布局对挤压型材变形及其均匀性的影响规律,对于控制型材变形均匀性和提高型材的横向性能具有重要作用。在多模孔铝合金挤压技术研究方面,Zhang C S等5研究了铝合金管的多模孔分流挤压过程,设计了不同的模孔位置,揭示了模孔位置对变形均匀性和焊合质量的影响规律。Fang G 等6研究了 V 型材的多模孔挤压过程,通过设计不同的模具结构,获得了相对均匀的流速分布。Chen F K 等7研究了铝合金管的多模孔挤压过程,通过调节模孔的位置,提高了模孔出口处材料流动速度的均匀性。Das R等8研究了不同模具结构对挤压载荷、等效应变和挤出产品长度的影响,获得了更为均匀的等效应变分布。此外,还有许多学者9-13研究了单模孔挤压时模具结构对变形均匀性的影响规律。对于航空铝合金挤压结构件,不仅对挤压件的纵向(挤压方向)性能具有明确要求,而且还对挤压件的横向性能具有要求,但双模孔或多模孔挤压时,挤压件的横向变形量相对较小,且变形往往不均匀,势必影响挤压件截面上的变形和组织均匀性,乃至横向性能。因此,研究双模孔反向挤压型材的变形均匀性具有重要意义。本文针对某铝合金 T 型材双模孔反向挤压过程,研究了模孔布局对材料变形的影响,对模孔位置进行了优化设计,并在此基础上提出了一种在两模孔之间设置劈料台的方法,显著提高了挤压件的变形均匀性。1 双模孔布局方案图 1a 为所研究的 T 型材的截面形状与尺寸,综合考虑挤压筒的大小、型材的形状与尺寸及生产效率,采用双模孔布局的模具在 150 MN 反向挤压机上进行挤压,一次挤出两个型材,实际挤出的型材如图1b 所示。在实际挤压过程中,认为模孔布局对于型材成形质量具有重要影响,为此,本文系统研究了不同模孔布局对挤压型材变形及其均匀性的影响规律。图 1 T 型材截面形状与尺寸(a)及产品图片(b)Fig.1 Section shape and dimensions(a)and product picture(b)for T profile 双模孔的布置遵循中心对称原则,考虑型材的几何形状及挤压筒直径,设置了 3 种双模孔布局方案,包括左右布局、短边相对的上下布局、长边相对的上下布局,如图 2 所示。其中,左右布局时,双模孔之间的距离由 L1和 L2控制,L1为两模孔中心线的距离,L2为两模孔上下短边间的距离;短边相对上下布局和长边相对上下布局时,双模孔之间的距离分别由 Ls和 Lh来控制,Ls为短边相对上下布局中两模孔短边的距离,Lh为长边相对上下布局中两模孔长边的距离。图 2 模孔布局(a)左右布局(b)短边相对上下布局(c)长边相对上下布局Fig.2 Mold hole layouts(a)Left and right layout(b)Top-bottom layout with short sides facing each other(c)Top-bottom layout with long sides facing each other541第 3 期吕正风等:某铝合金 T 型材双模孔反向挤压变形分析及模孔位置优化 选择不同的 L1和 L2组合和不同的 Ls和 Lh,研究不同模孔布局对挤压型材变形的影响。L1和 L2越大,即图 2a 中的模孔距离越大,则模孔距离挤压筒的内壁就越近,根据模具应尽量紧凑和靠近挤压筒中心的设计原则,模孔距离挤压筒内壁应不小于60 mm,否则挤压坯料表层金属容易流入型材,进而影响型材的组织与性能。此外,L1和 L2越小,即双模孔之间的距离越小,材料在分别流入不同的模孔时会使金属产生剧烈变形,从而影响型材变形及组织性能的均匀性。考虑到模具模套的装配方式,L1和 L2的变化范围分别为:120 mmL1195 mm,20 mmL290 mm。同理,Ls和 Lh的选择范围分别为:30 mmLs200 mm,30 mmLh200 mm。为研究图 2 所示 3 种布局方案中不同模孔之间的距离(模孔布局)对材料变形的影响,表 1 给出了 7 种不同的模孔布局。将挤压模具的工作带设计成不等长工作带,其中 3 个端部位置处的工作带长度为4 mm,其余位置的工作带长度为 6 mm,模具设置三级空刀。表 1 7 种不同的模孔布局(mm)Table 1 Seven kinds of different mold hole layouts(mm)双模孔的布置尺寸左右布局短边相对上下布局长边相对上下布局方案1方案2方案3方案4方案5方案6方案7L1/L2156/25186/25186/75Ls30120Lh301202 模孔布局对挤压型材变形的影响规律针对表 1 所示的 7 种不同的模孔布局,基于Deform 模拟软件,分别建立了不同模孔布局的挤压过程的数值模拟模型,图 3 给出了模孔左右布局的挤压型材的数值模拟模型。对于 7 种不同的模孔布局,选择材料为 2024 铝合金,坯料直径为 598 mm,坯料长度为 500 mm,挤压速度设置为 1.2 mms-1,模具及坯料的加热温度为 410,挤压筒的加热温度为 420,传热系数为 11 N(smm)-1,摩擦类型设为剪切摩擦,其中剪切摩擦因子选择为0.414。2.1 等效应变分布图 4 为不同模孔布局对应的模孔出口处型材截面上的等效应变分布。从图 4 可以看出,受模孔排图 3 模孔左右布局的型材挤压过程数值模拟模型Fig.3 Numerical simulation model of profile extrusion process with left and right layout for mold h