6061铝合金复合挤压的缺陷分析

一般说来，锻件上是允许涡流存在的，但旋涡状
第二阶段：加速上升阶段，上凸模继续向下运动，
800 (a) 试样Ⅰ
600
1000 (b) 试样Ⅱ
800
1000 (c) 试样Ⅲ
800
载荷 / kN 载荷 / kN 载荷 / kN
600
600
400
400
400
200
200
200
0
0
0
0 5000 10000 15000 20000
试样编号
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
H / mm
7
5
3
h / mm
13
15
17
切面磨光，再进行机械抛光。然后放在刚配制的腐蚀 液 里 以 腐 蚀 出 清 晰 的 流 线 。 腐 蚀 液 配 方 为 ：15 ml HF+45ml HCL+15ml HNO3+25ml H2O。
在 DEFORM-3D 软 件 中 对 上 述 挤 压 过 程 进 行 数值模拟，并观察试样挤压过程中金属流动情况。
(2) 液压达到一定范围时， 厚度变化已不再明 显，过大的液压反而使实际生产中的设备成本增加。 使用最小二乘法优化法， 可在合理的液压范围内得 出解析关系式， 使自变量液压力对因变量最小厚度 的影响能够直观地体现出来， 为合理施加液压力提 供了数值参考。
参考文献：
[1] 苑 世 剑 ． 现 代 液 压 成 形 技 术 [M]． 北 京 ： 国 防 工 业 出 版 社 ， 2009．
样坐标网格所示金属变形情况来看， 连皮根部网格 2.2 变形载荷
出现了扭曲折叠。
挤压过程中 3 试样变形所需载荷如图 3 所示。
流 线 的 分 布 情 况 对 铝 合 金 的 性 能 有 很 大 的 影 图 4 为试样Ⅲ模拟至第 138 步， 即载荷刚开始进入
响，流线不顺、涡流和穿流等都会使铝合金的塑性指 第三阶段时，试样连皮根部金属流动情况。
对于这些问题的深入研究是正确设计冷挤压成形方案和模具设计的基础并且有助于保证挤压件的质量本文通过物理实验和数值模拟两种途径研究6061铝合金h形复合挤压时金属流动的规律讨论工件内的涡流空洞等缺陷并提出防止措施
金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
2010 年 9 月
6061 铝合金复合挤压的缺陷分析
Abstract： After stress relieving annealing of the specimens of 6061 aluminum alloy under the conditions of 415 ℃× 3 h＋30 ℃/h furnace cooling, the H shape composite extrusion was carried out to analyze the flow line and arisen defect of metal. And the practical results were compared with the numerical results under DEFORM-3D software. The results show that there are some defects of flow lines at the root of wad, and the thinner the wad, the more serious the defects, even the flow-through and cavity exists. The load of deformation can be divided into three stages, slow increasing stage, accelerative increasing stage and sharp increasing stage, the defects appear during the third stage.
段，挤压力急剧上升。
从图 4 可以看到， 当挤压力在刚刚进入第三阶
段（即 A 点）时，试样连皮根部还未出现流线不畅的
情况，这说明流线涡流、穿流、空洞等挤压缺陷出现
在第三阶段。
1520 1230
138 步
945
上模
载荷 / ×103N
655 A
365
474 -0.275 3.68 7.64 11.6 15.6 19.5
不畅，且连皮越薄，缺陷越严重，甚至出现穿流和空洞。 挤压过程所需载荷可大致分为缓慢上升、加速上升和急剧上升 3
个阶段，挤压缺陷出现在急剧上升阶段。
关键词： 6061 铝合金； 挤压； 缺陷； 流线； 数值模拟
中 图 分 类 号 ：TG376
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2010)17-0092-03
Defects Analysis of Composite Extrusion for 6061 Aluminum Alloy
DENG Tongsheng, WANG Gaochao, XIA Chunlin, XU Xuefeng
(School of Aviation Manufacturing Engineering， Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti 其他 Al
0.40～ 0.80
0.70
0.15～ 0.40
0.15
0.80～ 1.20
0.04～ 0.35
0.25
0.15
0.15
余量
22.5 和 21.7 mm）的坯料，分别编号为：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。 1.2 实验方法
首先对 6061 铝合金坯料进行去应力退火，具体 工艺为：415 ℃保温 3 h+30 ℃/h 炉冷。 热处理后使用 自 制 模 具 在 WAW-1000C 微 机 控 制 电 液 伺 服 试 验 机上进行常温挤压变形。 分别记录下每次挤压时的 载荷-位移曲线。 试样挤压前后形状及尺寸如图 1 所示。 3 个试样挤压后对应 H 和 h 值如表 2 所示。
2 实验结果及分析
2.1 金属流动 挤压后 3 试样剖切面上流线情况如图 2 所示，
其 中 （a）为 实 验 结 果 ，（b）为 模 拟 结 果 。 从上述实验结果可看出：在 6061 铝合金 H 形复
（a） 实验
（b） 模拟
（a） 实验
（b） 模拟
（a） 实验
（b） 模拟
试样Ⅰ
试样Ⅱ
试样Ⅲ
图 2 各试样挤压金属流动情况 Fig.2 Flow state of extrusion metal of different samples
93
金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
2010 年 9 月
法兰部分金属横向流动并接触到凹模，变形区相对稳
定。 此阶段挤压力不仅需要克服第一阶段两部分变形
阻力，还需克服法兰部分与凹模的摩擦等阻力。
第三阶段：急剧上升阶段，法兰部分基本达到预
定尺寸，上凸模再向下运动，这时挤压进入了第三阶
根据对复合挤压的流动规律试验研究， 在挤压的不 空隙，连皮以上部分相对向上流动，连皮以下部分向
同阶段其分流点是变化的，而不是一成不变的。在不 下流动，工件整体向下运动。在这一阶段挤压力必须
同阶段（即连皮厚度不同）则有不同的分流点，即分 流 点 是 变 化 的[2]。
克服金属内部的变形阻力， 以及坯料与上下凸模及 下半部分凹模间的摩擦力。
合挤压中，连皮根部容易出现涡流、空洞等低倍缺陷； 的涡流应避免。 因为严重的涡流可能夹带未显露的
且连皮越薄，缺陷越严重，试样Ⅱ和试样Ⅲ分别出现 粗晶。 与涡流不同， 穿流已使流线的连续性遭到破
了严重的折叠和空洞，这在实际生产中是不允许的。 数值模拟结果也反应了相同的问题： 从 3 个试
坏。 因此，它比涡流对锻件质量的影响更大。 所以航 空 用 铝 合 金 锻 件 ，一 般 是 不 允 许 穿 流 存 在 的 [3]。
Key words： 6061 aluminum alloy; extrusion; defects; flow lines; numerical simulation
铝合金模锻件上流线发生歪扭等称为流线不顺。 带筋模锻件， 尤其是具有 L 形、U 形和 H 形截面的锻 件，在筋的根部容易出现涡流、穿流和穿筋之类的低倍 缺陷。铝合金锻件涡流缺陷的低倍流线呈回流状，严重 时呈旋涡状或树木年轮状，有时涡流还带有粗晶[1]。
挤压后把试样沿纵向对称剖切， 在砂纸上把剖
准35
准25
准15
5
20
hH
H0
收 稿 日 期 ：2010-03-22 作 者 简 介 ：邓 同 生 （1987- ），男 ，江 西 赣 州 人 ，在 读 硕 士 研 究 生 ，主 要
研 究 方 向 ： 铝 合 金 加 工 ；E-mail ：dts115@ 通 信 作 者 ：王 高 潮 ， 电 话 ：0791-3863027；E-mail ：wgchao@
3 结论
(1) 对去应力退 火后的 6061 铝 合 金 进 行 H 形 复合挤压，发现在连皮根部容易出现流线涡流、甚至 空洞等低倍缺陷；且连皮越薄，缺陷越容易发生。
(2) 挤压过程中所需载荷依据工件的变形情况
(上接第 91 页)一次成形，且零件质量好。 采用该工 艺， 也使工件厚度分布较均匀且降低了零件顶部材 料拉裂的可能。
邓同生， 王高潮， 夏春林， 徐雪峰 （南昌航空大学 航空制造工程学院，江西 南昌 330063）
摘 要：对 6061 铝 合 金 坯 料 进 行 415 ℃保 温 3 h+30 ℃/h 炉 冷 的 去 应 力 退 火 ，然 后 进 行 “H”形 复 合 挤 压 ，分 析 其 金
属流动规律及出现的缺陷。 并把实际结果与 DEFORM-3D 模拟情况进行对比。 结果表明：挤压后的试样连皮根部流线
行程 / mm
图 4 试样Ⅲ模拟至 A 点时连皮根部情况 Fig.4 Simulation result of root of wad at
point A of sample Ⅲ
在实际生产中， 可以采用以下方法防止它们的 出现：①采用预锻工序； ②确定适当的坯料尺寸；③ 适当增大筋条根部的厚度和圆角半径； ④选择合适 的分模线位置等。
准25
图 1 试样挤压前后示意图 Fig.1 Samples before and after extrusion
92
Hot Working Technology 2010, Vol.39, No.17
上半月出版
Casting·Forging·Welding 金属铸锻焊技术
表 2 挤压后三试样对应 H 和 h 值 Tab.2 H and h value of samples after extrusion
在冷挤压过程中， 金属流动具有极大的不均匀 性。外部摩擦、模具结构、零件的各种复杂几何形状、 材料的硬化等， 均使金属的流动更加复杂。 对于这 些问题的深入研究， 是正确设计冷挤压成形方案和 模 具 设 计 的 基 础 ，并 且 有 助 于 保 证 挤 压 件 的 质 量 [2]。
本文通过物理实验和数值模拟两种途径研究 6061 铝合金 H 形复合挤压时金属流动的规律，讨论 工件内的涡流、空洞等缺陷，并提出防止措施。
1 实验材料及方法
1.1 实验材料 实验原材料为 6061 铝合金， 其化学成分见 表
1。 加工成 3 个尺寸为 准25 mm×H0（H0 分别为 23.1、
表 1 6061 铝合金的化学成分（质量分数，%） Tab.1 Chemical composition of 6061 aluminium alloy(wt%)
可以大致分为缓慢上升、 加速上升和急剧上升三个 阶段。三个阶段所需挤压力依次增大，且变化速率也 依次增大。 缺陷出现在载荷急剧上升阶段。
(3) 采用增大连皮的厚度及圆角半径、 确定适 当的坯料尺寸和 选择合适的分模线位置等措施可 以预防此类流线不畅缺陷的产生。
标、疲劳强度和抗腐蚀性能有明显降低。
由图 3 可知， 载荷与行程的关系可以大致分为
在复合挤压中， 变形区内有向出口流出的区域 三个阶段：
边界，即分流面。 由于受模具结构、零件形状及外摩
第一阶段： 缓慢上升阶段， 上凸模下行接触工
擦等因素的影响，分流面不能用简单的方法来决定。 件，金属开始产生塑性变形。金属开始进入凸凹模的
0 5000 10000 15000 20000
0 1000 2000 3000 4000
行程 / μm
行程 / μm
行程 / μm
图 3 各试样行程载荷曲线
Fig.3 Load - stroke curves of different samples
《热加工工艺》 2010 年第 39 卷第 17 期