挤压速度对铝合金挤压过程的影响

摘要
挤压速度是影响铝合金圆管挤压过程的主要因素之一。

本文利用Deform有限元分析软件对6063铝合金管材冷挤压过程进行数值模拟,得到不同挤压速度下坯料温度，挤压力，速度场，等效应力和应变的分布情况。

结果表明: 挤压件内部温度变化主要受变形程度影响。

本文所采用的是冷挤压工艺，所选的4种挤压速度对挤压件温升影响很小，最大温升在2℃内。

但随着挤压速度的增大, 仍然能看到挤压件内的最大温度成上升趋势；在材料将要流出工作带时,挤压力达到最大值。

4种挤压速度对挤压力的影响范围在2.5吨左右，模具载荷随着挤压速度的增加而成增大趋势；随着挤压速度的增大,管材出口流速增加；挤压速度对等效应力和应变峰值无太大影响，但影响其分布范围。

随着挤压速度的增大，坯料的大变形区域增大。

当挤压速度是6mm/min时，材料的等效应变较大，挤出部分出现危险变形区。

根据实验验证及上述结论得出，挤压速度为2mm/min时，所得挤压件质量最好。

关键词：6063铝合金；管材；冷挤压；挤压速度
ABSTRACT
The extrusion speed is one of the main factors of the aluminum alloy tube extrusion
process. In this paper, the Deform finite element analysis software to simulate the 6063 aluminum alloy pipe cold extrusion process, get different extrusion speed, billet temperature, extrusion pressure, velocity field, the distribution of effective stress and strain. The results showed that: extrusion internal temperature is mainly affected by the degree of deformation effects. This is a cold extrusion process, selected the four kinds of extrusion speed on extrusion temperature rise is small, the maximum temperature rise within 2 ℃. But with the increase of the extrusion speed is still able to see the maximum temperature within the extrusion into the upward trend; maximum material will flow with the squeeze pressure. Four kinds of extrusion speed on the extrusion pressure range of about 2.5 tons of die load with the extrusion speed increase from the increasing trend; pipe exit velocity increased with the increase of the extrusion speed, billet dead zone With decreases; extrusion speed on the peak of effective stress and strain was not affected but the impact of their distribution range. With the increase of the extrusion speed, billet deformation zone increases.When the speed of extrusion material 6mm/min effective strain extrusion portion of the risk of deformation zone.
According to the experimental conditions and the conclusions drawn, the extrusion
speed 2mm/min income squeeze that a parts quality is best.
KEY WORDS：6063 aluminum alloy; pipe; cold extrusion; extrusion speed
目录
第一章绪论 (1)
1.1研究背景及意义 (1)
1.2挤压技术研究现状 (3)
1.3研究内容 (5)
第二章有限元理论 (6)
2.1数值模拟中描述运动的方法 (6)
2.2有限元法在数值模拟中的发展现状 (6)
第三章有限元数值模拟结果分析 (10)
3.1几何模型构建 (10)
3.2结果分析 (13)
3.2.1挤压速度对温度场分布的影响 (13)
3.2.2挤压速度对挤压力的影响 (16)
3.2.3挤压过程金属流动行的影响 (18)
3.2.4挤压速度对等效应力及等效应变分布的影响 (20)
3.3实验验证 (23)
结论 (25)
参考文献 (26)
致谢 (29)
第一章绪论
1.1 研究背景及意义
铝合金无缝管材作为一种典型的铝合金加工材，虽然在整个铝合金挤压材中所占的比例不大，但其应用范围非常广泛，并在不断扩大，其产量也在迅速增加。

1990年，我国仅生产铝合金无缝管材1.3万吨，到2000年增加到了5.3万吨，2005年则达到了创纪录的孤4万吨。

而且，我国还由—个铝合金管材的净进口国转变成为净出口国，2000年净进口1.16万吨，而2005年则净出口0.61万吨[1,2]。

硬铝合金的管材在航空航天以及军工等领域应用广泛，但由于其加工难度较大，所以产量受到限制。

长期以来科研工作者对这些硬铝和超硬铝合金的无缝管材的生产做了大量的研究工作，也取得了一些突出的成绩。

而6063铝合金是一种最典型的挤压合金，也是一种用途最广泛的合金材料，主要产品为挤棒材，型材，管材。

主要用于电子，电器，家电，通讯，建筑和装修等工业部门，如门框，窗框，壁板，货柜，家具，升降梯，以及屹机，船舶，轻仁业部门，建筑物等不同色彩装饰构件。

目前，建筑用型材普遍采用6063铝合金。

6063铝合金属于低合金化的Al-Mg-Si系高塑性合金，具有以下可贵特点:
(1).热处理强化后具有中等强度，冲击韧性高，对缺口不敏感。

(2).有极好的热塑性，可以高速挤压成结构复杂、薄壁、中空的各种型材或锻造结构复杂的锻件，淬火温度范围宽，淬火敏感性低，挤压和锻造脱模后，只要温度高于淬火温度，即可用喷水方法淬火，薄壁件(<3mm)还可以实行风淬。

(3).焊接性能和抗蚀性能优良，无应力腐蚀开裂倾向，在热处理可强化型合金中，AI-Mg-Si系合金为唯一没有发现应力腐蚀开裂倾向的合金。

(4).加工后表面十分光洁，且容易阳极氧化和着色。

其缺点是淬火后如在室温停放一段时间再时效，产生“停放效应”，会对强度带来不利影响。

主要组成物:α(Al)、Mg2Si。

可能杂质相:α-AIFeSi、FeAl3等。

镁和硅为该合金主要强化元素，形成强化相Mg2Si。

合金中Mg2Si含量为1.2%左右，镁、硅含量是按成形Mg2Si所需要的量，即Mg:Si=1.73:1而设计的，若镁过剩，Mg2Si在铝中的溶解度会显著减小，降低强化效果。

若Si过剩，会降低合金的抗蚀性，降低阳极氧化膜的光
泽度。

锰和铬可提高合金抗蚀性，减小“停放效应”。

并可细化铸造组织和焊缝组织，减小热裂倾向，并可提高合金伸长率。

铜虽然对合金有强化作用，但含量高则会损害抗蚀性。

由于6063合金主要用于装饰，为保证其抗蚀性，铜含量作杂质控制。

铁会明显损害阳极氧化膜的色泽，锌在允许范围内对合金性能影响不明显。

6063的工艺特点是高温塑性好，淬火温度范围宽，临界淬火速度小，可在
挤压锻造脱模后实现喷水或风淬。

均匀化退火后宜快速冷却，以保证阳极氧化着色后色泽的均匀性。

对于质量高的小直径铸锭，挤压前可以不进行均匀化退火。

淬火与人工时效之间的停留时间，不应超过1小时，否则对强度有损害，特别是对屈服强度。

6063铝合金固溶处理时，可能伴随晶粒长大，其原因是锰的偏析所致。

因此应保证铸锭成分均匀，如果固溶处理与挤压过程相结合，晶粒长大可以避免[3]。

所以本文选取6063铝材料作为研究对象。

而在铝合金的无缝管生产中,挤压速度的设定与坯料初始温度，挤压比，摩擦等的设定都是非常重要的。

挤压速度对变形抗力及塑性有很大的影响，其影响能力决定于切应变(或硬化)与软化过程之间的相互关系。

当变形速度较高时，因变形引起的热效应，会使挤压毛坯的温度升高，从而使流动应力降低；当变形速度再增高时，虽然毛坯的升温也很明显，但是由于变形过程中金属的加工硬化速度比再结晶过程中的软化速度快，坯料的流动应力不但不减小，反而明显增大。

因此挤压过程中必须认真控制挤压速度。

挤压速度对变形热效应、变形均匀性、再结晶、制品力学性能及制品表面质量均有重要影响。

从生产观点考虑，高的挤压速度是所希望的。

首先，由于挤压速度提高，降低了摩擦系数，从而降低了变形抗力，改善了变形的不均匀性；其次，减少了热加工时的热量损失，从而减少了坯料温度下降和温度分布的不均匀性，这对形状复杂的工件十分有利。

但高速变形由于热效应使得模具表面的温升加大，因而模具的强度和抗疲劳性能都要下降，同时，温度的上升也会引起润滑条件的恶化。

所以，速度增大时将会对模具寿命产生不利影响。

尤其值得注意的是，挤压速度过快，反而会增加金属变形的不均匀性，并且制品表面会出现麻点、裂纹等倾向。

目前国内铝型材挤压模具设计基本还停留在传统的依赖工程设计人员的经验和技术人员的试模、修模来保证模具设计的成功率，耗时、耗力，而且模具寿命和产品质量也难以保证。

将数值模拟技术引入挤压模具设计中，通过在计算机上模拟试模，能够得到铝合金在模腔内的变形信息，如速度、温度、应力应变、压力等物理场量的分布，由此可以判断型材产品有无扭拧、弯曲、波浪等缺陷，从而评价工艺及模具结构设计是否合理，及时修改工艺和设计参数，代替费时费力的试模及返修过程[4,5]。