简介概要

铝型材挤出速度对模具磨损程度的影响

来源期刊:中国有色金属学报2007年第9期

论文作者:彭必友 殷国富 傅建 蔡鹏

文章页码:1453 - 1453

关键词:铝型材;挤出速度;磨损;Archard;数值模拟

Key words:aluminum profile; extrusion velocity; wear; Archard; numerical simulation

摘    要:基于修正的Archard磨损理论,利用数值模拟技术分析挤压成形阶段模具各个测量点的瞬时温度、压力和速度场的分布,研究挤出速度对模具磨损程度的影响。结果表明:随着铝型材挤出速度的增加,模具各个测量点的磨损量都随之增加;由于模具工作带入口的正压力和温度均较其他部位大,使其磨损量也是最大的,故成为模具失效的主要区域;整个挤压过程有5 000个阶段,当挤出速度为10 m/min时,P15点的总磨损量为1.45 mm,计算结果与实际情况基本吻合,为挤压工艺的制定提供了理论依据和参考。

Abstract: Based on modified Archard’s wear theory, a lot of usefu1 data were obtained by finite element software during the process of extrusion, including instantaneous temperature, pressure and velocity field of every node, and rules of wear amount under various extrusion velocities were obtained. The results indicate that with the increase of extrusion velocity, the wear amount of each measure point increases. Because normal pressure and temperature around the die land are higher, and wear amount is also higher than the other part of the die, the die land becomes main area of invalidation. If total amount of forming phase is 5 000 and the speed is 10 m/min, the total wear amount of P15 is 1.45 mm. All the results are in good agreement with actual conditions, therefore it provides theory basis and reference to make aluminum profile extrusion process.

基金信息:国家自然科学基金资助项目
四川省科技厅应用基础资助项目



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从模具磨损区域的全方位追踪看,可以在一个挤压过程后预测磨损,而最终点磨损分布或者模具寿命可以通过求和法,由整个挤压过程得出。对于磨损系数K(T)和硬度H(T),Lee等[13]通过实验确定二者与温度的关系为

1.3  摩擦模型

在金属体积成形过程中,反正切函数摩擦力模型不仅可以反映摩擦力的变化情况,而且可以避免速度中性点处摩擦力换向问题,因此在挤压成形模拟过程中采用反正切摩擦力模型[14?15],该模型不仅可以反映摩擦力的变化情况,而且可以避免速度中性点处摩擦力换向问题。因此在挤压成形模拟过程中采用反正切摩擦力模型,其具体表达式为

2  模拟实验

本实验的硬件平台为HP xw6100工作站,模拟软件为SFTC公司的DEFORM3D。挤压制品为一圆棒,挤压比为6.25,建模示意图如图2所示。

图2  建模示意图

Fig.2  Schematic plan of model building

为了节约计算资源,加快模拟速度,采用了模型的1/4作为分析对象。工件和模具的有限元分析输入数据如表1所示,坯料的流动应力如图3所示。模具与坯料之间的摩擦因数为0.4;挤压速度(挤压轴的移动速度)依次设定为5、10、12、20 m/min。

表1 有限元分析输入数据

Table 1  Input data for finite element analysis

图3  480 ℃下AL6061的流动应力曲线

Fig.3  Flow stress—strain curves of AL6061 at 480 ℃

图4所示为模具磨损值测量点分布示意图,共有22个测量点,点P1到P15沿1号线分布,各点相对于P1的距离值如表2所示;点P16到P22沿2号线分布,各点相对于P15的距离值如表2所示。

图4  测量点示意图

Fig.4  Schematic plan of measure point

表2  测量点的相对距离

Table 2  Relative distance of measure point

通过式(6)计算硬度和磨损系数。从每个模拟阶段各个单元节点和时间段的速度场,可以计算材料的滑动长度,然后通过式(4)计算每个模拟阶段节点的磨损深度,再代入式(5)将所有阶段的磨损求和,得到整个挤压过程每个节点的磨损总深度。

整个实验分2步进行:

1) 为了获得挤压过程中的载荷—行程曲线、给定行程内的坯料与模具温度场分布以及变形坯料施加给模具的作用力(边界力)等数据。将坯料(铝锭)设置为塑性体,模具全部设置为刚性体,模拟分析铝合金坯料在不同挤压速度下的塑性变形行为。

2) 从实验第一步的结果中提取一系列的边界力、温度等数据(由DEFORM自动完成),并将模具设置为弹性体,施加必要的边界条件后,模拟计算挤压模具的受力情况。

3  分析与讨论

表3列出了挤出速度为10 m/min,挤压行程为80.1 mm时,各个测量点在该阶段的参数值和磨损值。

表3  各测量点的参数值和磨损量

Table 3  Parameter and wear amount of each measure point

3.1  挤出速度对硬度和磨损系数W的影响

由于铝型材的挤压通常是在近似于绝热的条件下进行,加之变形功转变成热以及摩擦生热的作用,所以挤出速度越快,坯料温度上升就越快(见图5)。与之相反,模具温度的上升速度却随着挤出速度的增加而减慢,这是因为变形坯料向模具传递热量需要一定时间,在相同的挤压行程处(本文为80.1 mm),低速挤出的模具和坯料接触到时间要长一些,所以温度上升反而较快。其中温度最大值为模具工作带入口处,这是由于此处是铝型材挤出的瓶颈,坯料变形剧烈,坯料在此处的流动受到阻碍,增加了与模具热交换时间,故温度最高出现在P13到P15这段区域(见图6)。由于硬度和磨损系数W和温度存在式(6)中的关系,故挤出速度对硬度和磨损系数K的影响如图7和图8所示。

图5  挤出速度对模具温度场的影响

Fig.5  Effects of extrusion velocity on temperature of die

图6  模具温度场

Fig.6  Temperature field of die

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