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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文章编号:1004-0609(2007)09-1453-07

铝型材挤出速度对模具磨损程度的影响

彭必友1, 2,殷国富1,傅 建2,蔡 鹏1

(1. 四川大学 制造科学与工程学院,成都 610065;

2. 西华大学 材料科学与工程学院,成都 610039)

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。

关键词:铝型材;挤出速度;磨损;Archard;数值模拟

中图分类号:TG 376       文献标识码:A

Effect of extrusion velocity to wear degree of aluminum profile

PENG Bi-you1, 2, YIN Guo-Fu1, FU Jian2, CAI Peng1

(1 School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China;

2 School of Materials Science and Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China)

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.

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

                    

在铝型材挤压成形过程中,挤压模具由于长时间承受高温、高压、反复循环应力等作用,导致挤压模具极易产生磨损、疲劳破裂、塑性变形等失效形式[1?2]。其中磨损是影响模具寿命的决定性因素,特别是高温成形过程中,模具因磨损而失效的情况超过70%[3]。但常规的物理实验对研究坯料的变形规律和模具的工作状况受到诸多的限制,故国内外众多学者采用有限元法等数值模拟方法对铝型材挤压过程的成形规律和模具的应力、应变和温度场等进行了分析[4?7],取得了重大进步。

在铝型材挤压成形中,挤出速度(挤压轴的移动速度)是优化挤出工艺和模具设计的重要参数之一。

Caloska等[8]指出不合理的挤出速度不但会影响挤出制品的质量,而且还会导致模具工作带的过早失效,如局部塌陷、裂纹、磨损和变形等。傅建等[9]分析了挤出速度对载荷-行程曲线、挤压力、模具应力场和温度场的影响。王雷刚等[10?11]对挤压模具的磨损状况进行了数值模拟,得到了某一特定工艺方案下模具某些测量点的磨损值。但挤出速度对模具各个点的磨损状况的影响目前尚不清楚,而定量了解和掌握其在挤压过程中模具磨损变化的规律,对其有效地设计模具、制定挤压工艺等都是十分重要的。为此,本文作者基于修正的Archard磨损理论,采用有限元方法,对挤压模具的工作状况进行数值模拟,全面获得了模具各个测量点的瞬时温度、压力和速度场的分布,并得出挤出速度对模具磨损程度的影响行为,从而为挤压工艺的制定提供了理论依据和参考。

1  理论依据

1.1  挤出速度与应力

通常,刚塑性材料的塑性变形抗力可以用流动应力表示:

对于Al-Mg-Si系列合金的热变形,有[12]

由式(2)知,当变形温度一定时,铝合金挤出成形的流动应力会随着应变速率(与挤出速度等因素有关)的增大而增大。即在其他工艺条件和模具结构不变的情况下,高的挤出速度将伴随着高的挤出压力,以克服坯料的变形抗力。施加在坯料上的挤出压力(载荷)最终将有部分传递给挤压模具。

1.2  挤压模具的磨损预测模型

金属成形过程的磨损预测采用Archard常规模型,其中的磨损系数是常量。然而,材料的特性与接触条件随温度的改变而变化。要预测挤压模具的磨损,在模具温度超过400 ℃后,温度是主要因素且分布不均匀。在这方面的研究中,Lee等[13]假定Archard的磨损理论仍然适合于铝型材挤压,但是硬度和磨损系数不是常量,所提出的修正磨损模型为

在挤压过程中,压力、温度和速度场随着挤压的行程而发生变化,如图1所示。因此,式(3)可修正为

图1  磨损机理

Fig.1  Mechanism of die wearing

一个挤压模具i位置处的总磨损深度可以表示为

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