鋁合金型材等溫?cái)D壓參數(shù)優(yōu)化及數(shù)據(jù)管理

白永成，趙 蓬

當(dāng)今科技進(jìn)步和現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，鋁合金型材的品種規(guī)格不斷拓展，不斷增多，應(yīng)用范圍已由民用建材領(lǐng)域推廣到航天航空、汽車船舶、交通運(yùn)輸、電子電力、石油化工等國計(jì)民生各個(gè)方面。

然而，我國目前已投產(chǎn)的鋁型材生產(chǎn)線卻遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)市場需求。尤其是我國大型擠壓機(jī)的設(shè)計(jì)制造尚處于起步階段，存在著工藝技術(shù)落后，自動化水平不高，信息化管理程度低等問題，制約了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

但是，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)可以確定合理的擠壓工藝參數(shù)，并將優(yōu)化的參數(shù)存儲到數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中。這樣只要輸入產(chǎn)品規(guī)格，即可找到分析模型的工藝參數(shù)，再和實(shí)測值比較，輸出可用于實(shí)際生產(chǎn)的控制信號，提高擠壓機(jī)自動化和智能化水平。

本文首先通過優(yōu)選確定擠壓流速和溫度，進(jìn)而將得到的數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)過不斷試驗(yàn)積累，最終實(shí)現(xiàn)提高擠壓線自動化水平及產(chǎn)品質(zhì)量的目標(biāo)。

1 工藝參數(shù)優(yōu)選

擠壓過程需要確定的主要數(shù)據(jù)有：材料特性、擠壓速度－擠壓行程曲線、梯溫加熱、冷卻溫度等。

材料特性即材料的真實(shí)應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。需要通過采集大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合后，作為本構(gòu)關(guān)系模型。試驗(yàn)在Gleeble－1500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行 (見圖1)。

試樣尺寸：直徑?10 mm，高15 mm的圓柱體試樣。

測試溫度：20～550℃，共取11個(gè)溫度點(diǎn)。

應(yīng)變率范圍：0．001～50s－1，共取 6 個(gè)應(yīng)變率點(diǎn)。

擠壓方式分等速擠壓和等溫?cái)D壓兩種。

圖1 Gleeble-1500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)

等速擠壓即擠壓過程中的出口速度恒定不變。采用等速擠壓，鋁坯在擠壓容器中壓縮程度不同，初始階段鋁坯壓縮量逐步增加，變形抗力也逐步增加，造成擠壓力增大，擠壓溫度升高；隨著鋁坯在擠壓容器中余量的減小，擠壓力降低。擠壓后期余量越來越少，所需成形力急劇升高，接近擠完時(shí)擠壓力達(dá)到最大，剩下無法擠出的余料通過壓余剪切除。

生產(chǎn)中采用如下方法對型材出口流速進(jìn)行調(diào)整，保持出口流速恒定：

(1)在模具上設(shè)置導(dǎo)流孔、導(dǎo)流槽。

(2)采用阻礙角、促流角。

(3)增加金屬阻礙塊。

(4)改變定徑帶長度。

(5)調(diào)整模孔在擠壓筒中的位置。

以上5種模具設(shè)計(jì)方式可以調(diào)整鋁材出口速度，實(shí)現(xiàn)等速擠壓，即無論擠壓速度如何改變，型材出口流速始終保持不變。

等溫?cái)D壓是指型材在模具出口處溫度基本保持恒定。在擠壓過程中，擠壓速度快時(shí)型材變形劇烈，坯料內(nèi)部熱量由于不能及時(shí)地散出將導(dǎo)致型材出口溫度上升；反之，當(dāng)擠壓速度慢時(shí)，由于坯料散發(fā)的熱量不能及時(shí)地由變形熱補(bǔ)充將導(dǎo)致型材出口溫度下降。因此出口溫度升高時(shí)，應(yīng)降低擠壓速度；而當(dāng)出口溫度下降時(shí)，應(yīng)加快擠壓速度。目前采用擠壓速度的變化、坯料梯溫加熱及模具冷卻方法實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓已成為鋁型材擠壓技術(shù)的發(fā)展趨勢。

在擠壓過程中溫度與速度關(guān)系最為密切。提高擠壓速度將使變形能大量轉(zhuǎn)化成熱能，坯料的預(yù)熱溫度必須相應(yīng)降低。反之，若想提高擠壓溫度，則坯料的預(yù)熱溫度必須提高。

實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓必須以鋁合金擠壓速度和擠壓溫度為參考依據(jù)（見圖2），最大擠壓速度和出口溫度之間給出了兩條極限曲線，一條表示了最大擠壓力，即設(shè)備能力；另一條表示鋁合金開裂曲線。兩條曲線交點(diǎn)為最大擠壓速度和出口溫度。我們在設(shè)定擠壓工藝參數(shù)時(shí)，擠壓速度應(yīng)盡量快，以達(dá)到理想的最大擠壓速度，但又不能超過金屬的過燒溫度。如果金屬擠出溫度超過過燒溫度，則應(yīng)降低擠壓速度，降低等溫?cái)D壓的出口溫度。

圖2 擠壓速度和擠壓溫度關(guān)系曲線

下面以5083帶筋薄壁管材為例，對擠壓過程主要工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選 (見圖3)。

圖3 帶筋薄壁鋁型材

5083鋁合金應(yīng)用于需要有高的抗腐蝕性、良好的可焊性和中等強(qiáng)度的場合，如艦艇、汽車和飛機(jī)板焊接件，過燒溫度為580℃。

通過上述優(yōu)化方法對其出口速度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后出口速度差在7%～9%左右 (見圖4、圖5）。

在等溫?cái)D壓中采用從試驗(yàn)得到的材料本構(gòu)模型，得到等溫?cái)D壓出口溫度在575～580℃之間，用梯溫加熱坯料、水冷模具及變速擠壓，帶筋管材穿孔模擠壓比 11．27。

優(yōu)選的主要工藝參數(shù)及曲線如下：

坯料長度 1 600 mm

坯料入口溫度 420°C

溫度梯度 80°C

模具溫度 450°C

圖4 模具形狀優(yōu)化后的帶筋管材穿孔擠壓成型流速分布圖

圖5 模具形狀優(yōu)化后的帶筋管材模具圖

擠壓筒溫度 480°C

初始擠壓速度 3 mm/s

冷卻水溫度 50°C

從擠壓行程和擠壓溫度變化曲線可以看出，型材出口溫度在575～580℃之間變化，基本保持恒定（見圖 6）。

圖6 擠壓行程-出口溫度關(guān)系曲線

從擠壓力和擠壓行程變化曲線可以看出，擠壓力變化趨勢為增大－減小－增大，最大值出現(xiàn)在最后階段，為22 467 t（見圖7）。

圖7 擠壓行程-擠壓力關(guān)系曲線

2 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

該數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要用于對模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并生成相應(yīng)的曲線，查看各調(diào)用工藝參數(shù)之間的關(guān)系和走勢。其主要功能有

檢索數(shù)據(jù) 查找已經(jīng)輸入的數(shù)據(jù)，包括擠壓材料的物理性質(zhì)和擠壓參數(shù)。

繪制曲線 對等溫?cái)D壓結(jié)果進(jìn)行分析，得出擠壓行程與型材出口溫度、擠壓力、擠壓速度之間的關(guān)系，測溫點(diǎn)溫度與出口速度之間的關(guān)系（見圖8）。

圖8 繪制曲線功能界面

錄入數(shù)據(jù) 輸入模擬結(jié)果或者生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以供查詢和分析。

3 結(jié)語

（1）利用計(jì)算機(jī)仿真，可以得到最佳的擠壓工藝參數(shù)，對提高鋁型材產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率至關(guān)重要。

（2）擠壓工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以將仿真的分析模型和實(shí)際數(shù)據(jù)記錄下來。尤其隨著實(shí)際數(shù)據(jù)的增加，將使數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。