文獻(xiàn)綜述——鋁擠壓(共22頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于數(shù)值模擬研究鋁合金管材擠壓過程中的金屬流動(dòng)規(guī)律及模具優(yōu)化設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述1.鋁合金分類及鋁合金擠壓現(xiàn)狀純鋁的密度為=2.7g/cm3，約是鐵的1/3，熔點(diǎn)為660，鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性（：3240%，：7090%），易于加工，可制成各種型材、板材，并且具有極好的抗腐蝕性能；但是純鋁的強(qiáng)度很低，退火狀態(tài)b值約為8kgf/mm2，故不宜作結(jié)構(gòu)材料。通過長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，人們逐漸以加入合金元素及運(yùn)用熱處理等方法來(lái)強(qiáng)化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。添加一定元素形成的合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還能具有較高的強(qiáng)度，b值分別可達(dá)2460kgf/mm2。這樣

2、使得其“比強(qiáng)度”（強(qiáng)度與比重的比值b/）勝過很多合金鋼，成為理想的結(jié)構(gòu)材料，鋁合金密度低，但強(qiáng)度比較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性。近幾十年來(lái)發(fā)展十分迅速，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活各領(lǐng)域獲得了十分廣泛的應(yīng)用，成為僅次于鋼材的第二大金屬材料。20022010年間，全國(guó)鋁合金產(chǎn)量如表1所示。時(shí)間產(chǎn)量（噸）同比增長(zhǎng)（%）2002年438,147.2020.952003年508,654.2024.052004年758,465.9623.852005年944,607.2316.852006年1,323,117.4332.332007年1,955,190.95

3、34.412008年2,302,884.5822.552009年2,429,698.043.752010年1-7月2,097,074.71表1 2002-2010年中國(guó)鋁合金產(chǎn)量及增長(zhǎng)速度統(tǒng)計(jì)從表中可以看出，2002-2010年間，全國(guó)的鋁合金產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)。隨著加工技術(shù)，產(chǎn)品性能的提高，鋁合金的產(chǎn)量將繼續(xù)增大，其應(yīng)用必定會(huì)更加廣泛。1.1鋁合金的分類鋁合金分兩大類：鑄造鋁合金，在鑄態(tài)下使用；變形鋁合金，能承受壓力加工。可加工成各種形態(tài)、規(guī)格的鋁合金材。主要用于制造航空器材、建筑用門窗等。鋁合金擠壓所用的材料一般均為變形鋁合金。1.1.1鑄造鋁合金鑄造鋁合金（cast aluminium al

4、loy）是指適于熔融狀態(tài)下充填鑄型獲得一定形狀和尺寸鑄件毛坯的鋁合金，可按成分中鋁以外的主要元素硅、銅、鎂、鋅分為四類，代號(hào)編碼分別為100、200、300、400。(1)鋁硅系合金，也叫“硅鋁明”或“矽鋁明”。有良好鑄造性能和耐磨性能，熱脹系數(shù)小，在鑄造鋁合金中品種最多，用量最大的合金，含硅量在1025。有時(shí)添加0.20.6鎂的硅鋁合金，廣泛用于結(jié)構(gòu)件，如殼體、缸體、箱體和框架等。有時(shí)添加適量的銅和鎂，能提高合金的力學(xué)性能和耐熱性。此類合金廣泛用于制造活塞等部件。(2)鋁銅合金，含銅4.55.3合金強(qiáng)化效果最佳，適當(dāng)加入錳和鈦能顯著提高室溫、高溫強(qiáng)度和鑄造性能。主要用于制作承受大的動(dòng)、靜載荷

5、和形狀不復(fù)雜的砂型鑄件。(3)鋁鎂合金，密度最小(2.55g/cm3)，強(qiáng)度最高(355MPa左右)的鑄造鋁合金，含鎂12，強(qiáng)化效果最佳。合金在大氣和海水中的抗腐蝕性能好，室溫下有良好的綜合力學(xué)性能和可切削性，可用于作雷達(dá)底座、飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、螺旋槳、起落架等零件，也可作裝飾材料。(4)鋁鋅系合金，為改善性能常加入硅、鎂元素，常稱為“鋅硅鋁明”。在鑄造條件下，該合金有淬火作用，即“自行淬火”。不經(jīng)熱處理就可使用，以變質(zhì)熱處理后，鑄件有較高的強(qiáng)度。經(jīng)穩(wěn)定化處理后，尺寸穩(wěn)定，常用于制作模型、型板及設(shè)備支架等。鑄造鋁合金具有與變形鋁合金相同的合金體系，具有與變形鋁合金相同的強(qiáng)化機(jī)理除應(yīng)變強(qiáng)化外，他

6、們主要的差別在于：鑄造鋁合金中合金化元素硅的最大含量超過多數(shù)變形鋁合金中的硅含量。鑄造鋁合金除含有強(qiáng)化元素之外，還必須含有足夠量的共晶型元素通常是硅，以使合金有相當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性，易與填充鑄造時(shí)鑄件的收縮縫。為了獲得各種形狀與規(guī)格的優(yōu)質(zhì)精密鑄件，用于鑄造的鋁合金一般具有以下特性。（1）有填充狹槽窄縫部分的良好流動(dòng)性；（2）有比一般金屬低的熔點(diǎn)，但能滿足極大部分情況的要求；（3）導(dǎo)熱性能好，熔融鋁的熱量能快速向鑄模傳遞，鑄造周期較短；（4）熔體中的氫氣和其他有害氣體可通過處理得到有效的控制；（5）鋁合金鑄造時(shí)，沒有熱脆開裂和撕裂的傾向；（6）化學(xué)穩(wěn)定性好，抗蝕性能強(qiáng)；（7）不易產(chǎn)生表面缺陷，鑄件表面有

7、良好的表面光潔度和光澤，而且易于進(jìn)行表面處理；（8）鑄造鋁合金的加工性能好，可用壓模、硬模、生砂和干砂模、熔模石膏型鑄造模進(jìn)行鑄造生產(chǎn)，也可用真空鑄造、低壓和高壓鑄造、擠壓鑄造、半固態(tài)鑄造、離心鑄造等方法成形，生產(chǎn)不同用途、不同品種規(guī)格、不同性能的各種鑄件。但是鋁的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，熔煉過程中易與水氣反應(yīng)，氧化并吸氫。氫在鋁合金中從液態(tài)到固態(tài)的飽和溶解度相差近17倍。因此，鋁合金鑄件易產(chǎn)生針孔和夾雜等缺陷1。使得產(chǎn)品的性能難以穩(wěn)定。1.1.2變形鋁合金變形鋁合金可以按其特征進(jìn)行一下幾種分類：（1）按照抗拉強(qiáng)度的高低分為：低強(qiáng)度（b<294MPa）、中等強(qiáng)度（b=294441MPa）和高強(qiáng)

8、度（b>441MPa）鋁合金；（2）按照熱處理強(qiáng)化程度分為：熱處理強(qiáng)化鋁合金和熱處理不強(qiáng)化鋁合金；（3）按照焊接性能分為：可焊鋁合金，在熔化焊接是時(shí)，能夠保持或者僅稍微改變其力學(xué)性能；不可焊鋁合金，在熔化焊接時(shí)，合金的強(qiáng)度、力學(xué)性能顯著降低；（4）按照抗腐蝕性能分為：高抗蝕性（在大氣條件下和海水中抗一般腐蝕性能和抗應(yīng)力腐蝕性能高）、中等抗蝕性和滴抗蝕性鋁合金。幾種典型擠壓鋁合金及其特性。（1）1035合金。1035合金是含0.7%以下雜質(zhì)的工業(yè)純鋁，其中主要雜質(zhì)是鐵和硅。鐵和硅以及某些其他金屬雜質(zhì)能略微提高強(qiáng)度，但顯著的降低了合金的塑性和導(dǎo)電性能。隨著雜質(zhì)含量的減少，合金的抗蝕性逐漸提高

9、。（2）3A21合金。3A21合金是Al-Mn二元系中的變形合金，具有極高的抗蝕性。3A21合金的半成品能夠很好的進(jìn)行氣焊、氫原子焊、氬弧焊和接觸焊，且焊縫的抗蝕性與基體金屬相同。在冷狀態(tài)和熱狀態(tài)下合金的變形性能好，熱變形的溫度范圍很寬（320-470）。熱處理方法不能強(qiáng)化，合金型材在退火或熱擠壓狀態(tài)下供應(yīng)。（3）5A06合金。5A06合金屬于Al-Mg-Mn系合金，在室溫及高溫下，都具有很高的塑性；在各種介質(zhì)中，都具有很高的抗蝕性。其良好的抗蝕性和可焊性使它在造船工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。該合金的焊縫具有高的強(qiáng)度及塑性性能。室溫下，焊接接頭的強(qiáng)度可達(dá)到基體金屬?gòu)?qiáng)度的90%-95%。（4）2A12

10、合金。2A12合金是應(yīng)用最廣泛的一種硬鋁合金，屬于Al-Cu-Mg-Mn系四元合金。該合金可以用熱處理的方法劇烈強(qiáng)化。主要強(qiáng)化相是S(Al2CuMg)和CuAl2。合金在熱狀態(tài)和冷狀態(tài)下均能很好的變形。熱變形可以在很寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行（350-450）進(jìn)行。無(wú)論在退火還是淬火狀態(tài)下，合金都能在室溫下進(jìn)行變形。（5）6063合金。6063合金是Al-Mg-Si系合金中的典型代表，具有優(yōu)良的可擠壓性和可焊性，是建筑門窗型材的首選材料。在塑性加工的溫度-速度條件下，塑性性能和抗蝕性高；沒有應(yīng)力腐蝕傾向。在焊接時(shí)，其抗蝕性實(shí)際上不降低。6063合金的主要強(qiáng)化相是Mg2Si和AlSiFe。淬火及人工時(shí)效

11、之間的間隔時(shí)間對(duì)6063合金的強(qiáng)化程度有顯著的影響。本論文將選用6063合金作為研究對(duì)象。1.2變形鋁合金的可擠壓性定性的評(píng)價(jià)金屬的擠壓能力可以用一綜合指標(biāo)可擠壓性指數(shù)來(lái)表示?？蓴D壓性的含義是指合金以高流出速度、大變形程度和低單位擠壓壓力進(jìn)行擠壓的相對(duì)能力。其影響因素主要包括合金的特性和斷面形狀復(fù)雜程度2。實(shí)用中一般采用以6063合金為一個(gè)單位，與其他的合金相比較。該方法往往由于擠壓條件的不同，得出的結(jié)果也不一樣?？蓴D壓性指數(shù)Z與擠壓基本參數(shù)之間的關(guān)系式如下所示：式中 C比例系數(shù); Vf制品流出速度，m/min; k合金的變形抗力，MPa； f1型材斷面復(fù)雜程度系數(shù)。若取6063合金的可擠壓性

12、指數(shù)為100，則按上式計(jì)算出的鋁合金的可擠壓性指數(shù)如表2所示3。按可擠壓性指數(shù)的大小，鋁合金可分為三組：易擠壓合金，Z>100；中等可擠壓合金，Z=10050；難擠壓合金，Z<50。合金Vf/m·min-1k/MPaZ指數(shù)棒材、條材簡(jiǎn)單型材復(fù)雜型材易擠壓合金105075182001601203A216020180145110中等可擠壓合金606330351008060700512507055425A03760504030難擠壓合金2A114.5753528212A122.51001814117A042.0110131185A061.71201086表2 部分工業(yè)鋁合金的可

13、擠壓性指數(shù)（平均值）可擠壓性指數(shù)是一種相對(duì)值，其主要意義在于相對(duì)大小的比較，單純考慮某一合金的可擠壓性數(shù)值的大小并無(wú)多大實(shí)用意義。比較不同鋁合金材料擠壓條件，可以確定出一個(gè)變形抗力與最大擠壓流出速度之間的近似經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式：式中，k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。即合金的變形抗力越高，可達(dá)到的最大擠壓流出速度就越小?？蓴D壓性除與合金的特性有關(guān)外，還與型材斷面形狀的復(fù)雜程度有關(guān)。型材斷面形狀越復(fù)雜，變形不均勻程度增加，會(huì)導(dǎo)致擠壓力增大，流出速度減小。型材斷面的復(fù)雜程度一般用型材斷面的周長(zhǎng)與斷面積之比f(wàn)1來(lái)表征，此比值稱為形狀系數(shù)或型材斷面復(fù)雜程度系數(shù)4。1.3鋁合金管材的生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)1.3.1我國(guó)鋁擠壓材生產(chǎn)現(xiàn)狀

14、中國(guó)鋁擠壓工業(yè)起步于上世紀(jì)50年代初,1956年?yáng)|北101廠建成投產(chǎn)，1968-1969年西北鋁和西南鋁建成投產(chǎn)，這三家工廠的擠壓生產(chǎn)線都是按鋁及鋁合金管、棒、型、線材設(shè)計(jì)生產(chǎn)，主要用于航空和軍工鋁材生產(chǎn)。上世紀(jì)80年代，我國(guó)快速建成建筑鋁門窗型材生產(chǎn)體系，隨著中國(guó)房地產(chǎn)行業(yè)的蓬勃發(fā)展,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)建筑鋁型材的需求呈逐年上升之勢(shì)。進(jìn)入2000年以來(lái),隨著中國(guó)汽車及軌道車輛制造業(yè)、電力、機(jī)械裝備制造業(yè)、家電等行業(yè)的快速發(fā)展,對(duì)鋁型材的需求也在不斷增加,導(dǎo)致種類和應(yīng)用領(lǐng)域繁多的工業(yè)用鋁型材得到了國(guó)內(nèi)外鋁擠壓材生產(chǎn)企業(yè)的大力開發(fā),成為推動(dòng)全行業(yè)繼續(xù)向前健康發(fā)展的新的增長(zhǎng)領(lǐng)域。目前，我國(guó)已成為全球鋁擠壓

15、材生產(chǎn)最多的國(guó)家，也是鋁擠壓材消費(fèi)最多的國(guó)家5。近年來(lái)中國(guó)鋁擠壓材的產(chǎn)量、出口量和表觀消費(fèi)量均快速增長(zhǎng),2001年- 2007年間的年增長(zhǎng)率分別為1719%、5318%和1416%。擠壓材供應(yīng)增長(zhǎng)幅度略快于消費(fèi)增長(zhǎng)速度,出口持續(xù)穩(wěn)定地高幅度增長(zhǎng),鋁型材和鋁管材分別在2001年和2004年實(shí)現(xiàn)凈出口,鋁擠壓材產(chǎn)量從2001年開始位居全球首位。根據(jù)CRU的統(tǒng)計(jì),2006年美國(guó)、加拿大和整個(gè)歐洲的鋁擠壓材總產(chǎn)量為467萬(wàn)t,中國(guó)為450萬(wàn)t,中國(guó)在總產(chǎn)量方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于西方各個(gè)國(guó)家。在消費(fèi)方面,中國(guó)目前已經(jīng)成為全球第一大鋁擠壓材消費(fèi)國(guó),2006年全球鋁擠壓材的總消費(fèi)量約為1050萬(wàn)t,中國(guó)為39113萬(wàn)

16、t,約占全球總消費(fèi)量的3713%。鋁擠壓材中型棒材占90%以上，其中通用型材以及中小型民用建筑型材占型棒材的90%以上，大中型型材和特種專用管材僅約占10%。管材約占鋁合金擠壓材的10%，而異型管材和特種專用管材約占管材的20%。由此可見，鋁及鋁合金擠壓材中產(chǎn)銷量最大，應(yīng)用范圍最廣泛的是中小型民用建筑型材、通用型材和棒材、管材。1.3.2鋁合金管材的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)（1）辦公機(jī)械用感光鼓鋁合金管材高純、高精、高表面感光鼓用鋁合金管材是打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃描儀等辦公機(jī)械的核心部件感光鼓的基體材料，也可推廣應(yīng)于電子、光學(xué)儀器等不同領(lǐng)域，應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用前景十分廣闊。近年來(lái)，辦公機(jī)械產(chǎn)業(yè)向輕量化、小型

17、化、高速化、清晰化、低成本等方向發(fā)展，用鋁量大大增加。高速化、清晰化等對(duì)鋁合金管材的尺寸精度和表面質(zhì)量提出了更高的要求。隨著信息產(chǎn)業(yè)和電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，辦公機(jī)械耗材業(yè)的發(fā)展進(jìn)入快車道，處于高速增長(zhǎng)期。目前，全球OPC（有機(jī)光導(dǎo)體）精密鋁管材年總需求量在30萬(wàn)噸左右，國(guó)內(nèi)需求量在5萬(wàn)噸左右，且需求量的年增長(zhǎng)率都在5%以上。OPC專用精密鋁合金管材可用6063合金生產(chǎn)，也可用3003合金生產(chǎn)，但對(duì)材質(zhì)的成分、純度和雜志含量要求特別嚴(yán)格，對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)外組織和表面質(zhì)量要求特別高，對(duì)尺寸公差也要求嚴(yán)格，因此，技術(shù)含量高，生產(chǎn)難度大，雖然國(guó)外已有成熟的工藝，但仍不能滿足市場(chǎng)需求，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)水平與國(guó)際先進(jìn)水

18、平相比仍有一定差距，急需加大力度研制開發(fā)，以滿足我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速持續(xù)發(fā)展的要求6。（2）鋁合金經(jīng)濟(jì)斷面管材隨著經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，簡(jiǎn)單的圓管已經(jīng)不能滿足要求，因此，經(jīng)濟(jì)斷面管材的研制與開發(fā)便應(yīng)運(yùn)而生了。目前，國(guó)外鋁合金經(jīng)濟(jì)斷面管的品種數(shù)量、生產(chǎn)規(guī)模和質(zhì)量水平都有了很大的發(fā)展。鋁合金經(jīng)濟(jì)斷面管主要分為異型斷面管、變直徑和變壁厚管、特薄壁管三種，其主要特點(diǎn)是能最大限度滿足零件的強(qiáng)度及硬度要求，可按強(qiáng)度來(lái)設(shè)計(jì)各種零部件，不僅有可靠的安全性，而且能大大減輕零件的重量，降低金屬損耗，減少加工工時(shí)和減輕勞動(dòng)量，降低成本，提高社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。近年，美、日、德、俄羅斯等國(guó)用擠壓-軋制-拉伸或擠壓-變徑

19、旋壓法制造的空心等壁厚或變壁厚的錐形電線桿、旗桿、燈桿，不僅符合等強(qiáng)度構(gòu)件的要求，而且大大節(jié)約了金屬材料，節(jié)省加工工作量，減少了運(yùn)輸、安裝和維護(hù)費(fèi)用，是一種典型的經(jīng)濟(jì)斷面管。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球年需求量在50萬(wàn)噸以上，國(guó)內(nèi)也需要5萬(wàn)噸以上。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家雖然已研發(fā)出生產(chǎn)各種經(jīng)濟(jì)斷面管材的生產(chǎn)方法和技術(shù)，但仍不能大批量穩(wěn)定的生產(chǎn)。而且有些品種仍在研制之中。我國(guó)在制造大型復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)斷面鋁合金管材方面尚處于起步階段，需加大開發(fā)力度。（3）鋁合金鉆探管材鋁合金鉆探管桿具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、節(jié)能、容易制造和維護(hù)、便于運(yùn)輸、利于回收等一系列優(yōu)點(diǎn)，特別在鉆探井和海洋鉆探方面，在國(guó)外已廣泛推廣應(yīng)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效

20、益和社會(huì)效益。生產(chǎn)實(shí)踐表明，使用與目前所采用的鋼鉆探管強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?075T6、2024T4等鋁合金鉆探管，可使重量減輕1/21/3，生產(chǎn)效率提高15%20%，并能大大節(jié)約設(shè)備的制作和運(yùn)輸費(fèi)用。因此，鋁合金鉆探管是一種較為理想的深井鉆探材料，大有替代傳統(tǒng)鋼鉆探桿的趨勢(shì)。鋁合金鉆探管的生產(chǎn)工藝基本成熟，設(shè)備先進(jìn)配套，技術(shù)水平相當(dāng)高，生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益都很好，但由于需要大型擠壓機(jī)和特殊的生產(chǎn)工具和工藝，所以僅分布于少數(shù)幾個(gè)擁有先進(jìn)制造技術(shù)的國(guó)家，我國(guó)幾乎是空白。目前，世界鋁鉆探管年產(chǎn)量為30萬(wàn)噸左右，隨著深井鉆探、大沙漠油田和海底油田的開發(fā)和地質(zhì)礦床的深層鉆探以及發(fā)展中國(guó)家鉆具以鋁代鋼的發(fā)展，鋁鉆探

21、桿需求量會(huì)日益增多，估計(jì)會(huì)以3%5%的年增長(zhǎng)率增加。我國(guó)目前鉆探桿的年需求量為14萬(wàn)噸左右，而且大部分依靠進(jìn)口。石油和地質(zhì)等部門多次強(qiáng)調(diào)國(guó)產(chǎn)化并主張以鋁代鋼。如果實(shí)現(xiàn)全鋁化，年共需鋁鉆探管5萬(wàn)噸以上，市場(chǎng)前景是十分可觀的。（4）鋁合金大型厚壁管、大徑薄壁管及氣液體輸送管材鋁合金大型厚壁管是指直徑大于250mm以上，壁厚5100mm以上的管材，主要用于高壓容器、高壓液體與氣體輸送、液壓與氣壓傳動(dòng)裝置、輸電管母線以及能源與動(dòng)力、機(jī)械制造等領(lǐng)域以及制作炮筒外套等軍事器械，也可用作進(jìn)一步加工的管坯或旋壓大徑薄壁管的坯料，用途十分廣泛。目前全球鋁及鋁合金大型厚壁管材的產(chǎn)量?jī)H為50萬(wàn)噸左右，不能滿足市場(chǎng)需

22、求，而我國(guó)的大徑厚壁管年產(chǎn)量為0.5萬(wàn)噸左右，需要從國(guó)外引進(jìn)，特別是大型管母線和液化天然氣罐體等鋁合金管坯。鋁合金大徑薄壁管材主要是指直徑大于250mm，而壁厚小于2mm的管材，主要用于航空航天、導(dǎo)彈、火箭、機(jī)筒外殼以及氣液體運(yùn)送、各種保護(hù)外套等領(lǐng)域。全球年需量為10萬(wàn)噸左右，我國(guó)年需量在0.5萬(wàn)噸以上。由于大徑薄壁鋁及鋁合金管材的生產(chǎn)工藝復(fù)雜、質(zhì)量要求高而且需要大型的特殊的工藝設(shè)備，所以生產(chǎn)量不大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)的需求。鋁及鋁合金氣液體輸送管道系統(tǒng)較鍍鋅鐵管、塑料管、不銹鋼管和銅管有防銹、耐腐蝕、美觀耐用、質(zhì)輕、強(qiáng)度高、價(jià)格便宜等優(yōu)越的特點(diǎn)，因此，近年來(lái)或得廣泛應(yīng)用。鋁及鋁合金氣液體輸送管

23、主要包括鑄造管、熱擠壓管、冷擠壓管、冷壓-拉拔管以及鋁塑復(fù)合管等，主要用作建材管道、冷熱自來(lái)水、酸堿鹽各種液體、燃?xì)?、氧氣、壓縮空氣等各種氣體和石油、天然氣等輸送管道，在汽車、飛機(jī)、輪船等交通運(yùn)輸工具上也有廣泛的應(yīng)用，市場(chǎng)潛力非常巨大7。目前，全球鋁及鋁合金氣液體輸送管道系統(tǒng)用管材的產(chǎn)銷量大約在20億m左右，我國(guó)的產(chǎn)銷量已達(dá)到1億m以上。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的大幅度提高，各種功能、性能和用途的鋁及鋁合金氣液體輸送管的需求量將會(huì)大幅度增加，其發(fā)展前景是十分可觀的。1.42.鋁合金擠壓工具及擠壓金屬流動(dòng)特性2.1概述擠壓工具可分為大型基本工具和模具。大型基本工具包括擠壓筒、擠壓

24、軸、針支承、支承環(huán)、壓型嘴和模架等。模具包括模子、穿孔針等直接參與金屬變形且消耗比較大的工具。模具是最重要的擠壓工具。在現(xiàn)代化的擠壓生產(chǎn)活動(dòng)中，工具和模具對(duì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)擠壓過程有著十分重要的意義。模具壽命是評(píng)價(jià)某一擠壓方法經(jīng)濟(jì)可行的決定因素，工模具的設(shè)計(jì)與制造質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)擠壓生產(chǎn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗的最重要的保證之一。2.2工模具在鋁型材擠壓中的重要作用工具和模具對(duì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)擠壓過程有著十分重要的意義。具體來(lái)說(shuō)，其重要地位和作用表現(xiàn)在以下幾方面8-11。(1)合理的工模具結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)任何一種擠壓工藝過程的基礎(chǔ)，因?yàn)樗鞘菇饘佼a(chǎn)生擠壓變形和傳遞擠壓力的關(guān)鍵部件。擠壓過程中，依靠擠壓油輸出壓力，由擠壓筒盛熔鑄錠

25、并使之在強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形。模具是使金屬最后完成塑性變形或得所需形狀的工具。在目前的條件下，還不能相象無(wú)擠壓筒，無(wú)模具的擠壓工藝。(2)模具是保證產(chǎn)品成形，具有正確形狀、尺寸和精度的基本工具。只有結(jié)構(gòu)合理、精度和硬度合格的模具，才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的成形并具有精確的內(nèi)外廓形狀和斷面尺寸。同時(shí)，合理的模具和工具設(shè)計(jì)能保證產(chǎn)品具有最小的翹曲和扭曲，最小的縱向彎曲和橫向波浪度。(3)模具是保證產(chǎn)品內(nèi)外表面質(zhì)量的重要因素之一。模具本身的表面光潔度、表面硬度對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)外表面光潔度有著決定性的影響，只有通過精磨拋光和氮化處理或表面硬化處理的模具才能擠壓出表面光亮的制品。過度光滑、表面光潔的模后工具能保

26、證擠壓制品的光潔表面，使之經(jīng)過表面處理后可獲得色調(diào)美觀、厚度均勻、附著牢固的表面氧化膜。(4)合理的工模具結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸，在一定程度上可控制產(chǎn)品的力學(xué)性能和內(nèi)部組織，特別是在控制空心制品的焊縫組織和力學(xué)性能方面，分流孔的大小、數(shù)量和形狀以及分布位置，焊合腔的形狀和尺寸，模芯的結(jié)構(gòu)等起著決定性的作用。擠壓墊片、擠壓筒和模子的結(jié)構(gòu)形狀與尺寸及表面質(zhì)量，對(duì)控制產(chǎn)品的粗晶環(huán)和縮尾、成層等缺陷也有一定的作用。(5)工模具的結(jié)構(gòu)形狀與尺寸對(duì)金屬的流變、擠壓溫度-速度場(chǎng)、應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)等有很大影響，從而對(duì)提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和減少能耗有很大作用。(6)合理的工模具設(shè)計(jì)對(duì)提高其裝卸與更換速度，減少輔助時(shí)間，

27、改善勞動(dòng)條件和保證生產(chǎn)安全等方面有重要意義。(7)新型的模具結(jié)構(gòu)對(duì)于開發(fā)新產(chǎn)品、新工藝，研制新材料和新設(shè)備，不斷提高擠壓技術(shù)起著很大的作用。如扁擠壓筒、舌型模、組合模、多層預(yù)緊應(yīng)力模、變斷面模等。(8)高比壓優(yōu)質(zhì)圓擠壓筒和扁擠壓筒及特種型材模和異形管材模的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，是鋁合金擠壓生產(chǎn)的核心和關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)含量在整個(gè)擠壓技術(shù)中占有很大的比例12。(9)對(duì)于中等批量的擠壓產(chǎn)品，工模具的成本占總制造成本的30%左右。如將其使用壽命提高35倍，則產(chǎn)品的成本可大幅度下降13。2.3鋁合金擠壓現(xiàn)狀擠壓技術(shù)開始于18世紀(jì)末，經(jīng)歷了200余年的發(fā)展變化。擠壓分為冷擠壓、溫?cái)D壓和熱擠壓14。鋁型材擠壓屬于

28、熱擠壓，是指將鋁合金高溫鑄坯置于專用模具(機(jī)頭)內(nèi)，在擠壓機(jī)提供的強(qiáng)大壓力作用下，按給定的速度，將鋁合金從模具型腔中擠出，從而獲得所需形狀、尺寸以及具有一定力學(xué)性能的鋁合金擠壓型材。鋁合金型材擠壓技術(shù)在汽車、船舶、鐵路、航空、航天等工業(yè)領(lǐng)域以及建筑等民用領(lǐng)域越來(lái)越顯示出其重要地位。目前，國(guó)際上鋁合金型材擠壓技術(shù)發(fā)展迅速，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家已裝備了各種形式、各種結(jié)構(gòu)、不同噸位的鋁型材擠壓機(jī)，鋁型材擠壓正在向大型化、復(fù)雜化、精密化、多品種、多規(guī)格、多用途方向發(fā)展，擠壓生產(chǎn)也日趨連續(xù)化、自動(dòng)化和專業(yè)化。目前，不僅發(fā)展了一些先進(jìn)的特殊結(jié)構(gòu)的大型擠壓機(jī)，而且研制了多種類型的擠壓結(jié)構(gòu)的模具以及新的擠壓工藝，并

29、能擠壓出各種外形復(fù)雜的實(shí)心、空心制品。我國(guó)的鋁型材擠壓技術(shù)起步較晚，盡管目前已有1000多家生產(chǎn)鋁型材的國(guó)有企業(yè)，擁有2000多臺(tái)擠壓機(jī)，但無(wú)論從擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量還是從擠壓生產(chǎn)的效率和標(biāo)準(zhǔn)化程度來(lái)看，都與世界先進(jìn)水平存在較大差距15。日本自20世紀(jì)70年代以來(lái)，就開始研究了各種各樣的擠壓加工方法，如靜水?dāng)D壓、連續(xù)擠壓等技術(shù)早已進(jìn)入實(shí)用階段。目前也在不斷地開發(fā)研制出新的特殊擠壓技術(shù)，如連續(xù)擠壓拉拔技術(shù)、可變斷面擠壓技術(shù)、新材料新功能擠壓技術(shù)、彎曲擠壓技術(shù)以及精密擠壓技術(shù)等。其擠壓產(chǎn)品已大量應(yīng)用到建筑、家電、汽車、船舶以及高速列車等行業(yè)中。在擠壓領(lǐng)域，美國(guó)從基礎(chǔ)理論到生產(chǎn)實(shí)踐都走在世界的前列。俄羅斯

30、在鋁合金型材擠壓方面也占據(jù)十分重要的地位，自1956年就開始了鋁合金壁板的生產(chǎn)，我國(guó)有很多擠壓技術(shù)到現(xiàn)在還仍然沿用前蘇聯(lián)的技術(shù)。英國(guó)、意大利、法國(guó)、挪威、瑞典、加拿大以及澳大利亞等國(guó)的鋁合金型材擠壓技術(shù)也發(fā)展到了相當(dāng)高的程度。我國(guó)的鋁型材擠壓技術(shù)的研究主要內(nèi)容為改進(jìn)現(xiàn)有模具結(jié)構(gòu)、開發(fā)各種新的結(jié)構(gòu)以及進(jìn)行冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)的研究，以提高模具的壽命和產(chǎn)品的質(zhì)量，研究金屬流動(dòng)規(guī)律以及模具和擠壓加工過程的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及其變化規(guī)律；在計(jì)算機(jī)上用FEM對(duì)擠壓過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)模具和制訂工藝規(guī)程工作。2.4鋁合金擠壓工模具設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)擠壓模具設(shè)計(jì)和制造技術(shù)是鋁合金型材擠壓技術(shù)的

31、核心，是保證產(chǎn)品形狀、尺寸和精度內(nèi)外表面質(zhì)量的最為重要的因素。目前，擠壓模具材料經(jīng)歷了一個(gè)由碳素工具鋼一低合金工具鋼一高合金工具鋼一高級(jí)合金模具材料的發(fā)展過程16。設(shè)計(jì)合理的工模具結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上控制產(chǎn)品的內(nèi)部組織和力學(xué)性能。合理的工模具設(shè)計(jì)和制造能大大提高模具的壽命，因而對(duì)于提高生產(chǎn)率、降低成本和能耗有重要意義。新型的模具結(jié)構(gòu)，對(duì)于發(fā)展新品種、新工藝，不斷提高擠壓技術(shù)水平起著重要的作用。工模具的設(shè)計(jì)一般包括設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算、尺寸的確定、強(qiáng)度的校核和材料的選擇以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的評(píng)價(jià)等。模子、穿孔針、擠壓墊片、擠壓筒內(nèi)襯等直接參與金屬變形的工具，其設(shè)計(jì)不同于一般的機(jī)械

32、零件設(shè)計(jì)，而是介于機(jī)械加工與壓力加工之間的一種工藝性設(shè)計(jì)。在熱擠壓條件下各種工藝因素，如鑄錠的形狀、尺寸與內(nèi)外質(zhì)量，產(chǎn)品的斷面形狀、尺寸與交貨長(zhǎng)度，被擠壓合金的性能及擠壓時(shí)的流動(dòng)情況，擠壓殘料的形狀與分離殘料的方法，設(shè)備的能力及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)備與模具的聯(lián)接方式工模具的組裝及加熱溫度，鑄錠的加熱溫度，制品的流動(dòng)速度，模子或鑄錠的潤(rùn)滑情況，擠壓力的大小，擠壓筒的結(jié)構(gòu)、形狀與加熱溫度，模子出口的風(fēng)冷或水冷情況，帶牽引的情況，模具鋼的高溫性能等。鋁合金擠壓時(shí)金屬是在密閉的型腔中流動(dòng)，因此模具設(shè)計(jì)者對(duì)擠壓過程中的金屬流動(dòng)情況以及模具的應(yīng)力、應(yīng)變狀況難以掌握。要想得到質(zhì)量合格的產(chǎn)品，必須盡量保證制品斷面上

33、每個(gè)質(zhì)點(diǎn)以相同的速度流出模孔。在實(shí)際生產(chǎn)中，模具設(shè)計(jì)人員往往通過反復(fù)試模和修模來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的，但這種方式不利于短周期低成本的產(chǎn)品開發(fā)要求。要設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的擠壓模具是一件十分復(fù)雜而困難的工作，因此，世界各國(guó)的擠壓工作者對(duì)模具設(shè)計(jì)理論和方法(特別對(duì)優(yōu)化理論和方法)進(jìn)行了大量的研究工作。在擠壓技術(shù)發(fā)展的初期，一般根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)原理，利用傳統(tǒng)強(qiáng)度理論并結(jié)合設(shè)計(jì)者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。隨著彈塑性理論和擠壓理論的發(fā)展，許多新型的實(shí)驗(yàn)理論和方法、計(jì)算理論為和方法已開始用于擠壓模具設(shè)計(jì)制作領(lǐng)域。如，工程計(jì)算法、金屬流動(dòng)坐標(biāo)網(wǎng)格法、光彈光塑法、密柵紋云法、滑移線法、上限元理論和有限元理論等被廣泛用

34、于模具應(yīng)變場(chǎng)的確定和各種強(qiáng)度的校核，進(jìn)而優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和工藝要素。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，擠壓模具的CAD/CAM技術(shù)在最近2030年中得到迅速發(fā)展，且很大一部分技術(shù)集中在模具設(shè)計(jì)的優(yōu)化方面。何德林等人利用IDEF0方法開發(fā)出能對(duì)平面模和分流模進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的CAD/CAM系統(tǒng)；王孟君等人以AUTOCAD 1210為圖形支撐環(huán)境，VISUAL BA2SIC410為開發(fā)工具，開發(fā)的CAD系統(tǒng)，可以有效地從事擠壓平模的各項(xiàng)計(jì)算，從而對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化；閆洪17-19等人將CAE概念引入模具設(shè)計(jì)過程，指出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向；劉漢武等人提出智能CAD概念，為模具設(shè)計(jì)智能化提供了一些思路。此外，國(guó)內(nèi)外科研人員運(yùn)用

35、理論解析、物理模擬和數(shù)值模擬等方法，對(duì)鋁型材擠壓的變形過程、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布及變化、摩擦與潤(rùn)滑等問題進(jìn)行了大量的分析和實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)其研究成果對(duì)擠壓模具進(jìn)行了優(yōu)化。其中在鋁型材擠壓工藝和模具開發(fā)過程中采用成型過程有限元模擬技術(shù)，可以在制模以前就對(duì)成形過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，從而獲得擠壓件形狀、擠壓件內(nèi)部各種力學(xué)場(chǎng)量的分布等信息，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)擠壓件中可能出現(xiàn)的缺陷，進(jìn)而實(shí)行工藝和模具設(shè)計(jì)方案的及時(shí)修改，甚至能夠達(dá)到零試模的目的，這是現(xiàn)代化生產(chǎn)發(fā)展的必然趨勢(shì)。2.5擠壓時(shí)的金屬流動(dòng)特性擠壓時(shí)金屬的流動(dòng)情況一般分為三個(gè)階段。圖1 平模正向填擠充過程（a）開始擠壓階段 （b）平流擠壓階段 （c）紊流擠壓階

36、段Pic 1 The filling process of forward extrusion(a)The beginning stage (b)Laminar flow stage (c)Turbulence flow stagea階段為開始擠壓階段，又稱為填充擠壓階段。金屬受擠壓軸的壓力后，首先充滿擠壓筒和模孔，擠壓力上升直至最大值。b階段為基本擠壓階段，也叫平流擠壓階段。當(dāng)擠壓力達(dá)到突破壓力(高峰壓力)時(shí)，金屬?gòu)哪？琢鞒鏊查g即進(jìn)入此階段。一般來(lái)說(shuō)，在此階段中金屬的流動(dòng)相當(dāng)于無(wú)數(shù)同心薄壁圓管的流動(dòng)，即鑄錠的內(nèi)外層金屬基本上不發(fā)生交錯(cuò)或反向的紊亂流動(dòng)，錠坯上外層或中心層的金屬流出?？缀笕蕴幱?/p>

37、制品的外層或中心層。在平流階段，錠坯在同一橫斷面上的金屬質(zhì)點(diǎn)均以同一速度或保持一定的速度進(jìn)入變形區(qū)壓縮錐?？拷鼣D壓墊片和模子角落處的金屬不參與流動(dòng)而形成難變形的阻滯區(qū)或死區(qū)，在此階段中擠壓力隨著錠坯的長(zhǎng)度減少而下降。c階段為終了擠壓階段，或稱紊流擠壓階段。在此階段中，隨著擠壓墊片(已進(jìn)入變形區(qū))與模子間距離的縮小，迫使變形區(qū)的金屬向著擠壓軸線方向由周圍向中心發(fā)生劇烈的橫向流動(dòng)，同時(shí)，死區(qū)中的金屬也向?？琢鲃?dòng)，形成擠壓加工特有的“擠壓縮尾"等缺陷。在此階段中，擠壓力有重新回升的現(xiàn)象。此時(shí)應(yīng)結(jié)束擠壓操作過程。擠壓時(shí)金屬流動(dòng)坐標(biāo)網(wǎng)格的變化如圖2所示圖2. 正擠壓圓棒材時(shí)坐標(biāo)網(wǎng)格-金屬流動(dòng)示

38、意圖從圖中可以看出：A、縱向網(wǎng)格線的變化（1）變形前后均保持平行直線，間距仍相等。（2）每條線（除中間一條外）發(fā)生了兩次方向相反的彎曲。各條線的彎曲角度不同，外大內(nèi)小。（3）在擠壓制品的最前端，除了中間一條外，其它線分別向外彎曲。B、橫向網(wǎng)格線變化（1）靠近擠壓墊一方部分橫向線未變化；（2）進(jìn)入變形區(qū)后橫向線向前發(fā)生彎曲，越靠近?？?，彎曲越大，出?？缀蟛辉侔l(fā)生變化；（3）出?？缀蟮臋M向線的彎曲程度由前向后逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定；（4）橫向線距離不等，前小后大，最后趨于穩(wěn)定。C、坐標(biāo)網(wǎng)格的變化（1）變形前為正方形，變形后橫向壓縮、縱向拉長(zhǎng)為矩形或平行四邊形；（2）擠壓制品中心部位近似矩形，邊部為

39、平行四邊形。2.6影響金屬流動(dòng)的主要因素影響金屬流動(dòng)的主要因素有合金特性、擠壓方法、摩擦潤(rùn)滑條件、工模具與鑄錠的加熱溫度、工模具的結(jié)構(gòu)與形狀、變形程度等。2.6.1接觸摩擦與潤(rùn)滑的影響擠壓時(shí)流動(dòng)的金屬與工具間存在接觸摩擦力，其中以擠壓筒壁上的摩擦力對(duì)金屬流動(dòng)的影響最大。當(dāng)擠壓筒內(nèi)壁上的摩擦力很小時(shí)，變形區(qū)范圍小且集中在?？赘浇?，金屬流動(dòng)比較均勻，而當(dāng)摩擦力很大時(shí)，變形區(qū)壓縮錐和死區(qū)的高度增大，金屬流動(dòng)則很不均勻，以致促使錠坯外層金屬過早地向中心流動(dòng)形成較長(zhǎng)的縮尾?？梢姡佑|摩擦力對(duì)金屬的流動(dòng)均勻性產(chǎn)生不良的影響。但是，在某些情況下，可以有效地利用金屬與工具之間接觸摩擦作用來(lái)改善金屬的流動(dòng)，如在

40、擠壓管材時(shí)，由于錠坯中心部分的金屬受到穿孔針摩擦作用和冷卻作用，而使其流速減緩，從而使金屬流動(dòng)變得較為均勻，減短產(chǎn)生縮尾的長(zhǎng)度；在擠壓斷面壁厚變化急劇的復(fù)雜異形型材時(shí)，在設(shè)計(jì)?？讜r(shí)利用不同的工作帶長(zhǎng)度對(duì)金屬產(chǎn)生不同的摩擦作用來(lái)調(diào)節(jié)型材斷面上各部分的流速，從面減少型材的扭擰、彎曲度、提高產(chǎn)品的精度。2.6.2合金特性的影響合金的強(qiáng)度與塑性對(duì)流動(dòng)也有很大的影響。一般來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度越高，粘性越??；擠壓溫度越低則金屬流動(dòng)越均勻。對(duì)于同一種金屬或合金來(lái)說(shuō)，鑄錠在擠壓前的加熱條件對(duì)金屬流動(dòng)性也有一定的影響。當(dāng)錠坯加熱不均勻時(shí)會(huì)影響其橫斷面上變形抗力的均勻性，從而導(dǎo)致金屬流動(dòng)不均勻；當(dāng)加熱溫度增高，金屬的導(dǎo)熱性

41、下降，結(jié)果使錠坯斷面溫度分布不均勻，也會(huì)引起金屬流動(dòng)的不均勻。此外，溫度的改變往往會(huì)引起摩擦系數(shù)的變化，從而影響到金屬流動(dòng)的均勻性。鋁合金在擠壓過程中最基本的工藝特點(diǎn)之一是對(duì)工具(擠壓筒、穿孔針、模子、擠壓墊片)的粘結(jié)作用十分強(qiáng)烈，會(huì)產(chǎn)生很大的接觸摩擦應(yīng)力，此應(yīng)力接近于金屬的剪切屈服強(qiáng)度，這使錠坯的表面層和中心層之間的剪切變形量產(chǎn)生很大的差異，從而加劇了金屬流動(dòng)的不均勻性。特別是對(duì)于擠壓溫度高，導(dǎo)熱性差的合金來(lái)說(shuō)，在熱擠壓過程中，由于鑄錠橫斷面上和長(zhǎng)度上存在較大的溫度梯度，更增大了其流動(dòng)的不均勻性。2.6.3擠壓方法的影響一般來(lái)說(shuō)，反向擠壓比正向擠壓流動(dòng)均勻，潤(rùn)滑擠壓比不潤(rùn)滑擠壓流動(dòng)均勻，冷擠

42、壓比熱擠壓流動(dòng)均勻，有效摩擦擠壓比其他擠壓方法流動(dòng)均勻。2.6.4擠壓工模具的影響擠壓工模具的結(jié)構(gòu)形狀，表面狀態(tài)、模孔排列、加熱溫度對(duì)金屬的流動(dòng)有很大的影響，設(shè)法提高金屬流動(dòng)的均勻性，是設(shè)計(jì)、制造和使用擠壓工模具中十分重要的問題。（1)模具結(jié)構(gòu)和形狀的影響擠壓鋁合金時(shí)，最常采用的模具主要有平面模和錐形模。模角越大，則金屬流動(dòng)越不均勻，用平面模擠壓時(shí)，變形的不均勻程度最大。隨著模角的增大，死區(qū)的高度逐漸增加。但是，當(dāng)模角小于60度時(shí)，易于將鑄錠表面的臟物、缺陷帶入制品而影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)兼顧金屬流動(dòng)均勻和擠壓力不過分增大，在擠壓管材和中間毛料時(shí)，通常取錐形模的模角為60度

43、65度。而對(duì)于表面質(zhì)量要求特別高的捧材和型材來(lái)說(shuō)，一般采用平面模(模角90度)來(lái)進(jìn)行擠壓。此外，在擠壓管材和空心型材時(shí)，穿孔針的結(jié)構(gòu)和形狀及錐度，舌型模和平面分流組合模的結(jié)構(gòu)、分流孔的大小和形狀、焊合室的形狀和尺寸、寬展模的寬展角、變斷面模中過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)和形狀等都對(duì)金屬的流動(dòng)有很大的影響。在設(shè)計(jì)模具時(shí)應(yīng)特別注意選擇合理的結(jié)構(gòu)和形狀，以獲得較均勻的金屬流動(dòng)。（2)模孔排列的影響?？椎呐帕袕膬蓚€(gè)方面來(lái)影響金屬的流動(dòng)特性。一是距離擠壓筒中心的遠(yuǎn)近，接近中心的部分，金屬流動(dòng)快，而遠(yuǎn)離中心的部分由于受到擠壓筒壁摩擦阻力的影響而使金屬流速減慢；二是塑性變形區(qū)內(nèi)供給各?？谆蚰？赘鞑糠值慕饘倭康姆峙?，供應(yīng)充足

44、的部分流速較快，反之，供應(yīng)不足的部分則金屬流速減慢。因此，為了增加金屬流動(dòng)的均勻性，?？讘?yīng)盡量對(duì)稱地布置在模子平面上，在設(shè)計(jì)多孔模時(shí)，各?？椎闹行膽?yīng)布置在距離中心某一合適距離的同心圓上。在設(shè)計(jì)異形型材時(shí)應(yīng)使易流出的厚望部分遠(yuǎn)離中心，而把難于流動(dòng)的薄壁部分靠近中心。（3)表面狀態(tài)的影響工模具的表面粗糙度、圓滑度、表面硬度和表面潤(rùn)滑狀態(tài)都是影響金屬流動(dòng)均勻性的重要因素之一。表面越光潔、過渡越圓滑、表面硬度越高、潤(rùn)滑條件越好，則擠壓時(shí)金屬流動(dòng)越均勻。（4)加熱溫度的影響在擠壓時(shí)，鑄錠橫斷面上的溫度越均勻，則擠壓時(shí)的流動(dòng)也越均勻。因此，應(yīng)盡量減少擠壓筒、擠壓墊片和穿孔針、模子與變形金屬之間的溫度差。在

45、擠壓過程中，擠壓筒加熱保溫、工模具預(yù)熱等措施是十分重要的。2.6.5其它因素的影響鑄錠長(zhǎng)度、變形程度、擠壓速度等對(duì)金屬的流動(dòng)均勻性也有一定的影響，如鑄錠前端長(zhǎng)度約為115倍擠壓筒直徑的部分金屬流動(dòng)極不均勻；變形程度過大或過小時(shí)，金屬流動(dòng)都不均勻；金屬的流速過快也會(huì)增大金屬流動(dòng)的不均勻性等。根據(jù)上面的分析可知，由于各種因素錯(cuò)綜復(fù)雜的影響，使擠壓過程金屬的流動(dòng)特性表現(xiàn)出多種多樣的形式。3數(shù)值模擬、模型建立及軟件簡(jiǎn)介鋁型材擠壓成形是屬于三維流動(dòng)、非線性、大變形問題。在擠壓成形過程中，會(huì)不斷的產(chǎn)生新的自由表面、產(chǎn)生新的熱量，發(fā)生溫度傳遞、大變形、復(fù)雜幾何形體變化等各種交叉耦合現(xiàn)象；整個(gè)擠壓過程可以分為

46、非穩(wěn)態(tài)開始、穩(wěn)態(tài)成形、非穩(wěn)態(tài)結(jié)束三個(gè)階段，其材料的本構(gòu)模型也非常復(fù)雜；同時(shí)，在高溫狀態(tài)下材料的粘度性能不符合常粘度定律，材料的應(yīng)變速率及溫度對(duì)變形的影響也不可忽視。針對(duì)大變形，幾何非線性，材料非線性問題，主要有有限元法，有限體積法，任意拉格朗日歐拉法等幾種處理方法。3.1有限元法有限元模擬技術(shù)最早應(yīng)用于金屬塑性加工成形領(lǐng)域始于上個(gè)世紀(jì)70年代，經(jīng)過30多年的發(fā)展，有限元法(FEM)已經(jīng)發(fā)展成為種類較為齊全、軟件功能較為豐富、工程應(yīng)用較為廣泛的一種有效的分析工具。有限元分析方法通用性強(qiáng)，適用于任意速度邊界條件，能夠模擬整個(gè)會(huì)屬成形過程的流動(dòng)規(guī)律，獲得變形過程任意時(shí)刻的力學(xué)信息和流動(dòng)信息，如應(yīng)力場(chǎng)

47、、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及預(yù)測(cè)缺陷的形成和擴(kuò)展；可以方便地分析處理模具形狀、工件與模具之問的摩擦、材料硬化效應(yīng)和溫度等多種因素對(duì)塑性加工過程的影響。有限元法，它的基礎(chǔ)是變分原理和加權(quán)余量法。它是把計(jì)算域劃分為有限個(gè)互不重疊的單元，在每個(gè)單元內(nèi)，選擇一些合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn)，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式，借助于變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解20。于擠壓成形的大變形問題，一般采用剛塑性或剛粘塑性有限元法，在分析中忽略變形材料的彈性變形，假設(shè)金屬在成形過程中體積不變。3.1.1 MSCMSCMENTAT是新一代非線性有限元分析的前后

48、處理圖形交互界面，與MSCMarc求解器無(wú)縫連接。它具有以ASIC為內(nèi)核的一流實(shí)體造型功能；全自動(dòng)二維三角形和四邊形、三維四面體和六面體網(wǎng)格自動(dòng)劃分建模能力；直觀靈活的多種材料模型定義和邊界條件的定義功能；分析過程控制定義和遞交分析、自動(dòng)檢查分析模型完整性的功能：實(shí)時(shí)監(jiān)控分析功能；方便的可視化處理計(jì)算結(jié)果能力；先進(jìn)的光照、渲染、動(dòng)畫和電影制作等圖形功能。并可直接訪問常用的CADCAE系統(tǒng)，如：ACIS、AutoCAD、CMOLD、IGES、MSCNASTRAN、MSCPATRAN、IDEAS、VDAFS、STL等等。MSCMarc AutoForge綜合了MSCMENTAT通用分析軟件求解器和

49、前后處理器的精髓，以及全自動(dòng)二維四邊形網(wǎng)格和三維六面體網(wǎng)格自適應(yīng)和重劃技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)具有高度組合的非線性體成型過程的全自動(dòng)數(shù)值模擬。MSCMarc AutoForge提供了大量實(shí)用材料數(shù)據(jù)以供選用，用戶也能夠自行創(chuàng)建材料數(shù)據(jù)庫(kù)備用。MSCMarc AutoForge除了可完成全2D或全3D的成型分析外，還可自動(dòng)將2D分析與3D分析無(wú)縫連接，大大提高對(duì)先2D后3D的多步加工過程的分析效率。利用MSCMarc AutoForge提供的結(jié)構(gòu)分析功能，可對(duì)加工后的包含殘余應(yīng)力的工件進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)分析，模擬加工產(chǎn)品在后續(xù)的運(yùn)行過程中的性能，有助于改進(jìn)產(chǎn)品加工工藝。此外，作為體成型分析的專用軟件，MSCM

50、arc AutoForge為滿足特殊用戶的二次開發(fā)需求，提供了友好的用戶開發(fā)環(huán)境。3.1.2 DEFORMDEFORM是國(guó)際上最著名的2D3D成形加工和熱處理工藝模擬分析軟件，美國(guó)SFTC公司出品，轉(zhuǎn)為生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用而設(shè)計(jì)開發(fā)，使用起來(lái)特別簡(jiǎn)單。保證用戶縮短設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期，優(yōu)化最佳工藝，提高生產(chǎn)效率。DEFORM具有如下突出特色：1模擬范圍廣：材料流動(dòng)，鍛造負(fù)荷，模具應(yīng)力，晶粒流動(dòng)，缺陷成因等；2適用工藝廣：(1)冷、熱、溫過程；(2)鍛造，拉拔，擠壓，鐓頭，礅粗，軋制，擺碾，機(jī)加工車削，沖切等；(3)正火，退火，淬火，回火，時(shí)效，滲碳，蠕變，硬化處理等；3適用設(shè)備多：液壓鍛機(jī)，鍛錘，摩擦壓力機(jī)

51、，機(jī)械壓力機(jī)，軋機(jī)，擺碾機(jī)等；4材料庫(kù)豐富：146種專用材料數(shù)據(jù)庫(kù)；5與CAD系統(tǒng)自由交換數(shù)據(jù)，智能化成形過程模擬分析、工藝評(píng)價(jià)。Deform-2D是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng)(FEM)，專門設(shè)計(jì)用來(lái)分析各種金屬成型過程中的二維(2D)流動(dòng)，提供極有價(jià)值得工藝分析數(shù)據(jù)。Deform-2D幾十年來(lái)一直被世界范圍內(nèi)的企業(yè)用于分析鍛造、擠壓、拉拔、鐓頭、鐓粗和其它成形手段。Deform-2D提供了最現(xiàn)代化的工藝模擬技術(shù)。Deform-2D強(qiáng)大的模擬引擎能夠分析金屬成形過程中，多個(gè)材料特性不同的關(guān)聯(lián)對(duì)象耦合作用下的大變形和熱特性。以此能夠保證金屬成形過程中的模擬精度，使得分析模型和模擬環(huán)境和實(shí)際

52、生產(chǎn)環(huán)境高度一致，任何需要時(shí)，能夠自行觸發(fā)高級(jí)自動(dòng)網(wǎng)格重劃生成器，生成優(yōu)秀的網(wǎng)格系統(tǒng)。Deform-3D是在一個(gè)集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進(jìn)行模擬仿真分析，適用于冷、析數(shù)據(jù)。如：材料流動(dòng)、模具填充、屬微結(jié)構(gòu)和缺陷產(chǎn)生發(fā)展情況等。熱、溫成形，提供極有價(jià)值得工藝分鍛造負(fù)荷、模具應(yīng)力、晶粒流動(dòng)、金其特色如下：不需要人工干預(yù)，全自動(dòng)網(wǎng)格剖分；前處理中自動(dòng)生成邊界條件，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確快速可靠；Deform-3D模型來(lái)自CAD系統(tǒng)的面或?qū)嶓w造型(STLSLA)格式；集成有成形設(shè)備模型，如：液壓壓力機(jī)，錘鍛機(jī)，螺旋壓力機(jī)，機(jī)械壓力機(jī)，軋機(jī)，擺碾機(jī)和用戶自定義類型(如脹壓成形)；表面壓力邊界

53、條件處理功能適用于解決脹壓成形工藝模擬；單步模具應(yīng)力分析方便快捷，適用于多個(gè)變形體，組合模具，帶有預(yù)應(yīng)力環(huán)時(shí)的成形過程分析；材料模型有彈性、剛塑性、熱彈塑性、熱剛粘塑性。粉末材料、剛性材料以及自定義類型；實(shí)體之間或?qū)嶓w內(nèi)部的熱交換分析既可以單獨(dú)求解，也可以耦合在成形模擬中進(jìn)行分析：具有Flownet和點(diǎn)跡示蹤、變形、云圖、矢量圖、力一行程曲線等后處理功能；具有2D切片功能，可以顯示工件或模具剖面結(jié)果；程序具有多聯(lián)變形體處理能力，能夠分析多個(gè)塑性工件和組合模具應(yīng)力；后處理中的鏡面反射功能，為用戶提供了高效處理具有對(duì)稱面或周期對(duì)稱面的機(jī)會(huì)，并且可以在后處理中顯示整個(gè)模型；自定義過程可用于計(jì)算流動(dòng)應(yīng)

54、力，沖壓系統(tǒng)響應(yīng)，斷裂判據(jù)和一些特別的處理要求，如：金屬微結(jié)構(gòu)，冷卻速率，機(jī)械性能等。3.2有限體積法有限體積法(Finite volume method)也稱為Euler描述方法，控制容積積分法21。其基本思路是：將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)控制體積；將待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分，便得出一組離散方程。其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量的數(shù)值。為了求出控制體積的積分，必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律，即假設(shè)值的分段的分布剖面。有限體積法能得出直接的物理解釋。離散方程的物理意義，就是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無(wú)限小的控制體積中的守恒原理一樣。有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對(duì)任意一組控制體積都得到滿足，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域，自然也得到滿足。這是有限體積法吸引人的優(yōu)點(diǎn)。有一些離散方