铝棒材等温挤压技术的研究
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摘要
传统的对铝型材挤压工艺的研究，主要通过实验的方法获得挤压过程中的工艺参数。随着计算机技术的发展，CAD／CAM／CAE技术在铝加工中有了越来越广泛的应用，人们也开始使用数值模拟技术来研究铝型材的挤压工艺。
在常规的铝及铝合金热挤压过程中，金属的温度和变形是很不均匀的，这将导致产品的尺寸、形状、组织和性能等质量方面的缺陷。随着挤压技术的发展和对挤压工艺的深入研究，人们逐渐认识到等温挤压对限制及消除这些质量缺陷是一种较理想的挤压方法。实现等温挤压有多种方法，文中通过对等速、变速挤压方式实现等温挤压做了相关研究。但由于铝型材挤压工艺的复杂性，等温挤压技术的研究还主要集中在简单铝型材的基础上。
本文以铝棒材为研究对象，建立了考虑热传导、对流换热、摩擦生热和塑性功等多种边界条件的热-力耦合温度场的有限元模型。使用MSC.Marc有限元分析软件，选用刚塑性有限元法和平面轴对称单元，通过对铝棒材等速挤压和变速挤压的数值模拟，给出了不同速度下出口温度与挤压行程的关系。通过对等速挤压的数值模拟，可以得到挤压过程中的温升，对于给定坯料温度和出口温度的挤压过程，提供了挤压速度的选择依据。而对变速挤压的模拟则说明，通过建立合理的挤压速度规范，则同样可实现等温挤压。
模拟计算的结果可用于优化棒材挤压工艺参数，从而可以提高生产效率，并可获取组织、机械性能较为一致、表面质量良好的挤压型材，对实际生产起到的一定的指导作用。
In conventional studies on the Aluminium extrusion process, extrusion technics is often determined by experiment. At present, with the development of computer technology, CAD/CAM/CAE are widely introduced into the manufacturing industry and researchers tend to use numerical simulation method to study the extrusion technics.
During conventional hot extrusion processes, temperature and distortion of the billets change unevenly, so the dimension, shape, organization and capability of the profile will be deterioration. With the development and study of the extrusion technology, people gradually realize that isothermal extrusion technology will eliminate these quality limitations. There are many ways to realize isothermal extrusion. In this paper, isothermal extrusion which used variable speeds is studied. But the researches mainly focus on those relatively simple-shaped workpieces due to the complexity of aluminium extrusion process.
In this paper, the author founded a model which consider of heat conduction, convection, and heat generation due to plastic work and friction. Using the rigid-plastic finite-element method and plane axisymmetric element, the model is capable of simulating the hot extrusion with constant and variable speeds. The temperature distribution and the speed effects in hot extrusion are predicted in detail by the proposed numerical model. The results show that reasonable speed criterion will realize approximately isothermal extrusion.
The research proves that the results of the numerical simulation could optimize the parameters of the extrusion technics, sequentially the productivity will be improved greatly. The proposed numerical simulation has been demonstrated to be a powerful tool for the design of hot extrusion processes.
在常规的铝及铝合金热挤压过程中，金属的温度和变形是很不均匀的，这将导致产品的尺寸、形状、组织和性能等质量方面的缺陷。随着挤压技术的发展和对挤压工艺的深入研究，人们逐渐认识到等温挤压对限制及消除这些质量缺陷是一种较理想的挤压方法。实现等温挤压有多种方法，文中通过对等速、变速挤压方式实现等温挤压做了相关研究。但由于铝型材挤压工艺的复杂性，等温挤压技术的研究还主要集中在简单铝型材的基础上。
本文以铝棒材为研究对象，建立了考虑热传导、对流换热、摩擦生热和塑性功等多种边界条件的热-力耦合温度场的有限元模型。使用MSC.Marc有限元分析软件，选用刚塑性有限元法和平面轴对称单元，通过对铝棒材等速挤压和变速挤压的数值模拟，给出了不同速度下出口温度与挤压行程的关系。通过对等速挤压的数值模拟，可以得到挤压过程中的温升，对于给定坯料温度和出口温度的挤压过程，提供了挤压速度的选择依据。而对变速挤压的模拟则说明，通过建立合理的挤压速度规范，则同样可实现等温挤压。
模拟计算的结果可用于优化棒材挤压工艺参数，从而可以提高生产效率，并可获取组织、机械性能较为一致、表面质量良好的挤压型材，对实际生产起到的一定的指导作用。
In conventional studies on the Aluminium extrusion process, extrusion technics is often determined by experiment. At present, with the development of computer technology, CAD/CAM/CAE are widely introduced into the manufacturing industry and researchers tend to use numerical simulation method to study the extrusion technics.
During conventional hot extrusion processes, temperature and distortion of the billets change unevenly, so the dimension, shape, organization and capability of the profile will be deterioration. With the development and study of the extrusion technology, people gradually realize that isothermal extrusion technology will eliminate these quality limitations. There are many ways to realize isothermal extrusion. In this paper, isothermal extrusion which used variable speeds is studied. But the researches mainly focus on those relatively simple-shaped workpieces due to the complexity of aluminium extrusion process.
In this paper, the author founded a model which consider of heat conduction, convection, and heat generation due to plastic work and friction. Using the rigid-plastic finite-element method and plane axisymmetric element, the model is capable of simulating the hot extrusion with constant and variable speeds. The temperature distribution and the speed effects in hot extrusion are predicted in detail by the proposed numerical model. The results show that reasonable speed criterion will realize approximately isothermal extrusion.
The research proves that the results of the numerical simulation could optimize the parameters of the extrusion technics, sequentially the productivity will be improved greatly. The proposed numerical simulation has been demonstrated to be a powerful tool for the design of hot extrusion processes.
引文
[1]谢建新，刘静安 著．金属挤压理论与技术．北京：冶金工业出版社，2001
[2]Jan Ingvorsen, Alu-Mac A/S, Alleroed, Denmark. Closed-loop Isothermal Extrusion. Seventh International Aluminum Extrusion Technology Seminar Shaping The Future Vol.Ⅰ: Extrusion Process Extrusion Equipment May 16-19, 2000 Chicago, IIIinois.
[3]林治平 编著．上限法在塑性加工工艺中的应用．中国铁道出版社，1991
[4]Tibbetts,B.,J.,Wen,Control Framework and Deformation Modeling Extrusion Processes:An Upper-Bound Approach, Proceeding:Aluminum Association Sixth Extrusion Technology Seminar, 1996,375-385.
[5]Jinn Jong Sheu, Rong Song Lee. A Numerical Model for Simulating Temperature and Speed Effect in Hot Extrusion of Rod. Int J Mech Sci, vol.33, no.12, 1991, 985～998.
[6]A.J. "Bill" Bryant; W. "Bill" Dixon; Roger A. P. Fielding and George Macey. Isothermal Extrusion. Light metal age, vol.57, no.3-4, April 1999, 8～36.
[7]C.M. Lee, D.Y. Yang. A Three-dimensional Steady-state Finite Element Analysis of Square Die Extrusion by Using Automatic Mesh Generation. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 40(2000) 33～47.
[8][日]井口征士 编．传感工程．科学出版社，2001
[9][澳]I．J．波尔米尔 著，陈昌麒 邹愉 译．轻合金．国防工业出版社，1985
[10][苏]波卢欣 等著，黄克琴 杨节 杨觉先 魏和荣 译，杨节 贺毓辛 校 塑性变形的物理基础．冶金工业出版社，1989
[11]科瓦索夫，弗里德良捷尔 主编，韩秉诚 蒋香泉 等译，李西铭 校．工业铝合金．冶金工业出版社，1981
[12][美]L．F．蒙多尔福 著，王祝堂 张振录 郑璇 等译．铝合金的组织与性能．冶金工业出版社，1988
[13]Avitgur B. Handbook of Metal-forming Processes. JOHN & SONS, 1983, 114～126, 153～171.
[14][苏]波卢欣 贡 A．M．加尔金 著．金属与合金的塑性变形阻力．机械工业出版社，1984
[15]周纪华 管克智 著．金属塑性变形阻力．机械工业出版社，1989
[16]王仲仁 等编著．塑性加工力学基础．国防工业出版社，1989
[17][苏]古恩 著，赵志业 王国栋 译，孙文俊 校．金属压力加工理论基础．冶金工业出版社，1989
[18]赵云路 唐志玉 编著．铝塑性型材挤压成形技术．机械工业出版社
[19]李虎兴 主编．压力加工过程的摩擦与润滑．冶金工业出版社，1993
[20]黄筑平 主编．塑性力学及其应用．北京理工大学出版社，1999
[21]谢水生，王祖堂 著．金属塑性成形工步的有限元数值模拟．北京：冶金工业出版社，1997
[22]王勖成，邵敏 编著．有限单元法基本原理和数值方法(第二版)．清华大学出版社
[23]刘建生，陈慧琴，郭晓霞 著．金属塑性加工有限元模拟技术与应用．冶金工业出版社，2003
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[26]杨翼，洪深泽，王雷刚，黄英娜．塑性成型过程温度场热力耦合数值模拟方程式的建立．塑性工程学报[J]，2002，Vol．9，No 1
[27]詹艳然，吴乐尧，王仲仁．金属体积成形过程中的温度场分析．塑性工程学报[J]，2001，Vol．8，No 4
[28]董湘怀，郑莹，兰箭，陈贻平，李志刚，金属塑性成形计算机模拟的若干进展．金属成型工艺[J]，2000，Vol．18，No 1
[29]马怀宪 主编．金属塑性加工学—挤压、拉拔与管材冷轧．冶金工业出版社，2002
[30]汪凌云，刘静安 编著．计算金属成形力学及应用．重庆大学出版社，1991
[31]俞佐平 编．传热学．高等教育出版社，1985
[32]任泽霈 编著．对流换热．高等教育出版社，1998
[33]Tapas Chanda, Jie zhou, Jurek Duszczyk. A comparative on iso-speed extrusion and isothermal extrusion of 6061 Al alloy using 3D FEM simulation. Journal of Materials Processing Technology 114(2001) 145～153.
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[37]陈泽中，包忠诩，柳和生，王美艳．铝型材挤压研究进展．金属成形工艺[J]，2000，Vol．18，No 5
[38]闫洪，包忠诩，柳和生．型材挤压过程三维弹塑性有限元模拟．轻合金加工技术[J]，2000，Vol．28，No 11
[39][意]F．M．马佐拉尼 著，谭梅祝 译，管恩锜 谢如荣 校．铝合金结构．冶金工业出版社，1992
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[46]徐秉业，刘信生．应用弹塑性力学．清华大学出版社，1995
[47]刘静安 编著．铝型材挤压模具设计、制造、使用及维修．冶金工业出版社，1999
[48]陈火红 编著．Marc有限元实例分析教程．机械工业出版社，2002
[49]席源山 陈火红 等编．温度场及其耦合场分析培训教程．MSC．Software中国，2001
[50]陈火红 等编．接触分析培训教程．MSC．Software中国，2001．
[51]陈火红 编译．材料非线性分析培训教程．MSC．Software中国，2001
[2]Jan Ingvorsen, Alu-Mac A/S, Alleroed, Denmark. Closed-loop Isothermal Extrusion. Seventh International Aluminum Extrusion Technology Seminar Shaping The Future Vol.Ⅰ: Extrusion Process Extrusion Equipment May 16-19, 2000 Chicago, IIIinois.
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[48]陈火红 编著．Marc有限元实例分析教程．机械工业出版社，2002
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[51]陈火红 编译．材料非线性分析培训教程．MSC．Software中国，2001