梁奕清

（广东兴发铝业有限公司，广东 佛山 528000）

挤压产品的产生使用铝合金型材，是因此类材料的焊接性能好、塑性佳、密度小等优势，能取代传统化钢铁材料。当前，铝合金型材挤压技术广泛应用在各领域中，并发挥着重要作用，如工业领域、民用领域等。在此项技术应用过程中可提升产品生产效率、工艺质量，提供合理控制挤压速度影响铝合金型材挤压效果，保证挤压产品合格率。

1 建立数值模拟模型

1.1 构建模具

本文选择空心铝型材为研究对象，在型材积压过程中应用Pro/E软件完成模具构建工作，搭配MSC－Superforge软件，增强挤压速度不同情况下的挤压过程中模具温度、载荷变化情况等，为挤压速度对铝合金型材挤压过程的影响提供重要信息数据[1]。

构建模具阶段，主要是对空心铝型材规格的处理，设计其截面尺寸60mm*20mm，壁厚3mm，采取平面分流模挤压成形方式，由Pro /E 软件构建分流模。此外，坯料以Al6063合金为主（170mm*50mm）；模具以H13为主；挤压比λ=51.1。

1.2 设置工艺参数

结合研究对象规格分析，设计坯料预热温度为480℃、模具预热温度为450℃，以常摩擦因子模型为主（m=0.33）；网格尺寸1.5mm。同时，在此阶段还分析到型材挤压过程中的效率与速度，在此阶段设计凸模压下量33mm，当挤压处于稳定状态后，模拟工作才可停止。

挤压速度的控制，采用了两种形式，一种是恒定速度模型；另一种是线性分布速度模型。其中，在恒定速度模型中设计挤压速度为2mm/s、4mm/s、6mm/s、8mm/s、10mm/s。此环节中需要注意的是较高恒定挤压速度，注意是8mm/s与10mm/s。而线性分布速度模型中设计挤压速度为12mm～4mm、15mm～5mm。

2 挤压速度对铝合金型材挤压过程的影响分析

2.1 模具载荷影响

铝合金型材挤压过程中发生的开裂、磨损等问题，主要原因是模具承受载荷过大，实际挤压环节中所产生的载荷值与预期设计的载荷值存在较大从差异性，从而引发相应的问题。对此情况，需在挤压过程中对所产生的信息数据详细记录工作人员可根据具体信息数据掌握铝合金型材挤压过程中的实况[2]。然后，借助电子设备，把所记录的信息数据编制成受力曲线图，可更直观地掌握铝合金型材挤压过程中模具载荷情况，得到铝合金型材挤压行程增大，挤压力随之增大，铝合金型材挤压经历四个阶段。

第一阶段，金属经过挤压筒达到分流孔时，挤压力瞬间增加，保证金属平稳流经分流孔，此阶段的模具载荷有所增加，并增加适当比较缓慢；第二阶段，金属由分流孔流入焊合室，并处于“满充”状态，此阶段的挤压力逐渐升高；第三阶段，金属由焊合室流入工作带方向，此阶段属于“热挤压”，但挤压难度难度增加，挤压力急剧上升，直至型材挤出工作带才平稳，此时的载荷最大；第四阶段，金属流出工作带，整个挤压工作处于稳定成形状态，因金属大量流出，会在牵附作用影响下，载荷曲线更稳定，未有明显的起伏情况。

此外，因模具载荷受恒定挤压速度影响，在挤压中所产生的信息数据影响载荷曲线趋势，因挤压速度加快而增大模具载荷程度，也增大材料变形抗力[3]。

例如：挤压速度控制6mm/s，模具载荷发生异常情况，因挤压速度加快，挤压件的温度不仅上升，而且还会有较大的升高幅度，导致材料变形抗力降低。如果挤压速度控制2mm/s，可缓解模具载荷程度，材料变形抗力影响程度不大，了解到挤压速度对模具载荷、使用年限等有一定影响（如图1所示--不同挤压速度下模具载荷分布曲线）。

图1 不同挤压速度下模具载荷分布曲线

在该项目实施阶段对挤压速度的控制，选择呈线性分布方式，只需在设计阶段对挤压速度进行对比探究，就能掌握到模具载荷在不同挤压速度下的实际情况，能在挤压生产前结合具体信息数据详细分析，就可根据产品生产要求合理设计，保证挤压速度合理性，保证模具承载合理性。

2.2 温度影响

挤压速度影响材料挤压过程中的热量、热交换时间、摩擦状况等，也说明挤压速度是材料挤压过程中热交换时间主要影响因素，需维持或控制挤压件内部温度。

例如：设计挤压速度为2mm/s，材料挤压中的压下量发生变化，如果坯料温度在454.5℃～477.2℃时，材料挤压内部温度有相应变化，为热量传递提供充足时间，从起初的塑性变形稳定控制到480℃，压下量为38mm，此阶段的模口工作带出口处的温度最高，材料会在此区域中发生激烈的变形情况。此现象属于正常现象，是挤压生产环节中必要的温度条件。

此外，针对上述内容中所设计的挤压速度，对比2mm/s、4mm/s、6mm/s、8mm/s、10mm/s时，随着挤压速度的提升，压下量发生显著变化，此阶段的挤压件温度以增高趋势发展。

例如：对比挤压速度2mm/s、挤压速度4mm/s，凸模压下量降低，可了解到挤压速度较低，挤压材料的塑性变形程度，并在塑性变形过程会产生较多的热量，处于低温度条件下完成挤压工作[4]。对比6mm/s挤压速度的温度变化，整体稳定呈平稳性，说明挤压材料生产过程中所产生的热量，基本相等于散失热量，才摆正挤压材料温度稳定性。对10mm/s挤压材料，此阶段的挤压材料温度会上升到9℃，因速度越快产生较多的热量，但也会影响热量散失时间，导致挤压件的内部温度升高，无法保证各项条件的均衡性，往往因挤压件的内部温度升高而出现变形情况。（如图2所示--不同速度下挤压件最高温度随压下量变化曲线）。

图2 不同速度下挤压件最高温度随压下量变化曲线

基于不同挤压速度的对比分析条件下，能了解到挤压速度会对铝合金型材挤压过程中的温度有一定影响，而温度的升高会出现材料变形情况，无法保证产品工艺质量。那么需在挤压过程中控制挤压速度，建议在挤压生产前能对各项影响因素与实际要求综合分析，设计挤压件恒定温度，然后再挤压过程中中控制挤压速度，才可保证挤压机生产效率与质量。

2.3 抗拉强度、断后伸长率影响

分析空心铝型材研究对象的物理特点，在试验阶段对挤压速度控制，可影响空心铝型材的抗拉强度、断裂伸长率。设计挤压速度由1m/min提升至5m/min，结合图1分析（挤压速度对试样力学性能的影响），了解空心铝型材的由起初的抗拉强度方式变化，271MPa增加到292MPa，同时，有瞬间降低到268MPa；而空心铝型材的断后伸长率在12.1%～10.9%之间。再设计挤压速度由1.5min提升至5m/min，抗拉强度达到274MPa，断后伸长率为11.8%；设计挤压速度由2.0min提升至5m/min，抗拉强度达到280MPa，断后伸长率为11.6%[5]。

经过对不同挤压速度下的空心铝型材抗拉强度、断后伸长率各项信息数据分析，随着挤压速度加快，空心铝型材抗拉强度持续性增大，但断后伸长率则逐渐降低。再对2.5m/min挤压速度设计，空心铝型材抗拉强度286MPa，断后伸长率11.2%；3.0m/min挤压速度设计，空心铝型材抗拉强度292MPa，断后伸长率10.9%；3.5m/min挤压速度设计，空心铝型材抗拉强度290MPa，断后伸长率11%。对比相同挤压速度下的空心铝型材抗拉强度、断后伸长率，每1m/min挤压速度会增大15MPa、21MPa、19MPa抗拉强度，每1m/min挤压速度断后伸长率减小0.9%、1.2%、1.1%。

依据具体信息数据说明，挤压速度对空心铝型材抗拉强度、断后伸长率有一定影响，只有在挤压速度适宜条件下，才能保证空心铝型材综合性能，需在挤压过程中注重挤压速度控制。

图3 挤压速度对试样力学性能的影响

2.4 高温抗氧化影响

空心铝型材截面尺寸60mm*20mm，壁厚3mm，在挤压过程中会因挤压速度影响单位面积质量增加。依然会在挤压过程中设计1m/min提升至5m/min，此阶段的单位面积质量发生变化，具体范围在204mg/cm2～148mg/cm2，呈“先减小后增大”趋势，此阶段空心铝型材高温抗氧化性能“先提升后下降”。

此外，设计挤压速度1.5m/min，此阶段的单位面积为193mg/cm2，设计挤压速度2.0m/min，此阶段的单位面积为180mg/cm2；设计挤压速度2.5m/min，此阶段的单位面积为153mg/cm2；设计挤压速度3.0m/min，此阶段的单位面积为148mg/cm2；设计挤压速度3.5m/min，此阶段的单位面积为152mg/cm2。对比挤压速度变化下的空心铝型材单位面积质量，每1.0m/min挤压速度变化，空心铝型材单位面积质量发生51mg/cm2、56mg/cm2、52mg/cm2。其中，挤压速度为3.0m/min时的空心铝型材单位面积质量稳定，高温抗氧化性能最佳[6]。

如果设计挤压速度为4m/min，此条件下的空心铝型材单位面积质量有大幅度的增加，但空心铝型材的高温抗氧化性能却下降。说明挤压速度会对铝合金型材高温抗氧化性能有一定影响，结合上述信息数据的对比分析，能了解到为控制铝合金型材高温抗氧化性能，建议设计挤压速度3m/min。

3 结语

综上所述，本文选择空心铝型材为研究对象，为保证挤压速度对铝合金型材挤压过程影响结果的科学性与合理性，选择建立数值模拟模型方式，构建模具、设置工艺参数，设计2mm/s、4mm/s、6mm/s、8mm/s、10mm/s挤压速度，对比不用速度探究下的铝合金型材挤压变化情况，为便于对各项信息数据掌握，绘制成具体的曲线图，最终掌握挤压速度对铝合金型材挤压过程模具载荷、温度、抗拉强度、断后伸长率、高温抗氧化等均有一定影响，还需在此工艺实施阶段能对挤压速度合理化控制，从而保证挤压产品质量与效率。