一种基于数值模拟的等温挤压速度曲线获取方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于数值模拟的等温挤压速度曲线获取方法，依据坯料性能、挤压机调速范围，设置模拟挤压条件和挤压速度。依据实际的生产经验，设定有利于制品性能的出口温度。通过对待加工坯料进行多次等速模拟挤压，得出不同挤压速度的最高温度——挤压行程曲线。曲线与设定的出口温度相交，通过对这些数据点拟合，得到等温挤压挤压速度——行程曲线，进行函数关系变换，得到等温挤压挤压速度——时间曲线。把得到的挤压速度——时间曲线输入挤压机控制系统，控制挤压机柱塞速度变化，使制品温度保持稳定。本发明提供的方法可以提高制品生产质量，使其组织性能均匀稳定、促进挤压生产效率、改善挤压生产工艺。
【专利说明】一种基于数值模拟的等温挤压速度曲线获取方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料科学【技术领域】的金属材料挤压加工工艺，特别是提供了一种铝合金热挤压加工过程中的等温挤压速度曲线及获取方法。
【背景技术】
[0002]挤压是对放在容器(挤压筒)中的锭坯一端施加压力，使之通过模孔以实现成形的一种压力加工方法，如图1所示。在铝及铝合金半成品中，挤压是主要的成型工艺之一，挤压产品占全部半成品的1/3，尤其是生产建筑型材。
[0003]在挤压过程中，挤压出口温度是一个重要参数，它决定了挤压制品的组织性能是否均匀、挤压制品质量是否稳定的关键因素。通过仿真，挤压出口温度即为挤压制品的最高温度，它与坯料初始温度、挤压速度、挤压工具温度、挤压筒及模具摩擦、挤压系数等因素有关，出口温度难以通过理论计算进行预测和分析。
[0004]传统的挤压方式是整个挤压过程保持恒定速度挤压，但这样的恒速挤压一般在低速下进行。如果速度过高而且始终保持恒定，挤压制品温度不断升高影响挤压制品质量。同时速度较大的等速挤压会使制品各个截面的组织不均、性能不稳定、模具损耗严重。因此工业上更希望实现等温挤压从而达到挤压过程最高温度保持稳定，改善制品组织均匀、性能良好、挤压效率提闻、1吴具损耗减小的目的。
[0005]在工业上，实现等温挤压一般分为两种方式，一种是采用轴向上温度梯度分布的坯料进行挤压实现；另一种是通过改变随行程变化的挤压速度的方式实现。相比而言，第一种方式的坯料温度梯度值难以精确的确定，实现困难，而第二种方式运用较多。查阅文献有较多学者提出了速度变化的曲线实现等温挤压，但这样的速度标准没有实现等温挤压的依据，也没有给出这样的速度曲线是如何得来的。
[0006]实现等温挤压是为了获得温度稳定的挤压制品，尽可能的实现制品轴向的组织均匀、性能稳定，满足工业生产需要。在此基础上更希望提高生产效率，降低模具磨损及生产成本。为了搞清提出的各种挤压速度曲线可以实现等温挤压，需要从实现制品温度恒定目的推出实现等温挤压的速度曲线是有必要的。获取的等温挤压速度曲线方法对工业挤压过程的挤压工艺优化有一定借鉴意义。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于针对铝合金的挤压工艺，提供一种简单可行的基于数值模拟的等温挤压速度曲线获取方法，把本发明方法得到的曲线输入挤压设备速度控制系统，能使挤压过程最高温度保持稳定，保证制品组织均匀、性能良好、提高挤压效率。
[0008]本发明提供的的技术方案为:一种基于数值模拟的等温挤压速度曲线获取方法，包括以下步骤:步骤一:根据挤压制品选择挤压设备和坯料；步骤二:建立挤压模型；根据挤压设备的调速范围，选取多个进行模拟挤压的速度；设置挤压条件；设定出口温度；步骤
三:采用deform软件进行多次等速挤压模拟，取出不同等速挤压情况下的最高温度——挤压行程曲线；步骤四:得到不同等速挤压情况下的最高温度一挤压行程变化曲线与设定出口温度的交点；步骤五:将上述交点通过η种不同方式拟合，得到相应的η条挤压速度一挤压行程曲线；n ^ 2 ;步骤六:根据不同的挤压速度一挤压行程曲线，进行多次模拟挤压，得到相应的最高温度一挤压行程曲线，对比不同的最高温度一挤压行程曲线，得出最优的挤压速度——挤压行程曲线，变换后得到的挤压速度——时间曲线作为等温挤压速度曲线；
[0009]最后将得到的等温挤压速度曲线输入挤压设备的速度控制系统。
[0010]进一步地，所述步骤五中的拟合方式包括阶梯函数拟合和反比例函数拟合。进一步地，所述步骤三中，先取出不同等速挤压情况下，挤压力一挤压行程曲线；再得到挤压力一挤压速度曲线；将不超过挤压设备额定挤压力80 %的曲线段中最大挤压速度值作为挤压初始阶段的速度。进一步地，所述步骤一中，挤压制品为7075铝合金，选择挤压设备为125丽卧式挤压机；挤压模具定径带长度6mm,模具入口半角0.5mm,挤压系数为10.6 ;还料尺寸直径630mm,长度1870mm,挤压制品尺寸200mm,挤压筒内径为650mm,长度2000mm,挤压垫片厚度260mm ;所述步骤二中，设定坯料初始温度为420°C，挤压垫片、模具、挤压筒初始温度为400°C，设定出口温度为490°C;根据125MN卧式挤压机调速范围O~30mm/s，取5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s、30mm/s进行模拟等速挤压，设定挤压行程为1850mm ;摩擦系数系统设定为0.4， 热交换系数取系统默认值llN/(mm.s.°C )。进一步地，所述等温挤压速度曲线为由反比例函数拟合得到的挤压速度——挤压行程曲线，为
[30Se [0,196)
[0011]F = ^n7議
(1816.9245 " SIW 5 e [196,1750]
[0012]其中V为挤压速度,单位为mm/s, S为挤压行程,单位为mm。
[0013]有益效果
[0014](I)简单直接，容易实现，不用事先对挤压坯料进行温度梯度加热，也不需用对挤压机添加辅助设备；
[0015](2)在实现制品温度稳定的基础上实现等温挤压速度曲线，通过合理调节挤压速度，确定坯料及挤压工具初始温度和挤压制品出模温度，即可确定不同的速度曲线。
[0016](3)在生产各种截面和压缩比的制品之前，需模拟各种等速挤压得到良好的速度曲线施加到挤压机控制系统。不同的截面，不同的坯料尺寸和制品尺寸都不会改变此种方法的有效性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为正向挤压棒材原理模型图；
[0018]其中I为挤压筒、2为挤压垫片、3为挤压轴、4为模具，5为挤压制品；
[0019]图2为最大挤压力——挤压速度曲线；
[0020]图3为不同挤压速度下的最大温度一挤压行程的曲线；
[0021]图4为阶梯函数拟合得到的挤压速度一挤压行程曲线；
[0022]图5为反比例函数拟合得到的挤压速度一挤压行程曲线；
[0023]图6 (a)为按图4拟合方式得到的挤压力——挤压行程曲线；
[0024]图6 (b)为按图5拟合方式得到的挤压力——挤压行程曲线；[0025]图7 (a)为按图4拟合方式得到的最高温度——时间曲线；
[0026]图7 (b)为按图5拟合方式得到的最高温度——时间曲线；
[0027]图8为不同等速与拟合反比例函数下的最高温度——行程曲线。
[0028]图9为实现等温挤压的挤压速度一时间曲线。
【具体实施方式】
[0029]以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0030]本发明方法以保持制品出口温度稳定为目标，得出等温挤压速度曲线输入给挤压机控制系统。等温挤压速度曲线的获取方法为:通过对不同速度下的等速挤压待加工坯料进行多次模拟挤压过程，拟合得到实现等温挤压的速度曲线。依据坯料性能、挤压机调速范围，设定有利于制品性能的出口温度。根据实际的生产经验，确定挤压工具的加热温度、摩擦系数、传热系数、环境温度、模具形状与尺寸及挤压系数，以等速度挤压工艺得出不同挤压速度的制品出口温度与挤压行程变化曲线。温度变化曲线与设定的出口温度相交，这些交点显示了不同挤压行程的速度值。通过对这些数据点的拟合，可以得到等温挤压速度随行程变化函数曲线，把得到的等温挤压速度曲线输入到挤压机控制系统实现速度的精确控制。该方法具体包括以下步骤:
[0031]步骤1:根据挤压制品的材料和规格，选择相应的挤压设备和坯料尺寸，确定工业生产的挤压条件、挤压工具尺寸，同时确定模型几何形状和各种边界条件；
[0032]如图1所示，首先设定挤压制品材料为7075铝合金，挤压设备为125丽卧式挤压机。根据生产经验设计，选择还料尺寸直径630mm,长度1870mm,挤压制品5尺寸200mm。挤压筒I内径为650mm,长度2000mm,挤压垫片2厚度260mm,挤压模具4定径带长度6mm,模具4入口半角0.5mm，挤压系数为10.6，图中3为挤压轴。
[0033]步骤2:依据坯料材料和该铝合金生产经验和数据，确定挤压制品的最高出口温度；
[0034]查阅生产经验和数据，设定坯料初始温度为420°C，挤压垫片、模具、挤压筒初始温度为400°C，确定挤压制品最高温度为490°C。
[0035]步骤3:依据选择的挤压机调速范围，把调速范围划分为不同速度大小的等速情况，确定好热交换系数及摩擦系数，保证具有相同的外界条件实现多次等速挤压模拟；
[0036]对于125MN 卧式挤压机调速范围 O ?30mm/s,取 5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s、30mm/s进行模拟等速挤压,设定挤压行程为1850mm。摩擦系数系统设定为0.4,热交换系数取系统默认值llN/(mm.s.°C )。
[0037]步骤4:采用deform软件进行多次等速挤压模拟，取出不同等速下挤压力随挤压行程的变化关系，得出最大挤压力随挤压速度的变化关系；取出不同等速下最大挤压温度随挤压行程的变化关系，得出在设定出口温度情况下的最高温度随行程变化汇总图。
[0038]最大挤压力是挤压机较为重要的技术参数，根据挤压机最大挤压力有效范围可以确定挤压机的最大挤压速度。图2为最大挤压力——挤压速度曲线。由图可知随着挤压速度的提高，最大挤压力也不断提高。而最大挤压力不能超过挤压机额定挤压力的80%。由图可知，在速度为30mm/s的时候，最大挤压力为72.5MN,由于挤压机为125MN，这样的最大挤压力都在挤压机80%的有效挤压范围内，因此最大挤压力下的速度值作为挤压初始阶段(墩粗阶段)的最大值。
[0039]图3为不同挤压速度下的最大温度一挤压行程的曲线，同时给出设定的490°C值。根据图可知，挤压速度越低，温度随挤压行程的增幅越小。当速度为5mm/s时，稳定挤压阶段温度变化非常平缓，基本类似于等温挤压，制品温度保持在475°C。随着挤压速度的升高，温度逐渐升高，超过了设定的温度。速度越大，通过设定温度的挤压行程越短。
[0040]步骤5:得到不同等速挤压情况下，最高温度与设定出口温度的交点，这些交点显示了不同挤压行程处的速度值。
[0041]根据图3，取出温度变化曲线和设定值的交点，这些交点显示了设定出口温度下，不同挤压行程处的速度值。以挤压行程为横坐标，挤压速度为纵坐标，这几点坐标为(196，30)、(242，25)、(311，20)、(435，15)、(920，10)、(1784，5)。其中速度为 5mm/s，达到设定温度490°C的时候，已经达到了挤压死区，不再挤压。实际上根据挤压力行程曲线可知，在挤压行程为1750mm的时候，进入了挤压终了阶段。在此阶段，挤压力会突然增大，坯料流动紊舌L影响挤压制品质量，此时停止挤压，不再控制挤压速度。所以对行程和速度点进行修正(196，30)、(242，25)、(311，20)、(435，15)、(920，10)、(1750，5)。
[0042]步骤6:通过这些数据交点，拟合得出多种挤压速度变化曲线进行模拟等温挤压，得到的最优速度曲线作为挤压机速度控制系统的速度输入。
[0043]不同的方式拟合，则得到不同的表达式。为了得到较高的挤压效率，同时考虑到挤压机的最大挤压速度为30mm/s,提出了在196mm的行程内采用30mm/s的等速挤压,迅速实现到这个位置，而后采用降低速度实现等温的方式。
[0044]图4为阶梯函数拟合的等温挤压挤压速度一挤压行程曲线；图5为反比例函数拟合得到的等温挤压挤压速度一挤压行程曲线。对于阶梯降速的挤压方式，在不同的行程段保持不同的等速挤压，这也为文献中采用的模拟等温挤压速度曲线提供了一种理论依据和获取方法。对于反比例函数的曲线拟合，得到该模拟条件下的等温挤压速度曲线函数:
【权利要求】
1.一种基于数值模拟的等温挤压速度曲线获取方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一:根据挤压制品选择挤压设备和坯料； 步骤二:建立挤压模型；根据挤压设备的调速范围，选取多个进行模拟挤压的速度；设置挤压条件；设定出口温度； 步骤三:采用deform软件进行多次等速挤压模拟，取出不同等速挤压情况下的最高温度一挤压行程曲线； 步骤四:得到不同等速挤压 情况下的最高温度一挤压行程变化曲线与设定出口温度的交点； 步骤五:将上述交点通过η种不同方式拟合，得到相应的η条挤压速度一挤压行程曲线；η≥2 ; 步骤六:根据不同的挤压速度一挤压行程曲线，进行多次模拟挤压，得到相应的最高温度一挤压行程曲线，对比不同的最高温度一挤压行程曲线，得出最优的挤压速度一挤压行程曲线，变换后得到的挤压速度一时间曲线作为等温挤压速度曲线。
2.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的等温挤压速度曲线获取方法，其特征在于，所述步骤五中的拟合方式包括阶梯函数拟合和反比例函数拟合。
3.根据权利要求1或2所述的基于数值模拟的等温挤压速度曲线获取方法，其特征在于，所述步骤三中，先取出不同等速挤压情况下，挤压力一挤压行程曲线；再得到挤压力一挤压速度曲线；将不超过挤压设备额定挤压力80 %的曲线段中最大挤压速度值作为挤压初始阶段的速度。
4.根据权利要求3所述的基于数值模拟的等温挤压速度曲线获取方法，其特征在于，所述步骤一中，挤压制品为7075铝合金，选择挤压设备为125ΜΝ卧式挤压机；挤压模具定径带长度6mm,模具入口半角0.5mm,挤压系数为10.6 ;还料尺寸直径630mm,长度1870mm,挤压制品尺寸200mm，挤压筒内径为650mm，长度2000mm，挤压垫片厚度260mm ； 所述步骤二中，设定坯料初始温度为420°C，挤压垫片、模具、挤压筒初始温度为400°C，设定出口温度为490°C ;根据125丽卧式挤压机调速范围O~30mm/s，取5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s、30mm/s进行模拟等速挤压，设定挤压行程为1850mm ;摩擦系数系统设定为0.4，热交换系数取系统默认值llN/(mm.s.°C )。
5.根据权利要求4所述的基于数值模拟的等温挤压速度曲线获取方法，其特征在于，所述等温挤压速度曲线为由反比例函数拟合得到的挤压速度一挤压行程曲线，为
【文档编号】B21C23/00GK103949489SQ201410200134
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2014年5月13日
【发明者】谭建平, 杨武, 杨俊
申请人:中南大学