一種基于數(shù)值模擬的等溫?cái)D壓速度曲線獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于數(shù)值模擬的等溫?cái)D壓速度曲線獲取方法，依據(jù)坯料性能、擠壓機(jī)調(diào)速范圍，設(shè)置模擬擠壓條件和擠壓速度。依據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定有利于制品性能的出口溫度。通過對待加工坯料進(jìn)行多次等速模擬擠壓，得出不同擠壓速度的最高溫度——擠壓行程曲線。曲線與設(shè)定的出口溫度相交，通過對這些數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合，得到等溫?cái)D壓擠壓速度——行程曲線，進(jìn)行函數(shù)關(guān)系變換，得到等溫?cái)D壓擠壓速度——時(shí)間曲線。把得到的擠壓速度——時(shí)間曲線輸入擠壓機(jī)控制系統(tǒng)，控制擠壓機(jī)柱塞速度變化，使制品溫度保持穩(wěn)定。本發(fā)明提供的方法可以提高制品生產(chǎn)質(zhì)量，使其組織性能均勻穩(wěn)定、促進(jìn)擠壓生產(chǎn)效率、改善擠壓生產(chǎn)工藝。
【專利說明】一種基于數(shù)值模擬的等溫?cái)D壓速度曲線獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】的金屬材料擠壓加工工藝，特別是提供了一種鋁合金熱擠壓加工過程中的等溫?cái)D壓速度曲線及獲取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]擠壓是對放在容器(擠壓筒)中的錠坯一端施加壓力，使之通過?？滓詫?shí)現(xiàn)成形的一種壓力加工方法，如圖1所示。在鋁及鋁合金半成品中，擠壓是主要的成型工藝之一，擠壓產(chǎn)品占全部半成品的1/3，尤其是生產(chǎn)建筑型材。
[0003]在擠壓過程中，擠壓出口溫度是一個(gè)重要參數(shù)，它決定了擠壓制品的組織性能是否均勻、擠壓制品質(zhì)量是否穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。通過仿真，擠壓出口溫度即為擠壓制品的最高溫度，它與坯料初始溫度、擠壓速度、擠壓工具溫度、擠壓筒及模具摩擦、擠壓系數(shù)等因素有關(guān)，出口溫度難以通過理論計(jì)算進(jìn)行預(yù)測和分析。
[0004]傳統(tǒng)的擠壓方式是整個(gè)擠壓過程保持恒定速度擠壓，但這樣的恒速擠壓一般在低速下進(jìn)行。如果速度過高而且始終保持恒定，擠壓制品溫度不斷升高影響擠壓制品質(zhì)量。同時(shí)速度較大的等速擠壓會(huì)使制品各個(gè)截面的組織不均、性能不穩(wěn)定、模具損耗嚴(yán)重。因此工業(yè)上更希望實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓從而達(dá)到擠壓過程最高溫度保持穩(wěn)定，改善制品組織均勻、性能良好、擠壓效率提聞、1吳具損耗減小的目的。
[0005]在工業(yè)上，實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓一般分為兩種方式，一種是采用軸向上溫度梯度分布的坯料進(jìn)行擠壓實(shí)現(xiàn)；另一種是通過改變隨行程變化的擠壓速度的方式實(shí)現(xiàn)。相比而言，第一種方式的坯料溫度梯度值難以精確的確定，實(shí)現(xiàn)困難，而第二種方式運(yùn)用較多。查閱文獻(xiàn)有較多學(xué)者提出了速度變化的曲線實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓，但這樣的速度標(biāo)準(zhǔn)沒有實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓的依據(jù)，也沒有給出這樣的速度曲線是如何得來的。
[0006]實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓是為了獲得溫度穩(wěn)定的擠壓制品，盡可能的實(shí)現(xiàn)制品軸向的組織均勻、性能穩(wěn)定，滿足工業(yè)生產(chǎn)需要。在此基礎(chǔ)上更希望提高生產(chǎn)效率，降低模具磨損及生產(chǎn)成本。為了搞清提出的各種擠壓速度曲線可以實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓，需要從實(shí)現(xiàn)制品溫度恒定目的推出實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓的速度曲線是有必要的。獲取的等溫?cái)D壓速度曲線方法對工業(yè)擠壓過程的擠壓工藝優(yōu)化有一定借鑒意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于針對鋁合金的擠壓工藝，提供一種簡單可行的基于數(shù)值模擬的等溫?cái)D壓速度曲線獲取方法，把本發(fā)明方法得到的曲線輸入擠壓設(shè)備速度控制系統(tǒng)，能使擠壓過程最高溫度保持穩(wěn)定，保證制品組織均勻、性能良好、提高擠壓效率。
[0008]本發(fā)明提供的的技術(shù)方案為:一種基于數(shù)值模擬的等溫?cái)D壓速度曲線獲取方法，包括以下步驟:步驟一:根據(jù)擠壓制品選擇擠壓設(shè)備和坯料；步驟二:建立擠壓模型；根據(jù)擠壓設(shè)備的調(diào)速范圍，選取多個(gè)進(jìn)行模擬擠壓的速度；設(shè)置擠壓條件；設(shè)定出口溫度；步驟
三:采用deform軟件進(jìn)行多次等速擠壓模擬，取出不同等速擠壓情況下的最高溫度——擠壓行程曲線；步驟四:得到不同等速擠壓情況下的最高溫度一擠壓行程變化曲線與設(shè)定出口溫度的交點(diǎn)；步驟五:將上述交點(diǎn)通過η種不同方式擬合，得到相應(yīng)的η條擠壓速度一擠壓行程曲線；n ^ 2 ;步驟六:根據(jù)不同的擠壓速度一擠壓行程曲線，進(jìn)行多次模擬擠壓，得到相應(yīng)的最高溫度一擠壓行程曲線，對比不同的最高溫度一擠壓行程曲線，得出最優(yōu)的擠壓速度——擠壓行程曲線，變換后得到的擠壓速度——時(shí)間曲線作為等溫?cái)D壓速度曲線；
[0009]最后將得到的等溫?cái)D壓速度曲線輸入擠壓設(shè)備的速度控制系統(tǒng)。
[0010]進(jìn)一步地，所述步驟五中的擬合方式包括階梯函數(shù)擬合和反比例函數(shù)擬合。進(jìn)一步地，所述步驟三中，先取出不同等速擠壓情況下，擠壓力一擠壓行程曲線；再得到擠壓力一擠壓速度曲線；將不超過擠壓設(shè)備額定擠壓力80 %的曲線段中最大擠壓速度值作為擠壓初始階段的速度。進(jìn)一步地，所述步驟一中，擠壓制品為7075鋁合金，選擇擠壓設(shè)備為125麗臥式擠壓機(jī)；擠壓模具定徑帶長度6mm,模具入口半角0.5mm,擠壓系數(shù)為10.6 ;還料尺寸直徑630mm,長度1870mm,擠壓制品尺寸200mm,擠壓筒內(nèi)徑為650mm,長度2000mm,擠壓墊片厚度260mm ;所述步驟二中，設(shè)定坯料初始溫度為420°C，擠壓墊片、模具、擠壓筒初始溫度為400°C，設(shè)定出口溫度為490°C;根據(jù)125MN臥式擠壓機(jī)調(diào)速范圍O~30mm/s，取5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s、30mm/s進(jìn)行模擬等速擠壓，設(shè)定擠壓行程為1850mm ;摩擦系數(shù)系統(tǒng)設(shè)定為0.4， 熱交換系數(shù)取系統(tǒng)默認(rèn)值llN/(mm.s.°C )。進(jìn)一步地，所述等溫?cái)D壓速度曲線為由反比例函數(shù)擬合得到的擠壓速度——擠壓行程曲線，為
[30Se [0,196)
[0011]F = ^n7議
(1816.9245 " SIW 5 e [196,1750]
[0012]其中V為擠壓速度,單位為mm/s, S為擠壓行程,單位為mm。
[0013]有益效果
[0014](I)簡單直接，容易實(shí)現(xiàn)，不用事先對擠壓坯料進(jìn)行溫度梯度加熱，也不需用對擠壓機(jī)添加輔助設(shè)備；
[0015](2)在實(shí)現(xiàn)制品溫度穩(wěn)定的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓速度曲線，通過合理調(diào)節(jié)擠壓速度，確定坯料及擠壓工具初始溫度和擠壓制品出模溫度，即可確定不同的速度曲線。
[0016](3)在生產(chǎn)各種截面和壓縮比的制品之前，需模擬各種等速擠壓得到良好的速度曲線施加到擠壓機(jī)控制系統(tǒng)。不同的截面，不同的坯料尺寸和制品尺寸都不會(huì)改變此種方法的有效性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為正向擠壓棒材原理模型圖；
[0018]其中I為擠壓筒、2為擠壓墊片、3為擠壓軸、4為模具，5為擠壓制品；
[0019]圖2為最大擠壓力——擠壓速度曲線；
[0020]圖3為不同擠壓速度下的最大溫度一擠壓行程的曲線；
[0021]圖4為階梯函數(shù)擬合得到的擠壓速度一擠壓行程曲線；
[0022]圖5為反比例函數(shù)擬合得到的擠壓速度一擠壓行程曲線；
[0023]圖6 (a)為按圖4擬合方式得到的擠壓力——擠壓行程曲線；
[0024]圖6 (b)為按圖5擬合方式得到的擠壓力——擠壓行程曲線；[0025]圖7 (a)為按圖4擬合方式得到的最高溫度——時(shí)間曲線；
[0026]圖7 (b)為按圖5擬合方式得到的最高溫度——時(shí)間曲線；
[0027]圖8為不同等速與擬合反比例函數(shù)下的最高溫度——行程曲線。
[0028]圖9為實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓的擠壓速度一時(shí)間曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0030]本發(fā)明方法以保持制品出口溫度穩(wěn)定為目標(biāo)，得出等溫?cái)D壓速度曲線輸入給擠壓機(jī)控制系統(tǒng)。等溫?cái)D壓速度曲線的獲取方法為:通過對不同速度下的等速擠壓待加工坯料進(jìn)行多次模擬擠壓過程，擬合得到實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓的速度曲線。依據(jù)坯料性能、擠壓機(jī)調(diào)速范圍，設(shè)定有利于制品性能的出口溫度。根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定擠壓工具的加熱溫度、摩擦系數(shù)、傳熱系數(shù)、環(huán)境溫度、模具形狀與尺寸及擠壓系數(shù)，以等速度擠壓工藝得出不同擠壓速度的制品出口溫度與擠壓行程變化曲線。溫度變化曲線與設(shè)定的出口溫度相交，這些交點(diǎn)顯示了不同擠壓行程的速度值。通過對這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合，可以得到等溫?cái)D壓速度隨行程變化函數(shù)曲線，把得到的等溫?cái)D壓速度曲線輸入到擠壓機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)速度的精確控制。該方法具體包括以下步驟:
[0031]步驟1:根據(jù)擠壓制品的材料和規(guī)格，選擇相應(yīng)的擠壓設(shè)備和坯料尺寸，確定工業(yè)生產(chǎn)的擠壓條件、擠壓工具尺寸，同時(shí)確定模型幾何形狀和各種邊界條件；
[0032]如圖1所示，首先設(shè)定擠壓制品材料為7075鋁合金，擠壓設(shè)備為125麗臥式擠壓機(jī)。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇還料尺寸直徑630mm,長度1870mm,擠壓制品5尺寸200mm。擠壓筒I內(nèi)徑為650mm,長度2000mm,擠壓墊片2厚度260mm,擠壓模具4定徑帶長度6mm,模具4入口半角0.5mm，擠壓系數(shù)為10.6，圖中3為擠壓軸。
[0033]步驟2:依據(jù)坯料材料和該鋁合金生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，確定擠壓制品的最高出口溫度；
[0034]查閱生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，設(shè)定坯料初始溫度為420°C，擠壓墊片、模具、擠壓筒初始溫度為400°C，確定擠壓制品最高溫度為490°C。
[0035]步驟3:依據(jù)選擇的擠壓機(jī)調(diào)速范圍，把調(diào)速范圍劃分為不同速度大小的等速情況，確定好熱交換系數(shù)及摩擦系數(shù)，保證具有相同的外界條件實(shí)現(xiàn)多次等速擠壓模擬；
[0036]對于125MN 臥式擠壓機(jī)調(diào)速范圍 O ?30mm/s,取 5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s、30mm/s進(jìn)行模擬等速擠壓,設(shè)定擠壓行程為1850mm。摩擦系數(shù)系統(tǒng)設(shè)定為0.4,熱交換系數(shù)取系統(tǒng)默認(rèn)值llN/(mm.s.°C )。
[0037]步驟4:采用deform軟件進(jìn)行多次等速擠壓模擬，取出不同等速下擠壓力隨擠壓行程的變化關(guān)系，得出最大擠壓力隨擠壓速度的變化關(guān)系；取出不同等速下最大擠壓溫度隨擠壓行程的變化關(guān)系，得出在設(shè)定出口溫度情況下的最高溫度隨行程變化匯總圖。
[0038]最大擠壓力是擠壓機(jī)較為重要的技術(shù)參數(shù)，根據(jù)擠壓機(jī)最大擠壓力有效范圍可以確定擠壓機(jī)的最大擠壓速度。圖2為最大擠壓力——擠壓速度曲線。由圖可知隨著擠壓速度的提高，最大擠壓力也不斷提高。而最大擠壓力不能超過擠壓機(jī)額定擠壓力的80%。由圖可知，在速度為30mm/s的時(shí)候，最大擠壓力為72.5MN,由于擠壓機(jī)為125MN，這樣的最大擠壓力都在擠壓機(jī)80%的有效擠壓范圍內(nèi)，因此最大擠壓力下的速度值作為擠壓初始階段(墩粗階段)的最大值。
[0039]圖3為不同擠壓速度下的最大溫度一擠壓行程的曲線，同時(shí)給出設(shè)定的490°C值。根據(jù)圖可知，擠壓速度越低，溫度隨擠壓行程的增幅越小。當(dāng)速度為5mm/s時(shí)，穩(wěn)定擠壓階段溫度變化非常平緩，基本類似于等溫?cái)D壓，制品溫度保持在475°C。隨著擠壓速度的升高，溫度逐漸升高，超過了設(shè)定的溫度。速度越大，通過設(shè)定溫度的擠壓行程越短。
[0040]步驟5:得到不同等速擠壓情況下，最高溫度與設(shè)定出口溫度的交點(diǎn)，這些交點(diǎn)顯示了不同擠壓行程處的速度值。
[0041]根據(jù)圖3，取出溫度變化曲線和設(shè)定值的交點(diǎn)，這些交點(diǎn)顯示了設(shè)定出口溫度下，不同擠壓行程處的速度值。以擠壓行程為橫坐標(biāo)，擠壓速度為縱坐標(biāo)，這幾點(diǎn)坐標(biāo)為(196，30)、(242，25)、(311，20)、(435，15)、(920，10)、(1784，5)。其中速度為 5mm/s，達(dá)到設(shè)定溫度490°C的時(shí)候，已經(jīng)達(dá)到了擠壓死區(qū)，不再擠壓。實(shí)際上根據(jù)擠壓力行程曲線可知，在擠壓行程為1750mm的時(shí)候，進(jìn)入了擠壓終了階段。在此階段，擠壓力會(huì)突然增大，坯料流動(dòng)紊舌L影響擠壓制品質(zhì)量，此時(shí)停止擠壓，不再控制擠壓速度。所以對行程和速度點(diǎn)進(jìn)行修正(196，30)、(242，25)、(311，20)、(435，15)、(920，10)、(1750，5)。
[0042]步驟6:通過這些數(shù)據(jù)交點(diǎn)，擬合得出多種擠壓速度變化曲線進(jìn)行模擬等溫?cái)D壓，得到的最優(yōu)速度曲線作為擠壓機(jī)速度控制系統(tǒng)的速度輸入。
[0043]不同的方式擬合，則得到不同的表達(dá)式。為了得到較高的擠壓效率，同時(shí)考慮到擠壓機(jī)的最大擠壓速度為30mm/s,提出了在196mm的行程內(nèi)采用30mm/s的等速擠壓,迅速實(shí)現(xiàn)到這個(gè)位置，而后采用降低速度實(shí)現(xiàn)等溫的方式。
[0044]圖4為階梯函數(shù)擬合的等溫?cái)D壓擠壓速度一擠壓行程曲線；圖5為反比例函數(shù)擬合得到的等溫?cái)D壓擠壓速度一擠壓行程曲線。對于階梯降速的擠壓方式，在不同的行程段保持不同的等速擠壓，這也為文獻(xiàn)中采用的模擬等溫?cái)D壓速度曲線提供了一種理論依據(jù)和獲取方法。對于反比例函數(shù)的曲線擬合，得到該模擬條件下的等溫?cái)D壓速度曲線函數(shù):
【權(quán)利要求】
1.一種基于數(shù)值模擬的等溫?cái)D壓速度曲線獲取方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:根據(jù)擠壓制品選擇擠壓設(shè)備和坯料； 步驟二:建立擠壓模型；根據(jù)擠壓設(shè)備的調(diào)速范圍，選取多個(gè)進(jìn)行模擬擠壓的速度；設(shè)置擠壓條件；設(shè)定出口溫度； 步驟三:采用deform軟件進(jìn)行多次等速擠壓模擬，取出不同等速擠壓情況下的最高溫度一擠壓行程曲線； 步驟四:得到不同等速擠壓 情況下的最高溫度一擠壓行程變化曲線與設(shè)定出口溫度的交點(diǎn)； 步驟五:將上述交點(diǎn)通過η種不同方式擬合，得到相應(yīng)的η條擠壓速度一擠壓行程曲線；η≥2 ; 步驟六:根據(jù)不同的擠壓速度一擠壓行程曲線，進(jìn)行多次模擬擠壓，得到相應(yīng)的最高溫度一擠壓行程曲線，對比不同的最高溫度一擠壓行程曲線，得出最優(yōu)的擠壓速度一擠壓行程曲線，變換后得到的擠壓速度一時(shí)間曲線作為等溫?cái)D壓速度曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)值模擬的等溫?cái)D壓速度曲線獲取方法，其特征在于，所述步驟五中的擬合方式包括階梯函數(shù)擬合和反比例函數(shù)擬合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于數(shù)值模擬的等溫?cái)D壓速度曲線獲取方法，其特征在于，所述步驟三中，先取出不同等速擠壓情況下，擠壓力一擠壓行程曲線；再得到擠壓力一擠壓速度曲線；將不超過擠壓設(shè)備額定擠壓力80 %的曲線段中最大擠壓速度值作為擠壓初始階段的速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于數(shù)值模擬的等溫?cái)D壓速度曲線獲取方法，其特征在于，所述步驟一中，擠壓制品為7075鋁合金，選擇擠壓設(shè)備為125ΜΝ臥式擠壓機(jī)；擠壓模具定徑帶長度6mm,模具入口半角0.5mm,擠壓系數(shù)為10.6 ;還料尺寸直徑630mm,長度1870mm,擠壓制品尺寸200mm，擠壓筒內(nèi)徑為650mm，長度2000mm，擠壓墊片厚度260mm ； 所述步驟二中，設(shè)定坯料初始溫度為420°C，擠壓墊片、模具、擠壓筒初始溫度為400°C，設(shè)定出口溫度為490°C ;根據(jù)125麗臥式擠壓機(jī)調(diào)速范圍O~30mm/s，取5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s、30mm/s進(jìn)行模擬等速擠壓，設(shè)定擠壓行程為1850mm ;摩擦系數(shù)系統(tǒng)設(shè)定為0.4，熱交換系數(shù)取系統(tǒng)默認(rèn)值llN/(mm.s.°C )。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于數(shù)值模擬的等溫?cái)D壓速度曲線獲取方法，其特征在于，所述等溫?cái)D壓速度曲線為由反比例函數(shù)擬合得到的擠壓速度一擠壓行程曲線，為
【文檔編號】B21C23/00GK103949489SQ201410200134
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】譚建平, 楊武, 楊俊
申請人:中南大學(xué)