CN112214879A - 一种铝合金挤压极限图的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝合金挤压极限图的构建方法，包括以下步骤：步骤一，构建铝合金本构模型；步骤二，构建铝合金挤压力临界模型并绘制压力极限图；步骤三，构建铝合金温升极限模型并绘制温升极限图；步骤四，合并步骤二中的压力极限图和步骤三中的温升极限图，得到铝合金挤压极限图。本发明铝合金挤压极限图的构建方法采用热压缩试验构建真实反映材料在不同加热温度下的本构模型，并构建基于本构模型的合金挤压力临界模型和基于温度因素的温升极限图，为铝合金型材挤压工艺制定提供了便捷手段，改变了当前挤压工艺预试制与预试错模式，同时，为实际生产环节提供了可指导的工艺参数。本发明为大型高品质铝合金型材热挤压工艺的制定奠定理论基础。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金热挤压技术领域，尤其是涉及一种铝合金挤压极限图的构建方法。
背景技术
近年来，由于各行业对小型化、轻量化的追求，铝及铝合金型材被广泛应用于建筑、交通运输、电子电器、航天航空等行业。因此铝挤压制品的比例也迅速增加，据资料显示，挤压加工制品中铝及铝合金制品约占70％以上。铝挤压成型是对放在模具型腔或挤压筒内的金属坯料施加强大的压力，迫使金属坯料产生定向塑性变形，从挤压模具的模孔中挤出，从而获得所需断面形状、尺寸并具有一定力学性能的零件或半成品的塑性加工方法，大型高品质铝合金型材的热挤压工艺直接影响铝合金产品的性能。
目前，新型铝合金型材开发过程中的挤压工艺制定只能通过试错模式，耗时长、耗材多。且现有报道中，多为合金成形极限研究，试验手段多为胀形，主要是分析应力应变关系，对于铝合金挤压成形极限图研究鲜有报道。
发明内容
本发明设计了一种铝合金挤压极限图的构建方法，其解决的技术问题是新型铝合金型材开发过程中的挤压工艺制定只能通过试错模式，耗时长、耗材多。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
一种铝合金挤压极限图的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，构建铝合金本构模型；
步骤二，构建铝合金挤压力临界模型并绘制压力极限图；
步骤三，构建铝合金温升极限模型并绘制温升极限图；
步骤四，合并步骤二中的压力极限图和步骤三中的温升极限图，得到铝合金挤压极限图。
进一步，步骤一中，所述铝合金本构模型基于双曲正弦函数
构建而成，其中，Z代表双曲正弦函数，A为结构因子，α为应力水平参数，σ为流变应力，n为应力指数，
为应变速率、Q为变形激活能，T为绝对温度，R为气体常数(8.314J/mol˙K)。
进一步，所述双曲正弦函数中各参数由合金热压缩试验应力-应变数据，通过迭代计算求得。
进一步，步骤二中，所述铝合金挤压力临界模型函数为，
其中，p为临界挤压力，kf为铝合金断面复杂程度修正系数，σp为最大变形抗力，α为模角，mz、mt和md分别表示死区界面、挤压筒壁和定径带上的摩擦系数，mtk、mdk分别为挤压筒壁、定径带上的摩擦应力，，k＝σp/(31/2)，ε＝lnλ，λ为挤压比，Lt＝L-hsl，L为坯料填充后长度，hsl为死区高度，ld和ls分别为定径带长度和铝合金周长，Dt和Se分别表示挤压筒直径和铝合金横截面积。
进一步，采用平模挤压时，α＝65°。
进一步，步骤二中，所述铝合金挤压力临界模型，在求解最大变形抗力σp时，本构模型应变速率等于合金挤压应变速率
其中，Vj、Fp和d分别为挤压轴速度、挤压垫片面积以及与铝合金横截面积相等的圆面直径。
进一步，步骤三中，所述铝合金温升极限模型函数为，
其中，n为应力指数，ε为变形量，α为应力水平参数，σp为最大变形抗力。
进一步，步骤四中，所述铝合金挤压极限图由横坐标相同的步骤二中的压力极限图和步骤三中的温升极限图合并而成。
该铝合金挤压极限图的构建方法具有以下有益效果：
本发明铝合金挤压极限图的构建方法采用热压缩试验构建真实反映材料在不同加热温度下的本构模型，并构建基于本构模型的合金挤压力临界模型和基于温度因素的温升极限图，能直观明了的指导挤压工艺的制定。本发明构建的挤压极限图为铝合金型材挤压工艺制定提供了便捷手段，改变了当前挤压工艺预试制与预试错模式，很好的解决了新型铝合金型材开发过程中挤压工艺制定的试错模式，同时，为实际生产环节提供了可指导的工艺参数：合金的挤压温度和挤压速度。本发明为大型高品质铝合金型材热挤压工艺的制定奠定理论基础。
附图说明
图1：本发明方法得到的铝合金挤压极限图；
图2：依据图1，在挤压比为48时，挤压工艺选取对应的铝合金型材实物的范围。
具体实施方式
下面结合图1和图2，对本发明做进一步说明：
一种铝合金挤压极限图的构建方法，包括以下步骤：
步骤一，构建铝合金本构模型；
步骤二，构建铝合金挤压力临界模型并绘制压力极限图；
步骤三，构建铝合金温升极限模型并绘制温升极限图；
步骤四，合并步骤二中的压力极限图和步骤三中的温升极限图，得到铝合金挤压极限图。
步骤一中，铝合金本构模型基于双曲正弦函数
构建而成，其中，Z代表双曲正弦函数，A为结构因子，α为应力水平参数，σ为流变应力，n为应力指数，
为应变速率、Q为变形激活能，T为绝对温度，R为气体常数(8.314J/mol˙K)。
双曲正弦函数中各参数由合金热压缩试验应力-应变数据，通过迭代计算求得。
步骤二中，铝合金挤压力临界模型函数为，
其中，p为临界挤压力，kf为铝合金断面复杂程度修正系数，σp为最大变形抗力，α为模角，mz、mt和md分别表示死区界面、挤压筒壁和定径带上的摩擦系数，mtk、mdk分别为挤压筒壁、定径带上的摩擦应力，，k＝σp/(31/2)，ε＝lnλ，λ为挤压比，Lt＝L-hsl，L为坯料填充后长度，hsl为死区高度，ld和ls分别为定径带长度和铝合金周长，Dt和Se分别表示挤压筒直径和铝合金横截面积。
采用平模挤压时，α＝65°。
步骤二中，铝合金挤压力临界模型，在求解最大变形抗力σp时，本构模型应变速率等于合金挤压应变速率
其中，Vj、Fp和d分别为挤压轴速度、挤压垫片面积以及与铝合金横截面积相等的圆面直径。
步骤三中，铝合金温升极限模型函数为，
其中，n为应力指数，ε为变形量，α为应力水平参数，σp为最大变形抗力。
步骤四中，铝合金挤压极限图由横坐标相同的步骤二中的压力极限图和步骤三中的温升极限图合并而成。
本发明方法得到的铝合金挤压极限图可用于指导2000系、5000系、6000系及7000系铝合金材料的热挤压工艺的指定，本发明方法的实验验证结果如下表所示：
| 编号 | 挤压比 | 挤压温度 | 挤压速度 | 型材表面质量 |
| 1 | 29 | 400℃ | 1.9mm/s | 良好 |
| 2 | 29 | 420℃ | 2.9mm/s | 良好 |
| 3 | 29 | 460℃ | 3.5mm/s | 良好 |
| 4 | 29 | 480℃ | 3.3mm/s | 良好 |
| 5 | 29 | 480℃ | 5.2mm/s | 开裂、堵模 |
| 6 | 48 | 400℃ | 2.4mm/s | 良好 |
| 7 | 48 | 420℃ | 3.9mm/s | 良好 |
| 8 | 48 | 440℃ | 3.5mm/s | 良好 |
| 9 | 48 | 460℃ | 3.0mm/s | 良好 |
| 10 | 48 | 480℃ | 2.8mm/s | 开裂、堵模 |
本发明方法得到的铝合金挤压极限图与实验结果吻合度高，可用于生产实践的指导。
如图1所示，按照本发明方法获得的一种高品质2000系铝合金的挤压极限图，横坐标为挤压温度，纵坐标为挤压速度。其中，虚线为挤压比为29时对应的挤压极限图，左上侧与右上侧虚线分别为压力和温度临界线，中间区域部分为加工安全区，即工艺参数制定区；实线为挤压比48时，对应的挤压极限图，释意同挤压比为29。
如图2所示，根据图1的铝合金挤压极限图，在挤压比为48时，挤压工艺在椭圆范围选取对应的铝合金型材实物。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种铝合金挤压极限图的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，构建铝合金本构模型；
步骤二，构建铝合金挤压力临界模型并绘制压力极限图；
步骤三，构建铝合金温升极限模型并绘制温升极限图；
步骤四，合并步骤二中的压力极限图和步骤三中的温升极限图，得到铝合金挤压极限图。
2.根据权利要求1所述铝合金挤压极限图的构建方法，其特征在于：步骤一中，所述铝合金本构模型基于双曲正弦函数
构建而成，其中，Z代表双曲正弦函数，A为结构因子，α为应力水平参数，σ为流变应力，n为应力指数，
为应变速率、Q为变形激活能，T为绝对温度，R为气体常数(8.314J/mol˙K)。
3.根据权利要求2所述铝合金挤压极限图的构建方法，其特征在于：所述双曲正弦函数中各参数由合金热压缩试验应力-应变数据，通过迭代计算求得。
4.根据权利要求1所述铝合金挤压极限图的构建方法，其特征在于：步骤二中，所述铝合金挤压力临界模型函数为，
其中，p为临界挤压力，kf为铝合金断面复杂程度修正系数，σp为最大变形抗力，α为模角，mz、mt和md分别表示死区界面、挤压筒壁和定径带上的摩擦系数，mtk、mdk分别为挤压筒壁、定径带上的摩擦应力，，k＝σp/(31/2)，ε＝lnλ，λ为挤压比，Lt＝L-hsl，L为坯料填充后长度，hsl为死区高度，ld和ls分别为定径带长度和铝合金周长，Dt和Se分别表示挤压筒直径和铝合金横截面积。
5.根据权利要求4所述铝合金挤压极限图的构建方法，其特征在于：采用平模挤压时，α＝65°。
6.根据权利要求1所述铝合金挤压极限图的构建方法，其特征在于：步骤二中，所述铝合金挤压力临界模型，在求解最大变形抗力σp时，本构模型应变速率等于合金挤压应变速率
其中，Vj、Fp和d分别为挤压轴速度、挤压垫片面积以及与铝合金横截面积相等的圆面直径。
7.根据权利要求1所述铝合金挤压极限图的构建方法，其特征在于：步骤三中，所述铝合金温升极限模型函数为，
其中，n为应力指数，ε为变形量，α为应力水平参数，σp为最大变形抗力。
8.根据权利要求1所述铝合金挤压极限图的构建方法，其特征在于：步骤四中，所述铝合金挤压极限图由横坐标相同的步骤二中的压力极限图和步骤三中的温升极限图合并而成。
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