CN1598532A - 金属挤压变形流动性的模拟判定方法 - Google Patents

Abstract

一种金属挤压变形流动性的模拟判定方法，用以下方式判定：确定挤压杆推进速度或挤压温度的初选值，在不同的挤压温度或挤压杆推进速度下对试样进行挤压，计算机对挤压过程的挤压杆行程、挤压力进行数据采集，分析比较所采集的数据，得到金属挤压变形流动性最佳的挤压温度或挤压杆推进速度；在此最佳挤压温度或挤压杆推进速度下，用上述同样的方法，得到金属挤压变形流动性最佳的挤压杆推进速度值或挤压温度值。本发明采用物理模拟方法模拟挤压过程中挤压温度、挤压杆的推进速度，用于测定金属挤压变形流动性的最佳参数，有测定准确，使用简单，操作方便的优点。

Description

金属挤压变形流动性的模拟判定方法

技术领域

本发明涉及一种挤压方法，特别涉及一种金属挤压变形流动性的模拟判定方法。

背景技术

金属变形工艺参数的研究通常采用测定、比较不同的工艺组合下的高温流变应力来完成。而高温流变应力反应的是金属在单向压应力状态下的性能，不适合挤压变形的研究。对于金属的挤压变形，金属在挤压筒中受到的是三向压应力，其变形发生是以金属体向挤压模的模孔连续流出而延续的。挤压生产和挤压变形研究最重要的数据是在一定温度和一定挤压速度挤压时，金属开始流动和继续保持流动所需要的挤压力，所需挤压力越小，该金属此时的挤压流动性能越好。

通常采用金属的工业挤压生产实验，可以得到挤压力和挤压杆行程等数据。但是工业挤压生产实验无法实现等温等速挤压，难以单独就挤压速度、挤压温度对金属可挤压性的作用进行研究，只有采用多次生产实验，找出可用于生产的工艺。因此工业挤压生产实验有费用高，效率低，造成大量的浪费，不能满足日益增加的新合金和新形断面形状的产品的生产需要的缺点。

为此，可以用金属挤压的模拟实验替代工业生产实验。金属挤压的模拟判断通常利用小试件，通过挤压装置模拟金属在热加工过程中的受热和受力情况，找出金属挤压力和流动性受温度和变形速度的影响规律，优化出金属在变形过程中的最佳工艺参数。

技术内容

本发明的目的，是提供一种金属挤压变形流动性的模拟判定方法。它采用物理模拟方法模拟挤压过程中挤压温度、挤压杆的推进速度，用于测定金属挤压变形流动性的最佳参数，并且还有测定准确，使用简单，操作方便的优点。

本发明包括一个挤压装置，首先设计出挤压温度和挤压杆推进速度等工艺参数的多种组合方式，再分别通过多次模拟挤压来实施。每次模拟挤压时，将一个试样放置在挤压装置的挤压筒内，在计算机上设定挤压温度和挤压杆推进速度的设定值，然后开始模拟挤压试验，由计算机采集各种所需数据，用于分析。本发明采用以下两种方式判定：

(1).确定挤压杆推进速度的初选值，在不同的挤压温度下对试样进行挤压，计算机对挤压过程的挤压杆行程、挤压力进行数据采集，分析比较所采集的数据，得到金属挤压变形流动性最佳的挤压温度；在此最佳挤压温度下，采用不同的挤压杆的推进速度对试样进行挤压，计算机对挤压过程的挤压杆行程、挤压力进行数据采集，分析比较所采集的数据，得到金属挤压变形流动性的最佳的挤压杆推进速度值；

(2).确定挤压温度的初选值，在不同的挤压杆推进速度下对试样进行挤压，计算机对挤压过程的挤压杆行程、挤压力进行数据采集，分析比较所采集的数据，得到金属挤压变形流动性最佳的挤压杆推进速度；在此最佳挤压杆推进速度下，采用不同的挤压温度对试样进行挤压，计算机对挤压过程的挤压杆行程、挤压力进行数据采集，分析比较所采集的数据，得到金属挤压变形流动性的最佳挤压温度值。

挤压杆推进速度通过与挤压筒和挤压杆连接的位移传感器测量。挤压力通过与挤压杆和动力源连接的压力传感器测量。挤压温度通过在挤压筒上设置的热电偶测量。

挤压杆推进速度的初选值参照相近合金制品的现行的挤压工艺选择。挤压温度的初选值在该合金单位变形抗力较低的温度范围内选择一个较低的温度值。

本发明的优点是：

1.本发明在等温等速挤压下进行金属挤压参数的模拟判定，能解决工业挤压生产试验难以完成的等温等速挤压测定，其测定数据准确，使用简单，操作方便。

2.在等温等速条件下，分别针对不同金属变换挤压温度、挤压杆推进速度等工艺参数，测定各种金属的挤压变形流动性随这些参数的变化规律，以针对不同金属制定出各自的可靠的优化挤压工艺。

3.采用模拟挤压的方式，其变形过程是以金属体向挤压模的模孔连续流出而延续的，可模拟金属在挤压变形中处于三向压应力下的变形流动特征，判定不同工艺参数条件下的挤压流动性，为挤压生产工艺参数的优化提供参考依据。

4.由于模拟试验采用小试样进行模拟，可以方便、经济地对模拟挤压装置的模具尺寸和形状参数进行修正。通过采用不同尺寸和形状的模具，在不同挤压工艺参数下的对比挤压实验，优化出模具的尺寸和形状的参数，为工业挤压生产模具的设计提供依据。

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为挤压装置结构简图；

图3为不同挤压温度下挤压行程与挤压力的关系图示；

图4为不同挤压杆推进速度下挤压行程与挤压力的关系图示。

具体实施方式

参见图1和图2。先将试样3放置在挤压筒2内，挤压杆1预先施加一定的压力，保证挤压杆1、试样3、挤压模4之间的良好接触，使试样充满挤压筒，然后对挤压模4、挤压筒2及挤压试样3加热至预设置的挤压温度。挤压杆、挤压筒及挤压模座采用导热性良好并且有较高的强度和硬度的金属材料。挤压杆、挤压模及挤压模座采用导热性相对较好的材料加工，可保证通过挤压筒、挤压杆、挤压模的热量散发造成的温度下降的趋势大于挤压变形过程中能量转换引起的温升，以避免挤压过程中试样温度逐渐升高，保持挤压试样的温度恒定，在此基础上，采用焊接于挤压筒上的热电偶测量系统的温度并将此温度信息反馈给计算机用于温度调控。温度的调控是由计算机控制通电加热系统以增加或减少电流大小的方式，对模拟挤压过程中由热量散失和功热转换所决定的每一瞬间的温度变化做出及时的调节，以保持挤压过程中装置及试样温度恒定在设定的温度。

在放置在挤压筒金属试样，给挤压装置的挤压杆预先施加压力，通过计算机对挤压过程参数进行采集、控制。挤压杆推进速度和行程通过与挤压筒和挤压杆连接的位移传感器测量。挤压力通过与挤压杆和动力源连接的压力传感器测量。挤压温度通过在挤压筒上设置的热电偶测量。所有测得的试验数据经过数模转化后存入计算机，用于分析和处理。该模拟试样装置采用计算机及专用控制程序对试验过程进行预设定和过程控制，根据需要可以改变挤压温度、挤压杆推进速度等参数，采用不同的挤压模式，如等速挤压、等温挤压等，测定金属挤压变形流动性最佳的模拟判定参数。

确定挤压杆推进速度的一个初选值，通过计算机设置挤压杆推进的速度，运行时挤压杆保持匀速推进，促使金属从挤压装置的模孔持续流出。计算机以一定的采样频率记录下挤压杆行程、保持挤压杆匀速前进所用挤压力等数据。由此可以得到该金属在此初选值下，不同的挤压温度和挤压杆推进速度的若干条关系曲线。并优选出在此初选值下最佳的挤压温度和挤压杆推进速度工艺参数组合。

以已知挤压比λ为36、牌号为AZ31、直径为φ20的镁合金圆棒的挤压为例说明金属挤压变形流动性的模拟判定方法。本实施例挤压装置的挤压杆、挤压筒及挤压模座采用H13钢：

1寻找挤压流动性良好的挤压温度

挤压杆推进速度的初选值参照相近合金制品的现行的工艺选择。根据目前实际生产中经常使用的挤压速度(即金属制品流出模孔的速度，V_f，其值为5米/分钟)，选定挤压杆的推进速度(V_j)：

V_j＝V_fF_f/F_j＝5/36＝0.139(米/分钟)

其中F_f是挤压制品断面积，F_j为挤压筒内腔断面积。挤压比λ＝F_j/F_f＝36。模拟实验与φ20圆棒的实际生产采用相同的挤压比。

选用在计算机上将挤压杆的行径速度设定为139mm/min，选取试验的挤压温度为573K、625K、673K和723K，分别进行等温等速挤压。挤压过程中由数据采集系统记录下挤压力、挤压杆行程等参数随着时间延续的数值变化，做出挤压杆形成和挤压力的关系图。参见图3。横坐标为挤压杆行程，纵坐标为挤压力。分析：在实验选取的温度范围内，随着温度的升高，挤压杆以139mm/min速度推进所需要的挤压力明显下降，图3中a、b、c曲线在挤压力纵坐标方向的位置依次下降；a、b、c曲线各自代表的温度为573K、625K、673K，间隔均为50K，但a、b曲线之间距离不及b、c曲线之间的距离大，说明在573K至673K之间随着温度的升高，所需挤压力减小的趋势增大。比较673K和723K时挤压杆行程和挤压力的关系，参见图3中的曲线c和d，可知两条曲线相距很近，说明当温度升高到673K以上时，挤压力随温度减小的趋势严重减弱，723K时的挤压力在挤压杆行程的各个阶段相比673K时的仅仅略微降低。说明当挤压温度在673K以上时，再进一步升高挤压温度对于提高挤压流动性和降低挤压力的作用已经不明显。在673K至723K之间进行该制品的挤压变形，其挤压流动性已经接近其最佳状态，整个挤压杆行程中所需挤压力也相对处于较低水平，所以673K至723K为该制品可取的挤压温度范围。由于工业生产中温度控制存在一定的变动范围，可以将挤压温度设定为673K和723K的中间值698K，即选取的挤压温度为423℃。

2寻找在一定温度下最佳的挤压杆推进速度：

在423℃下，当挤压杆推进速度V_j＝0.139米/分钟＝2.31mm/Sec时，挤压时的平均应变速度 $\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}={\mathrm{\ϵ}}_e/t_s=\ln \mathrm{\λ}/t_s\ln 36/{43}_s=0.08.$ 取 四个点，对应的挤压杆推进速度为29mm/Sec、5.8mm/Sec、2.9mm/Sec和0.29mm/Sec，得到图4所示的e、f、g和h四条挤压杆行程和挤压力的关系曲线，参见图4，横坐标为挤压杆行程，纵坐标为挤压力。分析比较四条曲线的位置关系：当挤压杆推进速度为2.9mm/Sec时，见图4中曲线g，在挤压行程范围内，挤压力最大处未超过4000Kgf，大多数时候未超过3000Kgf。将挤压杆推进速度增大一倍为5.8mm/Sec时，见图4中曲线f，最大挤压力超过了4500Kgf，而且整个挤压过程挤压力都在3000Kgf之上，挤压力的增大较显著；挤压杆推进速度增大成10倍为29mm/Sec时，见图4中曲线e，最大挤压力超过了6000Kgf，大多数时候挤压力都在4000Kgf之上，挤压力的增大非常显著；而减小挤压杆推进速度，缩小10倍为0.29mm/Sec时，见图4中曲线h，整个挤压行程中挤压力的较之曲线g下降不显著。比较结果说明，挤压杆推进速度在0.29mm/Sec和2.9mm/Sec范围内变化，挤压力的变化比较小，而挤压杆推进速度在2.9mm/Sec之上继续增加，则挤压力增加较明显，考虑到挤压过程金属和合金的流动性、减小挤压力后对设备能力要求的降低以及节约能耗等，采用2.9mm/Sec左右的挤压杆推进速度，即挤压时的平均应变速度 $\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}=0.1,$ 是比较合适的。

3.结论：对挤压比λ为36、型号为AZ31、直径为φ20的镁合金圆棒进行挤压，在上述初选值下最佳的挤压温度和挤压杆推进速度工艺参数为：挤压温度为423℃，挤压杆推进速度为2.9mm/Sec。

同理，确定挤压温度的一个初选值，通过计算机设置挤压杆推进的速度，运行时挤压杆保持匀速推进，促使金属从挤压装置的模孔持续流出。计算机以一定的采样频率记录下挤压杆行程、保持挤压杆匀速前进所用挤压力数据。由此可以得到该金属在此初选值下，不同的挤压温度和挤压杆推进速度的若干条关系曲线。并优选出在此初选值下最佳的挤压温度和挤压杆推进速度工艺参数组合。

挤压杆推进速度的初选值参照相近合金制品的现行的工艺选择。挤压温度的初选值在该合金单位变形抗力较低的温度范围内选择一个较低的温度值。确定不同的挤压杆推进速度或挤压温度的初选值，用上述方法可以分别找出该金属挤压变形流动性在初选值下的最佳挤压杆推进速度和挤压温度。

利用上述利用金属挤压变形流动性的模拟判定方法，对于不同合金的不同断面形状的制品，可以找出其各自不同的优化挤压变形工艺参数。

Claims (6)

1.一种金属挤压变形流动性的模拟判定方法，其特征在于：包括一个挤压装置，采用以下两种方式判定：

(1).确定挤压杆推进速度的初选值，在不同的挤压温度下对试样进行挤压：将试样放置在挤压装置的挤压筒(1)内，挤压筒(1)及挤压试样(3)加热至预设置的挤压温度，计算机对挤压过程的挤压杆行程、挤压力进行数据采集，分析比较所采集的数据，得到金属挤压变形流动性最佳的挤压温度；在此最佳挤压温度下，采用不同的挤压杆推进速度对试样进行挤压：将试样放置在挤压装置的挤压筒(1)内，将挤压筒(1)及挤压试样(3)加热至预设置的挤压温度，计算机对挤压过程的挤压杆行程、挤压力进行数据采集，分析比较所采集的数据，得到金属挤压变形流动性最佳的挤压杆的推进速度值；

(2).确定挤压温度的初选值，在不同的挤压杆推进速度下对试样进行挤压：将试样放置在挤压装置的挤压筒(1)内，将挤压筒(1)及挤压试样(3)加热至预设置的挤压温度，计算机对挤压过程的挤压杆行程、挤压力进行数据采集，分析比较所采集的数据，得到金属挤压变形流动性最佳的挤压杆推进速度；在此最佳挤压杆推进速度下，采用不同的挤压温度对试样进行挤压：试样放置在挤压装置的挤压筒(1)内，将挤压筒(1)及挤压试样(3)加热至预设置的挤压温度，计算机对挤压过程的挤压杆行程、挤压力进行数据采集，分析比较所采集的数据，得到金属挤压变形流动性最佳的挤压温度值。

2.根据权利要求1所述的模拟金属挤压变形流动性的判定方法，其特征在于：挤压杆推进速度通过与挤压筒和挤压杆连接的位移传感器测量。

3.根据权利要求1所述的模拟金属挤压变形流动性的判定方法，其特征在于：挤压力通过与挤压杆和动力源连接的压力传感器测量。

4.根据权利要求1所述的模拟金属挤压变形流动性的判定方法，其特征在于：挤压温度通过在挤压筒上设置的热电偶测量。

5.根据权利要求1所述的模拟金属挤压变形流动性的判定方法，其特征在于：挤压杆推进速度的初选值参照相近合金制品的现行的挤压工艺选择。

6.根据权利要求1所述的模拟金属挤压变形流动性的判定方法，其特征在于：挤压温度的初选值在该合金单位变形抗力较低的温度范围内选择一个较低的温度值。

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