铝合金挤压型材淬火模拟研究及工艺参数的改进

雨夜

　　摘要：为了解决“U”形铝合金型材在喷水淬火过程中因冷却速度不均匀而导致型材截面变形的问题，基于FLUENT和ANSYSWORKBENCH软件平台，建立了“U”形挤压型材在喷水冷却过程的有限元模型.分析了3种不同喷嘴速度大小方案下型材淬火冷却过程的温度场、残余应力和变形等变化规律.结果表明：经工艺参数优化后，型材截面上不同部位喷嘴速度大小设计更合理，淬火冷却过程中型材的温度场和等效应力分布更均匀，最大等效应力最小，型材的变形最小.通过有限元分析能较好地改进型材淬火冷却过程中喷嘴速度大小及分布，为实际挤压生产过程提供指导.

　　对于可热处理强化铝合金来说，固溶、淬火与时效是提高其强度的关键工艺之一.铝合金型材经淬火处理，可为后续的时效强化准备条件，但在淬火冷却过程中常常因为型材内部温度场分布不均匀而形成热应力，从而引起型材截面变形\[1\].因此，合理的淬火工艺对于铝合金挤压型材的质量保证具有非常重要的意义.

　　随着计算机技术的发展，DEFORM， MARC等软件已广泛应用于淬火冷却过程的模拟研究，表现出巨大的优越性\[2\]然而在计算过程中，它们只能设置工件表面与介质之间的换热系数作为边界条件，却无法考虑介质的流动情况，而介质在不同流动条件下对应的换热系数差别很大，从而导致模拟温度场往往跟实际温度场存在较大差别\[3\].

　　FLUENT是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用软件，可以将介质与工件之间的换热过程进行耦合计算，使得温度场的模拟结果更加准确\[4\].但目前国内利用FLUENT对淬火冷却过程进行模拟研究的尚不多，北京科技大学张少军、胡树山等利用FLUENT模拟研究了喷嘴直径、喷嘴排数等参数对钢管外壁冷却均匀性的影响，这些研究为调节淬火工艺参数带来了很大的方便\[5\].FLUENT的不足之处是无法得到工件的应力、应变及变形情况.将FLUENT计算所得的温度场结果导入ANSYSWORKBENCH中，便可求得型材的应力场以及变形量，从而预测工件在淬火过程中可能出现的缺陷，更好地为淬火工艺参数的优化提供依据\[6\].

　　对于铝合金挤压型材淬火工艺来说，喷水冷却系统中，喷嘴方向、喷嘴间距、喷水速度等均会影响型材温度场的分布，这些工艺参数直接决定型材淬火冷却效果的好坏\[7\].“U”形挤压铝合金型材在喷水淬火过程中的变形，主要表现为顶部向上拱起，两侧向外撇开成八字形.根据分析，主要是由于冷却过程中型材截面不同部位冷却速度不同而导致型材截面温度分布不均匀，从而引起截面的变形.本文主要研究淬火冷却系统中不同喷嘴水流速度大小对型材温度场、应力场及变形的影响，合理优化工艺参数，使型材温度场分布尽量均匀，从而得到较小的应力和变形量，为实际挤压生产过程提供指导.

　　1挤压型材淬火有限元模型的建立
　　1.1几何模型及网格划分
　　实验所用铝合金型材截面形状及尺寸如图1所示，喷水冷却系统垂直于型材横截面方向，喷嘴分布情况如图2所示.

　　3.1.1型材表面温度场分布
　　型材在喷水冷却过程中，水流速度越快的地方，单位时间内与型材表面接触的水量越大，换热量也越大，型材冷却速度较快.而且由于型材两侧距离喷嘴较近，水流从喷嘴喷出后到达型材表面的过程中散射量不大，速度变化也不大，因此两侧喷嘴只需较小的喷水速度.由于各个喷嘴喷出的水最终都将流经型材两端下侧，两端下侧也比较容易冷却，因此需要的冷却水流速度更小.为了更好地说明冷却过程中温度场的分布规律，特取第4 s和第8 s时3种不同方案下型材的温度分布情况进行比较，3种方案下型材表面在这两个时刻的温度分布如图5和图6所示.

　　由图10可知，采用方案一时，淬火13 s后，型材左边存在0.6～1.6 mm的变形，右边存在0.4～1 mm的变形，且从上到下变形不断增大，型材顶部也存在比较明显的变形，约1 mm左右.采用方案二时，型材左右两边变形情况基本相同，从上到下不断增大，为0.5～1.2 mm.而采用方案三时，左右两边形变均较小，大部分区域只有0.5 mm左右.采用方案二和方案三时型材上部变形量都很小.根据以上分析可知，采用方案三时型材顶部和左右两边得到最小的变形量，结合前文中得到的型材淬火后温度场与等效应力场的分布情况可知，第三种喷水方案能得到最理想的冷却效果.

　　4结论
　　基于FLUENT和ANSYSWORKBENCH软件平台，建立了“U”形挤压铝型材喷水冷却过程的有限元模型，分析了3种不同喷嘴速度分布方案下型材淬火过程的温度场、残余应力场和变形量的变化规律.研究结果表明：

　　1)淬火冷却系统中不同喷嘴的水流速度大小直接影响铝合金挤压型材淬火过程中温度场分布的均匀性、残余应力以及变形量的大小;
　　2)与方案一和方案二对比，采用方案三时型材截面上不同部位喷嘴速度大小的设计更为合理，淬火冷却过程的温度场和等效应力分布更加均匀，最大等效应力最小，型材的变形最小;
　　3)通过有限元分析能较好地改进挤压铝型材淬火冷却过程中喷嘴速度大小及分布，为实际的生产过程提供指导.


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