铝合金型材挤压过程的传热行为与温度控制研究

发布时间：2018-03-28 19:38

本文选题：铝合金　切入点：等温挤压　出处：《北京科技大学》2015年博士论文

【摘要】：挤压成形过程中,由于塑性变形热、摩擦热、金属与工模具之间的传热以及金属内部热传导等因素的共同作用,导致挤压产品沿长度方向和横断面上均存在温度分布不均匀现象,从而影响挤压产品组织性能的均匀性。明确铝合金型材挤压过程的传热行为特征及热流平衡关系,获得挤压产品在长度方向和横断面上温度分布的控制方法,是实现高性能铝合金产品挤压生产的关键技术之一。本文根据铝合金型材挤压过程的金属传热行为特征,建立了挤压过程的热流平衡解析关系,明确了挤压工艺参数对出模孔附近产品温度的影响规律。结果表明,挤压工艺参数对出模孔附近产品温度的影响程度不同,坯料温度和挤压速度对出模孔处挤压产品的温升影响较大,而垫片温度、坯料与挤压筒温差的影响相对较小。在挤压过程金属热流平衡关系分析的基础上,提出了一种工艺参数综合控制等温挤压方法,并通过7050铝合金棒材、2024铝合金棒材及7050铝合金型材的应用实例,证明该技术可实现难挤压铝合金(如7000系、2000系)坯料温度均匀、挤压速度恒定条件下的等温挤压,从而解决了现有等温挤压技术不适用于可挤压性较差铝合金的难题,有利于获得沿长度方向组织性能均匀的高性能挤压铝合金产品。采用焊合区网格重构技术,对铝合金空心型材分流模挤压全过程的温度场进行了精确模拟。结果表明,挤压分流和焊合阶段的变形热、摩擦热以及坯料与工模具之间的传热等复杂的热交换行为显著影响模孔出口处型材温升及型材断面温度分布不均匀性。变形金属在分流和焊合过程中的传热行为导致焊合室内不同部位的金属温度分布不均匀,这种温度不均匀分布规律延续到模孔出口处的型材断面上,导致型材横断面的温度分布不均匀。通过空心型材分流模挤压过程温度场的精确计算,获得了不同工艺条件(如坯料温度、挤压工模具温度)下的模孔出口处型材温度与挤压速度之间的关系,可为实际挤压生产时合理选择挤压速度提供参考。采用挤压金属质点逆向追踪方法,分析了铝合金空心型材挤压过程中型材横断面温度分布不均匀的原因及主要影响因素。结果表明,挤压金属质点在分流孔内流动时的温度变化对模孔出口处型材横断面温度分布不均匀性的影响较大,而在焊合室内和模孔内流动时的温度变化对其影响较小；挤压过程中各项热流作用对型材横断面温度分布不均匀性的影响程度由大到小依次为摩擦热、塑性变形热以及金属与工模具间的传热；上模桥墩形状对型材横断面最大温差的影响较大,分流孔配置对型材横断面最大温差的影响较小；挤压速度对型材横断面最大温差的影响较大,坯料温度和坯料与挤压筒的温差对型材横断面最大温差的影响较小。根据上述分析确定的模具结构修改与工艺参数选择思路,获得了某大断面空心型材横断面温度分布不均匀性的改善方法,结果表明,采用生产现场的模具结构,在坯料温度500℃、挤压筒温度470℃、挤压速度3mm/s的挤压条件下,型材横断面最大温差达60℃,而采用改进的模具结构,在坯料温度550℃、挤压筒温度520℃、挤压速度1mm/s的挤压条件下,型材横断面最大温差降低至31℃,不均匀性得到明显改善。在挤压产品出模孔后传热行为特征分析的基础上,采用运动物体传热边界条件的动态加载方法,建立了挤压棒材在出模孔后的冷却过程中与空气之间的表面传热系数模型。经实验验证,所建立的传热系数模型在预测挤压产品表面温度随冷却时间的变化时具有较高的计算精度。利用该传热系数模型,可以在已知测温位置与挤压模孔之间的距离、挤压轴速度、挤压比的前提下,通过挤压产品的测量温度预测出模孔处的产品温度,从而解决了实际生产中由于挤压设备和工模具结构特点所限导致出模孔处挤压产品温度无法直接测量的问题。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG379

【参考文献】