ANSYS铝棒挤压成形数值模拟(2)
。材料流动的极度不均
匀导致了产品质量的极其不稳定。而特殊的构件截面使得在变形过程中，金属脱离工
作带后经常发生翘曲, 严重影响了产品的平整性[3]
。同时，在铝型材挤压过程中，型
材截面上的各部分金属在挤出模孔时如果以不同的速度流出，就会造成型材的扭拧、
波浪、弯曲及裂纹等缺陷而报废，甚至损坏模具[4]
。
挤压成形工艺是实现铝型材生产的关键技术， 其工艺水平决定着型材制品的质量
和模具的使用寿命[5]
。在实际生产中，挤压模具的设计和工艺参数的确定更多依赖设
计师的经验，模具质量难以保证，需要多次试模和修模才能生产出合格产品。而采用
数值模拟实际挤压过程，可以实时跟踪描述金属的流动行为，揭示金属的真实流动规
律，获得速度、温度、应力、应变等实验现场难以测量的物理量，预测型材在挤压过
程中可能出现的缺陷，并及时对模具结构及工艺参数进行调整，有效减少了试模修模
次数，不仅能够提高挤压型材质量，同时也可降低生产成本，缩短模具生产周期[5]
。
近年来，对铝型材的挤压成形过程的数值模拟已获得大量的进展，为生产实践提
供了很好的指引方向。
1．1 挤压技术及其发展概况
挤压成形实际上是塑性成形中体积成形的一种方式[6]
。1.1.1 挤压基本原理
挤压成形是对挤压筒内的金属坯料施加外力，使之从特定的模孔中流出，从而获
得所需断面形状和尺寸的产品一种塑性加工方法[7]。
挤压工艺是一种少、无切削的机械加工方法,同时也是金属塑性成形技术的一个重要分支[8]
。它主要用于棒材、管材以及其它型材的生产[8]。有色金属，特别是铝合
金是采用挤压成形的常见材料，大部分变形铝合金都可采用挤压成形[9]。挤压过程如
图1.1 所示。坯料在封闭的模腔内受到三向不均匀压应力的作用，从模具的孔口或者
缝隙挤出，从而减小了横截面积，最终形成所需挤压制品[6]。1.1.2 挤压分类
挤压类型可分为许多种。
若按金属流动及变形特征分类，可以分为热挤压有正挤压、反挤压、侧向挤压、
连续挤压和特殊挤压[10]
。其中特种挤压包括静液挤压、有效摩擦挤压、扩展挤压和半固态挤压等[10]。
在以上分类中，正挤压和反挤压是最基本的挤压方法[6]。正挤压时，金属的流动
方向与挤压杆的运动方向相同，其最主要的特征是坯料与挤压筒内壁有相对滑动， 因
而存在很大的外摩擦[11]
。反挤压时，金属的流动方向与挤压杆的运动方向相反，其特
点是坯料与挤压筒内壁间无相对运动，因而没有外摩擦[11]。而一部分金属的流动方向
与挤压杆相同，一部分相反，这样的变形方式成为复合挤压[6]。
若按成形温度分类，挤压成形可以分为热挤压、温挤压和冷挤压三类[6]
。大型钢
锭主要依靠热挤压，可获得较长的棒材或者是各种型材的半成品。小型坯料主要采用温挤压和冷挤压， 从而得到成品零件或者只需进行少量机加工的半成品 。 也可以说，
在冶金工业系统主要应用热挤压，在机械工业主要应用冷挤压和温挤压。
1.1.3 挤压发展概况
挤压作为一种古老的工艺，通过数值模拟对其进行分析和研究已经有很多年了，
一些著名的学者在研究金属成形的原理和实验时常采用挤压工艺[7]
。
在 1870 年，Tresca 通过挤压实验来建立了著名材料塑性屈服准则[12]
。在 20 世