7075铝合金挤压平模优化设计与型材组织性能研究

7075铝合金挤压平模优化设计与型材组织性能研究

7075铝合金具有高强度、高韧性、良好的耐腐蚀性以及易于机械加工等优点,被广泛应用于航空航天、汽车、高速列车等工业领域。挤压成形是铝合金构件的主要加工工艺,能够生产具有一定截面形状的铝合金型材,而且生产效率高、产品质量优异。

平模挤压主要用于实心铝合金型材的生产,合理的模具设计和工艺参数,有利于提高生产效率和获得高性能型材产品。目前针对高强7075铝合金平模挤压的研究报道相对较少,在模具结构设计、工艺参数选择和组织性能控制等方面还存在一系列的技术难点,未形成系统的科学理论,难以指导高强铝合金型材的实际生产。

本文以7075铝合金平模挤压为研究对象,结合数值模拟和实验研究等手段,研究了导流板结构的多目标优化设计方法,明确了平模挤压过程中微观组织特征及其演变规律,揭示了挤压温度和挤压速度等工艺参数对型材组织性能的影响规律,提出了不对称导流板结构并引入到7075铝合金挤压中,获得了良好的应用效果。本课题的开展,有助于丰富高强铝合金挤压成形理论和实现高强铝合金型材的形性协调控制,具有重要的理论意义和工程应用价值。

本文主要研究内容和结论如下:(1)以导流板的关键结构参数为设计变量,以材料流速均匀性、模具最大变形量和最大挤压力为优化目标,设计了多目标优化试验矩阵,建立了 7075铝合金平模挤压材料流动和模具强度校核数值模型,基于试验结果确定了设计变量和优化目标的函数关系,基于粒子群优化算法获得了导流板的最优结构。优化后的导流板两端圆弧半径R=16 mm,中间宽度W=18 mm,两端圆弧中心距L= 60 mm。

与初始设计方案相比,工作带出口处型材截面流速均方差下降65.7%,模具的最大变形量下降了22.0%,挤压力下降36.7吨。(2)基于优化后的导流板结构,利用卧式挤压机开展了 7075铝合金平模挤压实验。

实验结果表明,7075铝合金挤压型材的晶粒形貌呈现出明显的纤维状特征,粗大晶粒沿着挤压方向被拉长,变形晶粒之间分布着一些细小等轴晶,表明发生了动态回复和部分动态再结晶。型材中存在较强的Brass、S和Copper织构,而由于动态再结晶的发生也生成了一定的Cube织构。

型材0°、45°和90°方向的拉伸性能存在差异,说明存在一定的各向异性。(3)在不同挤压温度和挤压速度条件下,开展了多组7075铝合金平模挤压实验,并对型材的微观组织和力学性能进行了分析。

结果表明,动态回复是挤压过程的主要软化机制,但随着挤压温度或者挤压速度的提升,动态再结晶的程度也逐步提高。铝基体上存在大量细小的MgZn2相,变形晶粒表现出较高强度的Brass和S织构,以及一些较弱的Cube、A、Copper和Goss织构。

当挤压温度提高或者挤压速度降低时,织构的强度逐渐降低。相比于挤压温度,挤压速度对型材力学性能的影响更加显著。

(4)采用无导流板、对称导流板和不对称导流板的平模,开展了7075铝合金挤压实验和数值模拟研究。结果表明导流板的使用增加了型材截面的应变,降低了模腔内材料的应变速率。

无导流板时,型材的动态再结晶程度更高,而不对称导流板使得型材的动态回复程度更高,而且导流板结构对第二相和织构类型也有较大影响。使用导流板有助于提高型材的延伸率,而且不对称导流板减小了型材的各向异性,并更大程

度的提高了型材延伸率。