双级分流模挤压特种空心铝型材的金属流变焊合特征与控制方法研究

Special hollow Al-alloy profiles are the important components in aerospace, rail transit and defence military industries. At present, when using porthole extrusion die to forming these profiles, the metal flowing behaviosr is hard to control, the die design is complicate , and the size precision is lower. For solving the problems, two-stage porthole extrusion process are proposed in this project. The two scientific issues of the project are the metal flowing behavirors and bonding characters during two-stage porthole extrusion, and the matching and maping relationships of deflector hole and relief-hole. The main research contents including: the construction of FEM model of two-stage porthole extrusion under the coupling conditions of multi fields，the flowing and bonding behavirors and common characters during two-stage porthole extrusion，the comprehensive controlling methods of the uniformity of metal flowing, bonding quality, size precision and surface quality. According to the researches mentioned above, the metal flowing mechanism during two-stage porthole extrusion can be revealed, and the die design criteria can be established. The project is the theoretical and technical fundement for developing new extrusion technology or process, decreasing the production cost and increasing the quality of the profiles.

特种空心铝型材是航空航天、轨道交通、国防军工等领域的重要构件，为此本项目针对目前特种空心铝型材分流模挤压成形时金属流变行为难于控制、模具设计难度大、制品形状和尺寸精度较低、综合性能差等问题，以开发特种空心铝型材双级分流模挤压技术原型为研究目标，围绕双级分流模挤压金属的流变焊合特征、导流孔与分流孔的匹配映射关系两个关键科学问题，重点开展三方面的研究，多场耦合条件下双级分流模挤压有限元模型的构建；双级分流模挤压特种空心铝型材的金属流变焊合行为与规律；金属流变均匀性、焊合质量、尺寸精度、表面质量的综合调控方法。通过上述研究，揭示此类型材双级分流模挤压金属流变机制，建立双级分流模设计基本准则。项目研究是开发特种空心铝型材挤压新技术新工艺、降低该类型材的挤压生产成本、提高型材质量的重要理论和技术基础。

特种空心铝型材是轨道交通、国防军工等领域的重要构件，针对分流模挤压时金属流变行为难控制、模具设计难度大、制品综合性能差等问题，提出了双级分流模挤压新技术，围绕挤压金属的流变焊合特征，开展了多场耦合条件下双级分流模挤压有限元模型构建；金属流变焊合行为；金属流变均匀性对焊合质量的影响等方面的研究工作。. 主要研究结果为，通过斜面工作带法结合分体式建模，解决了变形体网格单元与工作带表面分离的计算问题。通过声发射技术实现了挤压过程动态摩擦测试。修正了的动态再结晶模型。从而实现了多场耦合作用条件下双级分流模挤压有限元模型精确构建及宏微观模拟分析。. 设计了3个导流孔结合6个分流孔、2个导流孔结合4个分流孔的圆管与方管挤压的双级分流模。双级分流模相对单级分流模（常规分流模）挤压时速度场的均匀性提高了约37％，挤压力降低了约11%，分流桥和模芯位置的等效应力分别降低了18.7％和21.3％。采用4个导流孔结合8个分流孔的双级分流模挤压复杂断面特种空心铝型材时，断面温差降低了约50%，静水压力提高了8.2%。双级分流模更有利于降低能耗，提高制品性能与模具寿命。. 随着分流比的增大，焊合质量降低，当分流比为0.46~52时，金属流变均匀性最好。挤压金属流变不均匀会导致挤压温升增加约30％，分流桥的等效应力增加49％，挤压力增加43％。. 挤压时晶粒尺寸从分流阶段开始减小，填充焊合时最小，成形后又开始增大。挤压织构由变形织构和再结晶织构组成，以变形织构为主，随着挤压速度的提高，变形织构强度先增强后减弱。大、小角度晶界的相对频率都呈现出“双峰”的特征，晶界的位错角分布在2°~15°和50°~60°之间，小角度晶界（2°~15°）的相对频率约为70%。. 通过上述研究，揭示了双级分流模挤压金属流变行为与特征，对开发此类型材挤压新技术新工艺、降低生产成本、提高型材质量具有重要意义。