铝合金挤压型材淬火模拟研究及工艺参数的改进

　　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ANSYS-WORKBENCH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.

　　实际生产中所用喷嘴为普通扇形喷嘴，喷射水流形状如图3所示.为节省计算时间，取长度为10cm的型材进行模拟计算.根据喷嘴分布与型材放置的实际情况，建立有限元模型如图4所示.中间表示工件，周围表示流体区域，四周小孔表示喷嘴，模拟中不考虑喷嘴内部结构，将喷嘴出口作为流场的入口.模型的网格单元均采用四面体网格单元，网格单元的疏密程度不一，流体区域网格划分采用映射网格划分方法，型材网格划分采用均分网格划分方法[8].