Компьютерное моделирование экструзии алюминия

Введение

Современные компьютерные программы по моделированию экструзии алюминия способны обеспечивать эффективное повышение качества прессованных алюминиевых профилей еще на стадии проектирования экструзионных матриц. Компьютерное моделирование позволяет повысить качество производимых алюминиевых профилей по следующим показателям:

  • точность размеров и формы профиля
  • прочность и внешний вид сварных швов
  • зеренная микроструктура материала
  • механических свойств материала.

Для рядового пользователя такой модели часто она остается «черным ящиком», внутреннее устройство которого неизвестно или непонятно. Ниже мы попытаемся пояснить некоторые свойства этих моделей, а также показать их потенциальную полезность для практики производства алюминиевых прессованных изделий.

Компьютерная модель

Метод конечных элементов

Практически все компьютерные модели имеют в своей основе метод конечных элементов (МКЭ). Метод конечных элементов – это численный метод решения задач в различных отраслях физики и техники, таких как, механика материалов, теплопередача, течение жидкостей и электромагнитное поле. Аналитическое решение этих задач требует решения сложных уравнений в частных производных, что возможно только в самых простых случаях. Формулировка тех же задач в методе конечных элементов сводится к решению больших систем алгебраических уравнений, с которыми легко справляются современные компьютеры [1].

Для решения задачи объект моделирования разбивают на малые элементы простой формы — конечные элементы. Для двумерных задач такими простейшими элементами являются треугольники (рисунок 1) и четырехугольники, для трехмерных – тетраэдры и параллелепипеды. Конечные элементы связаны между собой, но только в точках соединения — узлах. С помощью математических соотношений, которые задают связь между напряжениями и деформациями (в простейшем случае — закон Гука), моделируют поведение каждого из конечных элементов при нагружении или перемещении его узлов.

Рисунок 1 – Треугольный конечный элемент
c компонентами узловых перемещений [1]

Затем все эти конечные элементы объединяются в большие системы алгебраических уравнений, которые моделируют уже весь объект в целом (рисунок 2). Эти системы уравнений и решает компьютер.

Рисунок 2 – Трехмерная конечно-элементная сетка
для моделирования экструзии алюминия
в компьютерной программе QForm [2].

Модель материала

Течение материала через контейнер и матрицу наиболее сильно зависит от:

  • температуры алюминия и
  • скорости деформации алюминия.

Поэтому чаще всего поведение алюминия представляется моделями жестко-вязко-пластического материала [2-4]. Обычно эти модели не учитывает упругую деформацию материала, что в целом обосновано, так как в процессе течения алюминия через контейнер и матрицу упругая деформация составляет пренебрежимо малую долю общей деформации. Однако в канале рабочих поясков упругое поведение материала может играть важную роль и оказывать существенное влияние на результаты моделирования. Поэтому для более точного моделирования скорости алюминия на выходе из матрицы часто применяют упруго-вязко-пластическую модель материала.

Деформационным упрочнением материала обычно пренебрегают, так считается, что в температурном интервале экструзии алюминия оно компенсируется динамической рекристаллизацией.

В конечном счете, модель связывает напряжение в материале и скорость его деформации определенными математическими соотношениями, параметры которых являются специфическими для каждого алюминиевого сплава.

Модель трения

Важным условием для адекватного моделирования является также модель трения между алюминием и прессовым инструментом, которая правдоподобно отражает взаимодействие алюминия со стенками контейнера и элементами матрицы, в том числе, с ее рабочими поясками.

Течение алюминия и прогибы матрицы

Известно, что упругие прогибы элементов матрицы могут оказывать значительное влияние на течение материала. В свою очередь, эти деформации матрицы зависят от давления, которое на нее оказывает проходящий через нее материал. Поэтому современные методы моделирования основаны на интегрированном подходе, который объединяет в одной модели на базе метода конечных элементов (МКЭ):

  • расчет пластического течения алюминия через матрицу и его температуры;
  • расчет упругих деформаций и температуры стальной матрицы.

Процедура расчетов включает несколько итераций, в ходе которых происходит автоматическая перестройка расчетной конечно-элементной сетки.

Такой подход обеспечивает наиболее точные результаты по:

  • течению алюминия через матрицу;
  • размерам и форме прессуемого алюминиевого профиля;
  • температуре алюминия в заготовке и профиле;
  • температуре матрицы.

Оптимизация свойств алюминиевого профиля

С помощью современного компьютерного моделирования экструзии алюминия уже на стадии проектирования матрицы принимаются меры — конструкционные и технологические — по повышению качества профиля по следующим показателям [2, 3]:

  • точность размеров и формы профиля;
  • расположение, прочность и внешний вид сварных швов;
  • оптимизация зеренной микроструктуры материала профиля;
  • повышение эффективности термического упрочнения материала профиля при минимизации его коробления при охлаждении на выходе из пресса.

Размеры и форма профиля

Моделирование показывает возможное искажение формы профиля и возможные отклонения толщины его стенок и полок на выходе из матрицы. Эти явления могут в значительной мере усугубляться из-за упругой деформации элементов матрицы. Примером таких прогибов являются прогибы так называемого «языка» в плоской матрице, в результате которых происходит значительное изменение угла наклона плоскостей рабочих поясков относительно оси прессования (рисунок 3).

Рисунок 3 – Прогиб языка в плоской матрице [4]

Совместное моделирование как течения металла через матрицу, так и деформирования самой матрицы под воздействием этого течения, позволяет компенсировать упругие деформации матрицы и добиваться прессования профиля с размерами и формой, которые надежно находятся внутри допустимых отклонений. Это достигается, например, за счет правильного выбора типа матрицы и оптимизации ее конструкции [3].

Сварные швы

Сварные швы на прессованных алюминиевых профилях бывают двух типов (рисунок 4):

  • продольные и
  • поперечные.

Продольные сварные швы

Продольные швы возникают только в профилях, которые прессуют на матрицах типа «портхол», а поперечные швы – на всех профилях (рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема образования продольных и поперечных сварных швов
при непрерывном прессовании алюминия [5]

Продольные сварные швы формируются, когда горячий алюминиевый сплав разделяется в портах матрицы-портхол на отдельные потоки, которые затем металлургически свариваются непосредственно перед выходом из матрицы (рисунок 5).

Рисунок 5 – Формирование продольных сварных швов в матрице-портхол [6]

Поперечные сварные швы

Поперечные сварные швы возникают, когда передний конец новой заготовки входит в контакт с  оставшимся в матрице металлом от предыдущей заготовки и  металлургически сваривается с ним в условиях высокого давления и высокой температуры. В зависимости от размеров и формы поперечного сечения профиля и конструкции матрицы этот поперечный шов может иметь значительную длину, которая может составлять около одного метра и более.

Проектирование сварных швов

Эти сварные швы, как продольные, так и поперечные, могут в значительной степени портить внешний вид лицевых поверхностей анодированных профилей, поскольку часто они значительно отличаются от остальной поверхности по степени блеска или матовости (рисунок 6). Это связано с различной чувствительностью зерен материала к щелочному травлению, которое производится перед операцией анодирования.

Рисунок 6 – Полосы на матовой анодированной поверхности
по продольным сварным швам [6]

Компьютерное моделирование дает следующие возможности для оптимального проектирования сварных швов:

  • Изменение расположения сварных швов, например, перенесение их с лицевых поверхностей на угловые участки профиля.
  • Достижение заданной прочности сварного шва за счет создания необходимого давления и температуры в сварочной камере (выбор ее размеров и определение заданной скорости прессования).
  • Оптимизация параметров пластической деформации в сварочных камерах с целью снижения степени неоднородности микроструктуры.

Зеренная микроструктура

Возврат и рекристаллизация

В ходе пластической деформации исходная микроструктура материала заготовки подвергается значительной перестройке под воздействием таких механизмов, как  возврат и различные типы рекристаллизации (рисунок 7). Динамическая кристаллизация происходит при непрерывном подводе энергии в результате пластической деформации. Статическая рекристаллизация происходит после пластической деформации и управляется энергией, которая уже запасена в материале.

Рисунок 7 – Процессы возврата и рекристаллизации при экструзии алюминиевых сплавов:
а) в стационарном режиме прессования; б) при остановке пресса для смены заготовки [7]

Сплавы 6060 и 6082

В низкопрочных сплавах серии 6ххх — сплавах 6060 (6063) — рекристаллизация происходит относительно легко и профили из этих сплавов обычно имеют полностью рекристаллизованную структуру (рисунок 8). В сплавах с более высоким уровнем прочности, таких как, 6005, 6061 и 6082, нередко наблюдается частично рекристаллизованная структура (рисунок 9). Это связано с наличием в этих сплавах дисперсоидных частиц, которые сдерживают рекристаллизацию [8].

Рисунок 8 – Полностью рекристаллизованная микроструктура сплава 6060 [6]

 

Рисунок 8 – Частично рекристаллизованная микроструктура сплава 6082 [6]

Грубые рекристаллизованные зерна почти всегда располагаются на поверхности алюминиевых профилей или вблизи ее. Иногда они возникают только на части поверхности профиля. Этот слой из грубых зерен на поверхности алюминиевого профиля может вызывать проблемы, такие как повышенный брак при механической обработке или гибке профилей, дефекты внешнего вида «апельсиновая корка», полосы и неоднородность блеска анодированной поверхности [8].

Факторы рекристаллизации

На скорость и полноту рекристаллизации оказывают влияние следующие факторы [8]:

  • температура на выходе из матрицы;
  • температура заготовки;
  • скорость прессования;
  • отношение прессования (вытяжка);
  • скорость охлаждения при закалке;
  • наличие в химическом составе элементов, сдерживающих рекристаллизацию (например, марганец и хром).

Компьютерная модель позволяет выполнить оптимизацию как конструкции матрицы, так и технологических параметров прессования для сведения к минимуму возможности возникновения на профилях грубой рекристаллизованной микроструктуры.

Закалка

Термическое упрочнение алюминиевых профилей из сплавов серии 6ххх, включает два этапа:

  • закалка на прессе
  • искусственное старение в печи.

Закалка на прессе заключается в достаточно быстром охлаждении профиля сразу после выхода из матрицы до температуры около 250 ºС (рисунок .

Задачей закалки алюминиевого профиля является  удержание в твердом растворе алюминия максимального количества легирующих элементов. Для сплавов серии 6ххх такими элементами являются магний и кремний. От этого на стадии старения, искусственного или естественного, зависит уровень достигаемых прочностных свойств (рисунок 10).

Рисунок 10 – Схема прессовой закалки алюминиевых профилей [9]

Каждый алюминиевый сплав имеет свои критические скорости охлаждения до достижения температуры около 250 ºС. Модель имеет возможность определять скорость охлаждения профиля в каждой его точке и давать рекомендации по интенсивности охлаждения поверхности профиля, а также интенсивности охлаждающей среды – от охлаждения вентиляторным воздухом до охлаждения в потоке воды.

Рисунок 11 – Диаграмма закалки на прессе и искусственного старения алюминиевых профилей [10]

Вместе с тем, при выборе параметров охлаждения при закалке профиля обязательно принимаются во внимание стойкость профиля к короблению и искажению формы. Сравнение рисунков 11 и 12 показывает, что на практике параметры охлаждения при закалке являются компромиссом между достижением высокой прочности профиля и минимизацией его коробления в рамках  допусков по поперечной и продольной форме профиля.

Рисунок 12 – Ограничения при закалке алюминиевого профиля на прессе [10]

Заключение

Современные компьютерные модели экструзии алюминия являются эффективными инструментами для повышения качества прессованных профилей. Они дают более глубокое понимание процессов, которые происходят внутри матрицы при прессовании того или иного профиля. Это позволяет сэкономить время и средства как при проектировании и внедрении новых матриц, так и при решении возникающих проблем при эксплуатации существующих матриц.

Источники:

  1. Применение метода конечных элементов /Л. Сегерлинд — Пер. с англ. – Мир, 1979.
  2. Application of QForm Program for Improvement of the Die Design and Profile Extrusion Technology /N. Biba, S. Stebunov, and A. Vlasov — QuantorForm Ltd., Moscow, Russia — Proc. of ET2008 — 2008.
  3. Quality Prediction and Improvement of Extruded Profiles by means of Simulations /N. Biba, R. Rezvykh, I. Kniazkin – Aluminium Extrusion, 2/2019.
  4. CAD Implementation of Design Rules for Aluminium Extrusion Dies / G. van Ouwerkerk — University of Twente, 2009.
  5. Microstructural Caracterization of Extrusion Welds in 6xxx Aluminium Alloys /X. Ren et al – IC3ME 2015.
  6. Influence of Al Microstructure on Hard Anodising Quality– Profile Material/ Tom Hauge, Hydro Aluminium, Norway IHAA Symposium, 25th of September 2014, New York.
  7. Characterization of Microstructure in Aluminum Alloys Based on Electron Backscatter Diffraction /T. Kayser – PhD Thesis — Technischen Universität Dortmund – 2011.
  8. Effects of Extrusion Parameters on Coarse Grain Surface Layer in 6xxx Series Extrusions /E.D. Sweet te al — Proc. of ET2004 — 2004.
  9. Distorsion Mechanisms due to the Cooling Process in Aluminum Extrusion /S. Bikass et al – Proc. of ET 2012 — 2012
  10. Thermal Treatments During Processing of Aluminum— AEC Webinar Presentation /R.E. Sanders (Alcoa) – 2010

ПРИЛОЖЕНИЕ

Все, что было изложено выше, относится, главным образом, к производству алюминиевых профилей из сплавов серии 6ххх, а также, частично, к сплавам серий 1ххх, 3ххх и 5ххх. Условия производства алюминиевых профилей из большинства сплавов серий 2ххх и 7ххх значительно отличаются от тех, которые характерны для сплавов серии 6ххх. Это необходимо учитывать при моделировании.

Для сплава 7075, например, эти особенности заключаются в следующем:

  • только простые поперечные сечения;
  • полые профили — только из полой заготовки;
  • более низкая температура заготовки (300-370 ºС);
  • очень малая скорость прессования (1,0-1,5 м/мин);
  • удельное давление прессования почти в 3 раза выше, чем у сплава 6063;
  • не имеет способности к закалке на прессе — закалка производится с отдельного нагрева:
  • печь нагрева под закалку располагается над закалочным баком: нагретые профили быстро «падают» в ванну с закалочной жидкостью;
  • особенная чувствительность к рекристаллизации: почти всегда образуется крупнокристаллический ободок.

Подробнее об особенностях производства алюминиевых профилей из сплавов серий 2ххх и 7ххх см. здесь.