Page 143 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第四章 高温合金锻造过程数值模拟

模拟精度较低。因此，为得到精确的仿真结果，仿真中采用的摩擦边界条件应能
尽可能接近实际情况，建立的摩擦模型需能反映工件 / 模具界面的摩擦学物理本
质。影响挤压过程的工艺参数和边界条件多且相互耦合，直接采用挤压试验方法

来确定摩擦因数具有较大的局限性。如何选择和设定合适的等效摩擦试验方法来
表征不同接触界面的摩擦因数至关重要。
（一）热挤压过程中界面的摩擦、磨损行为
1. 不同接触界面的摩擦学行为在

铝合金热挤压过程中，工模具界面的工作条件十分恶劣，在高温、高压、反
复循环应力等作用下产生高摩擦和热磨损（熔损）行为。对于空心和半空心型材
热挤压模具，摩擦磨损是工作带位置最常发生的失效方式，严重影响了工模具的
使用寿命和挤压产品的最终形状和表面质量。在铝合金挤压过程中，挤压材料与

工模具的接触界面包含铝锭与挤压垫、铝锭与挤压筒和挤压模具以及挤出型材与
模具工作带等 3 个接触界面。
（1）铝锭与挤压垫接触界面
在挤压杆的作用下，铝锭与挤压垫接触界面产生非常大的静水压力。在连续

挤压生产过程中，在大的压应力下挤压垫前端面与铝合金产生完全粘着，挤压终
了时，导致挤压垫与残铝分离困难。实际挤压生产中挤压垫通常需要加石墨或玻
璃润滑剂进行润滑。在开始挤压阶段，由于挤压筒与铝锭间存在间隙，根据最小
阻力定律，金属在挤压力作用下，首先向此间隙流动填充挤压筒，导致铝锭与挤

压垫接触界面产生滑动摩擦。随着挤压过程的进行，到了紊流挤压阶段，在挤压
筒界面摩擦的影响下，铝锭中心部位金属流动速度远大于外层金属，进一步增大
铝锭与挤压垫接触界面的滑动摩擦力。
（2）铝锭与挤压筒、模具接触界面

在铝挤压过程中，热铝与工模具接触界面的静水压力从挤压筒沿挤压模具
出口方向逐渐减少。挤压筒、挤压模具与铝合金界面之间的接触压力达上百至数
百兆帕，在高温高压下由于化学扩散、压力粘结发生严重的铝粘模现象，摩擦类
型为完全粘着摩擦。铝锭与挤压筒由于发生粘结而不能正常流动，从而在铝锭的

次表层发生剪切变形。接触面上铝与挤压筒之间的摩擦逐渐转变为锭坯表面层金
属的内摩擦，使得接触面上摩擦的性质和行为发生变化。同时接触面由微观结构
上的不相称（晶体尺度和取向不同，铝与铁性质不同）自发地趋于相称，从而导

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