7xxx系铝合金（Al-Zn-Mg-Cu系）因其优异的比强度、韧性及耐蚀性，广泛应用于航空航天、轨道交通等领域。然而，其在热变形过程中存在塑性差、易开裂等问题，尤其在大截面构件正挤压时尤为突出。反挤压工艺因坯料与挤压筒间无相对运动，可大幅降低摩擦阻力与变形热，有望改善高强铝合金的成形质量。

目前，国内外学者针对7xxx系铝合金挤压多集中于正挤压实验与组织分析，对其反挤压过程的系统数值模拟研究较少。本文采用有限元法（FEM）建立7xxx系铝合金反挤压三维热力耦合模型，揭示工艺参数对材料变形行为的作用机制，为工艺优化提供数据支撑。

1、数学模型与边界条件

1.1  数学模型

a) 本构方程采用Arrhenius双曲正弦模型：
ε˙=A[sinh(ασ)]nexp(−RTQ)

参数：激活能 Q=156 kJ/mol，应力指数n=4.2。

坯料定义为塑性体，模具设为刚性体。

1.2边界条件

　采用的7075铝合金，模拟采用尺寸为φ224mm×120mm的坯料，模具的预热温度为300℃，摩擦因数为0.2，设置不同的挤压温度和挤压速度进行模拟，研究其对 7075铝合金反挤压过程中应力和损伤值等的影响，模拟的参数设计见表1。

表1 模拟的参数设计

2 试验结果与分析

2.1 挤压温度的影响

表2为2mm/s挤压速度下不同加压温度下的最大损伤值和流动速率，损伤值（均在安全范围之内）和最大流动速率随温度的变化很小，基本可以忽略。

表2 不同挤压温度下的最大损伤值及流动速率

从不同挤压温度下的7075温度变化情况图可以知道，随着挤压温度的升高，7075的挤压终了温度的最大值和最小值都逐渐升高。这表明挤压温度的增加有利于增强金属的塑性变形能力，减少金属内部的变形抗力，从而降低克服变形抗力所做的功。从不同挤压温度下的应力变化情况可以知道，随着挤压温度的升高，等效应力的最大值逐渐降低。这是由于随挤压温度升高，金属塑性随之升高，在其他条件相同的情况下材料内部的变形抗力就会降低，从而等效应力随之减小。

图1 挤压温度和速度对反挤压过程的影响

2.2 挤压速度的影响

表3为440℃挤压温度下不同挤压速度下的最大损伤值和流动速率，随着挤压速度的增加，管材的损伤值有所增加，因为较大的挤压速度会增加金属流动的不均匀性，易产生裂纹。同时，挤压速度的增加也使材料金属的流动速率增加，坯料的最大流动速率在逐渐增加。

表3不同挤压速度下的最大损伤值及流动速率

从不同挤压速度下的管材温度变化情况来看，随着挤压速度的升高，管材的挤压终了温度的最大值和最小值都逐渐升高。这是由于随着挤压速度的升高，所需要的成形力增大，因为凸模在单位时间内对坯料所做的功会增加，则其转变为内能的也相应增多，热量的增加造成终了温度的整体升高。此外，随挤压速度的增加温差逐渐增大，管材的温度分布越来越不均匀。从不同挤压速度下的管材应力变化情况可以知道，随着挤压温度的升高，等效应力的最大值呈现先降低后增大的趋势。这是由于随挤压速度升高，在挤压过程中产生较大的温升，温度对材料产生较大的软化作用，而随着挤压速度的进一步增加，管材的温度分布不均匀性越来越大，造成某些位置的硬化作用超过软化作用，应力增加。

3. 结论

本研究通过数值模拟与数据分析，系统探究了挤压温度（400–460℃）和挤压速度（1–6 mm/s）对7075铝合金管材成形质量的影响规律，主要结论如下：

1、在400~460℃范围内，随着温度升高，材料终了温度显著上升，等效应力最大值降低，表明高温能有效提升材料塑性并降低变形抗力；然而，需严格控制温度以避免过热导致的晶粒粗化风险。

2、挤压速度增至4 mm/s时，损伤值激增53%至1.13，裂纹风险因流动不均加剧而显著升高。虽流速提升，但须严控损伤。同时终温升高且分布恶化。等效应力先降后升，凸显速度阈值对稳定性的关键作用。

3、推荐参数窗口：基于综合性能分析，推荐优化工艺参数窗口为：挤压温度 440℃；挤压速度 2~3 mm/s。

参考文献

1. 张新明等. 7050铝合金高温变形行为与本构方程研究. 中国有色金属学报, 2010.

2. Chen, L., et al. FE simulation of aluminum extrusion through a flat die with pockets. Journal of Materials Processing Tech, 2015.

3. 王孟君, 黄伯云. 铝型材挤压成形数值模拟技术研究进展. 塑性工程学报, 2018.

作者简介：

1. 姚芳（1995.06-），女，侗族，贵州铜仁人，硕士研究生，工程师，研究方向：铝合金成型。

2. 田源（1995.01-），男，汉族，贵州遵义人，硕士研究生，工程师，研究方向：金属冶金热处理。