铝合金型材是应用最广泛的轻质构件之一,因其具备轻质量、高强度、易成形、外表美观、耐腐蚀等诸多优点,在交通运输、航空航天、电器、建筑等领域都得到了广泛应用,尤其是在轨道交通领域。目前,随着轻量化铝合金材料应用的进一步拓宽,各领域对铝合金型材的需求量持续增加,但同时对铝型材的成形精度和力学性能也提出了更高要求。近年来,铝型材结构正向大断面、大壁厚比和多规格化等方向快速发展,大断面大壁厚比铝型材的挤压成形技术也代表着铝加工行业的最高水平。大断面大壁厚比铝型材的挤压成形工艺难以控制,影响材料流动、尺寸精度和组织性能的因素较多,还存在以下难点急需解决:(1)大断面大壁厚比铝型材挤压过程中材料流动比较复杂,型材截面上材料流速的均匀性较差,容易导致型材产品产生扭拧、翘曲甚至裂纹等缺陷,从而造成较高的废品率。(2)大断面大壁厚比铝型材截面上温差大,导致组织不均匀,主要表现为型材断面上存在晶粒度差异,需要对挤压温度场进行合理调控。(3)横向焊缝是连续挤压过程中不可避免的现象,造成材料的损失和浪费,横向焊缝的问题在大断面大壁厚比铝型材挤压中更加突出,大幅度提升了制造成本。针对上述问题,本课题围绕大断面大壁厚比铝合金型材,建立了挤压成形过程的稳态和瞬态数值有限模型,深入研究了挤压工艺参数优化设计、挤压模具结构优化设计、挤压温度场变化规律、横向焊缝演变等方面的问题,建立了优化的模具结构和工艺参数,有效提高了材料流速和温度分布的均匀性,并缩短了横向焊缝的长度。本文的主要研究内容与结论如下:(1)针对高铁蒙皮大断面大壁厚比铝型材,基于田口法设计了正交试验,研究了工艺参数对模具出口处型材截面速度分布均匀性、温度分布均匀性和挤压力的影响规律。研究结果表明,当棒料直径为600mm、挤压速度为2mm/s、棒料预热温度为510°C、模具预热温度为470℃、料筒预热温度为4500C时,可获得最均匀的材料流速和温度分布。.优化后,型材截面流速相对均方差为0.1426mm/s,相比初始方案减少了约56.8%,型材截面温度相对均方差为0.006℃,相比初始方案减少了约67.9%。当棒料直径为600mm、挤压速度为0.5mm/s、棒料预热温度为510°C、模具预热温度为470℃、料筒预热温度为470°C时,挤压力最小,约为8161.42吨,明显小于初始方案的9858.17吨。(2)针对高铁蒙皮大断面大壁厚比铝型材,设计了初始模具结构并对其进行了材料流动分析,发现存在材料流速差异过大,出现了型材变形等问题。进而,对模具的分流孔轮廓、焊合室轮廓、工作带长度等关键结构参数进行了优化调整,确定了最优的模具结构与形状。模具优化后,模具出口处高铁蒙皮型材截面的速度均方差由12.46mm/s降低至1.46mm/s。此外,型材截面的最高最低温度差也由初始模具结构的46.7°C降低至优化后的21.9℃,型材截面温度分布也更加均匀,模具优化效果显著。(3)针对大断面空心铝合金型材,建立了挤压温度场的瞬态分析模型,揭示了工艺参数对型材温度分布的影响。进而,引入了棒料梯温加热,研究了梯温加热作用下的单周期、多周期挤压型材温度分布变化情况。挤压速度越大、棒料温度越高、模具温度越高,型材整体温度均将升高。当挤压速度为1mm/s时,棒料梯温加热对挤压温度场和型材温度分布的影响很小,当挤压速度为5mm/s时,棒料梯温加热将有助于提高型材温度分布的均匀性。对于多周期梯温加热,在周期交替处,由于新棒料添加会导致型材温度有所突变。当棒料温度梯度较大时,能够使多周期挤压型材的最高温度降低、最低温度升高,有助于获得较好的型材温度分布。(4)针对大断面空心铝合金型材,建立了横向焊缝演变的瞬态分析模型。结合Box-Behnken试验设计法,以横向焊缝延伸长度为优化目标,研究了挤压工艺参数以及模具结构参数对型材横向焊缝延伸长度的影响规律。最佳工艺参数组合为棒料直径380.17mm、挤压速度2.93mm/s、棒料温度504.89℃,可使横向焊缝长度由初始方案的16404.0mm缩短至11031.7mm。最佳模具结构参数组合为分流孔倾角10.04o、焊合室高度22.04mm、焊合室圆角半径14.80mm,可使横向焊缝长度由初始方案的16404.0mm缩短至15395.8mm。