鋁合金管熱擠壓成型分流模的分流比選擇

劉長利，王華龍，朱　琳，趙　強(qiáng)，岳　祥，楊寶成，宋繼順（天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300384）

鋁合金管熱擠壓成型分流模的分流比選擇

劉長利，王華龍，朱琳，趙強(qiáng)，岳祥，楊寶成，宋繼順（天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300384）

[摘要]在分流模的設(shè)計(jì)中，分流比K值的大小直接影響到擠壓阻力的大小、制品成型和焊合品質(zhì)。為了探索分流比的大小對分流模擠壓焊合的影響，找出最適宜擠壓微型多孔鋁合金管的分流比K值，通過Pro- E建模，采用數(shù)值模擬軟件DEFORM- 3D的數(shù)值模擬分析技術(shù)，針對典型的微型多孔鋁合金管的擠壓焊合過程進(jìn)行分析。結(jié)果表明，一定范圍內(nèi)，K值越大，越有利于金屬的流動(dòng)與焊合，也可減小擠壓力，確定K值為16時(shí)型腔內(nèi)金屬流動(dòng)和焊合質(zhì)量最好。

[關(guān)鍵詞]分流模；分流比；數(shù)值模擬；焊合質(zhì)量；多孔鋁合金管；擠壓

1　引言

微型多孔鋁合金管主要應(yīng)用于汽車空調(diào)散熱器中，其特點(diǎn)在于超薄、輕量及其良好的散熱性與耐腐蝕性。目前，90%以上的空心鋁合金型材都采用分流組合模進(jìn)行擠壓生產(chǎn)。其原理是采用實(shí)心鑄錠，在擠壓力的作用下，使鑄錠經(jīng)過分流孔時(shí)被分成幾股金屬流，然后在高溫、高擠壓力下，在真空的焊合室內(nèi)重新焊合，最后通過模芯與擠出孔所形成的間隙流出，從而形成符合一定尺寸要求的管材或者空心型材。微型多孔鋁合金管就是用分流模熱擠壓成型的。

在分流模的設(shè)計(jì)中，分流比K值的大小直接影響到擠壓阻力的大小、制品成型和焊合品質(zhì)。K值越大，越有利于金屬的流動(dòng)與焊合，也可減小擠壓力。因此，在模具強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能選取較大的K值。但K值越大，變形阻力也相對增加，雖有利于金屬焊合，但對模具的壽命及生產(chǎn)率都有不利的影響。而且在K值大到一定數(shù)值時(shí)，由于變形阻力影響，金屬在分流孔內(nèi)的流動(dòng)速度也會(huì)明顯下降。在一般情況下，對于生產(chǎn)空心型材時(shí)，取K=10～30；對于管材，取K=5～15。因此，選擇最優(yōu)的K值，是我們設(shè)計(jì)最有利于金屬流動(dòng)與焊合的分流孔面積的關(guān)鍵，我們將使用數(shù)值模擬技術(shù)來進(jìn)行研究。準(zhǔn)確地了解焊合室內(nèi)局部所承受變形力學(xué)情況，采用數(shù)值模擬軟件DEFORM-3D的數(shù)值模擬分析技術(shù)，針對典型的微型多孔鋁合金管的擠壓焊合過程進(jìn)行分析，探索分流比的大小對分流模擠壓焊合的影響，并找出最適宜擠壓微型多孔鋁合金管的分流比K值。

2　模具設(shè)計(jì)與擠壓過程模擬

2.1分流模具設(shè)計(jì)

該微型鋁合金多孔管的擠壓采用橋式舌形分流模，分為分流、焊合、成型3個(gè)階段。圖1為作為我們研究的三個(gè)孔的微型鋁合金管的型材斷面尺寸圖。圖2為分流模擠壓的三個(gè)階段的模擬圖。

圖1　型材斷面尺寸圖

我們將分流孔設(shè)計(jì)成兩個(gè)半圓孔。目的是為了利用半圓孔的形狀對金屬坯料在流出分流孔時(shí)施加一種向心的導(dǎo)向作用，使金屬坯料向芯棒間隙內(nèi)流動(dòng)的更加充足。如圖3、圖4所示。

圖2　分流模擠壓的三個(gè)階段模擬圖

圖3　芯棒結(jié)構(gòu)

圖4　分流孔結(jié)構(gòu)

2.2分流孔面積計(jì)算

對于分流孔的設(shè)計(jì)，分流比的計(jì)算尤為重要。通常把分流孔的斷面積與型材斷面積之比稱作分流比K，即:

式中，∑F分為分流孔的總面積，mm2；∑F型為型材的總斷面積，mm2。

由此可計(jì)算出不同分流比下分流孔的面積，然后估算出分流孔的半徑（估算過程中視為圓形）。

2.3擠壓過程模擬

我們可以用Pro-e三維制圖軟件畫出12組不同分流孔面積大小的模具結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)入Deform-3D中進(jìn)行擠壓數(shù)值模擬。

初始，以分流比10、半圓形分流孔半徑為6 mm的這一組數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)。為了簡化模擬，取模具及坯料的1/4來進(jìn)行模擬。

在分析模擬結(jié)果的各項(xiàng)參數(shù)中，以分析Deform后處理中金屬各速度矢量的流動(dòng)速度Velocity—Totalvel,可以最為直觀地觀察擠壓中金屬的流動(dòng)情況，也可根據(jù)各速度矢量的方向及速度值來判斷擠壓力及焊合的情況。

圖5即為分流孔半徑6 mm的擠壓模擬速度矢量圖。

圖5　 6 mm半徑分流孔的速度矢量圖

圖5中的11個(gè)P點(diǎn)為研究所取的金屬在模具中流動(dòng)的關(guān)鍵位置的速度矢量點(diǎn)。從所取各點(diǎn)的瞬時(shí)速度值可以簡單觀察出在該分流比及其對應(yīng)的分流孔面積下金屬在模具中的流動(dòng)情況。其中P9、P10、P11三個(gè)點(diǎn)所代表的區(qū)域是金屬在擠壓模具中沿?cái)D出方向流動(dòng)的情況；P1、P2、P3、P4四個(gè)點(diǎn)所代表的區(qū)域是金屬在沿?cái)D出方向流動(dòng)并在模具型腔引導(dǎo)下向芯棒方向匯聚的情況，也是擠壓力對兩股金屬流重新焊合影響最大的一個(gè)方向；P5、P6、P7三個(gè)點(diǎn)所代表的區(qū)域是金屬在模具型腔引導(dǎo)下轉(zhuǎn)向芯棒匯聚時(shí)的情況；P8點(diǎn)是死區(qū)中的一個(gè)點(diǎn),反映死區(qū)中金屬流動(dòng)的情況。

由此，可對不同分流比的模擬結(jié)果，進(jìn)行這11個(gè)點(diǎn)上速度、溫度、應(yīng)力等參數(shù)的對比，以此來判斷哪個(gè)分流比更有利于分流擠壓后金屬的焊合。

3　模擬結(jié)果分析

在對分流比10、分流孔半徑6 mm的模具進(jìn)行擠壓模擬得到數(shù)據(jù)后，對分流比9到20分別做了模擬，并進(jìn)行比較。圖6~圖9，為各分流比下11個(gè)P點(diǎn)的瞬時(shí)速度平均值所畫出的趨勢曲線圖。圖中橫坐標(biāo)為9~20的12組分流比K值，縱坐標(biāo)為對應(yīng)P點(diǎn)的瞬時(shí)速度平均值。

隨著分流比的增大，即分流孔面積的增大，模具型腔內(nèi)的金屬量也越發(fā)增多。從圖6的趨勢可以觀察到，隨著分流比的增大、型腔內(nèi)金屬量的增加，使得P1、P2、P3、P4這4個(gè)點(diǎn)所在區(qū)域的金屬在向芯棒方向流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)速度加快。這是由于隨著型腔內(nèi)金屬量的增加，這幾個(gè)點(diǎn)所在區(qū)域的金屬在向芯棒流動(dòng)時(shí)金屬量比較充足，所以在這一方向上金屬所受的擠壓力加強(qiáng)，反而使這一區(qū)域金屬的流動(dòng)速度加快。但若型腔內(nèi)金屬量過大，金屬變形過于困難，由于變形阻力的影響，這一區(qū)域內(nèi)金屬的流動(dòng)也會(huì)逐漸變慢。如圖6所示，在分流比9到17的過程中，P1、P2、P3、P4這幾個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)速度逐漸上升。但在分流比達(dá)到18以后，P1、P2、P3、P4這幾個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)速度便有所下降了。

圖6　分流比9~20的P1、P2、P3、P4四個(gè)點(diǎn)的平均速度值趨勢

這也說明了，在初始我們將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定為分流比10，而嘗試分流比9的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，雖然由于金屬形變減小，在P9、P10、P11這3個(gè)點(diǎn)所在的區(qū)域的金屬流動(dòng)增加，但在P1、P2、P3、P4這4個(gè)點(diǎn)的方向上，變形阻力變小、金屬流動(dòng)減慢，不利于焊合，所以沒有嘗試?yán)^續(xù)降低分流比進(jìn)行模擬。

從圖7可以看出，在P9、P10、P11這3個(gè)點(diǎn)所在的區(qū)域中，隨著分流比的增大，型腔內(nèi)金屬量增多，這一區(qū)域內(nèi)的金屬流動(dòng)變得越發(fā)的緩慢。這是由于分流孔面積增大、型腔內(nèi)金屬量增加，使得金屬在向定徑帶（模具成型管材外形尺寸的區(qū)域）流動(dòng)時(shí)形變加大，增加了金屬變形的困難，受形變阻力影響，使得金屬在模具型腔內(nèi)沿?cái)D出方向上的流動(dòng)速度變慢。

圖7　分流比9~20的P9、P10、P11三個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)速度平均值趨勢

圖8說明的是在型腔內(nèi)的P5、P6、P7所代表區(qū)域的金屬逐漸在型腔引導(dǎo)下流向芯棒，隨著分流孔面積的增大，此區(qū)域內(nèi)的金屬量增加，而金屬沿?cái)D壓方向流動(dòng)速度的變慢以及P1、P2、P3、P4區(qū)域金屬不斷增加的阻礙作用，反而加快了P5、P6、P7所在區(qū)域內(nèi)的金屬向芯棒及定徑帶匯聚。

圖9表示P8點(diǎn)所在的死區(qū)金屬流動(dòng)情況。隨著分流比的增加、分流孔面積的增大，型腔內(nèi)金屬增多，導(dǎo)致流進(jìn)死區(qū)的金屬也增加。根據(jù)上述圖7所表明的結(jié)論，隨著型腔內(nèi)金屬的增多，金屬在擠壓方向上流動(dòng)速度變慢，導(dǎo)致在死區(qū)內(nèi)的金屬更不易流出死區(qū)，故而隨著分流比的增大，P8點(diǎn)所在的死區(qū)內(nèi)的金屬流動(dòng)速度變慢。

圖8　分流比9~20的P5、P6、P7三個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)速度平均值趨勢

對應(yīng)圖6的趨勢，我們再來看一組P1、P2、P3、P4四點(diǎn)的應(yīng)力情況：

圖10的數(shù)據(jù)表明，隨著分流比增大P1、P2、P3、P4所在區(qū)域的金屬應(yīng)力逐漸降低。這進(jìn)一步論證了圖6所表明的此區(qū)域內(nèi)金屬流動(dòng)速度隨分流比擴(kuò)大而加快的結(jié)論。

圖9　分流比9~20的P8點(diǎn)的瞬時(shí)速度趨勢

圖10　分流比9~20的P1、P2、P3、P4四個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力平均值趨勢

4　結(jié)論

從本文論述中得出，分流比為16或17時(shí)，金屬流動(dòng)比較快，焊合質(zhì)量好。尤其沿垂直于擠壓方向上，K值為16、17時(shí)此金屬流動(dòng)好，利于金屬焊合；并且沿?cái)D壓方向上，分流比16相比分流比17金屬流動(dòng)速度更快，而且死區(qū)中的金屬在分流比為16時(shí)比分流比為17時(shí)流動(dòng)性更好。

所以綜合來看，分流比K值為16時(shí)型腔內(nèi)金屬流動(dòng)和焊合質(zhì)量最好。

在分流模擠壓成型的工藝中，分流比K值的選擇至關(guān)重要，尤其是成型一些較為精密的、微型的管材時(shí)，最佳的分流比K值往往對于管材最后的成型質(zhì)量有重要的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，更多的是取經(jīng)驗(yàn)K值域。本文對一個(gè)特定的、較難成型的超薄鋁合金管的分流模熱擠壓成型工藝進(jìn)行模擬、分析、對比，最終確定了最佳的分流比K值。

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Split Ratio Selection of Porthole Die for Hot Extrusion of Aluminum Alloy Pipe

LIU Chang-li, WANG Hua-long, ZHU Lin,
ZHAO Qiang, YUE Xiang, YANG Bao-cheng and SONG Ji-shun
(School of Materials Science and Engineering, Tianjin university of Technology, Tianjin 300384, China)

AbstractIn the design of porthole die, split ratio (K) directly affects extrusion resistance, product forming and seaming quality. In order to study the effect of split ratio on extrusion and seaming and find the most appropriate split ratio (K) for extruding microporous aluminum alloy tube, a model was set up by pro-E and simulation and analysis technique by DEFORM-3D, a value simulation software, adopted to analyze the process of extruding and seaming. Results showed within certain range, the bigger K value was, the more favorable it was to metal fluidity and seaming. The extrusion force could be reduced. It was determined that the fluidity and seaming quality of the metal in die were the best when K value was 16.

Key wordsporthole die; split ratio; value simulation; seaming quality; microporous aluminum alloy tube；extruding

作者簡介：劉長利（1993—），女，主要從事材料成型及控制工程方面的研究工作。

收稿日期：2014- 10- 08修回日期：2014- 11- 05

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.02.008