鋁型材寬展擠壓模具設計及數值模擬

王巖，王孟君，周漪，陳新歡，袁玉寶，潘學著

(1.中南大學有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，湖南長沙410083；2.廣亞鋁業有限公司，廣東佛山528237）

鋁型材寬展擠壓模具設計及數值模擬

王巖1，王孟君1，周漪1，陳新歡1，袁玉寶2，潘學著2

(1.中南大學有色金屬材料科學與工程教育部重點實驗室，湖南長沙410083；2.廣亞鋁業有限公司，廣東佛山528237）

針對“魚”形空心型材的寬展擠壓模具設計，分析了多級寬展和寬展角度對金屬速度場、溫度場、應力應變場、模具受力及焊合力等情況的影響。研究結果表明，采用遞減型二次寬展模具金屬流速均勻，模具變形較小，焊合質量好，擠出型材無彎曲、扭擰等缺陷。

鋁型材；擠壓模具；多級寬展；寬展角

0 前言

隨著航空航天、軌道交通等制造行業的快速發展，大寬厚比、多型腔、薄壁扁寬化、斷面復雜化的型材需求量迅猛增長，使得寬展擠壓在實際應用中受到越來越多的關注。目前，大型整體鋁合金壁板型材的擠壓生產工藝主要有圓擠壓筒擠壓法、扁擠壓筒擠壓法、寬展模擠壓法等。其中，寬展擠壓基本思想是在擠壓筒壁板模前增加設置一道所謂的寬展模，首先通過預成型將圓鋁錠展寬成與型材近似的截面，進而生產出腹板寬度比擠壓筒內徑更大更寬的鋁合金型材[1～4]。寬展擠壓的生產成本相對低廉、效率高，非常適合生產品種繁多而數量不大的鋁合金型材，但目前我國鋁型材擠壓模具中寬展模具的實際引用量并不大[5～7]。本文以“魚”形空心型材的寬展擠壓模具設計為例，研究多級寬展和寬展角對金屬速度場、溫度場、應力應變場、模具受力及焊合力等情況的影響，以期為寬展模具設計提供指導。

1 模具結構設計及分析模型建立

1.1 型材外形

圖1所示為一“魚”形復雜斷面型材截面圖。材料為6005鋁合金，該型材主要截面為均曲面，共有三個型腔，平均壁厚3mm，橫截面積為2550.2mm2，周長為1542.2mm，斷面形狀復雜系數f1=1.65，寬厚比W/t為187.79。

圖1 某“魚”形復雜斷面型材截面圖

1.2結構設計

為探究寬展擠壓模具寬展角度對金屬流動及其變形、擠壓力、模具應力等的影響規律，設計了三種模具結構。方案1為兩件式一次分流的寬展擠壓結構，方案2和方案3為不同寬展角度的三件式二次分流寬展擠壓結構，如圖2所示。

圖2 導流模和上模設計方案

圖3 分流孔布置和初始工作帶設計

圖3為分流孔的布置及初始工作帶設計，三件式模具導流模尺寸為?596mm×100mm，上模尺寸為?596mm×130mm，下模尺寸為?596mm× 120mm，模墊尺寸為?596mm×150mm，其它結構參數詳見表1。

表1 模具結構參數

2 數值模擬分析

2.1 模型建立

為了方便模型的前處理和網格劃分，提高有限元分析效率，圖4為根據CAD模具設計圖紙建立的模具的Pro/E 3D模型。

圖4 模具三維模型

使用HyperXtrude有限元分析軟件對三種方案進行三維模擬和計算，如圖5所示。

圖5 模具的三維模型示意圖

2.2 模擬結果與分析

圖6為型材流速分布云圖。可以看出，三種方案的金屬流動速度的分布特點基本一致，“魚”頭處金屬流速最快，“魚”尾的懸臂處金屬流速明顯小于其他部位。在擠壓過程中，模孔出口處金屬流速的不均勻性會導致型材產生彎曲扭擰或尺寸偏差等缺陷[8]，在“魚”尾的長懸臂處影響尤其明顯。方案1、2、3的流速差分別是155mm/s、198mm/s、148mm/s；三種方案的流速分布均勻性均較差，方案3流速相對最為均勻。方案2金屬流速差最大，這是由于方案2遞增型模具的上模寬展角較大，金屬流動阻力增大，同時分流孔孔道增長，摩擦加劇了金屬流動的不均勻性，導致金屬成型困難[9]。

圖6 型材流速云圖

圖7為型材在橫截面（XOY平面）的變形。可以看出方案1和方案2在XOY平面都產生了較大變形，型材尺寸形狀與設計形狀產生較大偏差，擠壓產品不合格，尤其方案2的遞增型二次寬展擠壓，魚尾在Y軸正方向產生了2.2mm的“擺尾”。

圖7 型材變形云圖

表2對比了三種模具設計方案焊縫處的焊合壓力與平均流動應力情況。可以看出，3種方案焊合壓力與流動應力的比值（Pa/σa）分別為6.77、6.43和7.01，方案3金屬更容易焊合，且焊縫質量更好。這一方面是由于遞減型二次寬展擠壓時的金屬流動角度和路線更有利于壓力的傳遞，焊合室內靜水壓力較大；另一方面，金屬由導流模進入上模經過了二次變形，變形功增加產生擠壓溫度效應，金屬的變形抗力減小。

表2 焊縫質量對比

2.3 工作帶優化

針對型材流速不均“擺尾”情況，對工作帶進行優化，如圖8所示。“魚”頭工作帶長度增加1mm，筋板1處工作帶減小1mm，“魚”尾工作帶長度則適當減小，分別為14mm、7.5mm和4.8mm。

圖8 工作帶優化

對優化后的工作帶進行有限元分析，得到型材流速如圖9（a）所示，整體流速較均勻。圖9為優化方案和方案3型材流速對比情況。將型材截面劃分為等面積的50個單元，取各單元的金屬流速平均值并繪制折線圖。與方案3相比，“魚”頭金屬流速由263.2mm/s降低至204.7mm/s，“魚”尾處由112.2mm/s增加至228.8mm/s，流速均方差SDV由20.5mm/s降至10.2mm/s，可滿足生產要求。

圖9 優化方案型材截面金屬流速

圖10所示為型材截面變形云圖。從圖10（b）Z向變形分布可以看出擠壓制品頭尾變形量較大，金屬最先流出模孔，擠壓料頭呈內凹特點。圖10（c）、（d）為型材在X和Y方向的變形，可以看出擠壓制品在垂直擠壓方向沒有變形，型材“擺尾”消失，保證了制品的形狀和尺寸精度[10]。

圖10 優化方案型材截面變形云圖

3 生產試模

生產試模選用4000t擠壓機，鑄錠、模具和擠壓筒分別加熱至480℃、450℃和420℃，擠壓桿推進速度6mm/s，出料速度182mm/s，擠壓參數和模擬時一致，對于型材截面寬度375mm的扁寬多腔型材，料頭變形量在允許范圍之內，一次試模成功，見圖11。

圖11 型材料頭示意圖

4 結論

（1）“遞減型”二次寬展先在導流模采用較大寬展角，再在上模采用較小寬展角，可以有效對金屬進行預分配，金屬流速均勻，變形較小，焊合質量最好。

（2）對“魚”頭、“魚”尾部分的工作帶長度進行優化，型材流速均方差SDV由20.5mm/s降至10.2mm/s，型材“擺尾”的情況消失，保證了制品的形狀和尺寸精度。

（3）生產試模結果表明遞減型二次寬展三件式模具能夠擠出合格的型材，無彎曲、扭擰和波浪等質量問題，表面精度和形狀尺寸均滿足要求。

[1]劉靜安.淺談中國鋁及鋁合金材料產業發展戰略(1)[J].鋁加工，2005(5)：1-5

[2]Zhao G,Sun X,Zhang C,et al.Process modeling and die optimization design of aluminum alloy extrusion profiles used in high-speed train[C].AIP Conference Proceedings, 2013:144-149

[3]董陽，紀冬冬，朱明超.鋁合金擠壓工業及技術發展現狀與趨勢[J].硅谷，2011(18):36-36

[4]賈俐俐，高錦張.鋁合金型材寬展擠壓應用研究[J].南京工程學院學報(自然科學版),2003,1(4):28-33

[5]Xuemei Sun,Guoqun Zhao,Cunsheng Zhang,et al. Optimal Design of Second-Step Welding Chamber for a Condenser Tube Extrusion Die Based on the Response Surface Method and the Genetic Algorithm[J].Journal of Gastrointestinal Surgery,2011,15(10):1872-8

[6]董桂偉，溫道勝，趙國群.鋁合金型材擠壓模工作帶長度優化方法研究[J].實驗研究，2012:75-78

[7]陳新歡,王孟君,陳欣怡，等.鋁型材多孔模具焊合室結構的設計及模擬[J].鋁加工，2016(2)

[8]何釗.基于HyperXtrude的多孔模具研究及應用[D].中南大學，2012

[9]陳欣怡，王孟君，喬磊，等.鋁型材擠壓金屬流速數學模型的建立[J].鋁加工,2015(3):4-8

[10]黃翔,陳文亮,謝洪典.鋁型材擠壓模工作帶長度和模孔配置的優化設計[J].南京航空航報，1996，28(2):247-252

Design and Numerical Simulation of Expanding Extrusion Die for Aluminum Alloy Profiles

WANG Yan1,WANG Meng-jun1,ZHOU Yi1，CHEN Xin-huan1，YUAN Yu-bao2,PAN Xue-zhu2
(1.Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering of Ministry of Education, Central South University,Changsha 410083;2.Guangya Aluminum Co.,Ltd.,Foshan 528237,China)

In view of the design of expanding extrusion die for hollow profiles with"fish"shape,the influence of multistage expand?ing and expanding angle on velocity field,temperature field,stress and strain field,die force and welding force were analyzed.The re?sults show that the metallic flow rate is more uniform and die's deformation becomes smaller,welding is qualified and extrusion pro?files is not bended and twisted when using decreasing two-times expanding die.

aluminum profile;extrusion die;multistage expanding;expanding angle

TG375+.41

A

1005-4898(2017)03-0004-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.03.01

佛山市科技創新平臺建設專項資金（2013GQ100082）；“十三五”國家重點研發計劃（2016YFB0300901）。

王巖（1993－），女，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事模具設計及擠壓模擬的研究。

2016－12－27