車(chē)用鋁型材擠壓數(shù)值模擬與模具強(qiáng)度預(yù)測(cè)

劉瑞萍，張書(shū)豪，張德偉，徐 鑫，孔 雪，馮小東

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧遼陽(yáng)111003）

0 前言

隨著科技的飛速發(fā)展，鋁擠壓型材廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]。車(chē)用鋁擠壓型材具有斷面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，擠壓過(guò)程中易出現(xiàn)流速不均、產(chǎn)品精度難控等特點(diǎn)，因此車(chē)用鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在模具設(shè)計(jì)中引入數(shù)值模擬技術(shù)，獲得金屬流動(dòng)的速度場(chǎng)和模具應(yīng)力分布，預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的型材缺陷，進(jìn)行模具強(qiáng)度校核，從而最大限度減少試模次數(shù)，縮短模具開(kāi)發(fā)周期，降低成本[2，3]。

本文對(duì)某車(chē)用電機(jī)殼擠壓過(guò)程進(jìn)行模擬，分析金屬流速和變形情況，并進(jìn)行模具強(qiáng)度校核。最后將模擬結(jié)果與試模結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為模具設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考和建議。

1 有限元模型的建立

1.1 模具有限元模型

本研究以某車(chē)用鋁合金為研究對(duì)象，模具設(shè)計(jì)如圖1所示。建立有限元模型如圖2所示。模型網(wǎng)格總數(shù)為3595173個(gè)，型材截面最薄處至少分布5層單元網(wǎng)格，工作帶和型材采用三棱柱網(wǎng)格，其它部分采用四面體網(wǎng)格。

1.2 擠壓材料模型

在鋁型材擠壓成型模擬中，通常假設(shè)材料是不可壓縮粘塑性非牛頓流體，本擠壓材料為6060合金，其材料本構(gòu)模型如下[4]：

式中：σ為流動(dòng)應(yīng)力，R為氣體常數(shù)，T為溫度，m為應(yīng)力系數(shù)，A為應(yīng)變因子的倒數(shù)，α為應(yīng)力常，Q稱(chēng)為激活能，k0（T）為初始應(yīng)變速率，溫度場(chǎng)的選取決定應(yīng)變速率的大小。

1.3 擠壓工藝參數(shù)

該型材采用6060合金擠壓，制品要求內(nèi)徑（φ213.8±2）mm；外徑（φ255±1.2）mm，內(nèi)環(huán)外徑（φ231.5±1.2）mm；外壁（4.7±0.2）mm。制品精度要求較高，型材斷面尺寸復(fù)雜，需嚴(yán)格控制擠壓工藝參數(shù)，減少擠壓過(guò)程中的流速不均勻。具體的擠壓工藝參數(shù)如表1所示。

表1擠壓工藝參數(shù)

2 金屬流速分析

金屬流速均勻性直接決定型材質(zhì)量的好壞，流速越均勻，型材質(zhì)量越好。圖3為擠壓型材各處金屬速度場(chǎng)，圖3（a）～（d）分別對(duì)應(yīng)著分流孔供料流速、焊合室供料流速、工作帶供料流速和型材出口流速。

圖3擠壓型材各處速度場(chǎng)

由圖3可見(jiàn)，分流孔左右供料不均勻，右側(cè)分流孔流速較左側(cè)稍快，導(dǎo)致右側(cè)型材出口流速較快。此外，型材內(nèi)外環(huán)流速不均，內(nèi)環(huán)流速較外環(huán)流速快。

圖4為擠壓過(guò)程型材變形圖。由圖4可見(jiàn)，型材變形圖與流速趨勢(shì)一致，右側(cè)型材出料較左側(cè)快，變形較大，內(nèi)環(huán)型材出料較外環(huán)快。

圖4擠壓型材變形

3 模具應(yīng)力分析與強(qiáng)度預(yù)測(cè)

鋁型材擠壓時(shí)，模具的工作條件十分惡劣，模具應(yīng)力大小決定模具的壽命，局部應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致模具過(guò)早失效。通過(guò)對(duì)模具應(yīng)力的分析比較，可以得到模具受力和應(yīng)力分布情況，預(yù)測(cè)模具可能失效部位。

圖5為擠壓過(guò)程中上、下模具的溫度場(chǎng)分布圖。由圖5可知，該擠壓模具上模最高工作溫度為574℃，下模最高工作溫度為569℃。

圖5模具溫度分布

圖6為擠壓過(guò)程上、下模具應(yīng)力分布圖。由圖6可知，該擠壓模具上模最大等效應(yīng)力為635MPa，下模最大等效應(yīng)力為431MPa。該擠壓模具材料為H13。在模具上模溫度為574℃、下模溫度為569℃情況下，模具屈服強(qiáng)度為843MPa，模具最大應(yīng)力小于模具屈服強(qiáng)度，模具強(qiáng)度滿足要求，擠壓過(guò)程中不會(huì)發(fā)生失效破裂。

圖6模具應(yīng)力分布

模具變形直接影響到型材壁厚偏差和成型，該型材要求外壁厚偏差控制在±0.2mm。圖7為擠壓過(guò)程中，上模沿X方向和Y方向彈性變形圖。

由圖7可知，模芯在X方向和Y方向的最大彈性偏移量分別為0.16mm和0.17mm，即由模芯偏移引起的擠出型材壁厚偏差約為±0.17mm，小于型材壁厚偏差要求±0.2mm。

圖7模具上模變形圖

4 生產(chǎn)試模

在7500t擠壓機(jī)上進(jìn)行試模生產(chǎn)，試模擠壓參數(shù)和模擬中一致。對(duì)比模擬結(jié)果可以看出，二者都是右側(cè)流速稍快，內(nèi)環(huán)流速稍快，變形趨勢(shì)吻合。

實(shí)測(cè)生產(chǎn)出的合格制品內(nèi)徑為213.14mm，外徑為255.32mm，內(nèi)環(huán)外徑為231.42mm，外壁厚為4.52mm，滿足尺寸精度要求。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)某車(chē)用鋁合金型材進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得擠壓過(guò)程金屬流速分布，顯示型材出口左右流速不均，內(nèi)環(huán)流速較外環(huán)流速快。

（2）進(jìn)行了擠壓過(guò)程模具強(qiáng)度校核。模擬結(jié)果顯示，擠壓過(guò)程上模最大等效應(yīng)力為635MPa，下模最大等效應(yīng)力為431MPa，均小于模具材料屈服強(qiáng)度，模具強(qiáng)度滿足要求。

（3）通過(guò)上機(jī)試模驗(yàn)證，試模情況與模擬結(jié)果基本一致，說(shuō)明數(shù)值模擬對(duì)模具設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。