空心鋁型材擠壓數(shù)值模擬與模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉佳欣，劉佳寧，陳文琳

（合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 宣城 242000）

0 引言

鋁合金作為一種可回收利用、耗能少的輕質(zhì)金屬，在汽車、建筑、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。熱擠壓是鋁合金生產(chǎn)相同截面擠壓型材的主要工藝之一[2]。隨著鋁合金擠壓型材向大型化、復(fù)雜化、精密化、多品種、多規(guī)格、多用途方向發(fā)展，對擠壓模提出了越來越高的要求[3]。

鋁合金的擠壓加工是綜合高溫、高壓、摩擦和塑性變形的復(fù)雜非線性成形過程，難以采用試驗(yàn)的方法進(jìn)行定量研究[4]。利用有限元模擬軟件可以對鋁合金擠壓變形過程中的位移場、應(yīng)變場、應(yīng)力場以及溫度場等進(jìn)行模擬，揭示金屬的流動規(guī)律、各種因素對變形的影響以及成形過程中變形體和模具的力場分布等[4]，節(jié)省了設(shè)計時間和成本，提高了生產(chǎn)效率。現(xiàn)以某邊框空心鋁型材為研究對象，對其進(jìn)行擠壓模設(shè)計、數(shù)值模擬和模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

空心鋁型材橫截面形狀和尺寸如圖1所示，材料為6082鋁合金，型材有上、下2個空腔，右上方和左下方各有1個懸臂，壁厚為1～3 mm，橫截面積為529.225 mm2。型材截面不規(guī)則，且壁厚不均勻，在擠壓過程中金屬流動速度差異大，產(chǎn)生型材端面不平整、彎曲等缺陷，影響型材的表面質(zhì)量。

圖1 型材截面尺寸

該型材的最大外接圓直徑為?70.3 mm，根據(jù)鋁型材加工實(shí)用技術(shù)手冊[3]，選用內(nèi)徑為?130 mm的擠壓筒，坯料尺寸為?120 mm×500 mm，采用15 MN的擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓加工，與擠壓機(jī)配套的模具尺寸為?200 mm×100 mm，上、下模厚度均為50 mm。

大多數(shù)空心鋁型材，特別是薄壁、多腔、復(fù)雜截面的型材，都采用分流模進(jìn)行擠壓生產(chǎn)[5]。現(xiàn)選用平面分流組合模，在保證模具強(qiáng)度的前提下，為了使金屬流動更均勻，根據(jù)型材擠壓形狀的實(shí)際需要，設(shè)置了4個均勻分布的分流模孔，分流橋?qū)挾葹?8 mm，焊合室高度為16 mm[6]，采用蝶形結(jié)構(gòu)，模具初始結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 建立有限元模型

模具材料選用H13鋼，確定擠壓模擬工藝參數(shù)如表1所示。設(shè)定材料與擠壓筒和模具型腔內(nèi)壁之間的摩擦均為粘著摩擦，與模具工作帶之間的摩擦類型為庫倫摩擦，摩擦因數(shù)取0.3，模具與坯料的界面換熱系數(shù)為3 000 W/（m2·K）[7]。

在有限元模擬軟件中對導(dǎo)入的鋁型材三維模型進(jìn)行處理，依次進(jìn)行各部分提取、單元網(wǎng)格劃分和3D網(wǎng)格建立，網(wǎng)格大小從0.4 mm逐漸增大，由此得到的有限元模擬模型如圖3所示。

圖2 模具初始結(jié)構(gòu)

圖3 鋁型材有限元模型

表1 擠壓模擬工藝參數(shù)

2.2 初始模擬結(jié)果分析

型材擠壓時的金屬流速分布是否均勻通過速度均方差（SDV）判斷，具體公式如下[7]：

式中：vi——對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)速度，mm/s；——所有節(jié)點(diǎn)平均速度，mm/s；n——節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計越合理，金屬流動速度越均勻，速度均方差就越小，擠壓型材的成形質(zhì)量就更好。

初始模型經(jīng)過有限元模擬后，型材出口截面處金屬流速分布如圖4所示。金屬流速分布不均勻，最大速度為79.3 mm/s，最小速度為8.8 mm/s，速度差達(dá)到70.5 mm/s，速度均方差為15.6 mm/s，速度均勻性差。型材中部壁厚較小且位于兩部分芯模之間，供料有限，周圍的材料流入補(bǔ)給的流動阻力較大，所以金屬流速相對較慢；而型材右上部的懸臂壁厚較厚，對應(yīng)模孔較大，材料供應(yīng)充足且阻力較小，因此金屬流速較快。

圖4 初始模擬金屬流速分布

上述情況會使型材中間部分凹陷，懸臂突出，整體端面不平整，甚至產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)，故初始模具結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。可以通過增設(shè)引流槽、阻流塊和調(diào)節(jié)工作帶長度的方法進(jìn)行調(diào)整，減小截面金屬流速差異，提高端面平整度。

3 模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 懸臂處增設(shè)阻流塊

由圖4可知，型材右上方的懸臂處金屬流速較快，可以在焊合室相應(yīng)位置增設(shè)阻流塊來降低金屬流速。使用阻流塊不需要對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅度修改，其修模過程也較簡單[8]，在模孔邊緣增加尺寸為1.5 mm×1.5 mm的阻流塊，與工作帶距離為0.5 mm。在其他參數(shù)不變的情況下，擠壓模結(jié)構(gòu)與金屬流速分布結(jié)果如圖5所示，流速差減小為62.4 mm/s，計算速度均方差為14.4 mm/s，相比初始模具的流速差降低了7.69%。

增加阻流塊可以起到平衡金屬流速的效果，但初始設(shè)計的阻流塊尺寸太小，效果不明顯，故逐漸增大阻流塊。由圖5可知，型材上、下方的金屬流速普遍較大，可以在周圍設(shè)置尺寸為3 mm×3 mm且長度不等的阻流塊，與模孔的距離仍為0.5 mm，具體改進(jìn)方案及其流速分布如圖6所示。

圖5 初始設(shè)計阻流塊后模具結(jié)構(gòu)和金屬流速分布

4次改進(jìn)結(jié)果的速度差分別為28.2、17.4、20.0、20.6 mm/s，速度均方差分別為6.28、5.32、4.70、4.96 mm/s，如圖7所示。

由圖7可知，采用方案三得到的速度均方差和速度差的綜合效果較好，故在方案三的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 中部增設(shè)引流槽

通過對改進(jìn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)型材中部由于芯模間隙小，金屬流入阻力大，流速較慢，在此處增設(shè)引流槽以加快金屬向中間流入的速度，增加引流槽后模具結(jié)構(gòu)和模擬結(jié)果如圖8所示。

增設(shè)引流槽后，擠出型材的速度差降為27.8 mm/s，速度均方差為6.96 mm/s。金屬流速分布情況得到改善，但仍需進(jìn)一步改進(jìn)。考慮模具強(qiáng)度，不對引流槽進(jìn)行加深、加大處理。

3.3 增加工作帶長度

工作帶是保證擠壓零件形狀、尺寸和表面質(zhì)量的區(qū)段，其摩擦阻力可以調(diào)整金屬流速，合理設(shè)計不等長的工作帶可以提高型材斷面各部分金屬流速的均勻性，減少擠壓過程中的附加應(yīng)力和擠壓后零件內(nèi)的殘余應(yīng)力，防止型材變形與開裂。

圖6 改進(jìn)阻流塊后模具結(jié)構(gòu)和金屬流速分布

右上方懸臂處的原始工作帶長度為5 mm，為了增大此處的流動阻力，將懸臂處工作帶分別增加1、2、3 mm，得到的金屬流速分布如圖9所示。速度差和速度均方差隨工作帶長度變化如圖10所示，隨著懸臂處工作帶長度的增加，速度均方差不斷降低。工作帶長度增加3 mm時，速度均方差降到2.05 mm/s，在合理范圍內(nèi)。綜合型材生產(chǎn)質(zhì)量要求和工作帶對模具使用壽命的影響，不再對工作帶進(jìn)行延長。

圖7 速度差和速度均方差隨阻流塊變化

圖8 增加引流槽模具結(jié)構(gòu)和金屬流速分布

4 結(jié)束語

通過對空心鋁型材模具進(jìn)行設(shè)計和有限元模擬，得出以下結(jié)論。

（1）型材出口流速分布是影響型材質(zhì)量的重要因素，通過對其進(jìn)行分析，可有效判斷成型質(zhì)量并實(shí)施進(jìn)一步的改進(jìn)方法。

（2）對于該零件，增設(shè)阻流塊、引流槽和改變工作帶長度都是有效的改進(jìn)措施，能降低速度差和均方差，使出口截面速度更均勻。

圖9 增加工作帶長度金屬流速分布

圖10 速度差和速度均方差隨工作帶長度變化

（3）設(shè)置阻流塊時，既要考慮其形狀和大小，也要考慮數(shù)量和分布情況，二者兼顧才能得到更合理的設(shè)計。