基于Inspire Extrude的鋁型材穩態模擬及生產驗證

王 旭，黃征昊，李 璞，于泉有，鮑星毅

（江陰金屬材料創新研究院有限公司，江蘇 無錫 214400）

0 引言

鋁合金型材廣泛應用于建筑、船舶、交通運輸、航空航天、醫療等領域。鋁型材種類繁多、結構復雜、應用場景多，輕量化替代等工業需求旺盛，使其擠壓模設計及制造的要求越來越高[1]。模具結構設計是否合理將影響型材的形狀、尺寸以及模具的使用壽命。傳統的模具設計依靠生產經驗進行，需要多次試模、修模，消耗大量的人力物力，模具開發成本高、生產效率低[2-4]。在當前模具結構越來越復雜的背景下，傳統設計模式受到很大制約。利用計算機數值仿真技術模擬型材流動情況，針對性地對擠壓模進行優化設計，減少或避免鋁型材的擠壓缺陷，將縮短模具開發時間，節省開發成本。

國內外學者在鋁型材擠壓成形仿真模擬領域進行了大量研究，常用的仿真模擬軟件有Deform-3D、Surper Forge和Inspire Extrude，這3種模擬軟件是拉格朗日（Lagrange）描述法、歐拉（Euler）描述法、任意拉格朗日-歐拉（ALE）描述法的典型代表。拉格朗日描述法和歐拉描述法均有各自的優點，但缺點也明顯，前者當區域變形較大時，網格畸變嚴重，重劃分網格占用大量的時間，且造成體積損失；后者計算效率低，耗費大量的計算資源；而基于ALE算法的Inspire Extrude軟件采用自適應網格劃分技術，集合了2種算法的優點，避免了焊合區網格重劃分導致的網格畸變和體積損失，可在較短時間內獲得高精度的仿真結果[5-8]。

型材橫截面速度均勻性將影響型材成型質量，其截面金屬流動速度差越小，則型材變形量越小，平面度也越好；速度差越大，則可能產生扭擰、波浪、彎曲等缺陷，同時可能縮短模具使用壽命。針對某汽車用多孔空心型材及初始模具設計，基于Inspire Extrude仿真軟件，分析穩態擠壓過程中型材速度分布。針對初始模擬結果，有針對性地對模具結構進行優化設計，直到獲得金屬流速較均勻的模具，最后進行生產驗證。

1 型材結構說明及模具設計

如圖1所示，研究的型材為多孔復雜型材，其長度為131 mm，寬度為25 mm，型腔形狀大小不一，壁厚最厚為12 mm，最薄為3 mm，截面積為1 522 mm2。該型材使用某型材廠1.8×105kN正向擠壓機進行生產，擠壓筒直徑為φ210 mm，坯料直徑為φ203 mm，擠壓比為22.7。

圖1 型材結構

根據型材結構特點，采用分流組合模，如圖2所示，芯模設置5個分流孔，每個分流孔對應產品上筋條的位置，以增加進料；芯頭部位與分流橋平滑連接，盡量避免產生尖角。凹模采用蝶形焊合室，焊合室的深度為18 mm。根據實際擠壓機模架及模套的尺寸要求，芯模、凹模直徑均為φ278 mm，芯模厚度設置為105 mm，凹模厚度設置為93 mm。

2 模擬前處理

2.1 擠壓參數設置

模擬前處理設置中，采用與實際生產相同的工藝參數，如表1所示。其中，結合該型材定尺1 560 mm、擠壓比22.7的要求，棒料長度設置為350 mm。

表1 擠壓工藝參數設置

2.2 網格劃分

將分流孔、焊合室進行區域劃分為3個部分，分別為分流孔（portholes）、焊合室（weldchamber）、接觸腔（pocket），軟件根據名稱自動識別進行網格劃分并進行網格細化。本模型共劃分網格989 116個，擠壓模型設置如圖3所示。

圖3 模型網格劃分

3 模擬結果及模具結構優化

3.1 初始模擬結果

將模型導入Inspire Extrude軟件中，并按照表1設置擠壓參數，迭代次數設置為25次，回歸精度為0.01 mm，進行穩態模擬運算。型材擠出整體位移云圖如圖4所示，型材截面速度及相對出口速度差異如圖5所示。由圖4可看出初始模擬中，型材出口變形不均勻，其左上角部位變形量最大，右下角變形量次之。由圖5可以看出，左上角矩形部位流速最大，速度約為95.68 mm/s，相對出口差異為110.80%；中間斜筋部位速度最小，約為14.48 mm/s，相對出口差異為-67.78%。型材截面流速最大值與最小值相差84.87%，為使型材流速均勻，需要對模具結構進行優化。

圖4 型材擠出整體位移云圖

圖5 型材截面速度及相對出口速度差異

3.2 模具結構優化及模擬結果分析

根據初始模擬結果對模具結構進行優化，如圖6所示。其中，結合模具整修經驗，對型材流速較快的部位增加3段阻流塊，其尺寸分別為12 mm×5 mm×5 mm、8mm×3 mm×3 mm、10 mm×2 mm×2 mm，對中間直筋和斜筋部位增設引流槽，引流槽與分流橋之間倒角過渡。

圖6 模具結構優化

將優化后的擠壓模導入Inspire Extrude軟件中進行擠壓模擬，型材擠出整體位移云圖如圖7所示，型材截面速度及相對出口速度差異如圖8所示。由圖7可以看出，型材擠出變形量差異較圖4有較大改善。由圖8可以看出，與模具結構優化前相比，型材出口流動速度均勻性有較大改善，型材壁厚流速最大為54.71 mm/s，相對出口速度差異為22.46%；型材截面流速最小的位置是中間斜筋部位流速，為35.59 mm/s，相對出口速度差異為-20.62%；截面最大流速和最小流速相差33.94%。

圖7 模具結構優化后型材擠出整體位移云圖

3.3 調整工作帶長度及模擬結果分析

模具工作帶長度初始設置均為7 mm，對優化后的模具進行工作帶優化模擬，將工作帶進行分組設置，每一個特征邊設置4～6個特征點（見圖9）。將特征點輸入Inspire Extrude軟件中，使用該軟件自動優化工作帶功能進行分析。優化后的型材擠出整體位移云圖如圖10所示，型材截面速度及相對出口速度差異如圖11所示，所獲得的優化后的工作帶長度如圖12所示。可以看出型材截面形狀較為平整，流速較為均勻，出口速度最大值為45.73 mm/s，相對出口差異為2.72%；速度最小值為41.94 mm/s，相對出口差異為-5.88%，速度差為8.04%。

圖8 模具結構優化后型材截面速度及相對出口速度差異

圖9 工作帶設置特征點

圖10 工作帶優化后型材擠出整體位移云圖

圖11 工作帶優化后型材截面速度及相對出口速度差異

圖12 優化后工作帶

3.4 生產驗證

根據工作帶優化后的模具結構設計圖制作模具，經過實際上機試模生產，型材料頭平整，整體平直，未出現扭擰、波浪、彎曲等缺陷，對型材進行相關檢測分析，其性能指標符合技術要求。

4 結束語

對某復雜型材先進行初始模具設計，按照實際技術參數使用Inspire Extrude進行擠壓模擬，根據模擬結果對模具結構及工作帶進行優化改進，并經生產驗證，實際生產情況與模擬效果基本一致。通過該案例的分析得出如下結論。

（1）針對某特定型材，根據其結構特點，可以先進行模具設計，然后導入模擬軟件中進行仿真分析，并根據仿真模擬結果針對性地改進模擬設計。

（2）模具優化過程中，根據模擬擠壓效果，可以綜合引流槽、阻流塊、工作帶長度等進行改進，該過程可能需要往復多次改進，直到截面流速均勻為止。經優化，型材出口截面最大出口差異由110.80%降至-5.53%，最大速度與最小速度差由84.87%降至8.04%。

（3）通過計算機仿真模擬型材擠壓過程代替傳統的試模、改進、再試模等過程，可以直觀地觀測擠壓流速、位移、溫度等擠壓效果，降低生產成本及縮短模具設計周期。