基于DEFORM的熱鍛擠壓模具結構優化

唐妍 付維潔 張毅

摘要： 對空心工業鋁材進行熱鍛擠壓模具設計和3D造型，基于DEFORM軟件對擠壓過程進行數值模擬。模具設計時優化分流孔入口形狀并提出金屬流速判據。通過分析模擬結果，采用調整模具工作帶長度的方法，改善擠壓模出口流速的均勻性，保證了型材質量，有效減少模具開發周期和成本，達到試模、修模的快速響應。

Abstract： The hot forging extrusion die design and 3D modeling of hollow industrial aluminum materials are carried out， and the extrusion process is numerically simulated based on DEFORM software. In the mold design， the inlet shape of the shunt hole was optimized and the metal flow rate criterion was proposed. By analyzing the simulation results， the method of adjusting the length of the die working belt is adopted to improve the uniformity of the exit flow rate of the extrusion die， ensure the quality of the profile， effectively reduce the mold development cycle and cost， and achieve rapid response to mold trial and mold repair.

關鍵詞： 分流孔;速度分布;數值模擬;模具結構優化

Key words： diversion hole;velocity distribution;numerical simulation;mold structure optimization

中圖分類號：TG162.41? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0096-03

0? 引言

工業鋁材作為一種耗能少、可塑性強和較強的耐腐蝕性的輕質金屬，在航空航天、建筑、汽車等工業領域被廣泛使用，特別是近幾年來汽車行業的快速發展，工業鋁材由于其操作方便，穩固牢靠，易安裝和拆卸，不生銹易保養等優點，可廣泛應用于汽車檢修支架，汽車測試支架，汽車噴漆燈架，汽車框架展示架，汽車駕駛模擬測試架等產品的應用。由于鋁材特別是空心鋁材的成形模具結構復雜，導致模具企業開發、制造的周期較長，同時試模、修模階段也具有較高難度[1-3]。利用基于DEFORM的有限元模擬軟件對鋁材熱鍛擠壓過程中的速度場等進行數值模擬，能夠快速調整模具工作帶長度，成為快速優化模具結構，降低生產成本，縮短模具開發周期的有效手段。

1? 建立型材成型模具模型

1.1 熱鍛擠壓模設計

本文以某Al6063工業鋁材為例，尺寸規格φ=L/D=101.2/44.5≈2.28，壁厚t=1.7mm，熱擠壓過程中擠壓比λ=46.3，產品尺寸如圖1所示。

考慮企業生產實際，本產品需采用平面分流擠壓模進行成形生產，根據擠壓模具設計原則，利用Pro/E軟件設計其成形熱鍛模上、下模。其中矩形鋁材焊合線位于長邊上，故長邊焊合線部分設為工作帶尺寸最小處;短邊基本沒被分流橋遮蔽，故沒有設置工作帶過渡段;而模芯工作帶長度要不小于模孔最大工作帶長度，這里取為5.5mm，下模模孔工作帶設計見圖2。

1.2 CAE參數設置

利用DEFORM軟件對整個擠壓過程進行數值模擬，利用后處理結果優化模具結構，考慮產品形狀的幾何對稱性，可將包括擠壓頭、擠壓筒、坯料和模具的裝配圖的1/4進行模擬，以提高運算效率。但因此需設置對稱的邊界條件Symmetry Plane，即沒有與工模具接觸的自由表面，即在軟件邊界條件功能里選中模型的1/4對稱面來施加邊界條件，保證金屬不會沿法線方向運動，以防止附近節點嵌入對稱表面。

產品金屬壁厚較薄才1.7mm，而為保持幾何相似性則最短截面必須劃分4～5個網格，所以局部細化網格，最小網格大小設置為0.45mm，且要盡量使總網格數在20w內以保證網格劃分成功。

設置初始擠壓速度3mm/s;時間步長增量為0.1s;熱鍛擠壓狀態下坯料與模具間摩擦因子取m=0.3;機械能轉化為熱能系數為0.9。

1.3 金屬流速判據的設定

2? 分流孔入口形狀優化設計

擠壓應力中剪切應力所占比例較大，特別是普通分流孔入口設計，會增加擠壓力的數值。而在擠壓過程中，金屬在塑性區質點流動形成流線，考慮如果以流線軌跡來設計擠壓分流孔入口，那么剪切面則會變成摩擦面，應該能大大降低擠壓力。

在下模模型設計基礎上上，擠壓過程中追蹤點P1～P9如圖3，在擠壓至穩定區域時記錄坐標見表1，其中Y軸坐標軸均為0。在此金屬在塑性變形區的流線軌跡基礎上，利用造型軟件擬合出該曲線并優化模具分流孔外形（圖4），并進行擠壓模擬，與普通分流孔入口進行比較。

后處理數據顯示，普通分流口在擠壓過程中穩定區域的擠壓力峰值達到172kN，而使用流線設計后的峰值為154kN，降低了10.5%的擠壓力，可有效提高了模具的使用壽命，并有助于金屬的流動。

3? 模擬后處理結果分析

為了考察金屬在同一截面各個位置上金屬的Z方向流動速度，選擇在下模出口處位置對流動金屬做一個XY平面的橫截面，以0.5mm為距。型材內、中、外層面上按工作帶段分別追蹤24個點，并為了分析方便把該截面圖從拐角處拉直。根據體積守恒原則，型材流出下模口速度v0=λv，本文擠壓初始速度v=3mm/s，擠壓比λ=46.3，故v0=λv=3*46.3=138.9mm/s，但后處理顯示流出模口所有點速度平均值v在117.2mm/s左右，占理論值的84.3%，這是由于模擬焊合階段時網格不斷重新劃分導致體積丟失所引起的。

從表2追蹤點金屬流速分布可見，中性層上各點均滿足金屬流速判據，流速較均勻;內層金屬流速普遍比外層金屬速度大，且均有幾個點不滿足流速判據，需調整相應位置的模芯工作帶長度;另外靠近四角的金屬流速又較慢，需要對局部模孔工作帶進行調整。

調整后的工作帶長度如圖5所示，相應的模芯工作帶長度改為7mm。由表3可見優化模孔、模芯工作帶后，追蹤點均滿足金屬流速判據，Z方向金屬出口速度均較為理想，型材擠出情況良好，模具的設計已達到要求。

4? 總結

本文基于DEFORM軟件對某工業鋁材熱鍛擠壓過程進行數值模擬。模具設計過程中根據普通平底分流孔位置得到流線入口形狀，把平面分流模的分流孔入口做成流線形式以優化模具，在實際企業生產中，考慮模具加工困難，可以不嚴格按照曲線方程，同時還要考慮死區大小，以防止表面雜質被帶入塑性變形區影響型材質量;同時提出金屬流速判據，根據模擬結果優化模具工作帶長度，提高型材截面各部分的流速均勻性。因此可知正確運用數值分析技術，可有助于快速準確地設計平面分流模具，顯著提高該類模具設計質量和效率，實現其開發的高質量、低成本、短周期。

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