6063鋁合金擠壓型材尺寸超差分析及模具優化設計

王 冠，何 芯，李落星，姚再起

（湖南大學1.汽車車身先進設計制造國家重點實驗室；2.機械與運載工程學院，長沙410082；3.浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州311228）

0 引 言

鋁型材由于具有密度小、比強度高、導電導熱性好、外形美觀、密封性好等優點，被廣泛應用于建筑、車輛、船舶、飛機、通訊等各個領域，特別是在建筑門窗和幕墻方面，其發展速度遠遠高于其它金屬材料，在金屬產品中的使用量中僅次于鋼鐵［1］。目前，數值模擬技術已成為研究金屬擠壓加工的重要手段［2－6］，有限元法、有限體積法和 ALE有限元法等分析方法經常被用以研究材料在擠壓過程中的變形情況和溫度、應力、應變等分布規律以及摩擦與潤滑情況，并在結合材料微觀組織、力學及物化性能等變化情況進行分析的基礎上，對擠壓模具和工藝進行優化設計與開發。Chanda等［7］和 Zhou等［8］使用Deform 3D軟件分析了鋁合金擠壓速度對擠壓過程的影響，同時獲得等溫擠壓過程的擠壓速度曲線；Li等［9］對AZ31鎂合金方管的擠壓過程進行了數值模擬，分析了擠壓工藝對方管成型時焊縫組織和性能的影響，同時也對在不同擠壓速度下7075鋁合金的溫度變化趨勢做了一定的預測［10］；Duan等［11－12］研究了模具結構、模具溫度等對再結晶行為的影響，并進行了微觀結構模擬和控制，采用商業化軟件Forge分析了模具設計、成形參數（擠壓速度、模具溫度、坯料溫度、擠壓比）和產品質量（擠壓件形狀、表面質量和微觀結構）之間的相互關系；Zhou等［13］成功地利用有限元軟件模擬了鋁合金擠壓的整個過程，分析了擠壓力、溫度、應力應變的變化情況；Liu等［14］研究了鎂合金擠壓過程中的金屬流動及擠壓速度對焊縫強度的影響，同時根據擠壓速度預測了擠壓過程的溫度變化［15］。

某工廠采用擠壓工藝生產一種6063鋁合金空心薄壁多腔型材，圖1為型材的幾何尺寸，圖中未標注的壁厚為3mm。在實際生產過程中，型材產品經常存在因截面變形導致的尺寸超差等問題，影響型材的成品率，其缺陷產品如圖2所示，主要是與小模芯A相連的薄邊B向內凹陷，型材的外形尺寸不能保證，造成了產品的報廢。

為解決產品尺寸超差的問題，作者采用HyperXtrude軟件對鋁合金型材擠壓過程中的金屬流動及型腔壓力分布進行了數值模擬，找出了造成此問題的主要原因，并據此對模具進行優化設計，最后以實際生產進行驗證。

1 鋁合金擠壓型材尺寸超差的原因分析

1.1 工程經驗分析

金屬在擠壓過程中，由于受到擠壓筒壁、模具端面、死區以及?？坠ぷ鲙娏业哪Σ磷饔茫跀D壓型材時，尤其是復雜截面型材，金屬流動的不均勻現象十分嚴重。圖1中型材截面左右兩側不具有對稱性，型材截面與鑄錠截面的形狀也就沒有相似性，從而使金屬的流動成為非對稱性流動。此外，由于型材截面形狀復雜，各部分壁厚變化較大，尤其是圖2中B處的壁厚較薄，僅為1mm。薄壁處的比表面積大于厚壁處的，故該處的金屬冷卻速率快、變形程度大、流動速度小。在擠壓過程中，金屬的不均勻流動會導致型材制品中產生很大的附加應力，從而產生尺寸超差、彎曲等缺陷。為了消除因金屬流動不均而產生的上述缺陷，必須優化模具的設計，使型材截面上各部分金屬流出的速度一致，這是模具設計與制造應遵循的基本原則。所以主要用有限元從以上方面來分析尺寸超差的原因。

1.2 鋁合金擠壓過程的有限元分析

1.2.1 有限元模型的建立

在三維CAD軟件UG中，根據模具的實際尺寸，分別建立坯料、擠壓筒、擠壓墊和擠壓模具（簡稱工模具）的幾何模型。由于型材沿水平中心線上下兩側具有對稱性，為提高計算效率，取幾何模型的1／2進行模擬。利用HyperXtrude軟件進行擠壓過程的仿真，將建立的三維模型通過有限元模擬軟件的前處理接口導入，并建立有限元模型，如圖3所示。由于坯料在靠近?？谔幍乃苄宰冃瘟枯^大，為保證模擬的精度和計算順利進行，故對此處的網格進行了局部細化。相應地，對擠壓墊、擠壓筒和擠壓模具也進行網格劃分，以實現坯料和工具之間的熱量傳遞，劃分的網格為四面體網格。由于HyperX－trude采用的是ALE方法，可以分析型材擠壓達到穩態時的狀態，根據穩態時型材擠壓的參數進行分析，所以建模需要繪制型材已經擠出工作帶的狀態。其中型材的長度應為2～3倍的工作帶長度，坯料的長度應為擠壓筒內徑的2倍。

圖3 鋁合金型材擠壓的有限元模型Fig.3 Finite element model of extruding aluminum alloy profile

工模具材料選用ALSI－H13熱工具鋼，坯料為6063鋁合金。表1為6063鋁合金的化學成分。坯料及工模具材料的物理性能參數可以直接從軟件材料庫中獲得，如表2所示。擠壓模擬的工藝參數和初始邊界條件如表3所示。在模擬過程中，忽略工模具和坯料的彈性變形，設定工模具為剛性體，坯料為塑性體。

表1 6063鋁合金的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of 6063aluminum alloy（mass）%

表2 擠壓坯料及工模具材料的物理性能參數Tab.2 Physical properties parameters of extrusion billet and die

表3 等速擠壓工藝參數和邊界條件Tab.3 Precess parameters of extrusion at constant speed and boundary conditions

坯料和工模具之間的摩擦為剪切摩擦，如式（1），摩擦因數m（0≤m≤1）選取0.4。模擬開始時的步長設為0.05mm，在模具出?？谔幰虿牧献冃纬潭燃觿?，為使計算順利進行，將步長改為0.002mm。

式中：τf為剪切摩擦力；σ為等效流動應力。

HyperXtrude的計算效率較高，數小時即可計算完畢，獲得穩態擠壓過程的結果。

1.2.2 有限元模擬結果

圖4所示為穩態時擠壓型材出工作帶后在垂直擠壓方向的截面上，金屬沿擠壓方向的速度分布?？煽吹叫筒慕孛嫔系乃俣确植疾粔蚓鶆颍∧Ｐ緦狝處的速度較小，最小速度為4mm·s－1，最大速度為12mm·s－1，平均速度為8mm·s－1；而B邊的最小速度為22mm·s－1，沿著對稱面向上B邊的速度不斷增大，最大值為25mm·s－1，平均速度為23mm·s－1。A、B兩邊的平均速度相差15mm·s－1，由此產生的速度差使B邊受拉力作用，B邊在此速度差阻礙下沿對稱面向上產生速度差異，由圖可知B邊上金屬流速存在差異。其中A、B處在x方向上（即垂直B邊向型材內部的方向）的平均速度為27mm·s－1，大于A、B邊的平均速度，可認為這兩部分的金屬在x方向上發生了橫向流動，這使得小模芯A向型材內部移動，而B邊發生內凹現象。

圖4 型材出工作帶后沿擠壓方向上的金屬流速分布Fig.4 Distribution of metal flow rate along extrusion direction

從圖5（a）中可以看出，型材在焊合室內受到的壓力最大，金屬流出?？谶M入工作帶后受到的壓力下降。沿著金屬流動的路徑在焊合室的高度方向從上向下截取4個截面（1～4）上的壓力分布情況，如圖5（b），（c），（d）和（e）所示。圖5（b）位于焊合室的最高位置，此時型材截面1上的壓力分布均勻。而圖5（c）表示截面2上的壓力分布，可看到此截面上型材小模芯A處對應的金屬受到的壓力下降，而其余部分的金屬壓力仍保持與截面1上的一致，沒有變化。由圖5（d）所示截面3上的壓力分布可以看出，隨著高度的下降，焊合室內金屬受到的壓力逐漸下降，最小壓力出現的地方仍為小模芯對應的區域。圖5（e）所示的截面4上的壓力分布表示金屬即將流出?？诔尚?，因為?？谔帉饘俚牧鲃幼枇Σ淮?，故模口處的金屬受到的壓力最小。這也證明了焊合室內金屬的壓力分布影響了金屬的流動，壓力小的金屬流動速度小于壓力大的金屬的，因此在兩部分金屬間產生了速度差。

圖5 擠壓達到穩態時型材的壓力分布Fig.5 Pressure distribution of profile in steady state：（a）steady state；（b）section 1；（c）section 2；（d）section 3and（e）section 4

1.2.3 模具優化后的有限元模擬

型材存在缺陷是由于金屬流動速度不均造成的。根據實踐經驗，在重新設計（優化）模具結構時首先采用阻流塊的措施，以減小流速快的薄壁上的金屬流速，達到平衡各個薄壁處流速的目的。即在流速較快的邊上焊接金屬，以減慢其流動速度。優化后的模具結構如圖6所示，其中在小模芯對應的B邊外側增加了寬為6mm、高為5mm的阻流塊，增加阻流塊的位置在圖中用圓圈標示。

圖6 優化后的模具結構Fig.6 Optimized die structure

由圖7可以看出，小模芯A處金屬的最小速度為7mm·s－1，最大速度為12mm·s－1，其平均速度為10mm·s－1；雖然B邊上的速度分布也有差異，且仍比小模芯A處的速度大，但由于阻流塊的存在，使其較優化前的低，最大速度為23mm·s－1，最小速度為17mm·s－1，平均速度為19mm·s－1。與優化前相比，模芯A處的速度增加了，而B邊處的速度減小了，且平均速度減小了4mm·s－1。可見，增加阻流塊之后，B邊上的金屬流速減慢，與A處的速度差異減小。A、B兩處沿x方向上（即垂直B邊向型材內部的方向）的平均速度降為6mm·s－1，小于A、B兩處在z方向上的平均速度，因此可認為金屬不會沿著x方向橫向流動，因此小模芯A處和B邊均不會向型材內部凹陷。

圖7 模具優化后型材出工作帶沿擠壓方向上的金屬流速分布Fig.7 Distribution of metal flow rate along extrusion direction after die optimization

2 實際生產驗證

由圖8可以看到，采用優化后的模具進行實際生產時，型材B邊上的金屬沒有發生明顯的橫向流動，使得其內凹的趨勢減小，獲得了合格的型材。這說明采用有限元軟件HyperXtrude可以分析復雜型材擠壓過程中的變形行為，并可指導熱擠壓模具的優化設計，對型材的生產具有一定的指導意義。

3 結 論

圖8 模具結構優化后生產的合格型材Fig.8 Qualified profile after die structure optimization

（1）采用有限元軟件HyperXtrude對鋁合金空心型材擠壓過程進行數值模擬發現，由于截面上金屬流速不均，導致了擠壓型材出現截面尺寸超差的缺陷。

（2）模擬結果表明采用增加阻流塊的方法優化模具設計，能夠有效減小金屬的流速差，可使型材尺寸超差問題得到解決。

（3）根據有限元分析的結果，對模具結構進行優化，并加以試驗驗證，結果表明型材沒有再出現尺寸超差的問題，證明了模擬分析結果的正確性。

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