鋁合金管熱擠壓成型分流模的分流比選擇

劉長利，王華龍，朱　琳，趙　強，岳　祥，楊寶成，宋繼順（天津理工大學材料科學與工程學院，天津300384）

鋁合金管熱擠壓成型分流模的分流比選擇

劉長利，王華龍，朱琳，趙強，岳祥，楊寶成，宋繼順（天津理工大學材料科學與工程學院，天津300384）

[摘要]在分流模的設計中，分流比K值的大小直接影響到擠壓阻力的大小、制品成型和焊合品質。為了探索分流比的大小對分流模擠壓焊合的影響，找出最適宜擠壓微型多孔鋁合金管的分流比K值，通過Pro- E建模，采用數值模擬軟件DEFORM- 3D的數值模擬分析技術，針對典型的微型多孔鋁合金管的擠壓焊合過程進行分析。結果表明，一定范圍內，K值越大，越有利于金屬的流動與焊合，也可減小擠壓力，確定K值為16時型腔內金屬流動和焊合質量最好。

[關鍵詞]分流模；分流比；數值模擬；焊合質量；多孔鋁合金管；擠壓

1　引言

微型多孔鋁合金管主要應用于汽車空調散熱器中，其特點在于超薄、輕量及其良好的散熱性與耐腐蝕性。目前，90%以上的空心鋁合金型材都采用分流組合模進行擠壓生產。其原理是采用實心鑄錠，在擠壓力的作用下，使鑄錠經過分流孔時被分成幾股金屬流，然后在高溫、高擠壓力下，在真空的焊合室內重新焊合，最后通過模芯與擠出孔所形成的間隙流出，從而形成符合一定尺寸要求的管材或者空心型材。微型多孔鋁合金管就是用分流模熱擠壓成型的。

在分流模的設計中，分流比K值的大小直接影響到擠壓阻力的大小、制品成型和焊合品質。K值越大，越有利于金屬的流動與焊合，也可減小擠壓力。因此，在模具強度允許的范圍內，應盡可能選取較大的K值。但K值越大，變形阻力也相對增加，雖有利于金屬焊合，但對模具的壽命及生產率都有不利的影響。而且在K值大到一定數值時，由于變形阻力影響，金屬在分流孔內的流動速度也會明顯下降。在一般情況下，對于生產空心型材時，取K=10～30；對于管材，取K=5～15。因此，選擇最優的K值，是我們設計最有利于金屬流動與焊合的分流孔面積的關鍵，我們將使用數值模擬技術來進行研究。準確地了解焊合室內局部所承受變形力學情況，采用數值模擬軟件DEFORM-3D的數值模擬分析技術，針對典型的微型多孔鋁合金管的擠壓焊合過程進行分析，探索分流比的大小對分流模擠壓焊合的影響，并找出最適宜擠壓微型多孔鋁合金管的分流比K值。

2　模具設計與擠壓過程模擬

2.1分流模具設計

該微型鋁合金多孔管的擠壓采用橋式舌形分流模，分為分流、焊合、成型3個階段。圖1為作為我們研究的三個孔的微型鋁合金管的型材斷面尺寸圖。圖2為分流模擠壓的三個階段的模擬圖。

圖1　型材斷面尺寸圖

我們將分流孔設計成兩個半圓孔。目的是為了利用半圓孔的形狀對金屬坯料在流出分流孔時施加一種向心的導向作用，使金屬坯料向芯棒間隙內流動的更加充足。如圖3、圖4所示。

圖2　分流模擠壓的三個階段模擬圖

圖3　芯棒結構

圖4　分流孔結構

2.2分流孔面積計算

對于分流孔的設計，分流比的計算尤為重要。通常把分流孔的斷面積與型材斷面積之比稱作分流比K，即:

式中，∑F分為分流孔的總面積，mm2；∑F型為型材的總斷面積，mm2。

由此可計算出不同分流比下分流孔的面積，然后估算出分流孔的半徑（估算過程中視為圓形）。

2.3擠壓過程模擬

我們可以用Pro-e三維制圖軟件畫出12組不同分流孔面積大小的模具結構，并導入Deform-3D中進行擠壓數值模擬。

初始，以分流比10、半圓形分流孔半徑為6 mm的這一組數據為標準。為了簡化模擬，取模具及坯料的1/4來進行模擬。

在分析模擬結果的各項參數中，以分析Deform后處理中金屬各速度矢量的流動速度Velocity—Totalvel,可以最為直觀地觀察擠壓中金屬的流動情況，也可根據各速度矢量的方向及速度值來判斷擠壓力及焊合的情況。

圖5即為分流孔半徑6 mm的擠壓模擬速度矢量圖。

圖5　 6 mm半徑分流孔的速度矢量圖

圖5中的11個P點為研究所取的金屬在模具中流動的關鍵位置的速度矢量點。從所取各點的瞬時速度值可以簡單觀察出在該分流比及其對應的分流孔面積下金屬在模具中的流動情況。其中P9、P10、P11三個點所代表的區域是金屬在擠壓模具中沿擠出方向流動的情況；P1、P2、P3、P4四個點所代表的區域是金屬在沿擠出方向流動并在模具型腔引導下向芯棒方向匯聚的情況，也是擠壓力對兩股金屬流重新焊合影響最大的一個方向；P5、P6、P7三個點所代表的區域是金屬在模具型腔引導下轉向芯棒匯聚時的情況；P8點是死區中的一個點,反映死區中金屬流動的情況。

由此，可對不同分流比的模擬結果，進行這11個點上速度、溫度、應力等參數的對比，以此來判斷哪個分流比更有利于分流擠壓后金屬的焊合。

3　模擬結果分析

在對分流比10、分流孔半徑6 mm的模具進行擠壓模擬得到數據后，對分流比9到20分別做了模擬，并進行比較。圖6~圖9，為各分流比下11個P點的瞬時速度平均值所畫出的趨勢曲線圖。圖中橫坐標為9~20的12組分流比K值，縱坐標為對應P點的瞬時速度平均值。

隨著分流比的增大，即分流孔面積的增大，模具型腔內的金屬量也越發增多。從圖6的趨勢可以觀察到，隨著分流比的增大、型腔內金屬量的增加，使得P1、P2、P3、P4這4個點所在區域的金屬在向芯棒方向流動時，流動速度加快。這是由于隨著型腔內金屬量的增加，這幾個點所在區域的金屬在向芯棒流動時金屬量比較充足，所以在這一方向上金屬所受的擠壓力加強，反而使這一區域金屬的流動速度加快。但若型腔內金屬量過大，金屬變形過于困難，由于變形阻力的影響，這一區域內金屬的流動也會逐漸變慢。如圖6所示，在分流比9到17的過程中，P1、P2、P3、P4這幾個點的瞬時速度逐漸上升。但在分流比達到18以后，P1、P2、P3、P4這幾個點的瞬時速度便有所下降了。

圖6　分流比9~20的P1、P2、P3、P4四個點的平均速度值趨勢

這也說明了，在初始我們將數據標準定為分流比10，而嘗試分流比9的時候發現，雖然由于金屬形變減小，在P9、P10、P11這3個點所在的區域的金屬流動增加，但在P1、P2、P3、P4這4個點的方向上，變形阻力變小、金屬流動減慢，不利于焊合，所以沒有嘗試繼續降低分流比進行模擬。

從圖7可以看出，在P9、P10、P11這3個點所在的區域中，隨著分流比的增大，型腔內金屬量增多，這一區域內的金屬流動變得越發的緩慢。這是由于分流孔面積增大、型腔內金屬量增加，使得金屬在向定徑帶（模具成型管材外形尺寸的區域）流動時形變加大，增加了金屬變形的困難，受形變阻力影響，使得金屬在模具型腔內沿擠出方向上的流動速度變慢。

圖7　分流比9~20的P9、P10、P11三個點的瞬時速度平均值趨勢

圖8說明的是在型腔內的P5、P6、P7所代表區域的金屬逐漸在型腔引導下流向芯棒，隨著分流孔面積的增大，此區域內的金屬量增加，而金屬沿擠壓方向流動速度的變慢以及P1、P2、P3、P4區域金屬不斷增加的阻礙作用，反而加快了P5、P6、P7所在區域內的金屬向芯棒及定徑帶匯聚。

圖9表示P8點所在的死區金屬流動情況。隨著分流比的增加、分流孔面積的增大，型腔內金屬增多，導致流進死區的金屬也增加。根據上述圖7所表明的結論，隨著型腔內金屬的增多，金屬在擠壓方向上流動速度變慢，導致在死區內的金屬更不易流出死區，故而隨著分流比的增大，P8點所在的死區內的金屬流動速度變慢。

圖8　分流比9~20的P5、P6、P7三個點的瞬時速度平均值趨勢

對應圖6的趨勢，我們再來看一組P1、P2、P3、P4四點的應力情況：

圖10的數據表明，隨著分流比增大P1、P2、P3、P4所在區域的金屬應力逐漸降低。這進一步論證了圖6所表明的此區域內金屬流動速度隨分流比擴大而加快的結論。

圖9　分流比9~20的P8點的瞬時速度趨勢

圖10　分流比9~20的P1、P2、P3、P4四個點的應力平均值趨勢

4　結論

從本文論述中得出，分流比為16或17時，金屬流動比較快，焊合質量好。尤其沿垂直于擠壓方向上，K值為16、17時此金屬流動好，利于金屬焊合；并且沿擠壓方向上，分流比16相比分流比17金屬流動速度更快，而且死區中的金屬在分流比為16時比分流比為17時流動性更好。

所以綜合來看，分流比K值為16時型腔內金屬流動和焊合質量最好。

在分流模擠壓成型的工藝中，分流比K值的選擇至關重要，尤其是成型一些較為精密的、微型的管材時，最佳的分流比K值往往對于管材最后的成型質量有重要的影響。在實際生產中，更多的是取經驗K值域。本文對一個特定的、較難成型的超薄鋁合金管的分流模熱擠壓成型工藝進行模擬、分析、對比，最終確定了最佳的分流比K值。

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Split Ratio Selection of Porthole Die for Hot Extrusion of Aluminum Alloy Pipe

LIU Chang-li, WANG Hua-long, ZHU Lin,
ZHAO Qiang, YUE Xiang, YANG Bao-cheng and SONG Ji-shun
(School of Materials Science and Engineering, Tianjin university of Technology, Tianjin 300384, China)

AbstractIn the design of porthole die, split ratio (K) directly affects extrusion resistance, product forming and seaming quality. In order to study the effect of split ratio on extrusion and seaming and find the most appropriate split ratio (K) for extruding microporous aluminum alloy tube, a model was set up by pro-E and simulation and analysis technique by DEFORM-3D, a value simulation software, adopted to analyze the process of extruding and seaming. Results showed within certain range, the bigger K value was, the more favorable it was to metal fluidity and seaming. The extrusion force could be reduced. It was determined that the fluidity and seaming quality of the metal in die were the best when K value was 16.

Key wordsporthole die; split ratio; value simulation; seaming quality; microporous aluminum alloy tube；extruding

作者簡介：劉長利（1993—），女，主要從事材料成型及控制工程方面的研究工作。

收稿日期：2014- 10- 08修回日期：2014- 11- 05

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.02.008