輕量化車體用復雜空心鋁型材擠壓過程數值仿真及模具優化方法

孫雪梅，李帥＊，王遠見，姚志鑫

（1.臨沂大學；2.臨沂市消防救援支隊；3.臨沂凌恒智能科技有限公司，山東 臨沂 276000）

隨著社會經濟的發展，車輛輕量化是進一步節能提速的關鍵所在。車體采用鋁合金型材是當前車輛輕量化的主要手段。車體型材普遍存在空心，形狀復雜，型材的長寬比例很大，最大最小壁厚相差懸殊等特點，成型過程復雜。這就對模具設計、加工提出了較高的要求要求較高。模具設計是車輛輕量化型材擠壓過程研究的重點難點所在。本文采用軟件+數值模擬的手段，對模具進行優化設計。

1 模具設計

圖1 所示為車體空心壁板。由圖可見，該型材具有12個型腔，截面積為3397.8mm2，最大壁厚為4mm，最小壁厚為1.73mm，截面長度與寬度比值為8 倍。由圖可見，型材有12個孔，形狀復雜。在成型過程中，壁厚較小的部分流速慢，難以成形；而較大的部分流速快。因此型材擠出工作帶時有的部分快，有的部分慢，就會形成型材扭曲，變形，無法獲得合格的產品。這就要求在進行模具設計的時候綜合考慮金屬的分配（分流孔設計）、焊合的高度（焊合室設計）、工作帶的摩擦（工作帶長度設計）等。

圖1 型材截面尺寸

在綜合分析上圖型材的截面形狀的基礎上，綜合考慮金屬流動的影響因素，結合鋁合金擠壓模具設計的各項基本原則，初始設計了模具的主要結構，因為后續還要對模具進行擠壓模擬，因此初始模具設計又稱為盲設計。如圖2所示，模具分為上模、下模以及導流板。圖2（a）為下模，各模具最大外徑選取700mm。根據型材形狀，確定了分流孔的數量，為13 個，下模焊合室的形狀根據上模分流的形狀直接生成。根究模具設計準則下模上設有兩級空刀，用來增加模具的工作帶強度以及保護型材擠出。上模各個型芯之間距離很小，壁厚非常小，難以成形，在模芯根部設置了引流槽，有利于型材各孔之間的筋部成型。由于該型材擠壓比較大，因此增加了導流板的設計，將材料進行預分流，能夠減小擠壓比，更有利于成型。初始模具盲設計后，借助有限元軟件，對該設計進行了數值模擬，以分析設計的合理性。

圖2 初始的擠壓模具結構

2 分析模型的建立

初始設計的模具在UG 軟件中分上模、下模、導流板三維導出STL 格式，然后導入分析軟件HYPERXTRUDE 后。根據材料流動的先后，分為加熱后的棒料區域、導流板的分流孔部分、上模的分流孔部分、焊合室部分以及型材最后成型的工作帶部分。這五部分分別進行必要的幾何清理，幾何清理主要是為了去掉極小的結構，為后續的網格劃分進行準備。在網格劃分過程中，較為簡單工作帶和型材部分采用面網格直接生成體網格的劃分方式，生成三棱柱網格，這部分型材最終成型，因此網格劃分要細致，以便成型過程模擬數據的準確性，通常要保證最小厚度處有三層網格。其他部分采用四面體網格，先把所有面網格生成，然后進行網格檢查，最后生成體網格。這部分材料只發生墩粗變形，變形量較小，網格劃分時，按照約遠離材料擠出端，網格越大，通常相鄰兩部分網格大小比例不宜超過2 倍。根據車輛型材強度、硬度等各方面需求，該型材選用A6005-T6 鋁合金，在數值模擬過程中，假設該材料為粘塑性體，模具材料通常用H13 模具鋼，在擠壓過程中假設為不變形的剛性體，坯料與模具材料的主要特性見表1。

表1 A6005-T6 鋁合金棒料和H13 模具鋼的物理性能

結合實際生產的需求，棒料選用標準的φ 400mm×800mm規格。在擠壓過程中擠壓的工藝參數對擠壓過程的影響也非常大，合理的擠壓參數對型材擠壓的均勻性有重要影響。根據課題組前期的研究，主要的擠壓參數包括擠壓筒預熱溫度、模具預熱溫度、坯料加熱溫度、擠壓比以及擠壓速度。其中坯料溫度一般要比模具溫度高20 ～30℃左右。結合前期研究與該型材實際形狀，設定該型材擠壓工藝參數見表2。

表2 模擬過程中使用的工藝參數

在實際擠壓變形中，材料流經擠壓筒內壁、導流板分流孔、上模分流孔等區域，在這些區域鋁合金棒料與這些流經區域接觸面有摩擦，在分析軟件設置中選擇為粘著摩擦；在型材流出模具工作帶時，擠壓速度達到設定的1mm/s，即鋁合金型材與工作的相對速度為1mm/s 此時擠壓分析軟件中的摩擦類型應設置為滑動摩擦，根據金屬間的摩擦規律，摩擦系數為設置為0.3。

3 初始模具設計方案模擬結果分析

經過上述的網格劃分，將材料流經區域的流動過程數值模擬分析后，對結果進行不同物理場量的分析，分別得到了擠壓過程中型材的位移、流速，溫度以及模具的位移與受力。由上文分析發現，如果型材各部分流出工作帶的速度不一致，將會引起變形、扭擰等缺陷，導致型材擠出產品不合格。因此要判斷該模具設計是否合理，首先要分析各部分擠出速度一致性。圖4 為初始設計模具擠出型材的斷面速度分布圖，圖中左側為速度大小分布顏色。由圖可知，型材擠出工作帶的速度大小差距較大，如圖中Part2 部位，該部位處在分流孔的中間，供料充足，速度最大達到108.2mm/s，；而如Part1 部分，處在型材的筋部，壁厚較小，摩擦較大，鋁合金金屬流動困難，速度明顯小于其他部位，最小值僅為6.72mm/s。鑒于型材截面速度不一致，流速快的部分要不斷向流速慢的部分擴充，導致變形和彎曲，型材的質量嚴重不合格。因此要根據流動速度的大小，對初始設計的模具進行結構優化，調整分流孔，工作帶等，將型材擠出缺陷降低直至消除。

修改模具前，首先要分析各部分流動速度大小不一致的原因。首先，Part2 部位，該部位處在分流孔的中間，供料充足。棒料型材直接達到該部位，相當于平模擠壓。而且分流孔中心部位，模具內壁對棒料材料的摩擦非常小，沒有阻力，材料到達該部位成型較為容易，材料流速最快；其次，在型材筋部交匯處，材料匯集，壁厚較大，流動阻力相對較小，流速相對較快；再次，分流孔之間的分流橋的存在，與型材接觸面積大，摩擦力大，又因為該部件是兩股流速不同的金屬的匯合處，金屬建流動沖撞，速度降低，此部分流速較慢；最后，型材的筋部，壁厚較小，摩擦較大，鋁合金金屬需要改變流動方向才能經過引流槽到達筋部，該過程中材料流動相當復雜，材料流動方向有正向、反向、橫向等。流動阻力非常大，成型最困難，因此筋部的型材為整個型材截面上速度最慢的部分，同時由于受到流速快的型材的擴張，該部分筋部尺寸通常達不到設計要求。

上述得到了型材流速的區域性分析，而在擠壓成型過程中，為了能夠將速度進行量化，以便更好地控制材料的流動速度，經常引入模具出口型材截面上的金屬速度相對均差(VRD－Velocity Relative Difference)，來量化表示各部分的速度一致性，公式如下：

式中，iv 代表材料流出工作帶的i 節點處的流動速度，av 代表所有節點的平均速度，n 為計算的節點總數。在hyderxtrude 計算中選取所有節點計算。根據公式（1）得到初始設計的模具，型材擠出該模具工作帶時，其VRD 為0.35。

結合上述分析，并根據計算的VRD，對初始設計模具結構進行優化，主要包括調整分流孔大小以合理調整材料的分配；調整焊合室高度以調整材料整體焊合的情況；調整工作帶長度以調整材料流出的摩擦力。以此達到局部調整型材各部分流動速度的目的。

4 模具結構的優化

（1）分流孔調整。包括導流板分流孔與上模分流孔。根據速度分布圖，流速快的部分減少孔的面積，流速慢的部分增加孔的面積；

（2）焊合室高度調整。焊合室整體高度較高，則摩擦較大，流出困難，但材料焊合較好，材料流速一致性較好，但焊合高度太大，焊合后擠出困難增加，模芯容易折斷變形等等，因此要平衡焊合室的高度；

（3）擋塊與工作帶長度調整。在引流槽開口正對著的焊合室增加擋塊，迫使材料流向筋部。流速快的部位設置的擋塊要高，增加摩擦，增加成型阻力；反之要減少擋塊高度或不設置擋塊。

圖5 為根據上述優化原則調整模具結構后的材料流動速度分布圖。由圖可見：最大流速為49.6mm/s,最小流速為23mm/s。流速較初始設計改進較大，更為一致。

圖4 初始設計方案型材截面速度分布圖

5 優化后模具的模擬結果分析

5.1 金屬的流動分析

（1）分流孔入口處材料的流速分布。材料流經分流孔，與分流孔模具壁接觸的材料由于摩擦阻力大，速度較小，而分流孔中心處的材料基本沒有摩擦阻力，速度較大，而該情況業余流體力學原理相符；

（2）材料在引流槽入口處的速度分布。材料流出分流孔，進入引流槽，材料開始分流。其中一部分材料運動速度方向與擠壓方向一致，進入焊合室。而另一部分材料運動速度方向變為與擠壓方向垂直的橫向運動，即引流槽內的材料運動方式，該部分用于筋部成型。

（3）材料在焊合室內的流動情況。此時各部分材料進行匯集焊合，材料發生劇烈變形，各個方向的流動材料互相碰撞。但整個焊合室內的流動原則與（1）一致，中間快，四周滿。

（4）?？兹肟谔幍牧魉俜植?。材料準備經過工作帶成型，材料流動速度與擠壓速度方向一致，最終成形為設計的型材。

5.2 溫度分析

在擠壓成形過程中，金屬的溫度會發生變化，而引起溫度變化主要有以下3 個方面：

（1）為了擠壓順利進行，通常需要將材料加熱到一定溫度，如果模具不加熱，型材溫度必然流失嚴重。因此模具也要預熱。通常模具預熱溫度較低。因此模具與材料之間會有熱傳導，型材剛剛進入模具時，型材溫度流失較大；

（2）棒料流經模具型腔時，與模具內壁不斷摩擦接觸，根據摩擦熱力學。摩擦會產生相應的熱量；

（3）材料擠壓時，材料內部的塑性變形過程也會產生熱量。

分析數值模擬得到的溫度分布情況發現，沿擠壓方向材料流經部分溫度首先降低，此時大部分溫度熱傳導給模具流失，而且初期材料變形小，產生的塑性變形熱量較??；隨著材料流動進入分流孔、引流槽，材料變形劇烈，產生大量的塑性變形熱，而此時的材料模具熱傳遞減少，溫度開始回升，但依然低于初始的加熱溫度；隨著材料進入焊合室，伴隨著金屬流的重新焊合，變形量越來越大，塑性變形熱量超過了金屬熱傳遞流失的熱量，溫度急劇升高，到了工作帶處變形量達到最大值，溫度也升至最高，達到了548℃。由此說明擠壓過程中材料的溫度變化主要受塑性變形熱量影響。

5.3 模具強度分析

在型材擠壓成型過程中，高溫材料與模具接觸，同時在擠壓機的作用下，承受高壓。加熱的材料直接與模具接觸，對模具表面產生較大的摩擦力。模具尤其是模具內材料流經的部分服役環境復雜，條件惡劣。因此在模具設計中還要保證模具的工作周期，防止模腔內的變形，導致型材尺寸不滿足設計要求。

通過對優化后的模具上模、下模和導流板進行模具受力以及模具變形分析，來判斷模具的使用周期以及模具型腔的變形。模擬結果分析發現，模具型腔整體變形量非常小，上模的最大位移出現在分流孔的底部，約為0.56mm，下模的最大位移出現在工作帶附近，約為0.52mm。而且模具型腔上主要變形主要集中在擠壓方向上，幾乎可以忽略。根據擠壓模具的應力分布圖，模具所受的最大應力為720Mpa左右，而模具材料H13 屈服強度為1020Mpa 左右，因此模具在擠壓生產過程中會有稍微的彈性變形，不會產生導致模具裂紋、斷裂的塑性變形，模具受力強度完全滿足實際生產的要求。

6 結語

（1）通過對初始設計方案進行擠壓過程的仿真分析，發現利用二級焊合室來控制材料流速，對于帶有筋條的型材來說，不能很好的調節筋部的供料量，從而導致筋部流速過慢，變形較大。因此，在模具修改方案中，去掉了二級焊合室，而是采用擋塊的結構，有效的控制了平衡了流速，提高了筋部的流動速度，最終得到了合格的型材產品。

（2）采用模擬分析輔助模具優化設計的方法，與傳統的試錯修模相比較，縮短模具設計周期，降低生產成本。

（3）模具模擬結果與實際型材變形一致性較好，建立的模擬模型符合要求。