方管鋁材成型過(guò)程CAE分析及模具優(yōu)化

唐 妍，武艷軍，曹 睿

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通學(xué)院，江蘇 南京 211188）

鋁型材是工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)有色金屬材料，具有質(zhì)輕柔軟、比強(qiáng)度高、加工性能好和易于再生有利于環(huán)保等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、建筑等行業(yè)。其中空心鋁材成型所需的平面分流組合模，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、制造周期較長(zhǎng)，修模試模具有較高難度[1～3]。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的高速發(fā)展，利用有限元法數(shù)值模擬空心鋁材的熱擠壓過(guò)程，已成為快速優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本，縮短模具開(kāi)發(fā)周期的有效手段。

1 構(gòu)建CAE分析模型

1.1 成型擠壓模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示為26mm×26mm、壁厚2mm的Al6063方管型材，其擠壓成型模具為平面分流組合模。由于型材四角是最難成形部分，因此模具設(shè)計(jì)時(shí)取下模模孔四角3mm內(nèi)工作帶尺寸為計(jì)算基準(zhǔn)值，取值4mm，如圖2所示；而模芯工作帶長(zhǎng)度要不小于模孔最大工作帶長(zhǎng)度，故取值8mm，利用Pro/E軟件構(gòu)建模具模型，如圖3所示。

1.2 工藝參數(shù)和物理參數(shù)設(shè)置

本文CAE分析時(shí)，為節(jié)約模擬時(shí)間，將模具設(shè)置為剛性體，只分析溫度傳遞，將坯料設(shè)置為剛粘塑性體，既考慮傳熱問(wèn)題，又考慮變形流動(dòng)問(wèn)題。后續(xù)模擬結(jié)果顯示和實(shí)際生產(chǎn)情況基本一致，可見(jiàn)這樣的設(shè)置具有可行性。

設(shè)置初始擠壓速度2.5mm/s；局部細(xì)化網(wǎng)格，最小網(wǎng)格長(zhǎng)約為0.6mm，時(shí)間步長(zhǎng)增量為0.1s；擠壓模具材料選擇具有高淬透性和抗熱裂能力的H13，初始溫度設(shè)置為450℃；擠壓坯料選擇Al6063，初始溫度設(shè)置為480℃；熱成型狀態(tài)下坯料與模具間摩擦因子取m=0.33；機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能系數(shù)為0.9。

1.3 金屬流速判據(jù)的設(shè)定

金屬坯料被擠壓出下模模口處時(shí)，速度必須保持均勻一致以防止鋁材出現(xiàn)彎曲、裂紋等缺陷，因此本文提出流速分布系數(shù)Fi作為判據(jù)，即，其中Vi為模口處某跟蹤點(diǎn)流速，為模口處平均流速，本文模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 模擬方管成型過(guò)程描述

模擬結(jié)束后，進(jìn)入DEFORM-3D后處理程序，應(yīng)用鏡像功能，將擠壓坯料從1/4外形鏡像為一個(gè)整體外形。其整個(gè)成型過(guò)程可描述為：分流階段（圖4a）、焊合階段（圖4b）和成型階段（圖4c）。

2.2 焊合階段的應(yīng)力場(chǎng)分布

合理的焊合室設(shè)計(jì)是成型出具有優(yōu)質(zhì)焊縫鋁型材的前提，要保證在焊合室內(nèi)聚集有足夠的變形材料以建立一個(gè)超過(guò)變形材料（10～15）σs的靜水壓應(yīng)力[4]。如圖5所示為焊合面局部靜水壓應(yīng)力的等值線圖，可見(jiàn)平均應(yīng)力在325MPa左右，滿(mǎn)足焊合條件要求。因此通過(guò)CAE分析，可預(yù)測(cè)焊合面靜水壓應(yīng)力的分布，有效保證型材質(zhì)量。

2.3 擠壓過(guò)程中的速度場(chǎng)分布

方管型材出口截面速度等高線如圖6所示，可見(jiàn)造成流速不均的主要原因是因?yàn)閮?nèi)層金屬流速比外層金屬速度大，導(dǎo)致方管型材出現(xiàn)整體外擴(kuò)（圖7），另外靠近拐角的地方由于局部流速較慢而出現(xiàn)小缺口。造成這個(gè)結(jié)果的原因主要是對(duì)調(diào)節(jié)金屬流動(dòng)平衡的因素即工作帶長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)還有待改進(jìn)[5、6]。

3 成型擠壓模具優(yōu)化

選擇在工作帶出口處位置對(duì)流動(dòng)金屬做一個(gè)XY平面的橫截面，得到如圖8所示的Z方向流動(dòng)速度等高線圖。以0.5mm為距，在型材內(nèi)、外表面和中性面上分別追蹤23個(gè)點(diǎn)。

從出口方向流速與相應(yīng)工作帶長(zhǎng)度的關(guān)系曲線（圖9）可見(jiàn)，中性面上的點(diǎn)流速較均勻，滿(mǎn)足金屬流速判據(jù) Fi≤0.1；而在方管邊的中點(diǎn)左右兩邊8mm長(zhǎng)部分內(nèi)層金屬流速比外層金屬速度大很多，幾個(gè)點(diǎn)明顯不滿(mǎn)足流速判據(jù)，需要加大阻止里層金屬流動(dòng)的模芯工作帶；另外靠近拐角的3.2mm處和邊中點(diǎn)的3mm處局部?jī)?nèi)里層金屬流速又較慢，需要對(duì)局部模孔工作帶進(jìn)行調(diào)整。

調(diào)整后的工作帶長(zhǎng)度如圖10所示，且模芯工作帶相應(yīng)改至9.5mm，同時(shí)得到Z方向流動(dòng)速度等高線圖如圖11所示。

可見(jiàn)模孔工作帶優(yōu)化后，Z方向出口速度均較為理想，管材擠出情況良好，追蹤點(diǎn)不變，則可做出出口Z方向流速與相應(yīng)工作帶長(zhǎng)度的關(guān)系曲線圖如圖12所示，追蹤點(diǎn)均滿(mǎn)足金屬流速判據(jù)，模具設(shè)計(jì)已達(dá)到要求。

4 總結(jié)

基于有限元分析軟件對(duì)某方管鋁材的擠壓過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化改進(jìn)該型材的擠壓模具結(jié)構(gòu)，提高了型材截面各部分的流速均勻性，可知結(jié)合設(shè)計(jì)手冊(cè)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)并正確運(yùn)用模擬分析技術(shù)，有利于快速準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)空心類(lèi)型材平面分流組合模具，顯著節(jié)省企業(yè)開(kāi)發(fā)擠壓模具所需的成本和時(shí)間，提高企業(yè)效益。