空心鋁型材擠壓數值模擬與模具結構優化

劉佳欣，劉佳寧，陳文琳

（合肥工業大學 材料科學與工程學院，安徽 宣城 242000）

0 引言

鋁合金作為一種可回收利用、耗能少的輕質金屬，在汽車、建筑、航空航天等領域應用廣泛[1]。熱擠壓是鋁合金生產相同截面擠壓型材的主要工藝之一[2]。隨著鋁合金擠壓型材向大型化、復雜化、精密化、多品種、多規格、多用途方向發展，對擠壓模提出了越來越高的要求[3]。

鋁合金的擠壓加工是綜合高溫、高壓、摩擦和塑性變形的復雜非線性成形過程，難以采用試驗的方法進行定量研究[4]。利用有限元模擬軟件可以對鋁合金擠壓變形過程中的位移場、應變場、應力場以及溫度場等進行模擬，揭示金屬的流動規律、各種因素對變形的影響以及成形過程中變形體和模具的力場分布等[4]，節省了設計時間和成本，提高了生產效率。現以某邊框空心鋁型材為研究對象，對其進行擠壓模設計、數值模擬和模具結構優化。

1 模具結構設計

空心鋁型材橫截面形狀和尺寸如圖1所示，材料為6082鋁合金，型材有上、下2個空腔，右上方和左下方各有1個懸臂，壁厚為1～3 mm，橫截面積為529.225 mm2。型材截面不規則，且壁厚不均勻，在擠壓過程中金屬流動速度差異大，產生型材端面不平整、彎曲等缺陷，影響型材的表面質量。

圖1 型材截面尺寸

該型材的最大外接圓直徑為?70.3 mm，根據鋁型材加工實用技術手冊[3]，選用內徑為?130 mm的擠壓筒，坯料尺寸為?120 mm×500 mm，采用15 MN的擠壓機進行擠壓加工，與擠壓機配套的模具尺寸為?200 mm×100 mm，上、下模厚度均為50 mm。

大多數空心鋁型材，特別是薄壁、多腔、復雜截面的型材，都采用分流模進行擠壓生產[5]。現選用平面分流組合模，在保證模具強度的前提下，為了使金屬流動更均勻，根據型材擠壓形狀的實際需要，設置了4個均勻分布的分流?？?，分流橋寬度為18 mm，焊合室高度為16 mm[6]，采用蝶形結構，模具初始結構如圖2所示。

2 數值模擬

2.1 建立有限元模型

模具材料選用H13鋼，確定擠壓模擬工藝參數如表1所示。設定材料與擠壓筒和模具型腔內壁之間的摩擦均為粘著摩擦，與模具工作帶之間的摩擦類型為庫倫摩擦，摩擦因數取0.3，模具與坯料的界面換熱系數為3 000 W/（m2·K）[7]。

在有限元模擬軟件中對導入的鋁型材三維模型進行處理，依次進行各部分提取、單元網格劃分和3D網格建立，網格大小從0.4 mm逐漸增大，由此得到的有限元模擬模型如圖3所示。

圖2 模具初始結構

圖3 鋁型材有限元模型

表1 擠壓模擬工藝參數

2.2 初始模擬結果分析

型材擠壓時的金屬流速分布是否均勻通過速度均方差（SDV）判斷，具體公式如下[7]：

式中：vi——對應的節點速度，mm/s；——所有節點平均速度，mm/s；n——節點數量。

模具結構設計越合理，金屬流動速度越均勻，速度均方差就越小，擠壓型材的成形質量就更好。

初始模型經過有限元模擬后，型材出口截面處金屬流速分布如圖4所示。金屬流速分布不均勻，最大速度為79.3 mm/s，最小速度為8.8 mm/s，速度差達到70.5 mm/s，速度均方差為15.6 mm/s，速度均勻性差。型材中部壁厚較小且位于兩部分芯模之間，供料有限，周圍的材料流入補給的流動阻力較大，所以金屬流速相對較慢；而型材右上部的懸臂壁厚較厚，對應?？纵^大，材料供應充足且阻力較小，因此金屬流速較快。

圖4 初始模擬金屬流速分布

上述情況會使型材中間部分凹陷，懸臂突出，整體端面不平整，甚至產生彎曲、扭轉，故初始模具結構設計不合理。可以通過增設引流槽、阻流塊和調節工作帶長度的方法進行調整，減小截面金屬流速差異，提高端面平整度。

3 模具結構改進

3.1 懸臂處增設阻流塊

由圖4可知，型材右上方的懸臂處金屬流速較快，可以在焊合室相應位置增設阻流塊來降低金屬流速。使用阻流塊不需要對模具結構進行大幅度修改，其修模過程也較簡單[8]，在模孔邊緣增加尺寸為1.5 mm×1.5 mm的阻流塊，與工作帶距離為0.5 mm。在其他參數不變的情況下，擠壓模結構與金屬流速分布結果如圖5所示，流速差減小為62.4 mm/s，計算速度均方差為14.4 mm/s，相比初始模具的流速差降低了7.69%。

增加阻流塊可以起到平衡金屬流速的效果，但初始設計的阻流塊尺寸太小，效果不明顯，故逐漸增大阻流塊。由圖5可知，型材上、下方的金屬流速普遍較大，可以在周圍設置尺寸為3 mm×3 mm且長度不等的阻流塊，與?？椎木嚯x仍為0.5 mm，具體改進方案及其流速分布如圖6所示。

圖5 初始設計阻流塊后模具結構和金屬流速分布

4次改進結果的速度差分別為28.2、17.4、20.0、20.6 mm/s，速度均方差分別為6.28、5.32、4.70、4.96 mm/s，如圖7所示。

由圖7可知，采用方案三得到的速度均方差和速度差的綜合效果較好，故在方案三的基礎上繼續進行改進。

3.2 中部增設引流槽

通過對改進結果進行分析，發現型材中部由于芯模間隙小，金屬流入阻力大，流速較慢，在此處增設引流槽以加快金屬向中間流入的速度，增加引流槽后模具結構和模擬結果如圖8所示。

增設引流槽后，擠出型材的速度差降為27.8 mm/s，速度均方差為6.96 mm/s。金屬流速分布情況得到改善，但仍需進一步改進。考慮模具強度，不對引流槽進行加深、加大處理。

3.3 增加工作帶長度

工作帶是保證擠壓零件形狀、尺寸和表面質量的區段，其摩擦阻力可以調整金屬流速，合理設計不等長的工作帶可以提高型材斷面各部分金屬流速的均勻性，減少擠壓過程中的附加應力和擠壓后零件內的殘余應力，防止型材變形與開裂。

圖6 改進阻流塊后模具結構和金屬流速分布

右上方懸臂處的原始工作帶長度為5 mm，為了增大此處的流動阻力，將懸臂處工作帶分別增加1、2、3 mm，得到的金屬流速分布如圖9所示。速度差和速度均方差隨工作帶長度變化如圖10所示，隨著懸臂處工作帶長度的增加，速度均方差不斷降低。工作帶長度增加3 mm時，速度均方差降到2.05 mm/s，在合理范圍內。綜合型材生產質量要求和工作帶對模具使用壽命的影響，不再對工作帶進行延長。

圖7 速度差和速度均方差隨阻流塊變化

圖8 增加引流槽模具結構和金屬流速分布

4 結束語

通過對空心鋁型材模具進行設計和有限元模擬，得出以下結論。

（1）型材出口流速分布是影響型材質量的重要因素，通過對其進行分析，可有效判斷成型質量并實施進一步的改進方法。

（2）對于該零件，增設阻流塊、引流槽和改變工作帶長度都是有效的改進措施，能降低速度差和均方差，使出口截面速度更均勻。

圖9 增加工作帶長度金屬流速分布

圖10 速度差和速度均方差隨工作帶長度變化

（3）設置阻流塊時，既要考慮其形狀和大小，也要考慮數量和分布情況，二者兼顧才能得到更合理的設計。