電動自行車電池外殼鋁型材擠壓模結構優化設計

楊家棟，黃珍媛，趙亞萌，鄭 堅，馬 俊

（1.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510641；2.榮陽鋁業有限公司，廣東 廣州 511300）

0 引 言

電池是電動自行車最關鍵的零部件，電動自行車的電池外殼一般采用輕質鋁合金材料，通過擠壓工藝成型。該電池外殼具有空心、薄壁、矩形的特征，其較大的長寬比導致擠壓成型過程中型材出口截面長邊和短邊的流速均勻性較差、模具橋位受力不均勻。實際生產中，電動自行車電池外殼擠壓模需要有經驗的工程師進行多次改模、試模和修模，延長了生產周期，也增加了生產成本。

在鋁型材的擠壓過程中，模具決定了型材的形狀、質量、生產效率。參考文獻[1]顯示，有限元分析技術已廣泛用于鋁型材熱擠壓模結構設計和優化。劉佳欣等[2]采用有限元模擬軟件進行模擬，通過計算型材截面上的速度差來優化模具，得到了較好的模具方案；徐晨等[3]利用仿真模擬技術獲得擠壓過程金屬變形情況，根據金屬流速分布提出了模具改進方案，減少了試模成本。曾文浩等[4]利用有限元模擬軟件，通過分析流速均方差總結擠壓因素對擠壓過程的影響。在試模前，利用計算機模擬軟件可以得到模具的變形情況及擠壓過程中金屬的流動規律，進而改進模具結構，達到不需要試模的目的[5]。

針對某款電動自行車電池外殼用矩形框鋁型材零件，采用Inspire軟件對其擠壓成型過程中的流速均勻性和模具結構受力情況進行模擬分析，提出3種不同的優化方法，將模擬分析結果和生產試驗料頭結果進行比對，確定了最優的模具結構方案。

1 模具結構初始設計方案及分析

1.1 模具結構初始設計方案

圖1所示為某電動自行車電池外殼用的矩形框鋁型材橫截面。該型材屬于矩形空心件，矩形長寬比接近2，矩形框上有8個圓形凸臺。在保證模具零件強度的前提下，為了使金屬流動更均勻，根據型材擠壓形狀的實際需要，模具初始設計采用蝶形、4分流孔結構，分流孔前端設置15 mm的入料口位置下沉，上模結構如圖2所示。

圖1 型材截面

圖2 初始上模結構

1.2 初始方案分析

模擬分析采用專用鋁型材熱擠壓模擬分析軟件Inspire，模擬分析和試模的工藝參數如表1所示。

表1 擠壓模擬參數

圖3（a）所示為初始模具方案的型材出口流速模擬云圖，長短邊擠出速度相差較大，各邊中點位置均比相鄰部位流速快，流速均方差為7.91。這樣的流速分布會導致擠壓加工過程中，型材的長邊和短邊出現波浪起伏。圖3（b）所示為實際試模的料頭，型材短邊波浪變形較明顯，與模擬分析結果一致，因為短邊的材料流入補給的流動阻力較小，因此流速較快。

圖3 初始方案型材出口流速分布和實際試模料頭

圖4（a）所示為模具應力分析云圖，模具最大應力在分流橋的根部，為1 466.42 MPa，超出了材料屈服強度1 000 MPa。蝶形分流模的分流橋在工作過程中受較大的應力[6,7]，當其所受的應力值超出了模具零件材料在工作溫度下的屈服強度時，該位置容易發生變形積累，最后出現裂紋損傷，導致模具失效。圖4（b）所示為經一定次數擠壓后失效的模具零件，圖中失效點出現了裂紋，失效部位與模擬預測結果一致。

圖4 初始方案模具受力云圖和實際失效模具零件

2 模具結構優化設計

2.1 優化方案

為了減小模具所受應力，結合工程經驗提出了3種模具結構的優化方案，如圖5所示。其中，方案1在初始方案的基礎上取消入料口下沉結構，方案2將上模的分流孔數量增加至6個，方案3在初始方案的上模上方增加一塊導流塊。

圖5 模具結構優化方案

2.2 優化結果分析

2.2.1 取消入料口下沉方案

圖6（a）所示為取消入料口下沉后的型材出口流速分布，型材短邊流速快、長邊流速慢，流速均方差為8.39；實際擠出料頭的變形趨勢與模擬結果中流速的分布相同，如圖6（b）所示，流速較快的短邊翹曲、較慢的長邊內凹，對比初始模擬結果，取消入料位置下沉，流速分布情況會變差，短邊流速加快，長邊流速減慢，長短邊流速差異變大，模擬結果較好地預測了實際料頭的變形趨勢。長邊中間位置的凸臺附近流速較快，因為凸臺壁厚較厚，對應模孔較大，材料供應充足且阻力較小，因此流速較快。

圖6 優化方案1型材出口流速分布云圖和實際試模料頭

圖7（a）所示為方案1的上模應力分布云圖，上模所受最大應力出現在分流橋與模芯連接的根部，最大值達到1 597.74 MPa，超出了模具在工作溫度下的屈服強度，隨著擠壓次數的增加易出現損傷。在實際生產過程中，該模具在生產了一定數量棒料后，分流橋根部位置產生裂紋，如圖7（b）所示，生產結果與模擬分析結果一致。由此可以看出，該方案與初始方案的模具失效形式相似，說明入料口位置有無下沉對結果影響不大。

圖7 優化方案1模具受力云圖和實際模具失效

2.2.2 增加分流孔個數

方案2在初始方案的基礎上將分流孔數量從4個增加到6個。圖8（a）所示是該方案的型材出口流速分布云圖，型材流速仍然是短邊快、長邊慢，但流速均勻性有了明顯改善，流速均方差只有5.58。生產試模結果也顯示型材整體流速較均勻，不再出現初始方案和優化方案1中長邊凹陷的現象。短邊流速仍然快，導致料頭的短邊產生了卷曲，如圖8（b）所示。

圖8 優化方案2型材出口流速分布云圖和實際料頭

圖9所示為優化方案2對應的上模應力分布云圖，上模受到最大應力為1 054.94 MPa，比初始方案和優化方案1中的模具所受應力都要小，因為優化方案2的模具增加了分流孔的個數，承受應力的分流橋個數增加且金屬到達模腔時流動性更大，因此模具危險點受力與初始方案和優化方案1相比有所減小，說明增加分流孔能減小模具所受到的應力。

2.2.3 增加導流塊

方案3在上模前端增加一塊厚度為110 mm的導流塊，金屬材料首先經過導流塊分流，再進入上模。加入導流塊后，型材出口流速分布模擬結果如圖 10（a）所示。

由圖10（a）可知，短邊流速整體較慢，中點位置流速最慢；長邊流速較快且中點位置流速最快，降低了短邊流速，增大了長邊流速，流速均方差為7.79，對流速分布改善明顯。圖10（b）所示為實際試模料頭，長邊流速比短邊快，開始卷曲，且長邊中點位置有波峰，符合流速最快的模擬結果。短邊在中點位置有波谷，與模擬結果一致。導流孔能起到對金屬進行預分配的作用，有效控制長短邊的流速，因此，帶導流塊的情況下型材短邊流速較慢，長邊流速較快，雖然最大流速差仍然較大，但反轉了快慢的趨勢，彌補了長邊不易成型的缺陷。由圖10（b）可以看到，短邊不再翹曲，型材整體變形較為均勻。

圖11所示為優化方案3對應的上模應力分布云圖，導流塊在材料到達上模前先起到分流作用，降低了上模分流橋承擔的壓力，模具危險點的受力為916.29 MPa，小于模具在工作溫度下的屈服強度，實際擠壓過程中不易失效，故增加導流塊可以減少上模所受應力。

圖11 上模應力云圖

2.3 最優方案確定

根據初始方案和3種優化方案模擬與實際擠壓結果分析，得出圖12所示的4種方案模具受力與流速均方差對比。從模具危險點受力的對比可以看出，取消入料口沉橋方案危險點受力反而更高，而增加分流孔數目和增設導流塊都能較好的改善危險點受力；從流速均方差的對比可以看出，3種優化方案中，取消入料口沉橋方案和增加導流塊方案流速并未得到改善，而增設分流孔方案改善了型材流速分布情況，使流速分布更均勻。

圖12 4種方案模具受力與流速均方差對比

4種方案擠壓力變化曲線如圖13所示，增加分流孔數目時會使擠出型材所需的擠壓力升高，降低了生產效率，同時分流孔的分布方式影響了模腔內金屬的流動，導致擠出型材變形不均勻。綜合考慮，增設導流塊是較好的模具結構優化方法。

圖13 4種方案擠壓力變化曲線

3 結束語

結合有限元模擬及生產試驗，通過流速均勻性和模具失效情況判斷模具結構設計是否合理，最終得到最優的模具結構和型材產品，具體結論如下。

（1）入料口位置有無下沉對矩形框鋁型材擠壓出口流速和模具擠出影響不大。

（2）對于矩形框鋁型材擠壓模，增加分流孔個數能降低模具零件所受應力，同時使型材出口速度更均勻，但會使擠出型材所需的擠壓力大幅升高。

（3）通過增加導流塊可減小模具零件所受應力，使模具零件在擠壓過程中不易失效。