復雜多腔體鋁合金型材擠壓模具設計及擠壓過程數值模擬研究

王勝龍 秦中環(huán) 周小京 劉建峰 張海超 郭曉琳 李保永 王志敏

設計·工藝

復雜多腔體鋁合金型材擠壓模具設計及擠壓過程數值模擬研究

王勝龍1秦中環(huán)1周小京1劉建峰2張海超2郭曉琳1李保永1王志敏1

（1. 北京航星機器制造有限公司，北京 100013；2. 山東大學，濟南 250014）

綜合考慮分流比、分流孔、分流橋、模芯、焊合室、模孔等分流擠壓模具的關鍵結構特征及參數，設計了航天器復雜多腔體鋁合金型材的分流組合擠壓模具結構，并利用三維建模軟件繪制了模具的三維幾何模型。在HyperXtrude軟件中構建了該型材擠壓的有限元模型，導入繪制的分流組合擠壓模三維模型，模擬仿真該型材的擠壓過程。結果顯示，該型材擠壓速度、溫度、應變和晶粒尺寸分布都比較均勻，說明設計的模具合理可行。

模具設計；分流擠壓；復雜多腔體型材；數值模擬

1 引言

鋁合金擠壓型材強度高、重量輕、耐腐蝕性和導熱導電性良好，且易于回收，在汽車、高鐵、家電3C、石油化工、船舶、兵器、航空航天等多個行業(yè)領域內得到了廣泛應用[1]，是產品實現性能提升和輕量化的首選結構材料。盡管我國鋁合金型材擠壓技術水平得到大幅提升，但復雜型材擠壓模具的設計大多還是依靠多次試模和修模生產經驗，模具和產品的質量穩(wěn)定性均難以保證[2]，相關技術水平仍然落后世界鋁型材生產強國。因此，改進和優(yōu)化固有的模具設計方法、節(jié)約模具開發(fā)成本、提高模具開發(fā)速度和提高產品質量、用科學的理論指導生產實踐，是我國型材擠壓行業(yè)高質量發(fā)展的必然趨勢。

實際生產中，空心型材的加工主要采用分流組合模擠壓法。擠壓機推動高溫實心鑄錠前進，鑄錠經分流孔被分成若干個合金流，在高溫高壓的焊合室內重新焊合成包覆模芯的合金整體，最后通過模孔與模芯之間的間隙流出，成形出特定形狀的空心型材[3]。

隨著鋁型材成形工藝的發(fā)展和廣泛應用，對鋁合金型材幾何形狀、內部組織和力學性能等的要求日益苛刻。研究的航天器鋁合金型材截面尺寸大且形狀復雜、壁厚變化大、外形尺寸精度和力學性能要求高，是典型的復雜多腔體空心型材，合金在模具型腔內的流變行為僅憑經驗很難準確預測，因此該航天器鋁合金型材的擠壓模具結構設計難度非常大。主要分析航天器鋁合金型材截面形狀，根據型材幾何特點和技術要求來設計分流組合模結構，并繪制三維模型，然后將模型導入HyperXtrude軟件，模擬仿真該型材的擠壓成形過程，依據模擬結果驗證模具設計的合理性和可行性。

2 分流擠壓型材截面形狀分析

圖1 航天器鋁合金型材幾何形狀

研究對象為航天器鋁合金型材，材料牌號為6005A，屬于中等強度鋁合金，熱擠壓成形工藝性、焊接性較好[4]。其形狀示意圖如圖1所示。從圖中可以看出，該型材為具有大截面、大壁厚差和多腔體的復雜結構，在模具設計和擠壓工藝設計方面存在以下難點：

a. 形狀復雜，壁厚相差懸殊。最大壁厚為48mm，最小壁厚僅為4mm，差距高達12倍。在擠壓成形過程中，壁厚處合金流動速度快，壁薄處合金流動速度慢，如何保證材料流動速度的均勻性難度非常大。

b. 合金流動速度不均勻導致變形不均勻，壁厚變化較大部位容易發(fā)生橫向位移過大或局部扭曲現象。

c. 成形件外形輪廓度不大于±0.5mm，尺寸精度要求極高，大大增加了成形難度。

d. 擠壓速度過慢會降低成形效率，過快則會導致溫度升高使型材發(fā)生過熱甚至過燒，如何協(xié)調擠壓溫度和擠壓速度之間的關系非常關鍵。

鑒于以上難點，在模具設計過程中，合理設計分流孔的形狀并分配位置、添加阻流塊并確定其尺寸以及調整工作帶的長度十分重要。在擠壓工藝設計過程中，確定最佳的成形溫度和成形速度等工藝參數同樣非常關鍵。

3 分流組合擠壓模具設計及模型構建

分流組合擠壓模主要包含上模和下模兩個部分，靠定位銷和螺釘定位和連接。上模由模芯、分流孔和分流橋組成，下模由?？缀秃负鲜医M成。

3.1 分流擠壓模具設計

a. 分流比選擇公式為：=(∑分)/型。

分流比與擠壓阻力、合金焊合和型材成形質量直接相關，值越大，擠壓力越小，越有利于合金的流動和焊合。在模具強度可承受區(qū)間內，值越大越好[5，6]。對于大型空心薄壁型材，一般取=10～30。

b. 分流孔設計。分流孔斷面形狀有圓形、橢圓形、扇形和異型等。分流孔數量越多，焊縫越多，因此不可只通過增加分流孔數目以達到流速均勻的效果，需綜合考慮合金流速、擠壓力、模具強度等因素。從模具延壽和平均合金流速的角度考慮，分流孔的布局不能太接近模具的中心，從保證模具強度角度、減小擠壓力的角度考慮，分流孔的排布也不能太靠近模具邊緣。

各分流孔的外接圓直徑應不小于0.7筒[5]。對于本研究型材，外接圓直徑大于500mm，采用660mm擠壓筒進行擠壓成形。則0.7筒=0.7×660=462mm，即各分流孔的外接圓直徑應不小于462mm。

型材斷面形狀復雜，壁厚相差懸殊，為保證合金流動的均勻性，根據型材幾何形狀和壁厚尺寸，設計了9個異型分流孔，如圖2所示。

圖2 分流孔形狀及分布

根據分流孔的總面積可計算得到分流比。分流孔的總面積為113654.853mm2，型材截面面積為10231.814mm2。

=(∑分)/型= 113654.853/10231.814 =11.1。分流比為11.1，符合一般大型空心薄壁型材分流比常用范圍。

c. 分流橋設計。分流橋的結構可分為固定式和可拆式，采用固定式分流橋模具。分流橋的寬度小，則合金流量增大，會提高分流比，減小擠壓阻力，但為了保證合金流動均勻性，設計?？讜r最好使其受到分流橋遮擋，則分流橋寬度應偏大，通常：

=+(3～20)mm

式中，——模芯或型腔寬度，（3～20）——經驗系數，大型擠壓型材取下限，小型型材取上限[5，6]。對于本研究型材，外形尺寸較大，所以取下限。

分流橋截面形狀主要有矩形、矩形倒角和水滴形三種。焊縫質量與分流橋斜度的大小有一定程度的關聯(lián)。對于大型復雜截面難擠壓型材，根據設計經驗取=30o。

d. 模芯結構設計。最常見的模芯結構有雙錐體模芯和圓柱形模芯，其具體結構與模具加工方式、模具強度和合金的焊合質量直接相關。模芯的定徑區(qū)決定著型材內腔的形狀和尺寸，對于大噸位擠壓設備，通?？缮斐龆◤綆?0～12mm；對于小噸位擠壓設備，通常可伸出定徑帶1～3mm。對于本研究的大型復雜截面型材，需在萬噸級以上大型擠壓設備上擠壓成形，模芯結構伸出定徑帶12mm。

e. 焊合室設計。焊合室一般可設計為蝶形或圓形。設計采用蝶形截面焊合室，有利于消除相鄰兩個分流孔之間的死區(qū)，降低擠壓阻力，提升焊縫質量。

一般情況下，焊合室的高度應大于分流橋寬度的一半，也可根據擠壓筒直徑確定焊合室的高度。對于500mm以上的擠壓筒，取焊合室高度= 40～80mm[5，6]。一級焊合室高度設定為35mm，二級焊合室高度設定為5mm。焊合室的三維圖如圖3所示。

圖3 焊合室三維圖

f. ?？壮叽纭Ｄ＞咝颓煌庑蔚哪？壮叽缈捎上率酱_定：

=0+0=(1+)0

式中，0——型材外形公稱尺寸；——經驗系數，對于本研究鋁合金型材，取0.012[5，6]。

型材壁厚的模孔尺寸=0+。式中，0——型材壁厚公稱尺寸；——尺寸增量，當0＞3mm時，一般取=0.2mm；當0≤3mm時，一般取=0.1mm。

計算和優(yōu)化模孔尺寸，設計了薄壁處的上下模間隙。

3.2 模具三維數模的構建

根據以上設計方案，在三維建模軟件中構建本研究型材的分流組合擠壓模上模和下模的三維幾何模型，其中模具直徑為890mm，總厚度為450mm，上模厚度為240mm，下模厚度為210mm。

4 鋁合金型材分流擠壓過程有限元數值模擬

4.1 鋁合金型材分流擠壓有限元數值模擬模型構建

4.1.1 幾何模型的構建和導入

將三維上模和下模文件導入HyperXtrude，調整上下模的位置使其焊合室底面中心位于原點。然后將合金流經的擠壓筒和模具內表面幾何抽取出來，主要包括四個部分：棒料、分流孔、焊合室、工作帶和型材。為了保證網格劃分的質量，在生成網格之前需要幾何清理抽取表面。通過改變面片的形狀和拓撲連接關系刪除小的幾何特征，避免尖角和長寬比很大的面，將每個面變成易于實現網格生成的幾何形狀。如果幾何清理不合理或不徹底會導致生成畸變的表面網格，影響體積網格的生成以及后續(xù)的數值運算。對于本研究型材，幾何清理之后的流經分流孔和焊合室區(qū)域的合金幾何形狀如圖5所示。

圖5 幾何清理后的流經分流孔和焊合室區(qū)域的材料形狀

4.1.2 流經區(qū)域網格劃分

由于合金在擠壓過程中各部分變形程度以及對成形結果的影響程度不同，各部分網格單元的密度和大小要求也不一致[7]。在模具出口部位，因為接近最終型材尺寸，合金變形量最大，因此該部位的網格單元密度應適當增大，而單元尺寸應適當減小，以提高模擬精度。對于棒料中的單元，網格密度可適當減小，單元尺寸可適當增大，以縮短計算時間，提高有限元分析效率。

流經區(qū)域有限元網格生成主要包括以下幾部分，如圖6所示：

a. 分流孔和焊合室四面體網格生成：首先離散圖5所示的表面，生成三角形面網格，然后根據表面三角形生成三維四面體網格。

b. 圓形棒料四面體網格生成：坯料尺寸660mm×1200mm。圓柱形棒料網格生成的步驟是先生成表面三角形網格，再生成三維四面體網格。

c. 工作帶三棱柱網格生成：通過拉伸法生成工作帶三棱柱網格，為了減少網格數量，提高計算效率，在三棱柱網格壁薄處設置大密度而壁厚處設置小密度。

d. 型材三棱柱網格生成：通過拉伸法生成型材三棱柱網格。

按照以上方法生成的流經區(qū)域最終網格，共生成1,176,932個單元，包括805,538個四面體單元和371,394個三棱柱單元。

圖6 流經區(qū)域有限元網格生成

4.1.3 擠壓工藝參數選擇范圍及設置

有限元網格生成后，通過Extrusion Wizard進入擠壓設置向導，設置型材擠壓工藝參數。

a. 設置單位：單位制選擇metric，長度單位為mm，速度單位為mm/s，溫度單位為℃，應力單位為MPa。

b. 設置分析需求：選擇空心件擠壓，采用已生成的網格。

c. 設置材料模型：默認材料類型。

d. 設置組件信息：將Billet、Portholes+Welding Chamber、Bearing Cavity和Profile分別與已生成的網格模型對應起來。

e. 生成邊界條件：首先設置擠壓參數，根據生產經驗，模具溫度設置為480℃，鑄錠溫度設置為510℃，擠壓筒溫度設置為460℃，擠壓速度設置為1.0mm/s。

材料流動區(qū)域主要涉及到Inflow、Outflow、Solid Wall、Bearing、Free Surface五種邊界條件，具體作用區(qū)域和參數設置如表1所示[8]。

表1 邊界條件設置

f. 材料本構模型導入：為了使模擬結果更加準確，將計算獲得的6005A鋁合金考慮應變補償的本構模型導入到HyperXtrude中。本構模型如下：

4.2 基于模具結構設計的數值模擬結果及分析

從擠壓過程中合金的流動速度、溫度、應變、晶粒尺寸的變化和分布等方面分析有限元計算結果，驗證模具設計結果的可行性。HyperXtrude軟件有限元計算運行完成后，在后處理中顯示其計算結果，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后模具的擠壓過程流動分析

圖7a所示是模具出口的合金流速圖，可以看出，模具出口合金流速最大值為22.00mm/s，最小值為18.72mm/s，最大值是最小值的約1.18倍，合金流動速度比較均勻。

圖7b所示是型材溫度圖，可以看出，最高溫度為554.4℃，出現在壁厚最大的部位。最低溫度為521.3℃，出現在壁厚最小的部位。最大溫差為33.1℃，雖然最大溫差稍高，但溫度分布比較均勻，且在最佳擠壓溫度范圍內。

圖7c所示是模具出口的型材應變分布圖，可以看出，型材應變整體分布比較均勻。最大應變值為110.0，出現在型材與模具接觸的部位，符合實際擠壓規(guī)律。

圖7d所示是模具出口的型材晶粒尺寸分布圖，最大晶粒尺寸為9.96μm，最小晶粒尺寸為4.06μm，晶粒尺寸相對細小，晶粒尺寸比較均勻。

圖7e所示是擠壓過程合金流線追蹤分布圖，流線密集程度越高的部位合金流速越快，整體來看流線密集程度比較均勻，結合圖7a分析結果，說明合金流動速度比較均勻。從有限元計算結果綜合來看，采用設計的分流擠壓模具擠壓后，型材擠壓速度、溫度、應變和晶粒尺寸分布都比較均勻，說明設計的模具合理可行。

5 結束語

a. 綜合考慮分流比、分流孔、分流橋、模芯、焊合室、?？壮叽绲确至鲾D壓模具的關鍵結構特征及參數，設計了航天器復雜多腔體鋁合金型材的分流組合擠壓模具結構，并利用三維建模軟件繪制了模具的三維幾何模型。

b. 在HyperXtrude軟件中構建了航天器復雜多腔體鋁合金型材擠壓的有限元數值模擬模型，采用設計好的分流組合擠壓模具，模擬該型材的擠壓過程數值。模擬結果顯示，型材擠壓速度、溫度、應變和晶粒尺寸分布都比較均勻，說明設計的模具合理可行。

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4 周小京，郭曉琳，東棟，等. 6005A鋁合金擠壓型材在線淬火工藝仿真研究[J]. 航天制造技術，2019(3)：7～13

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6 劉靜安. 輕合金擠壓工模具手冊[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2012

7 王先鵬. HyperXtrude大懸臂鋁擠壓模具結構的優(yōu)化設計[J]. 山東工業(yè)技術，2018(14)：52～53

8 張成蘭. 大型薄壁鋁型材擠壓模具設計及優(yōu)化[D]. 濟南：山東大學，2014

Design of Extrusion Die and Research on Numerical Simulation of Extrusion Process for the Complex Multi-cavity Aluminum Alloy Profiles

Wang Shenglong1Qin Zhonghuan1Zhou Xiaojing1Liu Jianfeng2Zhang Haichao2Guo Xiaolin1Li Baoyong1Wang Zhimin1

(1. Beijing Hangxing Machinery Manufacture Limited Corporation, Beijing 100013;2. Shandong University, Jinan 250014)

The split-flow combined extrusion die of a complex multi-cavity aluminum alloy profile for spacecraft is designed considering the key characteristics and parameters of the die such as split ratio, split hole, split bridge, die core, welding chamber, and die hole. The three-dimensional geometric model of the die is drawn using three-dimensional modeling software. A finite element numerical simulation extrusion model was constructed in the HyperXtrude software, and the designed die is used to numerically simulate the extrusion process of the profile. The simulation results show that the distributions of the profile extrusion speed, temperature, strain and grain size are relatively uniform, indicating that the designed die for the profile in this study is reasonable and feasible.

design of extrusion die；split extrusion；complex multi-cavity profile；numerical simulation

TG376.2

A

國防基礎科研計劃資助項目（JCKY2018204B034）。

王勝龍（1988），博士，材料科學與工程專業(yè)；研究方向：輕合金熱加工成形技術。

2021-09-06