和優(yōu)鋒，謝水生，徐 駿，程 磊，黃國杰

1．北京有色金屬研究總院先進(jìn)控制凝固與成形工程技術(shù)研究中心，北京100088；2．北京有色金屬研究總院有色金屬材料制備加工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100088

大型復(fù)雜截面鋁型材擠壓過程數(shù)值模擬及模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化＊

和優(yōu)鋒1，謝水生2，徐 駿1，程 磊2，黃國杰2

1．北京有色金屬研究總院先進(jìn)控制凝固與成形工程技術(shù)研究中心，北京100088；2．北京有色金屬研究總院有色金屬材料制備加工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100088

以典型的GDX－11車輛底板型材為例進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在Simufact 9．0商業(yè)軟件平臺(tái)上，采用基于Euler網(wǎng)格描述的有限體積法，實(shí)現(xiàn)了大斷面復(fù)雜截面鋁型材擠壓過程的數(shù)值模擬，獲得了擠壓過程中金屬的流動(dòng)變形行為．通過模擬發(fā)現(xiàn)：采用原始模具擠壓時(shí)，型材出口處的流速極不均勻，斜筋處出料困難，通過對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改及優(yōu)化，在斜筋入口處增加引流槽及適當(dāng)調(diào)整分流孔和工作帶的尺寸，最終模擬擠出合格的型材，型材端面平整，出口處的流速均勻．

大斷面鋁型材；擠壓；數(shù)值模擬；模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

大斷面復(fù)雜截面鋁合金型材制造技術(shù)，代表了當(dāng)前鋁型材加工技術(shù)的最高水平．大斷面型材不僅是新型高速列車、船舶和制造大型飛機(jī)的必要材料，也是我國目前經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展中各方面急需的重要材料．然而工業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)制備大斷面鋁型材的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)是不輸出的，使得部分關(guān)鍵產(chǎn)品的進(jìn)口受到限制，嚴(yán)重制約了我國國民經(jīng)濟(jì)中一些關(guān)鍵領(lǐng)域的發(fā)展[1－3]．模具設(shè)計(jì)及制造技術(shù)是大斷面復(fù)雜截面鋁型材生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)．長期以來，由于擠壓模具的設(shè)計(jì)及工藝的制定主要依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，新開發(fā)的模具必須經(jīng)過反復(fù)的試模和修模及調(diào)整工藝參數(shù)，從而導(dǎo)致模具開發(fā)周期長、成本高，而且產(chǎn)品質(zhì)量難以保證．特別是對(duì)于大斷面復(fù)雜截面鋁型材，其品種多、精度高，要求力學(xué)性能及焊縫質(zhì)量好，而且多扁寬、薄壁、形狀復(fù)雜、空腔多及壁厚相差懸殊，這些都給模具設(shè)計(jì)及制造帶來了很大的困難[4－6]．

近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的提高和計(jì)算力學(xué)的不斷發(fā)展，金屬塑性成形的數(shù)值模擬技術(shù)也日趨完善，這極大地促進(jìn)了其在型材擠壓加工領(lǐng)域中的應(yīng)用．目前在鋁型材擠壓過程數(shù)值模擬方面，主要有基于Lagrange網(wǎng)格描述的有限元法和基于Euler網(wǎng)格描述的有限體積法（FVM），這兩種方法在國內(nèi)外已有不少人在研究．通過研究發(fā)現(xiàn)，鋁型材擠壓過程的數(shù)值模擬多采用基于Lagrange網(wǎng)格描述的有限元法，該法主要適用于一些擠壓比較小、型材斷面簡單的平模及對(duì)稱性較好的分流組合模具，而采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值模擬相對(duì)較少，對(duì)于大型鋁型材平面分流組合模擠壓過程的數(shù)值模擬尚未見報(bào)道[7－14]．有限體積法采用Euler網(wǎng)格描述變形體的流動(dòng)，網(wǎng)格在空間是固定的，材料變形時(shí)網(wǎng)格并不變化，無論材料發(fā)生多大的變形，都不需要重劃網(wǎng)格，且材料的流動(dòng)邊界能夠與其自身的邊界接觸并融合在一起，避免了Lagrange有限元法難以處理又無法回避的三維網(wǎng)格重劃分問題，以及有限元網(wǎng)格的互相插入發(fā)生摺疊的問題，非常適用于大斷面復(fù)雜截面鋁型材擠壓過程的數(shù)值模擬．

本文以GDX－11大型地鐵車輛底板型材為例，采用基于Euler網(wǎng)格描述的有限體積法，借助Simu－fact9．0軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)其擠壓過程的數(shù)值模擬．同時(shí)在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)擠壓過程中金屬的流動(dòng)變形行為進(jìn)行了分析，并對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，最終擠出合格型材，為大斷面復(fù)雜截面鋁型材擠壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的指導(dǎo)．

1 模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖1為典型的GDX－11車輛底板型材示意圖，其寬557 mm、高60 mm、斷面積59．88 cm2．此類型材是地鐵車輛型材中加工難度系數(shù)很大的一類，屬于扁寬薄壁空心型材，型材寬厚比大，靠近擠壓筒邊緣部分成形非常困難．由于GDX－11車輛底板型材壁很薄，最薄處只有2．5 mm，且為不易填充的斜筋，其長度達(dá)到456 mm，而上下兩個(gè)大面的壁厚為3．2 mm，這更加增加了中間斜筋處金屬填充的難度，使此處型材成形非常困難．

圖1 GDX－11車輛底板型材截面尺寸及三維圖（a）型材截面尺寸圖；（b）型材三維圖Fig．1 The cross－section and three dimension of GDX－11 profiles（a）cross－section dimension of profiles；（b）three dimension of profiles

根據(jù)型材斷面特點(diǎn)以及對(duì)中間斜筋的補(bǔ)償方式，設(shè)計(jì)了如圖2所示的模具結(jié)構(gòu)示意圖．由于在六根斜筋及兩端頭處金屬的流動(dòng)緩慢，成形困難，因此在本設(shè)計(jì)中將分流孔正對(duì)斜筋入口，在斜筋上方開挖20 mm×39 mm的引流孔，以提高斜筋處金屬的流速及增加填充量，同時(shí)將兩端的分流孔向外擴(kuò)展20 mm，以促進(jìn)兩端頭立筋處的金屬流動(dòng)．為了提高焊合質(zhì)量及加強(qiáng)焊合室內(nèi)金屬的流動(dòng)，上模兩端的分流橋下沉15 mm，下模焊合室采用雙級(jí)焊合形式．通過改變工作帶的長度來調(diào)整出口處金屬流動(dòng)的平衡，斜筋處的金屬流動(dòng)困難，因此此處的工作帶最短為3．0 mm，兩個(gè)大面與斜筋相交處的工作帶最長為12．0 mm．

圖2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig．2 Schematic diagram of die structure design

2 有限體積模型的建立

由于型材截面左右對(duì)稱，為了節(jié)省模擬運(yùn)算時(shí)間，在模擬過程中取其1/2部分進(jìn)行計(jì)算．采用有限體積分步步長模擬方法，在坯料進(jìn)入分流孔階段變形較小，步長可以取大些，焊合階段次之，在成形階段坯料的變形最劇烈，且型材壁較薄，因此步長取最小值，一般為壁厚的1/3即可．為了更好地描述變形體的自由表面，采用局部TS法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從分流、焊合、成形階段，根據(jù)坯料的變形程度不同分別劃分網(wǎng)格．GDX－11型材分流組合模擠壓過程有限體積法分析模型如圖3所示．

圖3 GDX－11大斷面型材擠壓有限體積法數(shù)值模擬模型（a）三維實(shí)體裝配模型；（b）歐拉網(wǎng)格模型Fig．3 Finite volume method simulation model of GDX－11 profiles with large cross－section（a）three dimensional assembly model；（b）Euler mesh model

鋁型材擠壓常采用剪切摩擦模型，坯料與工模具的摩擦因子為0．8，坯料與工作帶的摩擦因子取0．4[15－16]，數(shù) 值 模 擬 采 用 的 初 始 擠 壓 工 藝 參 數(shù) 列于表1．

表1 數(shù)值模擬用擠壓初始工藝參數(shù)Table 1 Extrusion original processing parameters in numerical simulation

3 模擬結(jié)果分析

圖4為采用原始模具擠出型材出口處的金屬流速分布圖．從圖4可以看出：型材斷面出口處金屬的流速不均勻，斜筋處金屬的流速及遠(yuǎn)離擠壓中心A處金屬的流速較慢，約為220 mm/s；兩個(gè)大面處的流速最快，約為280 mm/s；遠(yuǎn)離擠壓中心的斜筋處的流速最慢，約為190 mm/s．這是由于模具采用非對(duì)稱分流孔設(shè)計(jì)，其中上面有四個(gè)分流孔，下面有五個(gè)分流孔，以及下方遠(yuǎn)離擠壓筒中心兩端的分流孔面積過小，因此使型材下方兩端供料不足，造成A處的金屬流速降低．

圖4 擠出型材出口流速分布圖Fig．4 Exit velocity distribution of extrudate

型材出口處的斷面流速不均勻，容易造成擠出型材有各種缺陷而報(bào)廢．針對(duì)此種情況對(duì)模具進(jìn)行第一次修改：增大A處分流孔的面積，以加大此處的金屬供料量，進(jìn)而提高此處金屬的流速，同時(shí)減小中心分流孔的大小，由原來的86 mm改為80 mm，以平衡型材下方金屬的流動(dòng)；在斜筋入口處增加引流槽，以促進(jìn)斜筋處的金屬供料及流動(dòng)（圖5）．

圖5 引流槽修改示意圖（a）修改前；（b）修改后Fig．5 Schematic diagram of modified guiding groove（a）before modification；（b）after modification

模具修改后重新進(jìn)行三維建模，采用相同的擠壓工藝及模擬方法進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)第一次模具修改后擠出型材出口處金屬的流速分布見圖6．從圖6可以看出：在A處的流速達(dá)到260 mm/s，較修改前的220 mm/s有了明顯的提高，說明加大A處分流孔的面積能明顯促進(jìn)此處金屬的流動(dòng)；在遠(yuǎn)離型材中心的斜筋處通過增加引流槽，使得此處的金屬供料增加，從而使流速提高到220 mm/s，但流速依然較慢，需繼續(xù)增加此處的金屬供料．

圖6 第一次修模后擠出型材出口速度分布圖Fig．6 Exit velocity distribution of extrudate after first modification

模具經(jīng)過第一次修改后，擠出型材A處的流速較未修改前有了明顯提高，但較兩個(gè)大面處的流速仍然慢20 mm/s左右．其次，遠(yuǎn)離型材中心的兩端斜筋處的流速較慢，造成斜筋供料不足．這主要是由于此處靠近擠壓筒邊緣，由于摩擦力的作用，使得此處的金屬流動(dòng)較擠壓中心處的緩慢．針對(duì)以上問題對(duì)模具進(jìn)行第二次修改：減小A處工作帶的長度，由原來的7．5 mm改為6．5 mm，以提高此處金屬的流速；加大遠(yuǎn)離型材中心的兩端斜筋入口處引流槽的寬度，同時(shí)減小兩端斜筋處工作帶的長度為2．8 mm．

圖7為模具進(jìn)行第二次修改后的擠出型材料頭，圖8為出口處金屬的流動(dòng)速度分布圖．從圖7和圖8可以看出：分流模經(jīng)過第二次修改后擠出型材料頭平整，型材表面質(zhì)量良好，無任何缺陷；各斜筋處的金屬流速與兩個(gè)大面的基本相同，達(dá)到270 mm/s，兩個(gè)大面處的流速為283 mm/s．表明，通過第二次修模后模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的．

圖7 第二次修模后擠出的型材料頭Fig．7 The extrudate head after second modification

圖8 第二次修模后擠出型材出口速度分布圖Fig．8 Exit velocity distribution of extrudate after second modified

4 結(jié) 論

（1）采用基于Euler網(wǎng)格描述的有限體積法，以GDX－11大型車輛底板型材為例，建立了大斷面復(fù)雜截面鋁型材擠壓過程的數(shù)值模擬模型．

（2）通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，采用原始設(shè)計(jì)的模具擠壓時(shí)，?？壮隹谔帞D出型材速度分布極不均勻，6條斜筋處出料困難，金屬流速較慢，兩個(gè)大面處的流速較快．由于分流孔采用非對(duì)稱分布，下部分遠(yuǎn)離擠壓中心A處的分流孔面積較小，造成此處供料不足．

（3）對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在斜筋入口處增加引流槽及適當(dāng)調(diào)整分流孔及工作帶的尺寸，最終模擬擠出合格的型材，型材端面平整，出口流速均勻．

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Numerical simulation on extrusion process of aluminum profile with large and complex cross－section and die structure optimization

HE Youfeng1，XIE Shuisheng2，XU Jun1，CHENG Lei2，HUANG Guojie2
1．Advanced Casting and Processing Engineering Centre，General Research Institute for Nonferrous Metals，Beijing 100088，China；2．General Research Institute for Nonferrous Metals，State Key Laboratory of Nonferrous Metals and Processes，Beijing 100088，China

The GDX－11 vehicle floor profile was taken as an example to design the die structure．Based on Simufact9．0 commercial software，numerical simulation on extrusion process of aluminum profile with large and complex cross－section was carried out using the Finite volume method（FVM）of Euler mesh description；and the metal flow and deformation behavior in extrusion process was obtained．It was found that the velocity at the die exit was non－uniform and the metal flow at the oblique ribs was hard．So，the modification and optimization of die structure design was carried out through adding the drainage groove at the inlet of oblique ribs，properly adjusting the dimension of portholes and die bearing．Lastly，the acceptable quality profiles with even extrudate head and uniform exit velocity in numerical simulation extrusion were obtained．

large aluminum profiles；extrusion；numerical simulation；die structure optimizing

TG146．2；TG372

A

1673－9981（2011）03－0203－06

2010－10－04

“十一五”國家科技支撐計(jì)劃 （2007BAE38B00）

和優(yōu)鋒（1981—），男，陜西渭南人，博士．