王 冠，何 芯，李落星，姚再起

（湖南大學(xué)1.汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410082；3.浙江吉利汽車(chē)研究院有限公司，杭州311228）

0 引 言

鋁型材由于具有密度小、比強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、外形美觀、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑、車(chē)輛、船舶、飛機(jī)、通訊等各個(gè)領(lǐng)域，特別是在建筑門(mén)窗和幕墻方面，其發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它金屬材料，在金屬產(chǎn)品中的使用量中僅次于鋼鐵［1］。目前，數(shù)值模擬技術(shù)已成為研究金屬擠壓加工的重要手段［2－6］，有限元法、有限體積法和 ALE有限元法等分析方法經(jīng)常被用以研究材料在擠壓過(guò)程中的變形情況和溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等分布規(guī)律以及摩擦與潤(rùn)滑情況，并在結(jié)合材料微觀組織、力學(xué)及物化性能等變化情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)擠壓模具和工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。Chanda等［7］和 Zhou等［8］使用Deform 3D軟件分析了鋁合金擠壓速度對(duì)擠壓過(guò)程的影響，同時(shí)獲得等溫?cái)D壓過(guò)程的擠壓速度曲線；Li等［9］對(duì)AZ31鎂合金方管的擠壓過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了擠壓工藝對(duì)方管成型時(shí)焊縫組織和性能的影響，同時(shí)也對(duì)在不同擠壓速度下7075鋁合金的溫度變化趨勢(shì)做了一定的預(yù)測(cè)［10］；Duan等［11－12］研究了模具結(jié)構(gòu)、模具溫度等對(duì)再結(jié)晶行為的影響，并進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)模擬和控制，采用商業(yè)化軟件Forge分析了模具設(shè)計(jì)、成形參數(shù)（擠壓速度、模具溫度、坯料溫度、擠壓比）和產(chǎn)品質(zhì)量（擠壓件形狀、表面質(zhì)量和微觀結(jié)構(gòu)）之間的相互關(guān)系；Zhou等［13］成功地利用有限元軟件模擬了鋁合金擠壓的整個(gè)過(guò)程，分析了擠壓力、溫度、應(yīng)力應(yīng)變的變化情況；Liu等［14］研究了鎂合金擠壓過(guò)程中的金屬流動(dòng)及擠壓速度對(duì)焊縫強(qiáng)度的影響，同時(shí)根據(jù)擠壓速度預(yù)測(cè)了擠壓過(guò)程的溫度變化［15］。

某工廠采用擠壓工藝生產(chǎn)一種6063鋁合金空心薄壁多腔型材，圖1為型材的幾何尺寸，圖中未標(biāo)注的壁厚為3mm。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，型材產(chǎn)品經(jīng)常存在因截面變形導(dǎo)致的尺寸超差等問(wèn)題，影響型材的成品率，其缺陷產(chǎn)品如圖2所示，主要是與小模芯A相連的薄邊B向內(nèi)凹陷，型材的外形尺寸不能保證，造成了產(chǎn)品的報(bào)廢。

為解決產(chǎn)品尺寸超差的問(wèn)題，作者采用HyperXtrude軟件對(duì)鋁合金型材擠壓過(guò)程中的金屬流動(dòng)及型腔壓力分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，找出了造成此問(wèn)題的主要原因，并據(jù)此對(duì)模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后以實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 鋁合金擠壓型材尺寸超差的原因分析

1.1 工程經(jīng)驗(yàn)分析

金屬在擠壓過(guò)程中，由于受到擠壓筒壁、模具端面、死區(qū)以及模孔工作帶強(qiáng)烈的摩擦作用，在擠壓型材時(shí)，尤其是復(fù)雜截面型材，金屬流動(dòng)的不均勻現(xiàn)象十分嚴(yán)重。圖1中型材截面左右兩側(cè)不具有對(duì)稱(chēng)性，型材截面與鑄錠截面的形狀也就沒(méi)有相似性，從而使金屬的流動(dòng)成為非對(duì)稱(chēng)性流動(dòng)。此外，由于型材截面形狀復(fù)雜，各部分壁厚變化較大，尤其是圖2中B處的壁厚較薄，僅為1mm。薄壁處的比表面積大于厚壁處的，故該處的金屬冷卻速率快、變形程度大、流動(dòng)速度小。在擠壓過(guò)程中，金屬的不均勻流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致型材制品中產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力，從而產(chǎn)生尺寸超差、彎曲等缺陷。為了消除因金屬流動(dòng)不均而產(chǎn)生的上述缺陷，必須優(yōu)化模具的設(shè)計(jì)，使型材截面上各部分金屬流出的速度一致，這是模具設(shè)計(jì)與制造應(yīng)遵循的基本原則。所以主要用有限元從以上方面來(lái)分析尺寸超差的原因。

1.2 鋁合金擠壓過(guò)程的有限元分析

1.2.1 有限元模型的建立

在三維CAD軟件UG中，根據(jù)模具的實(shí)際尺寸，分別建立坯料、擠壓筒、擠壓墊和擠壓模具（簡(jiǎn)稱(chēng)工模具）的幾何模型。由于型材沿水平中心線上下兩側(cè)具有對(duì)稱(chēng)性，為提高計(jì)算效率，取幾何模型的1／2進(jìn)行模擬。利用HyperXtrude軟件進(jìn)行擠壓過(guò)程的仿真，將建立的三維模型通過(guò)有限元模擬軟件的前處理接口導(dǎo)入，并建立有限元模型，如圖3所示。由于坯料在靠近?？谔幍乃苄宰冃瘟枯^大，為保證模擬的精度和計(jì)算順利進(jìn)行，故對(duì)此處的網(wǎng)格進(jìn)行了局部細(xì)化。相應(yīng)地，對(duì)擠壓墊、擠壓筒和擠壓模具也進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以實(shí)現(xiàn)坯料和工具之間的熱量傳遞，劃分的網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格。由于HyperX－trude采用的是ALE方法，可以分析型材擠壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的狀態(tài)，根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)型材擠壓的參數(shù)進(jìn)行分析，所以建模需要繪制型材已經(jīng)擠出工作帶的狀態(tài)。其中型材的長(zhǎng)度應(yīng)為2～3倍的工作帶長(zhǎng)度，坯料的長(zhǎng)度應(yīng)為擠壓筒內(nèi)徑的2倍。

圖3 鋁合金型材擠壓的有限元模型Fig.3 Finite element model of extruding aluminum alloy profile

工模具材料選用ALSI－H13熱工具鋼，坯料為6063鋁合金。表1為6063鋁合金的化學(xué)成分。坯料及工模具材料的物理性能參數(shù)可以直接從軟件材料庫(kù)中獲得，如表2所示。擠壓模擬的工藝參數(shù)和初始邊界條件如表3所示。在模擬過(guò)程中，忽略工模具和坯料的彈性變形，設(shè)定工模具為剛性體，坯料為塑性體。

表1 6063鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of 6063aluminum alloy（mass）%

表2 擠壓坯料及工模具材料的物理性能參數(shù)Tab.2 Physical properties parameters of extrusion billet and die

表3 等速擠壓工藝參數(shù)和邊界條件Tab.3 Precess parameters of extrusion at constant speed and boundary conditions

坯料和工模具之間的摩擦為剪切摩擦，如式（1），摩擦因數(shù)m（0≤m≤1）選取0.4。模擬開(kāi)始時(shí)的步長(zhǎng)設(shè)為0.05mm，在模具出模口處因材料變形程度加劇，為使計(jì)算順利進(jìn)行，將步長(zhǎng)改為0.002mm。

式中：τf為剪切摩擦力；σ為等效流動(dòng)應(yīng)力。

HyperXtrude的計(jì)算效率較高，數(shù)小時(shí)即可計(jì)算完畢，獲得穩(wěn)態(tài)擠壓過(guò)程的結(jié)果。

1.2.2 有限元模擬結(jié)果

圖4所示為穩(wěn)態(tài)時(shí)擠壓型材出工作帶后在垂直擠壓方向的截面上，金屬沿?cái)D壓方向的速度分布?？煽吹叫筒慕孛嫔系乃俣确植疾粔蚓鶆?，小模芯對(duì)應(yīng)A處的速度較小，最小速度為4mm·s－1，最大速度為12mm·s－1，平均速度為8mm·s－1；而B(niǎo)邊的最小速度為22mm·s－1，沿著對(duì)稱(chēng)面向上B邊的速度不斷增大，最大值為25mm·s－1，平均速度為23mm·s－1。A、B兩邊的平均速度相差15mm·s－1，由此產(chǎn)生的速度差使B邊受拉力作用，B邊在此速度差阻礙下沿對(duì)稱(chēng)面向上產(chǎn)生速度差異，由圖可知B邊上金屬流速存在差異。其中A、B處在x方向上（即垂直B邊向型材內(nèi)部的方向）的平均速度為27mm·s－1，大于A、B邊的平均速度，可認(rèn)為這兩部分的金屬在x方向上發(fā)生了橫向流動(dòng)，這使得小模芯A向型材內(nèi)部移動(dòng)，而B(niǎo)邊發(fā)生內(nèi)凹現(xiàn)象。

圖4 型材出工作帶后沿?cái)D壓方向上的金屬流速分布Fig.4 Distribution of metal flow rate along extrusion direction

從圖5（a）中可以看出，型材在焊合室內(nèi)受到的壓力最大，金屬流出?？谶M(jìn)入工作帶后受到的壓力下降。沿著金屬流動(dòng)的路徑在焊合室的高度方向從上向下截取4個(gè)截面（1～4）上的壓力分布情況，如圖5（b），（c），（d）和（e）所示。圖5（b）位于焊合室的最高位置，此時(shí)型材截面1上的壓力分布均勻。而圖5（c）表示截面2上的壓力分布，可看到此截面上型材小模芯A處對(duì)應(yīng)的金屬受到的壓力下降，而其余部分的金屬壓力仍保持與截面1上的一致，沒(méi)有變化。由圖5（d）所示截面3上的壓力分布可以看出，隨著高度的下降，焊合室內(nèi)金屬受到的壓力逐漸下降，最小壓力出現(xiàn)的地方仍為小模芯對(duì)應(yīng)的區(qū)域。圖5（e）所示的截面4上的壓力分布表示金屬即將流出?？诔尚?，因?yàn)槟？谔帉?duì)金屬的流動(dòng)阻力不大，故?？谔幍慕饘偈艿降膲毫ψ钚　＿@也證明了焊合室內(nèi)金屬的壓力分布影響了金屬的流動(dòng)，壓力小的金屬流動(dòng)速度小于壓力大的金屬的，因此在兩部分金屬間產(chǎn)生了速度差。

圖5 擠壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)型材的壓力分布Fig.5 Pressure distribution of profile in steady state：（a）steady state；（b）section 1；（c）section 2；（d）section 3and（e）section 4

1.2.3 模具優(yōu)化后的有限元模擬

型材存在缺陷是由于金屬流動(dòng)速度不均造成的。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在重新設(shè)計(jì)（優(yōu)化）模具結(jié)構(gòu)時(shí)首先采用阻流塊的措施，以減小流速快的薄壁上的金屬流速，達(dá)到平衡各個(gè)薄壁處流速的目的。即在流速較快的邊上焊接金屬，以減慢其流動(dòng)速度。優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中在小模芯對(duì)應(yīng)的B邊外側(cè)增加了寬為6mm、高為5mm的阻流塊，增加阻流塊的位置在圖中用圓圈標(biāo)示。

圖6 優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)Fig.6 Optimized die structure

由圖7可以看出，小模芯A處金屬的最小速度為7mm·s－1，最大速度為12mm·s－1，其平均速度為10mm·s－1；雖然B邊上的速度分布也有差異，且仍比小模芯A處的速度大，但由于阻流塊的存在，使其較優(yōu)化前的低，最大速度為23mm·s－1，最小速度為17mm·s－1，平均速度為19mm·s－1。與優(yōu)化前相比，模芯A處的速度增加了，而B(niǎo)邊處的速度減小了，且平均速度減小了4mm·s－1?？梢?jiàn)，增加阻流塊之后，B邊上的金屬流速減慢，與A處的速度差異減小。A、B兩處沿x方向上（即垂直B邊向型材內(nèi)部的方向）的平均速度降為6mm·s－1，小于A、B兩處在z方向上的平均速度，因此可認(rèn)為金屬不會(huì)沿著x方向橫向流動(dòng)，因此小模芯A處和B邊均不會(huì)向型材內(nèi)部凹陷。

圖7 模具優(yōu)化后型材出工作帶沿?cái)D壓方向上的金屬流速分布Fig.7 Distribution of metal flow rate along extrusion direction after die optimization

2 實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證

由圖8可以看到，采用優(yōu)化后的模具進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，型材B邊上的金屬?zèng)]有發(fā)生明顯的橫向流動(dòng)，使得其內(nèi)凹的趨勢(shì)減小，獲得了合格的型材。這說(shuō)明采用有限元軟件HyperXtrude可以分析復(fù)雜型材擠壓過(guò)程中的變形行為，并可指導(dǎo)熱擠壓模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)型材的生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

3 結(jié) 論

圖8 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化后生產(chǎn)的合格型材Fig.8 Qualified profile after die structure optimization

（1）采用有限元軟件HyperXtrude對(duì)鋁合金空心型材擠壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，由于截面上金屬流速不均，導(dǎo)致了擠壓型材出現(xiàn)截面尺寸超差的缺陷。

（2）模擬結(jié)果表明采用增加阻流塊的方法優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，能夠有效減小金屬的流速差，可使型材尺寸超差問(wèn)題得到解決。

（3）根據(jù)有限元分析的結(jié)果，對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并加以試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明型材沒(méi)有再出現(xiàn)尺寸超差的問(wèn)題，證明了模擬分析結(jié)果的正確性。

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