王 漢，李 亨，徐凡凡，朱曉勇，王東明

（1.合肥工業(yè)大學 航空結(jié)構(gòu)件成形制造與裝備安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學 智能制造技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；3.池州市九華明坤鋁業(yè)有限公司，安徽 池州 247100）

0 引言

H13熱作模具鋼（成分為4Cr5MoSiV1）是目前使用最廣泛的熱作模具鋼之一，因其具有強度高、韌性好及熱疲勞性能好等優(yōu)點，在鋁合金、鎂合金等金屬加工制造業(yè)中被廣泛使用[1-4]。

傳統(tǒng)擠出工藝穿孔針法使用的模具結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)品無焊縫且可以減少粗晶環(huán)等缺陷，但需要經(jīng)常更換芯軸，管材前端的偏心度大。目前，分流組合模[5,6]已經(jīng)逐步取代了穿孔針法，使用分流組合模能得到壁厚均勻、尺寸精度高的產(chǎn)品，且具有設備操作簡單、生產(chǎn)周期快、成本低等優(yōu)點。但分流組合模會由于成型產(chǎn)品形狀的復雜性、過高的擠壓力及冷熱疲勞的作用產(chǎn)生開裂失效，模具一旦萌生裂紋產(chǎn)生開裂，則喪失服役功能從而報廢，為了保證產(chǎn)品成型質(zhì)量和延長模具的使用壽命，必須對模具結(jié)構(gòu)進行合理設計[7,8]。

于寶義等[9]對模具的分流比和焊合角進行了優(yōu)化模擬，通過校核模具優(yōu)化后的強度，得出了合理的模具結(jié)構(gòu)參數(shù)；岳博文等[10]通過對不同分流孔深度的模具進行模擬，分析了平面分流組合模分流孔深度對鋁型材擠出成型的影響，得出了最佳的分流孔深度值。針對某汽車配件的分流組合模分流橋早期失效狀況，對擠出過程進行熱力耦合數(shù)值模擬，通過對模具工作帶長度等參數(shù)進行改進，為延長模具使用壽命提供了一定的理論依據(jù)。

1 分流組合模

1.1 分流組合模的工作原理及幾何模型

分流組合模的工作原理如圖1所示，坯料在擠壓桿的擠壓力作用下，沿圖1中箭頭所示方向移動，第一階段，坯料被分流橋分成4股金屬流，然后沿著分流孔進入焊合室；第二階段，金屬在焊合室內(nèi)緩慢流動相互接觸隨之發(fā)生焊合；第三階段，金屬焊合后在出料口的工作帶上成型。

圖1 分流組合模工作原理

工作帶是在?？變?nèi)確定擠出型材的形狀、尺寸及表面質(zhì)量的一段區(qū)域，初始取值為4 mm，焊合室深度是分流橋底部到模孔入口處的垂直距離，取12 mm。圖2所示為經(jīng)過淬火鋸切之后的汽車配件型材，圖3所示為模具分流橋根部發(fā)生開裂，造成了模具的報廢。

圖2 汽車配件型材截面

圖3 模具分流橋根部開裂

1.2 模擬條件設定

以實際生產(chǎn)工藝參數(shù)為依據(jù)，坯料初始溫度設為510℃，直徑為φ178 mm；模具、擠壓筒和擠壓桿假設為剛性，初始溫度分別設為480、440、20℃；擠壓速度設置為3 mm/s；坯料與模具擠壓筒之間的摩擦因數(shù)設為0.4；每步步長為1 mm，總模擬步數(shù)為600；通過計算坯料橫截面面積與型材橫截面面積，得出擠壓比約為40.1。

分流組合模在靠近?？谔幣髁系淖冃瘟枯^大，容易造成網(wǎng)格畸變，因此需要對網(wǎng)格進行局部劃分[10]。采用相對法劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格基礎(chǔ)數(shù)為40 000，最小邊緣尺寸為3.12 mm，在進入上模的坯料啟動局部網(wǎng)格劃分，劃分比例為0.1；在進入下模的坯料同時也啟動局部網(wǎng)格劃分，劃分比例為0.05；上模采用相對法劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格基礎(chǔ)數(shù)為40 000，最小邊緣尺寸為1.99 mm，在分流橋部分進行局部網(wǎng)格劃分，劃分比例為0.1；下模也采用相對法劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格基礎(chǔ)數(shù)為40 000，最小邊緣尺寸為2.13 mm，在焊合室與工作帶部分進行局部網(wǎng)格劃分，劃分比例為0.1。擠壓桿和擠壓筒進行少量網(wǎng)格劃分。坯料和模具材料性能如表1所示[9]。

表1 坯料與模具材料性能

2 模擬結(jié)果與分析

以工作帶長度L為研究對象，在不改動其他工藝參數(shù)的條件下，分析流動金屬在不同的工作帶長度下對模具的應力影響和金屬流出工作帶時的流動均勻性，減小模具分流橋部位的等效應力，延長模具的使用壽命。

2.1 工作帶長度對模具零件所受應力的影響

圖4所示為焊合室深度為12 mm、工作帶長度不同的上模等效應力分布。從圖4可以看出，分流橋部位應力集中，當工作帶長度為4、6、8 mm時，靠近模芯部位的分流橋處等效應力分別為778、716、865 MPa。圖5所示為不同工作帶長度下，分流橋部位相同點的等效應力值。從圖5可以看出，在不同的質(zhì)點下，6 mm工作帶長度的等效應力值比4、8 mm的工作帶長度的等效應力值都小，且梯度變化較為平緩，說明此工作帶長度下的上模分流橋部位應力分布更均勻。當模具局部區(qū)域應力集中，且在循環(huán)載荷的反復作用下，裂紋首先會在此處產(chǎn)生，在連續(xù)使用過程中，裂紋擴展，最后引起模具零件斷裂。此外，工作帶過長會造成金屬的流動不均勻，在陽極氧化處理后，成型的產(chǎn)品表面兩邊和中間部分的色調(diào)不均，且出現(xiàn)壁厚差；工作帶過短會降低產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性，加深模具零件的磨損程度，縮短模具的使用壽命[11,12]。因此，在設計模具時，應合理設計工作帶的長度。

圖4 工作帶長度不同的上模等效應力

圖5 工作帶長度不同的分流橋部位等效應力

圖6所示為焊合室深度為12 mm、工作帶長度不同的下模等效應力分布。從圖6可以看出，工作帶越長，下模的最大等效應力越大，當工作帶長度為4、6、8 mm時，下模最大的等效應力依次增大。工作帶長度過長，模芯可能會在金屬流動過程中變形，影響了成型件的表面質(zhì)量。

圖6 工作帶長度不同的下模等效應力

2.2 模具出口處的流動分布

金屬在出口處的流速不均勻會影響成型件的表面質(zhì)量，因此必須對工作帶長度進行調(diào)節(jié)，使金屬流出工作帶的速度更均勻。為有效表示金屬流出模孔速度的均勻程度，使用金屬流出工作帶時的流動分布因子進行衡量[13-15]，計算公式如下：

式中：DMVi——工作帶出口處節(jié)點數(shù)目流動分布因子；Vzi——規(guī)定平面上節(jié)點i軸向流動速度，mm/s；VZave——規(guī)定平面上全部節(jié)點的平均流動速度，mm/s。

在不同工作帶長度下的型材上取相同的8個點，在DeForm-3D軟件的后處理中運用點追蹤功能提取這8個質(zhì)點在此時的流動速度。流動因子分布與各點流速分布曲線如圖7所示，由圖7可以看出，不同工作帶長度下的流動因子分布，工作帶長度為4、6、8 mm時，通過計算得知其極差分別為0.061 33、0.008 14、0.023 2，隨著工作帶長度的增加，坯料在工作帶出口處的流速越均勻，但到達一定程度后，坯料在模具出口處的流速反而變得不均勻，當工作帶長度為6 mm時，流動因子波動最小，說明此時工作帶長度下的金屬流動更均勻。

圖7 流動因子分布與各點流速分布曲線

按照工作帶長度6 mm改進的工藝參數(shù)設計模具進行試產(chǎn)。改進前，模具生產(chǎn)8×103kg左右就會報廢，按照改進的參數(shù)設計的模具生產(chǎn)到11.6×103kg，模具分流橋根部仍然無明顯裂紋，且成型的產(chǎn)品質(zhì)量符合要求。

3 結(jié)束語

通過模擬可知，當工作帶長度為6 mm時，相對于工作帶長度為4、8 mm時靠近分流橋根部的等效應力最小且應力分布比較均勻。運用點追蹤功能觀察流速分布，當工作帶長度為6 mm時，流動因子波動最小，說明此工作帶長度下的金屬流動最均勻。采用工作帶長度6 mm的改進工藝參數(shù)設計的模具進行實際生產(chǎn)，鋁型材擠出量達到11.6×103kg時模具分流橋根部無明顯裂紋，超出改進前8×103kg的產(chǎn)量。