楊家棟，黃珍媛，趙亞萌，鄭 堅(jiān)，馬 俊

（1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.榮陽(yáng)鋁業(yè)有限公司，廣東 廣州 511300）

0 引 言

電池是電動(dòng)自行車最關(guān)鍵的零部件，電動(dòng)自行車的電池外殼一般采用輕質(zhì)鋁合金材料，通過(guò)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(zhǎng)寬比導(dǎo)致擠壓成型過(guò)程中型材出口截面長(zhǎng)邊和短邊的流速均勻性較差、模具橋位受力不均勻。實(shí)際生產(chǎn)中，電動(dòng)自行車電池外殼擠壓模需要有經(jīng)驗(yàn)的工程師進(jìn)行多次改模、試模和修模，延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期，也增加了生產(chǎn)成本。

在鋁型材的擠壓過(guò)程中，模具決定了型材的形狀、質(zhì)量、生產(chǎn)效率。參考文獻(xiàn)[1]顯示，有限元分析技術(shù)已廣泛用于鋁型材熱擠壓模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。劉佳欣等[2]采用有限元模擬軟件進(jìn)行模擬，通過(guò)計(jì)算型材截面上的速度差來(lái)優(yōu)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(shù)獲得擠壓過(guò)程金屬變形情況，根據(jù)金屬流速分布提出了模具改進(jìn)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(guò)分析流速均方差總結(jié)擠壓因素對(duì)擠壓過(guò)程的影響。在試模前，利用計(jì)算機(jī)模擬軟件可以得到模具的變形情況及擠壓過(guò)程中金屬的流動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)，達(dá)到不需要試模的目的[5]。

針對(duì)某款電動(dòng)自行車電池外殼用矩形框鋁型材零件，采用Inspire軟件對(duì)其擠壓成型過(guò)程中的流速均勻性和模具結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行模擬分析，提出3種不同的優(yōu)化方法，將模擬分析結(jié)果和生產(chǎn)試驗(yàn)料頭結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，確定了最優(yōu)的模具結(jié)構(gòu)方案。

1 模具結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)方案及分析

1.1 模具結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)方案

圖1所示為某電動(dòng)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(zhǎng)寬比接近2，矩形框上有8個(gè)圓形凸臺(tái)。在保證模具零件強(qiáng)度的前提下，為了使金屬流動(dòng)更均勻，根據(jù)型材擠壓形狀的實(shí)際需要，模具初始設(shè)計(jì)采用蝶形、4分流孔結(jié)構(gòu)，分流孔前端設(shè)置15 mm的入料口位置下沉，上模結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 型材截面

圖2 初始上模結(jié)構(gòu)

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(shù)如表1所示。

表1 擠壓模擬參數(shù)

圖3（a）所示為初始模具方案的型材出口流速模擬云圖，長(zhǎng)短邊擠出速度相差較大，各邊中點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致擠壓加工過(guò)程中，型材的長(zhǎng)邊和短邊出現(xiàn)波浪起伏。圖3（b）所示為實(shí)際試模的料頭，型材短邊波浪變形較明顯，與模擬分析結(jié)果一致，因?yàn)槎踢叺牟牧狭魅胙a(bǔ)給的流動(dòng)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(shí)際試模料頭

圖4（a）所示為模具應(yīng)力分析云圖，模具最大應(yīng)力在分流橋的根部，為1 466.42 MPa，超出了材料屈服強(qiáng)度1 000 MPa。蝶形分流模的分流橋在工作過(guò)程中受較大的應(yīng)力[6,7]，當(dāng)其所受的應(yīng)力值超出了模具零件材料在工作溫度下的屈服強(qiáng)度時(shí)，該位置容易發(fā)生變形積累，最后出現(xiàn)裂紋損傷，導(dǎo)致模具失效。圖4（b）所示為經(jīng)一定次數(shù)擠壓后失效的模具零件，圖中失效點(diǎn)出現(xiàn)了裂紋，失效部位與模擬預(yù)測(cè)結(jié)果一致。

圖4 初始方案模具受力云圖和實(shí)際失效模具零件

2 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化方案

為了減小模具所受應(yīng)力，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)提出了3種模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，如圖5所示。其中，方案1在初始方案的基礎(chǔ)上取消入料口下沉結(jié)構(gòu)，方案2將上模的分流孔數(shù)量增加至6個(gè)，方案3在初始方案的上模上方增加一塊導(dǎo)流塊。

圖5 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

2.2 優(yōu)化結(jié)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(zhǎng)邊流速慢，流速均方差為8.39；實(shí)際擠出料頭的變形趨勢(shì)與模擬結(jié)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(zhǎng)邊內(nèi)凹，對(duì)比初始模擬結(jié)果，取消入料位置下沉，流速分布情況會(huì)變差，短邊流速加快，長(zhǎng)邊流速減慢，長(zhǎng)短邊流速差異變大，模擬結(jié)果較好地預(yù)測(cè)了實(shí)際料頭的變形趨勢(shì)。長(zhǎng)邊中間位置的凸臺(tái)附近流速較快，因?yàn)橥古_(tái)壁厚較厚，對(duì)應(yīng)?？纵^大，材料供應(yīng)充足且阻力較小，因此流速較快。

圖6 優(yōu)化方案1型材出口流速分布云圖和實(shí)際試模料頭

圖7（a）所示為方案1的上模應(yīng)力分布云圖，上模所受最大應(yīng)力出現(xiàn)在分流橋與模芯連接的根部，最大值達(dá)到1 597.74 MPa，超出了模具在工作溫度下的屈服強(qiáng)度，隨著擠壓次數(shù)的增加易出現(xiàn)損傷。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，該模具在生產(chǎn)了一定數(shù)量棒料后，分流橋根部位置產(chǎn)生裂紋，如圖7（b）所示，生產(chǎn)結(jié)果與模擬分析結(jié)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(shuō)明入料口位置有無(wú)下沉對(duì)結(jié)果影響不大。

圖7 優(yōu)化方案1模具受力云圖和實(shí)際模具失效

2.2.2 增加分流孔個(gè)數(shù)

方案2在初始方案的基礎(chǔ)上將分流孔數(shù)量從4個(gè)增加到6個(gè)。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(zhǎng)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(chǎn)試模結(jié)果也顯示型材整體流速較均勻，不再出現(xiàn)初始方案和優(yōu)化方案1中長(zhǎng)邊凹陷的現(xiàn)象。短邊流速仍然快，導(dǎo)致料頭的短邊產(chǎn)生了卷曲，如圖8（b）所示。

圖8 優(yōu)化方案2型材出口流速分布云圖和實(shí)際料頭

圖9所示為優(yōu)化方案2對(duì)應(yīng)的上模應(yīng)力分布云圖，上模受到最大應(yīng)力為1 054.94 MPa，比初始方案和優(yōu)化方案1中的模具所受應(yīng)力都要小，因?yàn)閮?yōu)化方案2的模具增加了分流孔的個(gè)數(shù)，承受應(yīng)力的分流橋個(gè)數(shù)增加且金屬到達(dá)模腔時(shí)流動(dòng)性更大，因此模具危險(xiǎn)點(diǎn)受力與初始方案和優(yōu)化方案1相比有所減小，說(shuō)明增加分流孔能減小模具所受到的應(yīng)力。

2.2.3 增加導(dǎo)流塊

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

由圖10（a）可知，短邊流速整體較慢，中點(diǎn)位置流速最慢；長(zhǎng)邊流速較快且中點(diǎn)位置流速最快，降低了短邊流速，增大了長(zhǎng)邊流速，流速均方差為7.79，對(duì)流速分布改善明顯。圖10（b）所示為實(shí)際試模料頭，長(zhǎng)邊流速比短邊快，開(kāi)始卷曲，且長(zhǎng)邊中點(diǎn)位置有波峰，符合流速最快的模擬結(jié)果。短邊在中點(diǎn)位置有波谷，與模擬結(jié)果一致。導(dǎo)流孔能起到對(duì)金屬進(jìn)行預(yù)分配的作用，有效控制長(zhǎng)短邊的流速，因此，帶導(dǎo)流塊的情況下型材短邊流速較慢，長(zhǎng)邊流速較快，雖然最大流速差仍然較大，但反轉(zhuǎn)了快慢的趨勢(shì)，彌補(bǔ)了長(zhǎng)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(yōu)化方案3對(duì)應(yīng)的上模應(yīng)力分布云圖，導(dǎo)流塊在材料到達(dá)上模前先起到分流作用，降低了上模分流橋承擔(dān)的壓力，模具危險(xiǎn)點(diǎn)的受力為916.29 MPa，小于模具在工作溫度下的屈服強(qiáng)度，實(shí)際擠壓過(guò)程中不易失效，故增加導(dǎo)流塊可以減少上模所受應(yīng)力。

圖11 上模應(yīng)力云圖

2.3 最優(yōu)方案確定

根據(jù)初始方案和3種優(yōu)化方案模擬與實(shí)際擠壓結(jié)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(duì)比。從模具危險(xiǎn)點(diǎn)受力的對(duì)比可以看出，取消入料口沉橋方案危險(xiǎn)點(diǎn)受力反而更高，而增加分流孔數(shù)目和增設(shè)導(dǎo)流塊都能較好的改善危險(xiǎn)點(diǎn)受力；從流速均方差的對(duì)比可以看出，3種優(yōu)化方案中，取消入料口沉橋方案和增加導(dǎo)流塊方案流速并未得到改善，而增設(shè)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(duì)比

4種方案擠壓力變化曲線如圖13所示，增加分流孔數(shù)目時(shí)會(huì)使擠出型材所需的擠壓力升高，降低了生產(chǎn)效率，同時(shí)分流孔的分布方式影響了模腔內(nèi)金屬的流動(dòng)，導(dǎo)致擠出型材變形不均勻。綜合考慮，增設(shè)導(dǎo)流塊是較好的模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

圖13 4種方案擠壓力變化曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合有限元模擬及生產(chǎn)試驗(yàn)，通過(guò)流速均勻性和模具失效情況判斷模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，最終得到最優(yōu)的模具結(jié)構(gòu)和型材產(chǎn)品，具體結(jié)論如下。

（1）入料口位置有無(wú)下沉對(duì)矩形框鋁型材擠壓出口流速和模具擠出影響不大。

（2）對(duì)于矩形框鋁型材擠壓模，增加分流孔個(gè)數(shù)能降低模具零件所受應(yīng)力，同時(shí)使型材出口速度更均勻，但會(huì)使擠出型材所需的擠壓力大幅升高。

（3）通過(guò)增加導(dǎo)流塊可減小模具零件所受應(yīng)力，使模具零件在擠壓過(guò)程中不易失效。