輕量化車(chē)體用復(fù)雜空心鋁型材擠壓過(guò)程數(shù)值仿真及模具優(yōu)化方法

孫雪梅，李帥＊，王遠(yuǎn)見(jiàn)，姚志鑫

（1.臨沂大學(xué)；2.臨沂市消防救援支隊(duì)；3.臨沂凌恒智能科技有限公司，山東 臨沂 276000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，車(chē)輛輕量化是進(jìn)一步節(jié)能提速的關(guān)鍵所在。車(chē)體采用鋁合金型材是當(dāng)前車(chē)輛輕量化的主要手段。車(chē)體型材普遍存在空心，形狀復(fù)雜，型材的長(zhǎng)寬比例很大，最大最小壁厚相差懸殊等特點(diǎn)，成型過(guò)程復(fù)雜。這就對(duì)模具設(shè)計(jì)、加工提出了較高的要求要求較高。模具設(shè)計(jì)是車(chē)輛輕量化型材擠壓過(guò)程研究的重點(diǎn)難點(diǎn)所在。本文采用軟件+數(shù)值模擬的手段，對(duì)模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 模具設(shè)計(jì)

圖1 所示為車(chē)體空心壁板。由圖可見(jiàn)，該型材具有12個(gè)型腔，截面積為3397.8mm2，最大壁厚為4mm，最小壁厚為1.73mm，截面長(zhǎng)度與寬度比值為8 倍。由圖可見(jiàn)，型材有12個(gè)孔，形狀復(fù)雜。在成型過(guò)程中，壁厚較小的部分流速慢，難以成形；而較大的部分流速快。因此型材擠出工作帶時(shí)有的部分快，有的部分慢，就會(huì)形成型材扭曲，變形，無(wú)法獲得合格的產(chǎn)品。這就要求在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)的時(shí)候綜合考慮金屬的分配（分流孔設(shè)計(jì)）、焊合的高度（焊合室設(shè)計(jì)）、工作帶的摩擦（工作帶長(zhǎng)度設(shè)計(jì)）等。

圖1 型材截面尺寸

在綜合分析上圖型材的截面形狀的基礎(chǔ)上，綜合考慮金屬流動(dòng)的影響因素，結(jié)合鋁合金擠壓模具設(shè)計(jì)的各項(xiàng)基本原則，初始設(shè)計(jì)了模具的主要結(jié)構(gòu)，因?yàn)楹罄m(xù)還要對(duì)模具進(jìn)行擠壓模擬，因此初始模具設(shè)計(jì)又稱(chēng)為盲設(shè)計(jì)。如圖2所示，模具分為上模、下模以及導(dǎo)流板。圖2（a）為下模，各模具最大外徑選取700mm。根據(jù)型材形狀，確定了分流孔的數(shù)量，為13 個(gè)，下模焊合室的形狀根據(jù)上模分流的形狀直接生成。根究模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則下模上設(shè)有兩級(jí)空刀，用來(lái)增加模具的工作帶強(qiáng)度以及保護(hù)型材擠出。上模各個(gè)型芯之間距離很小，壁厚非常小，難以成形，在模芯根部設(shè)置了引流槽，有利于型材各孔之間的筋部成型。由于該型材擠壓比較大，因此增加了導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)，將材料進(jìn)行預(yù)分流，能夠減小擠壓比，更有利于成型。初始模具盲設(shè)計(jì)后，借助有限元軟件，對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了數(shù)值模擬，以分析設(shè)計(jì)的合理性。

圖2 初始的擠壓模具結(jié)構(gòu)

2 分析模型的建立

初始設(shè)計(jì)的模具在UG 軟件中分上模、下模、導(dǎo)流板三維導(dǎo)出STL 格式，然后導(dǎo)入分析軟件HYPERXTRUDE 后。根據(jù)材料流動(dòng)的先后，分為加熱后的棒料區(qū)域、導(dǎo)流板的分流孔部分、上模的分流孔部分、焊合室部分以及型材最后成型的工作帶部分。這五部分分別進(jìn)行必要的幾何清理，幾何清理主要是為了去掉極小的結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的網(wǎng)格劃分進(jìn)行準(zhǔn)備。在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，較為簡(jiǎn)單工作帶和型材部分采用面網(wǎng)格直接生成體網(wǎng)格的劃分方式，生成三棱柱網(wǎng)格，這部分型材最終成型，因此網(wǎng)格劃分要細(xì)致，以便成型過(guò)程模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通常要保證最小厚度處有三層網(wǎng)格。其他部分采用四面體網(wǎng)格，先把所有面網(wǎng)格生成，然后進(jìn)行網(wǎng)格檢查，最后生成體網(wǎng)格。這部分材料只發(fā)生墩粗變形，變形量較小，網(wǎng)格劃分時(shí)，按照約遠(yuǎn)離材料擠出端，網(wǎng)格越大，通常相鄰兩部分網(wǎng)格大小比例不宜超過(guò)2 倍。根據(jù)車(chē)輛型材強(qiáng)度、硬度等各方面需求，該型材選用A6005-T6 鋁合金，在數(shù)值模擬過(guò)程中，假設(shè)該材料為粘塑性體，模具材料通常用H13 模具鋼，在擠壓過(guò)程中假設(shè)為不變形的剛性體，坯料與模具材料的主要特性見(jiàn)表1。

表1 A6005-T6 鋁合金棒料和H13 模具鋼的物理性能

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的需求，棒料選用標(biāo)準(zhǔn)的φ 400mm×800mm規(guī)格。在擠壓過(guò)程中擠壓的工藝參數(shù)對(duì)擠壓過(guò)程的影響也非常大，合理的擠壓參數(shù)對(duì)型材擠壓的均勻性有重要影響。根據(jù)課題組前期的研究，主要的擠壓參數(shù)包括擠壓筒預(yù)熱溫度、模具預(yù)熱溫度、坯料加熱溫度、擠壓比以及擠壓速度。其中坯料溫度一般要比模具溫度高20 ～30℃左右。結(jié)合前期研究與該型材實(shí)際形狀，設(shè)定該型材擠壓工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 模擬過(guò)程中使用的工藝參數(shù)

在實(shí)際擠壓變形中，材料流經(jīng)擠壓筒內(nèi)壁、導(dǎo)流板分流孔、上模分流孔等區(qū)域，在這些區(qū)域鋁合金棒料與這些流經(jīng)區(qū)域接觸面有摩擦，在分析軟件設(shè)置中選擇為粘著摩擦；在型材流出模具工作帶時(shí)，擠壓速度達(dá)到設(shè)定的1mm/s，即鋁合金型材與工作的相對(duì)速度為1mm/s 此時(shí)擠壓分析軟件中的摩擦類(lèi)型應(yīng)設(shè)置為滑動(dòng)摩擦，根據(jù)金屬間的摩擦規(guī)律，摩擦系數(shù)為設(shè)置為0.3。

3 初始模具設(shè)計(jì)方案模擬結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)上述的網(wǎng)格劃分，將材料流經(jīng)區(qū)域的流動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬分析后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行不同物理場(chǎng)量的分析，分別得到了擠壓過(guò)程中型材的位移、流速，溫度以及模具的位移與受力。由上文分析發(fā)現(xiàn)，如果型材各部分流出工作帶的速度不一致，將會(huì)引起變形、扭擰等缺陷，導(dǎo)致型材擠出產(chǎn)品不合格。因此要判斷該模具設(shè)計(jì)是否合理，首先要分析各部分?jǐn)D出速度一致性。圖4 為初始設(shè)計(jì)模具擠出型材的斷面速度分布圖，圖中左側(cè)為速度大小分布顏色。由圖可知，型材擠出工作帶的速度大小差距較大，如圖中Part2 部位，該部位處在分流孔的中間，供料充足，速度最大達(dá)到108.2mm/s，；而如Part1 部分，處在型材的筋部，壁厚較小，摩擦較大，鋁合金金屬流動(dòng)困難，速度明顯小于其他部位，最小值僅為6.72mm/s。鑒于型材截面速度不一致，流速快的部分要不斷向流速慢的部分?jǐn)U充，導(dǎo)致變形和彎曲，型材的質(zhì)量嚴(yán)重不合格。因此要根據(jù)流動(dòng)速度的大小，對(duì)初始設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，調(diào)整分流孔，工作帶等，將型材擠出缺陷降低直至消除。

修改模具前，首先要分析各部分流動(dòng)速度大小不一致的原因。首先，Part2 部位，該部位處在分流孔的中間，供料充足。棒料型材直接達(dá)到該部位，相當(dāng)于平模擠壓。而且分流孔中心部位，模具內(nèi)壁對(duì)棒料材料的摩擦非常小，沒(méi)有阻力，材料到達(dá)該部位成型較為容易，材料流速最快；其次，在型材筋部交匯處，材料匯集，壁厚較大，流動(dòng)阻力相對(duì)較小，流速相對(duì)較快；再次，分流孔之間的分流橋的存在，與型材接觸面積大，摩擦力大，又因?yàn)樵摬考莾晒闪魉俨煌慕饘俚膮R合處，金屬建流動(dòng)沖撞，速度降低，此部分流速較慢；最后，型材的筋部，壁厚較小，摩擦較大，鋁合金金屬需要改變流動(dòng)方向才能經(jīng)過(guò)引流槽到達(dá)筋部，該過(guò)程中材料流動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜，材料流動(dòng)方向有正向、反向、橫向等。流動(dòng)阻力非常大，成型最困難，因此筋部的型材為整個(gè)型材截面上速度最慢的部分，同時(shí)由于受到流速快的型材的擴(kuò)張，該部分筋部尺寸通常達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

上述得到了型材流速的區(qū)域性分析，而在擠壓成型過(guò)程中，為了能夠?qū)⑺俣冗M(jìn)行量化，以便更好地控制材料的流動(dòng)速度，經(jīng)常引入模具出口型材截面上的金屬速度相對(duì)均差(VRD－Velocity Relative Difference)，來(lái)量化表示各部分的速度一致性，公式如下：

式中，iv 代表材料流出工作帶的i 節(jié)點(diǎn)處的流動(dòng)速度，av 代表所有節(jié)點(diǎn)的平均速度，n 為計(jì)算的節(jié)點(diǎn)總數(shù)。在hyderxtrude 計(jì)算中選取所有節(jié)點(diǎn)計(jì)算。根據(jù)公式（1）得到初始設(shè)計(jì)的模具，型材擠出該模具工作帶時(shí)，其VRD 為0.35。

結(jié)合上述分析，并根據(jù)計(jì)算的VRD，對(duì)初始設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，主要包括調(diào)整分流孔大小以合理調(diào)整材料的分配；調(diào)整焊合室高度以調(diào)整材料整體焊合的情況；調(diào)整工作帶長(zhǎng)度以調(diào)整材料流出的摩擦力。以此達(dá)到局部調(diào)整型材各部分流動(dòng)速度的目的。

4 模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

（1）分流孔調(diào)整。包括導(dǎo)流板分流孔與上模分流孔。根據(jù)速度分布圖，流速快的部分減少孔的面積，流速慢的部分增加孔的面積；

（2）焊合室高度調(diào)整。焊合室整體高度較高，則摩擦較大，流出困難，但材料焊合較好，材料流速一致性較好，但焊合高度太大，焊合后擠出困難增加，模芯容易折斷變形等等，因此要平衡焊合室的高度；

（3）擋塊與工作帶長(zhǎng)度調(diào)整。在引流槽開(kāi)口正對(duì)著的焊合室增加擋塊，迫使材料流向筋部。流速快的部位設(shè)置的擋塊要高，增加摩擦，增加成型阻力；反之要減少擋塊高度或不設(shè)置擋塊。

圖5 為根據(jù)上述優(yōu)化原則調(diào)整模具結(jié)構(gòu)后的材料流動(dòng)速度分布圖。由圖可見(jiàn)：最大流速為49.6mm/s,最小流速為23mm/s。流速較初始設(shè)計(jì)改進(jìn)較大，更為一致。

圖4 初始設(shè)計(jì)方案型材截面速度分布圖

5 優(yōu)化后模具的模擬結(jié)果分析

5.1 金屬的流動(dòng)分析

（1）分流孔入口處材料的流速分布。材料流經(jīng)分流孔，與分流孔模具壁接觸的材料由于摩擦阻力大，速度較小，而分流孔中心處的材料基本沒(méi)有摩擦阻力，速度較大，而該情況業(yè)余流體力學(xué)原理相符；

（2）材料在引流槽入口處的速度分布。材料流出分流孔，進(jìn)入引流槽，材料開(kāi)始分流。其中一部分材料運(yùn)動(dòng)速度方向與擠壓方向一致，進(jìn)入焊合室。而另一部分材料運(yùn)動(dòng)速度方向變?yōu)榕c擠壓方向垂直的橫向運(yùn)動(dòng)，即引流槽內(nèi)的材料運(yùn)動(dòng)方式，該部分用于筋部成型。

（3）材料在焊合室內(nèi)的流動(dòng)情況。此時(shí)各部分材料進(jìn)行匯集焊合，材料發(fā)生劇烈變形，各個(gè)方向的流動(dòng)材料互相碰撞。但整個(gè)焊合室內(nèi)的流動(dòng)原則與（1）一致，中間快，四周滿(mǎn)。

（4）?？兹肟谔幍牧魉俜植?。材料準(zhǔn)備經(jīng)過(guò)工作帶成型，材料流動(dòng)速度與擠壓速度方向一致，最終成形為設(shè)計(jì)的型材。

5.2 溫度分析

在擠壓成形過(guò)程中，金屬的溫度會(huì)發(fā)生變化，而引起溫度變化主要有以下3 個(gè)方面：

（1）為了擠壓順利進(jìn)行，通常需要將材料加熱到一定溫度，如果模具不加熱，型材溫度必然流失嚴(yán)重。因此模具也要預(yù)熱。通常模具預(yù)熱溫度較低。因此模具與材料之間會(huì)有熱傳導(dǎo)，型材剛剛進(jìn)入模具時(shí)，型材溫度流失較大；

（2）棒料流經(jīng)模具型腔時(shí)，與模具內(nèi)壁不斷摩擦接觸，根據(jù)摩擦熱力學(xué)。摩擦?xí)a(chǎn)生相應(yīng)的熱量；

（3）材料擠壓時(shí)，材料內(nèi)部的塑性變形過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生熱量。

分析數(shù)值模擬得到的溫度分布情況發(fā)現(xiàn)，沿?cái)D壓方向材料流經(jīng)部分溫度首先降低，此時(shí)大部分溫度熱傳導(dǎo)給模具流失，而且初期材料變形小，產(chǎn)生的塑性變形熱量較小；隨著材料流動(dòng)進(jìn)入分流孔、引流槽，材料變形劇烈，產(chǎn)生大量的塑性變形熱，而此時(shí)的材料模具熱傳遞減少，溫度開(kāi)始回升，但依然低于初始的加熱溫度；隨著材料進(jìn)入焊合室，伴隨著金屬流的重新焊合，變形量越來(lái)越大，塑性變形熱量超過(guò)了金屬熱傳遞流失的熱量，溫度急劇升高，到了工作帶處變形量達(dá)到最大值，溫度也升至最高，達(dá)到了548℃。由此說(shuō)明擠壓過(guò)程中材料的溫度變化主要受塑性變形熱量影響。

5.3 模具強(qiáng)度分析

在型材擠壓成型過(guò)程中，高溫材料與模具接觸，同時(shí)在擠壓機(jī)的作用下，承受高壓。加熱的材料直接與模具接觸，對(duì)模具表面產(chǎn)生較大的摩擦力。模具尤其是模具內(nèi)材料流經(jīng)的部分服役環(huán)境復(fù)雜，條件惡劣。因此在模具設(shè)計(jì)中還要保證模具的工作周期，防止模腔內(nèi)的變形，導(dǎo)致型材尺寸不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的模具上模、下模和導(dǎo)流板進(jìn)行模具受力以及模具變形分析，來(lái)判斷模具的使用周期以及模具型腔的變形。模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，模具型腔整體變形量非常小，上模的最大位移出現(xiàn)在分流孔的底部，約為0.56mm，下模的最大位移出現(xiàn)在工作帶附近，約為0.52mm。而且模具型腔上主要變形主要集中在擠壓方向上，幾乎可以忽略。根據(jù)擠壓模具的應(yīng)力分布圖，模具所受的最大應(yīng)力為720Mpa左右，而模具材料H13 屈服強(qiáng)度為1020Mpa 左右，因此模具在擠壓生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)有稍微的彈性變形，不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致模具裂紋、斷裂的塑性變形，模具受力強(qiáng)度完全滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行擠壓過(guò)程的仿真分析，發(fā)現(xiàn)利用二級(jí)焊合室來(lái)控制材料流速，對(duì)于帶有筋條的型材來(lái)說(shuō)，不能很好的調(diào)節(jié)筋部的供料量，從而導(dǎo)致筋部流速過(guò)慢，變形較大。因此，在模具修改方案中，去掉了二級(jí)焊合室，而是采用擋塊的結(jié)構(gòu)，有效的控制了平衡了流速，提高了筋部的流動(dòng)速度，最終得到了合格的型材產(chǎn)品。

（2）采用模擬分析輔助模具優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，與傳統(tǒng)的試錯(cuò)修模相比較，縮短模具設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本。

（3）模具模擬結(jié)果與實(shí)際型材變形一致性較好，建立的模擬模型符合要求。