基于有限元模擬的雙孔擠壓分流模具設(shè)計(jì)

徐 鑫，李 冰，劉瑞萍，張德偉，張書豪

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活水平的提高，城市化和工業(yè)化進(jìn)程也在加速，鋁合金擠壓型材在民用建筑、工業(yè)、航天、汽車、電子等領(lǐng)域的使用也越來越廣泛。與此同時，鋁型材的生產(chǎn)技術(shù)在不斷地完善和創(chuàng)新，新產(chǎn)品、新工藝、新用途的鋁型材將不斷出現(xiàn)，從而推動技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。隨著鋁制品應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，鋁型材的需求量也越來越多。眾多企業(yè)在尋求效率提升之時多模孔擠壓模具應(yīng)用而生。從理論上來講，擠壓速度不變的情況下多孔擠壓模具的生產(chǎn)效率可以成倍提高。然而，支撐這種效率的則是模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。

模具設(shè)計(jì)是鋁型材生產(chǎn)的最重要環(huán)節(jié)，而模具的成功與否很大程度依賴設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，而且還要經(jīng)過試模來驗(yàn)證模具設(shè)計(jì)的合理性[2]。傳統(tǒng)的試模方式不僅低效、高成本，更是存在模具斷裂或因無法修模導(dǎo)致模具報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。有限元分析可以高效、低成本的完成試模過程，并且可以將風(fēng)險(xiǎn)降到最低，因此近年來得到業(yè)內(nèi)的青睞。本文通過一模雙孔分流模的模具設(shè)計(jì)，輔以有限元模擬軟件分析，談一談二者之間的積極聯(lián)系，供同行參考。

1 型材斷面分析

如圖1所示，該斷面為空心型材，形狀近似于方管。型材截面積174mm2，斷面周長208mm，型材外接圓直徑Φ18.5mm，最小壁厚1.4mm，型材尺寸公差執(zhí)行GB/T 14846-2008高精級標(biāo)準(zhǔn)，材料為6061-T6。根據(jù)型材截面積及外接圓尺寸分析，設(shè)計(jì)使用一模雙孔分流組合模，在12.5MN擠壓機(jī)上試驗(yàn)，擠壓筒徑155mm，擠壓比54.2，模具規(guī)格Φ220mm×140mm。

圖1 型材斷面圖Fig.1 Profile section

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)?？撞捎米笥覍ΨQ式結(jié)構(gòu)放置，為避免模孔間距過大或過小產(chǎn)生的缺陷，初步設(shè)計(jì)?？组g距為30mm～55mm。同時，為降低金屬在上模分流孔中的行程，在保證模具強(qiáng)度的條件下，盡可能的降低上模厚度[3]，以降低擠壓力，防止擠壓過程中金屬無法突破。因此，初步設(shè)計(jì)上模厚度65mm，下模厚度75mm，?？壮叽绨?%收縮率計(jì)算。

(2)上模采用寬展設(shè)計(jì)，保證金屬在模具中的流動性。同時分流孔最大入口直徑距擠壓筒邊緣10mm以內(nèi)，最大程度的提高分流比，減小金屬流動阻力，提高焊合質(zhì)量；分流橋入口可考慮采取倒角處理，以降低擠壓力。

(3)下模采用各自獨(dú)立的焊合室結(jié)構(gòu)，保證各?？捉饘俟┝鞯姆€(wěn)定性，減少各?？字g相互“搶金屬”的狀況[3]。焊合室設(shè)計(jì)5°斜面，減少死區(qū)面積，同時促進(jìn)金屬流動。

3 有限元模擬分析

3.1 設(shè)計(jì)方案與模型建立

根據(jù)以上幾點(diǎn)因素，結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，初步得到以下兩種設(shè)計(jì)方案(圖2)，圖3為對應(yīng)三維模型，其中分流孔數(shù)量依次為4個、7個，分流比為24和16.2。

圖2 擠壓模具簡圖Fig.2 Schematic diagram of extrusion die

圖3 擠壓模具三維模型Fig.3 3D model of extrusion die

3.2 仿真模擬結(jié)果及分析

利用先進(jìn)的鋁型材模具擠壓成型仿真軟件，采用任意拉格朗日-歐拉(ALE)算法，進(jìn)行擠壓模擬運(yùn)算。其中，模具溫度450℃，鑄錠溫度480℃，擠壓筒溫度420℃，擠壓桿速1.5mm/s，鑄錠規(guī)格Φ151mm×450mm。

3.2.1 型材流速分析

如圖4所示，兩種模具的流速均比較均勻、穩(wěn)定，沒有產(chǎn)生明顯的變形、彎曲等缺陷，其中4孔模具型材的平均速度為81mm/s，平均溫度523℃；7孔模具型材的平均速度88mm/s，平均溫度540℃，均在可接受范圍內(nèi)。

圖4 型材流速效果圖Fig.4 Impression drawing of profile flow rate

3.2.2 突破壓力及模具應(yīng)力分析

分析結(jié)果顯示，4孔模具的突破壓力為11.5MN，7孔模具的突破壓力為13.4MN，其中7孔模具的突破壓力已經(jīng)超過了擠壓機(jī)(12.5MN)的壓力極限，理論上型材不能突破成型。

再看模具剖視圖(圖5)，4孔模具的最大應(yīng)力約1000MPa，而7孔模具的最大應(yīng)力則高達(dá)1400MPa，超過了H13模具鋼的屈服極限(H13在450℃的屈服強(qiáng)度為1200MPa)。因此，7孔模具在擠壓過程中有斷裂風(fēng)險(xiǎn)。綜合考慮，應(yīng)采用4孔模具的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。

圖5 模具應(yīng)力效果圖Fig.5 Impression drawing of die stress

4 結(jié)論

通過有限元模擬分析方式對兩種雙?？仔筒臄D壓模具設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，7分流孔模具設(shè)計(jì)方式在擠壓過程中可能會出現(xiàn)模具斷裂及堵模風(fēng)險(xiǎn)，4分流孔模具設(shè)計(jì)方式預(yù)計(jì)擠壓過程中不會出現(xiàn)明顯缺陷。綜上所述，有限元分析技術(shù)的使用直接提高了模具設(shè)計(jì)的效率及成功率，減小試模成本，可提高企業(yè)效益。