高寬厚比微通道扁管鋁型材擠壓模設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

吉宏選

（江順精密科技集團(tuán)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214400）

0 引 言

微通道扁管型材是制造換熱器的主要材料，廣泛應(yīng)用于汽車、家用空調(diào)等領(lǐng)域[1]。常規(guī)扁管的寬度一般為6～40 mm，高度≤3.5 mm，壁厚為0.15～0.45 mm[2]。目前，隨著技術(shù)進(jìn)步，為提高換熱效率，扁管的結(jié)構(gòu)形式與尺寸、產(chǎn)品要求不斷更新。

在鋁型材擠壓成形領(lǐng)域，由于扁管的截面積非常小，擠壓比一般在100～800，比傳統(tǒng)擠壓工藝的擠壓比高10～50倍，擠壓力、擠壓溫度和擠壓速度也相對(duì)較高，擠壓模長(zhǎng)時(shí)間在高溫、高壓的環(huán)境中工作，對(duì)模具零件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求不斷提高，對(duì)扁管擠壓模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造要求更高。目前擠壓模的設(shè)計(jì)仍以經(jīng)驗(yàn)類比為主，過(guò)于依賴后期修模，生產(chǎn)效率較低。隨著有限元技術(shù)廣泛應(yīng)用于塑性加工領(lǐng)域，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬試模，可提前發(fā)現(xiàn)模具的設(shè)計(jì)缺陷并及時(shí)優(yōu)化，使得模具設(shè)計(jì)者對(duì)凹模內(nèi)金屬流動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)不斷加深[3]。

現(xiàn)分析研究了某一高“寬厚比”微通道扁管鋁型材的擠壓成形工藝與模具設(shè)計(jì)，基于數(shù)值模擬技術(shù)，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的擠壓情況，驗(yàn)證模具設(shè)計(jì)方案的合理性。

1 擠壓模設(shè)計(jì)

1.1 鋁型材產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為鋁扁管截面，材質(zhì)為鋁合金1100，總寬度為80 mm，高度為1.5 mm，壁厚為0.3 mm，截面面積為54 mm2，寬度與壁厚的比值約為267，該型材共有20個(gè)空腔，空腔尺寸為3.69 mm×0.9 mm。由于該型材體積小且空腔多，設(shè)計(jì)模具時(shí)必須保證芯模強(qiáng)度與穩(wěn)定性，擠壓力不宜過(guò)高，需要合理選擇坯料尺寸，確定合適的擠壓比。

由于該型材壁厚較薄、寬厚較大，所選坯料直徑不宜過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致擠壓力過(guò)大，易使芯模穩(wěn)定性下降、彈性變形嚴(yán)重甚至斷裂；而所選坯料直徑過(guò)小，擠壓比雖然會(huì)變小，但容易造成型材外側(cè)壓力不足，金屬流速均勻性難以控制，速度不均會(huì)造成芯模受力不均，同樣會(huì)導(dǎo)致芯模彈性變形甚至斷裂。因此，對(duì)圖1 所示鋁扁管選擇直徑為φ101 mm 的鋁棒為宜，對(duì)應(yīng)擠壓機(jī)擠壓力為11 MN，經(jīng)計(jì)算，擠壓比約為148。

圖1 微通道扁管截面

1.2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微通道扁管型材一般采用分流組合模進(jìn)行擠壓成形，材質(zhì)為熱作模具鋼H13。對(duì)圖1 所示鋁扁管可選擇模具規(guī)格φ180 mm×120 mm，模具裝配如圖2（a）所示。由于扁管型材的擠壓比比常規(guī)鋁型材的高，擠壓力相對(duì)較大，出料速度也較快，模具長(zhǎng)時(shí)間在高溫高壓的環(huán)境中工作，工作帶極易磨損。為延長(zhǎng)模具的使用壽命，采用表面硬度更高、更耐磨的硬質(zhì)合金代替?？阻偧?，鑲嵌于下模，由模墊支撐，既提高了下模工作帶的耐磨性，又便于更換，節(jié)約成本。

圖2（b）所示設(shè)計(jì)上模規(guī)格為φ180 mm×50 mm，采用4 個(gè)分流孔，呈中心對(duì)稱分布。分流孔由模具中心向外側(cè)逐漸加大，形狀像“蝴蝶的翅膀”，可以更好地對(duì)金屬進(jìn)行預(yù)分配，限制中間部位的金屬流量供應(yīng)，使金屬分配由模具中心向外形成遞增的方式，消除因擠壓筒徑向上由中心向外壓力遞減的梯度而造成金屬流速的差異。設(shè)計(jì)模具主橋?qū)挾葹?7 mm，兩側(cè)輔橋?qū)挾葹?0 mm，輔橋作用是支撐主橋、減小主橋彈性變形。此外，模具入口處分流橋均做20°倒橋，可減小模具入口處的摩擦阻力，使金屬流動(dòng)更加順暢，進(jìn)而減小擠壓力。為保證芯模的強(qiáng)度，采用錐度為18°的錐式芯模。在相鄰芯模之間設(shè)計(jì)導(dǎo)流孔以成形中筋，導(dǎo)流孔過(guò)大易導(dǎo)致芯模強(qiáng)度不足，過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致中筋供料不足，造成平面不平整的現(xiàn)象。

圖2（c）所示設(shè)計(jì)下模規(guī)格為φ180 mm×25 mm，中心鑲有矩形硬質(zhì)合金，焊合室深5 mm，模孔工作帶高度中間1.2 mm，兩側(cè)1.0 mm。圖2（d）所示設(shè)計(jì)模墊規(guī)格為φ180 mm×45 mm，其作用是支撐硬質(zhì)合金。

2 有限元模型

為簡(jiǎn)化有限元模型，三維建模時(shí)可將非工作零件省略，下模、硬質(zhì)合金和模墊組合為整體，如圖3所示?；谝陨显O(shè)計(jì)方案建立的有限元模型如圖4所示，分別對(duì)鋁合金流體部分和擠壓模劃分網(wǎng)格，單元數(shù)量分別為2 230 000 個(gè)和4 700 000 個(gè)。鋁合金流體部分與凹模（除工作帶）的接觸邊界為粘著摩擦，與工作帶的接觸邊界為庫(kù)倫摩擦，摩擦系數(shù)μ=0.3，鋁合金與模具之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)為3 000 W/（m2·K）。環(huán)境溫度為20 ℃，鋁合金與空氣之間的熱交換系數(shù)為30 W/（m2·K）[4,5]，擠壓工藝參數(shù)如表1所示。

3 模擬結(jié)果分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 模擬結(jié)果分析

扁管型材的擠出過(guò)程如圖5 所示，從圖5 可以看出，該扁管型材的整體擠出速度較均勻，只是中間部分速度稍慢。輔橋雖然可以提高主橋強(qiáng)度，但金屬流體與輔橋之間的摩擦阻力會(huì)導(dǎo)致型材中部的擠出速度慢于兩側(cè)。

由于扁管型材的擠壓力相對(duì)較高，且壓力直接作用在上模，需要校核上模強(qiáng)度。圖6 所示為上模的等效應(yīng)力分布情況，從圖6 可以看出，相對(duì)于主橋，輔橋的受力較大，局部等效應(yīng)力值達(dá)到900～1 000 MPa，小于H13 熱作模具鋼的屈服強(qiáng)度，滿足使用要求。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案加工制造的擠壓模實(shí)物如圖7 所示，在11 MN 擠壓機(jī)上進(jìn)行試模生產(chǎn)，坯料尺寸與擠壓工藝參數(shù)與模擬時(shí)一致，擠出型材料頭如圖8 所示。從圖8 可以看出，型材料頭的擠出速度均勻性良好，能穩(wěn)定成形，料頭中間部分的擠出速度稍慢，與模擬結(jié)果相符。

圖2 擠壓模設(shè)計(jì)方案

圖3 擠壓模三維結(jié)構(gòu)

圖4 有限元模型

表1 擠壓工藝參數(shù)

圖5 扁管型材的出料過(guò)程

圖6 上模等效應(yīng)力分布

圖7 模具實(shí)物

圖8 擠出型材料頭

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)與物理試驗(yàn)，研究了某一高寬厚比微通道扁管鋁型材的擠壓成形工藝，結(jié)論如下：模擬結(jié)果顯示扁管型材的擠出速度均勻性良好，驗(yàn)證了模具設(shè)計(jì)方案的可行性；相對(duì)主橋，模具輔橋受力較大，且小于H13 熱作模具鋼的屈服強(qiáng)度，達(dá)到支撐主橋、減小主橋彈變的目的；試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合，首次試模即合格，提高了試模成功率，經(jīng)濟(jì)效益顯著。