徐 晨，陳文琳，段平起，阮祥明

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽生信鋁業(yè)股份有限公司，安徽 宣城 242000）

0 引 言

鋁合金擁有良好的力學(xué)性能、焊接性和耐腐蝕性，同時(shí)比強(qiáng)度較高，價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于民用建筑、交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域[1]。鋁合金也為汽車輕量化發(fā)展帶來新的可能，其在汽車零部件中的占比越來越高，而生產(chǎn)性能與尺寸均符合要求的鋁合金型材又成為新的挑戰(zhàn)。計(jì)算機(jī)行業(yè)的蓬勃發(fā)展也為制造業(yè)帶來新的工具，各類數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率[2,3]。伴隨軟件技術(shù)的進(jìn)步，各類參數(shù)如溫度、速度、應(yīng)力應(yīng)變等都可以通過模擬獲得，其精度也逐步提高，對模具設(shè)計(jì)與優(yōu)化及工藝方案的制定與完善產(chǎn)生了重要影響，提高了生產(chǎn)效率[4-7]。因此基于數(shù)值模擬的空心鋁型材擠壓過程分析及模具優(yōu)化，對提升產(chǎn)品成型質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)制造業(yè)發(fā)展具有重要意義[8,9]。

現(xiàn)以用于新能源汽車電池架的空心鋁型材為研究對象，基于相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對擠壓模進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合有限元模擬技術(shù)獲得鋁型材擠壓過程中鋁合金的流動(dòng)速度分布情況，從而改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)合格型材的目的。

1 模具設(shè)計(jì)

用于新能源汽車電池架的空心鋁型材的結(jié)構(gòu)及部分尺寸如圖1所示。材料為AA6061鋁合金，型材的截面面積為1 258.8 mm2，最大外接圓直徑為φ191.9 mm。該型材為不對稱件，有4 個(gè)空腔與1 處懸臂，可采用分流組合模進(jìn)行擠壓生產(chǎn)。經(jīng)過計(jì)算[10]，其型材截面復(fù)雜系數(shù)為1.6，屬于較難成型的型材。

圖1 型材截面

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[10]，選擇的坯料尺寸為φ220 mm×600 mm，選取的擠壓筒直徑為φ226 mm，經(jīng)計(jì)算可得擠壓比為31.9。利用擠壓力計(jì)算公式[4]得出擠壓力為21.1 MN，選用25 MN 的擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓成型。根據(jù)擠壓機(jī)的規(guī)格，選擇配套的模具尺寸為φ358 mm×260 mm，其中上模尺寸為φ358 mm×105 mm，下模尺寸為φ358 mm×155 mm。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)[11]，并結(jié)合型材的具體形狀，根據(jù)孔隨形走的設(shè)計(jì)原則，在上模設(shè)計(jì)8個(gè)分流孔，其中大小和結(jié)構(gòu)存在一定的差異以平衡各處的金屬流速。根據(jù)擠壓筒的直徑確定焊合室的高度，焊合室的總高度設(shè)計(jì)為20 mm，焊合室均分布在下模。分流橋?qū)挾雀鶕?jù)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算后[10]，取20 mm，焊合角取15°。按照上述結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行三維建模，模具的三維結(jié)構(gòu)如圖2所示，模具材料選擇H13鋼。

圖2 模具三維結(jié)構(gòu)

2 工藝參數(shù)及有限元模型

2.1 工藝參數(shù)

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及參考文獻(xiàn)[11,12]，最終選擇的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬的工藝參數(shù)

2.2 有限元模型

將設(shè)計(jì)并建模的模具及坯料導(dǎo)入CAE 軟件，劃分單元格，并添加邊界條件。其中設(shè)定工作帶處的摩擦為庫侖摩擦，摩擦因數(shù)取0.3，模具和坯料間的傳熱系數(shù)為3 000 W/(m2·K)[13]，建立的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

3 模擬結(jié)果分析

為保證生產(chǎn)合格完整的型材，需要研究模具出口處的金屬流速?，F(xiàn)引入速度均方差FSDV以準(zhǔn)確地描述模具出口處的金屬流動(dòng)速度均勻程度，其數(shù)學(xué)模型為[12]:

式中：vi——截面上節(jié)點(diǎn)i 處的流速——所有節(jié)點(diǎn)的平均流速；n——節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

由公式（1）可以看出，計(jì)算的速度均方差越小，流動(dòng)速度越均勻，生產(chǎn)的型材完整性越好。

利用初始模具模擬擠壓后得到的型腔出口處金屬流速分布如圖4 所示。由圖4 可知，金屬流動(dòng)速度不均勻，其中型材上部的懸臂突出部分速度較快，下部的平板部分速度較慢，最大速度為93.6 mm/s，最小速度為50.6 mm/s，速度差達(dá)到了43 mm/s。經(jīng)計(jì)算，型材的速度均方差為10.5 mm/s，速度均勻性較差。

使用初始設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行試模，生產(chǎn)的型材如圖5 所示，擠出型材的料頭部分出現(xiàn)了嚴(yán)重的彎曲變形，并影響了后續(xù)擠出型材的外形尺寸，導(dǎo)致成型產(chǎn)品不合格，需要對初始模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

圖4 初始模具出口處金屬流動(dòng)速度分布情況

圖5 初始模具試模生產(chǎn)的型材

4 模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由圖4可知，型材上部的金屬流速較快，原因是這部分的型材壁厚較厚，型腔較大，金屬容易向此處流動(dòng)匯集，可針對型材上部所對應(yīng)的芯模部分進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)部位如圖6所示，采用加高芯模限制此處的金屬流速。將芯模分別加高2、4、6 cm，對3組改進(jìn)方案分別進(jìn)行模擬，改進(jìn)前后的形狀如圖7所示。

圖6 芯模改進(jìn)部位

圖7 芯模改進(jìn)高度

將芯模加高2 cm 后模具擠出的型材速度分布如圖8 所示，由圖8 可知，型材上部的突出部分速度仍較快，但相對初始模具擠出型材的速度有降低。擠出型材的最大速度為79.3 mm/s，最小速度為57.9 mm/s，速度差為21.4 mm/s，經(jīng)計(jì)算，速度均方差為4.8 mm/s，比初始狀態(tài)有改善，但速度均勻性仍較差。

圖8 芯模加高2 cm型材截面速度分布

將芯模加高4 cm 后的模具擠出的型材速度分布如圖9 所示，由圖9 可知，擠出型材的最大速度為64 mm/s，最小速度為58.1 mm/s，速度差為5.9 mm/s，經(jīng)計(jì)算，速度均方差為1.7 mm/s，速度均勻性較好，相比于初始模具有了較大的提升。

圖9 芯模加高4 cm型材截面速度分布

將芯模加高6 cm 后的模具擠出的型材速度分布如圖10 所示，由圖10 可知，型材上部的突出部分速度較小，下部平板部分速度較大。擠出型材的最大速度為72.9 mm/s，最小速度為35.2 mm/s，速度差為37.7 mm/s，經(jīng)計(jì)算，速度均方差為7.6 mm/s。

通過對初始模具以及將芯模分別加高2、4、6 cm 的4 種模具設(shè)計(jì)方案的有限元模擬結(jié)果進(jìn)行分析，比較4 種方案的速度均方差情況，如圖11 所示。從圖11 可以看出，將芯模加高4 cm 的方案，擠出型材的速度均方差最小，即流動(dòng)速度最均勻，型材不容易出現(xiàn)缺陷。

圖10 芯模加高6 cm型材截面速度分布

圖11 各模具設(shè)計(jì)方案的速度均方差

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

使用改進(jìn)后的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)，其中試驗(yàn)?zāi)＞呷鐖D12 所示，生產(chǎn)的鋁型材如圖13 所示，改進(jìn)后的模具擠出型材滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 試驗(yàn)?zāi)＞?/p>

圖13 模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)后生產(chǎn)的鋁型材

6 結(jié)束語

利用有限元模擬分析初始模具的擠壓成型過程，提出調(diào)整模具工作帶長度和分流孔形狀的改進(jìn)方案，改進(jìn)后模具出口處金屬流速均勻，為實(shí)際生產(chǎn)提供了指導(dǎo)。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)證明，模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果符合，證明了模擬的可靠性，將三維有限元模擬技術(shù)應(yīng)用在空心鋁型材擠壓成型設(shè)計(jì)中，可有效提高實(shí)際生產(chǎn)效率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。