薄壁空心鋁型材擠壓模具阻流塊結構優化設計
擠壓模具在鋁型材擠壓生產中起著至關重要的作用，直接影響擠壓產品的質量和企業的生產成本。然而在實際生產中，擠壓模具的設計更多依賴設計師的經驗，模具質量難以保證，需要多次試模和修模方可生產出合格的型材產品。本文采用Altair公司基于ALE算法的HyperXtrude軟件對某一復雜斷面空心型材的擠壓過程進行數值模擬。根據初始模具結構中材料流動嚴重不均的現象，提出在焊合室內增設阻流塊并調整阻流塊的模具修改、優化方案，有效地解決了擠壓過程中材料流動速度不均的問題，獲得了較為理想的模具結構。因此，利用數值方法對擠壓模具結構進行優化可為同類鋁型材擠壓模具設計提供可靠地理論基礎。
1 引言
鋁合金型材因其強度高、重量輕、導電導熱性好、耐腐蝕性好、表面美觀以及易于回收等優點，被廣泛應用于建筑、車輛、船舶、飛機、通訊設備、機械制造、運動器械、家具和裝飾等各個領域。在型材的擠壓過程中，材料流動異常復雜，采用傳統的測量方法難以全面了解材料流速分布，而通過擠壓過程數值模擬，可以方便地獲得材料流速、型材變形程度、溫度以及應力應變等物理場量的分布情況。根據數值模擬結果對模具結構進行相應優化，可減少試模、修模的次數，提高效率，節約成本。
近年來，國內外許多學者利用數值模擬的方法研究了擠壓模具結構對擠壓過程的影響規律，并取得了較大進展。GÜLEY等研究了平模和分流模對AA6060棒料熱擠壓固態重結晶過程中的焊合質量的影響。黃澤濤等通過球形卸壓和拱形沉橋兩種結構對方管鋁型材擠壓模結構進行優化。
LI等[3,4]通過設計不同參數的導流室分析了導流室結構對材料流速的影響。ZHI等研究了導流室的分布位置(偏心率)對材料流速的影響。LEE 等研究了焊合室形狀對材料流動的影響。李群松等研究了工作帶長度對模具散熱和型材扭曲變形程度的影響規律。WU等通過修改分流孔及分流孔到工作帶的路徑，優化設計了方形空心型材擠壓模具。張雙杰等通過擠壓成形極限分析得到了厚
壁管件有芯棒開式冷擠壓的最佳模具錐角。陳澤中等[10]利用正交測試、人工神經網絡以及遺傳算
法實現了薄壁非規則鋁型材的多目標優化。劉超等[11]通過建立神經網絡、正交實驗法和遺傳算法相結合的鋁型材擠壓模具結構優化模型和擠壓模具CAO(Computer AidedOptimization)系統，對不對稱槽形型材擠壓進行了模具優化。趙國群課題組通過調整二級焊合室、阻流塊、引流槽、工作帶長度等擠壓模具結構，有效控制了模腔內材料的流動情況，并提高了模具壽命[12-14]。倪正順等[15]通過增設導流槽、合理布置分流孔和調整工作帶長度等措施優化了多邊形空心鋁型材擠壓模具結構，同時提高了模具壽命。宋佳勝等[16]通過增加模芯處引流孔直徑、增大引流槽斜度、調整二級焊合室的大小和工作帶長度等措施對列車車體106XC 型材模具結構進行了優化。
本文針對一復雜截面且具有微小特征的空心鋁型材的擠壓過程開展研究。采用AltairHyperXtrude軟件對該鋁型材的擠壓過程進行數值模擬，根據初始模擬結果中型材截面速度分布均勻性較差，采取在焊合室增設阻流塊的方案調整了模具結構，最終得到較為理想的模具結構。
2模型建立及模擬結果分析
2.1幾何模型的建立
圖 1為本文所研究型材的截面形狀及主要尺寸，該型材截面形狀十分復雜，壁厚較薄，最薄處僅有1.00mm，并且具有較難成形的鋸齒狀凸起的細小特征，給擠壓模具的設計增加了難度。
薄壁空心鋁型材一般采用平面分流組合擠壓模，由上模和下模兩部分組成。上模包括分流孔、分流橋、模芯、工作帶以及空刀等，如圖2(a)所示。分流孔是材料流入模具型腔的通道。對于本文所研究的型材而言，上模中采用4個分流孔來平衡材料流動和合理分配材料供給量。分流孔的大小由所對應型材的截面面積確定。為降低模腔內的壓力，將分流孔略微向外傾斜一定角度。分流橋主要用于支撐模芯，模芯用于形成型材的內部輪廓。下模包括焊合室、模孔、工作帶以及空刀等，如圖2(b)所示。為獲得足夠的焊合壓力而又不影響模芯的穩定性，下模焊合室的高度設計為10mm。焊合室用于積聚來自分流孔的材料并將其焊合成一個整體，材料在焊合室內不斷匯集，隨著內部靜水壓力增加直到在高溫、高壓下流出模口。
2.2分析模型的建立
將初始設計方案的模具三維模型導入分析軟件HyperXtrude后，抽取材料流經區域，并進行適當的幾何清理，然后劃分網格。整個模型分為棒料、分流孔、焊合室、工作帶和型材五個部分，其中工作帶和型材部分采用三棱柱單元，其他部分采用四面體單元。分析模型的單元尺寸由材料的變形程度決定，工作帶附近因材料的變形較劇烈，單元的劃分較細密，而在棒料部分的材料只發生粗變形，單元劃分較粗，這樣既保證了分析精度，又控制了單元數量，節省了計算時間。劃分后的體網格模型如圖3所示，單元數量為25萬左右。
在實際擠壓過程中，擠壓筒內壁、分流孔、模具上模面附近金屬變形劇烈，可認為金屬之間不發生相對移動，它們之間的摩擦設為粘著摩擦;而在模具工作帶部分，雖然金屬變形也比較劇烈，但相對于模具，金屬已經獲得一定的速度，更接近于滑動摩擦，因此在模擬過程中模具工作帶處采用庫倫摩擦，摩擦因數取為0.3。2.3模擬結果分析
擠壓生產中，型材截面的速度分布是否均勻直接影響型材的質量。圖4為初始方案中截面的速度分布圖，可以看到最大速度為74.16mm/s，最小速度為27.29mm/s，速度差達到46.87mm/s。由于型材截面的速度分布非常不均勻，導致型材擠出模具后發生了嚴重的扭擰，型材的尺寸和形狀均不符合實際要求。
式中， vi為考察截面上 i 節點處材料的流動速度， v 為所有考察節點的平均速度， n 為考察節點總數。顯然，SDV值越小，型材截面速度分布越均勻。選取模具出口處的型材截面上的所有節點作為考察點，經過計算，初始方案的SDV值為 15.98mm/s。
3 阻流塊的設計與分析
3.1方案設計
擠壓模具結構不合理是導致該型材截面速度不均的主要原因。為了消除初始方案中設計的缺陷，本文采取在焊合室內增設阻流塊的模具修改方案。由圖4 可以看出型材上部(Part I)材料流速最大,型材中下部彎折處(PartII)材料流速最小，且變形嚴重。為了改善材料流動不均勻，初步考慮限制型材上部(Part I)的流速，因此在型材上部(PartI)相對應的焊合室處增設阻流塊。根據喻俊荃等[19]總結的阻流塊設計原則對本文異型材擠壓模具進行阻流塊的設計。阻流塊截面形狀與相應部位型材的截面形狀類似，阻流塊寬度設置為2mm(型材寬度的 2 倍)，高度初設為 4mm(焊合室高度的1/3左右)，阻流塊到模孔的距離設置為0.5mm。
為了得到符合尺寸要求的型材，需要多次調整阻流塊，本文在初始設計方案(記為A0)的基礎上對阻流塊進行了6次調整(記為方案A1到A6)。根據喻俊荃等[19]的研究結果，阻流塊寬度以及阻流塊到模孔的距離在之后的調整中不變，只重點調整阻流塊高度，輔助調整阻流塊截面形狀以及分布。各次調整的阻流塊截面形狀、高度以及分布見圖5。各次調整的下模三維圖及模擬對應的型 材截面材料流動速度分布圖分別見圖 6和圖7。各次調整后模擬獲得的型材截面材料流動速度差及SDV值見表 2。
3.2結果分析
通過對比方案A0與A1 型材截面速度分布發現，速度差由46.87mm/s增至76.47mm/s，SDV值由15.98mm/s增至26.39mm/s，且變形更加劇烈。這說明型材上部(PartI)增設阻流塊后流動阻力增加太大，反而大大超過了型材中下部彎折處(Part II)的材料流動阻力，而且型材上部(PartI)左側流速大大超過右側流速，使得型材發生扭曲變形。故將阻流塊作出相應調整。
因此在調整方案A2中，適當改變阻流塊截面形狀，其高度設置為左側3.5mm，右側2.5mm。 通過對比方案 A1與A2的型材截面速度分布發現，速度差由76.47mm/s降至47.41mm/s，SDV值由 6.39mm/s降10.23mm/s，且型材各處變形程度減小。但是型材截面流速差以及變形程度仍然很大，因此繼續調整阻流塊。
考慮到前兩次阻流塊調整中，最大流速均處于型材底部(PartIII)，因此設計方案A3與A4重點研究型材底部阻流塊對材料流動性的影響。在方案A2的基礎上，方案A3中型材上部(PartI)阻流塊只調整高度為左側2.5mm，右側2.0mm，并在型材底部(PartIII)增設阻流塊，寬度2mm，高度1mm，阻流塊仍距離焊合室邊緣0.5mm。而方案A4中在型材底部(PartIII)無阻流塊。對比方案A2與A3，速度差由47.41mm/s 降至35.25mm/s，SDV值由10.23mm/s降至9.01mm/s，型材各處變形程度略為減小。對比方案A2與A4，速度差由47.41mm/s 降至29.51mm/s，SDV值由10.23mm/s降至6.10mm/s，型材各處變形程度略為減小。對比方案A3和A4，雖然方案A3的型材截面材料流速差以及SDV值較方案A4均更大，但是，方案A3中型材中下部彎折處(PartI) 的變形明顯更小，說明在型材底部(Part III)增設阻流塊有一定效果，但不明顯。
因此方案A5與A6調整了阻流塊的高度，以便進一步確定型材底部阻流塊對材料流動性的影響。由前次模擬中型材上部(PartI)的中央流速最慢，考慮將型材上部的阻流塊高度設置為左側2.5mm，中部 1.5mm，右側2.5mm。另外，方案A6在型材底部(PartIII)設置阻流塊，阻流塊的各參數與方案A3一致。對比方案A5與A6的模擬結果發現，型材截面速度差分別為15.56mm/s和11.49mm/s，SDV 值分別為4.00mm/s和2.76mm/s。方案A6型材各處產生的變形很小，基本符合要求，故將此作為模具優化最終結果。
4結論
采用HyperXtrude軟件對一復雜截面空心鋁型材擠壓過程進行數值模擬，通過在焊合室增設阻流塊的方案調整了模具結構，改善了型材截面出口處材料流動速度均勻性。
(1)通過增設阻流塊可有效改善型材截面材料流速分布，獲得較為理想的模具結構。本文提出的采用HyperXtrude軟件進行數值模擬的模具設計方法可一定程度上替代傳統的試錯法，節約生產成本，節省生產時間。
(2)通過多次對阻流塊進行調整，驗證了阻流塊設計的一些經驗和原則。本文主要調整阻流塊的分布與高度，有效地控制了材料流速及型材的不良變形程度，得到了符合尺寸要求的型材。
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