异形空心铝型材挤压工艺数值模拟及模具结构改进.pdf

模具工业 2018年第44卷第1期 0引言 铝型材具有质量轻、 表面质量高、 易回收、 生产 少耗能等优点， 在民用建筑、 交通运输、 航空航天等 领域应用广泛1。铝型材挤压加工过程中， 型材成 型质量与模具结构设计具有直接关系， 挤压模设计 不合理容易导致挤出的型材出现拉裂、 波浪、 扭拧、 弯曲和焊合不良等缺陷， 严重时不能成型2。目前， 截面形状复杂的铝型材挤压模在设计中大多依赖 设计者的经验， 存在试模修模次数多、 模具开发周 期长和型材生产质量不稳定等问题， 因此提高铝型 材挤压模设计的质量和效率已成为铝型材行业发 展的瓶颈问题3。随着计算机技术的发展， 利用数 值模拟技术对铝型材的挤压过程进行模拟， 实现虚 拟试模， 大幅度提高了型材的成型质量和生产效 率4。 现以某异形空心铝型材为研究对象， 采用分流 组合模设计方案， 利用数值模拟技术对该型材的挤 压过程进行模拟预测， 获得金属在模孔处的流速分 布信息， 并根据模拟结果对模具结构进行改进， 获 得成型质量合格的型材。 1工艺与模具结构设计 图 1 所示为异形空心铝型材的横截面， 长为 180.5 mm， 宽为35 mm， 壁厚为2.95.1 mm， 横截面 异 形 空 心 铝 型 材 挤 压 工 艺 数 值 模 拟 及 模 具 结 构 改 进 潘鹏林 1，陈文琳1，吉宏选1，杨 军 2 （1.合肥工业大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥230009； 2.苏州市永利成模具制造有限公司，江苏 苏州215000） 摘要： 以某异形空心铝型材为研究对象， 采用数值模拟软件对其挤压工艺进行模拟， 利用塑性成型理论 对模拟结果进行分析， 根据分析结果， 调整阻流块结构尺寸及布置以平衡金属流出模孔的速度， 经多次 改进后， 型材截面上的流速差异率降低至5%以内， 满足最优模具设计评判依据。改进后模具生产的型 材符合质量要求， 减少了试模次数， 降低了型材的开发成本。 关键词： 铝型材； 挤压工艺； 数值模拟； 模具结构改进； 流速 中图分类号： TG376;O242.21文献标识码： B文章编号： 1001-2168 （2018） 01-0008-04 DOI： 10.16787/ki.1001-2168.dmi.2018.01.002 Numerical simulation of extrusion process for special-shaped hollow aluminum profile and the die improvement PAN Peng-lin1, CHEN Wen-lin1, JI Hong-xuan1, Yang Jun2 (1.School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009, China; Suzhou Yongli cheng Mould Manufacturing Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215000, China) Abstract: Taking a special-shaped hollow aluminum profile as the research object, the extru sion process of it was simulated by using simulation software. And the results were ana lyzed according to the plastic forming theory. In view of the results the velocity difference rate was less than 5% by adjusting the size and location of the baffle block which balanc ing the flow velocity of the metal. It was met the judgment of the best die design which improved the quality of the forming parts and reduced the cost of the production. Key words: aluminum profile; extrusion process; numerical simulation; improvement of die structure; flow velocity 收稿日期： 2017-09-26。 作者简介： 潘鹏林 （1994-） ， 男 （汉族） ， 湖南浏阳人， 硕士研究生， 主要从事塑性成型工艺与模具技术方面的研究。 8 万方数据 模具工业 2018年第44卷第1期 面积为1 080 mm2， 材料为AA6063。型材左右两端 各有一个空心腔， 右端有一个实心悬臂， 中间为长 直壁。整体截面复杂， 壁厚不均， 挤压过程中的金 属流动均匀性不易控制， 易造成型材弯曲、 扭拧等 缺陷， 导致型材成型质量不合格。 该型材的最大外接圆直径为184 mm， 查阅铝 型材加工实用技术手册5， 选择2104kN挤压机进 行生产， 挤压筒直径为236 mm， 坯料直径为230 mm， 长度为600 mm， 挤压比为38.4。 根据截面形状与尺寸， 确定采用分流组合模进 行挤压成型。与挤压机配套的模具总体尺寸为 330 mm230 mm， 其中上模尺寸为330 mm130 mm， 如图2 （a） 所示。为了对金属进行合理地分配 以平衡流速， 在上模设计5个分流孔， 分流孔的尺寸 由型材对应部分的截面确定。图2 （b） 所示为下模 三维模型， 尺寸为330 mm125 mm， 根据挤压筒直 径选取的焊合室深度为30 mm， 其中下模焊合室深 度设计为15 mm5， 为了控制中间直壁部分金属流 速， 在焊合室相应部位设置了阻流块， 阻流块尺寸 为108 mm6 mm5 mm。 2数值模拟 2.1有限元模型 上、 下模材料为H13钢， 型材和模具材料的物 理性能参数如表1所示。根据铝型材加工实用技术 手册5和生产经验设定AA6063坯料温度为480 、 模具预热温度为460 、 挤压筒预热温度400 、 挤 压速度3 mm/s。设定型材与挤压筒和模具型腔内 壁之间的摩擦类型为粘着摩擦， 与模具工作带之间 的摩擦类型为库伦摩擦， 摩擦因数取0.3， 模具与坯 料间的界面换热系数为3 000 W/(m2 K)6。设置完 成的有限元模型如图3所示。 （a） 上模 （b） 下模 图2模具三维模型 表1AA6063与H13钢物理性能参数 物理性能 密度/kg m-3 比热/N mm-2 K-1 热传导系数/N (s K)-1 热膨胀系数/1 K-1 杨氏模量/Pa 泊松比 AA6063 2 700 900 198 1.010-5 4.01010 0.35 H13 7 870 460 24.3 1.3210-5 2.11010 0.35 图3有限元模型 图1型材截面 9 万方数据 模具工业 2018年第44卷第1期 2.2模拟结果分析 为了保证型材的形状和尺寸精度， 型材挤压生 产时必须保证模具出口处型材横截面上各个质点 以较均匀的速度流出模孔。初始模具设计方案和 上述工艺参数的挤出型材流速分布如图4所示。由 图4 （b） 可知， 型材整体流速分布不均， 直臂A处流 速较慢， 最小流速为102.5 mm/s， B、 C型孔处的流速 较快， 最大流速为143.7 mm/s； 最大流速与最小流速 的差值为41.2 mm/s。通过观察图4 （a） 中的分流孔 的布置发现， 直臂A部分处于分流孔之下， 其成型过 程类似于平面模挤压， 由于模孔尺寸较小， 且在焊 合室的相应位置设有阻流块， 金属流出模孔的阻力 较大， 该区域的金属流速较慢； 而左右型孔部分虽 处于分流桥之下， 但各有2个面积较大的分流孔为 其供料， 供料充足， 故该区域的金属流速较快。 （a） 模具结构 （b） 挤出型材流速分布 图4初始方案的模具结构与挤出流速分布 出口截面平均流速为115.2 mm/s， 流速差异率 为-11.0%+24.7%， 差异率较大7， 型材两端向中间 弯曲， 初始模具设计方案不合理， 需进一步改进模 具结构以平衡金属流速。模具结构改进采用增大 中间长直臂处的金属流速， 减小型材截面两端金属 流速， 以减小型材截面的流速差异， 提高端面的平 整度。 3模具结构改进 3.1长直臂A处模具结构改进 根据初始模具设计方案的模拟分析结果， 考虑 提高直臂区域的金属流速以提高挤压过程中金属 流动的均匀性。将初始方案中的阻流块高度由5 mm减至1.5 mm， 以减小金属流出模孔的阻力， 如图 5 （a） 所示。模具结构改进后， 在相同的工艺参数下 挤出型材流速分布如图5 （b） 所示。由图5 （b） 可以 看出， 型材流速最快为 131.1 mm/s， 最慢为 107.5 mm/s， 长直臂处流速得到提高， 截面流速差异率降 至-6.7%+13.8%， 型材右端区域的金属流速仍然较 快， 需要对模具结构进一步改进。 （a） 改进后的模具结构 （b） 改进后挤出型材流速分布 图5长直臂A处模具结构改进与挤出流速分布 3.2型孔B处模具结构改进 结合长直臂A处模具结构改进的模拟结果， 在 型材右端区域设计新的阻流块2， 阻流块与模孔边 缘的距离为1 mm， 宽度为4 mm， 高度为3 mm， 阻流 块的结构和布置如图6 （a） 所示。型孔B处模具结构 改进之后挤压型材流速分布如图6 （b） 所示， 从图6 （b） 可以看出， 型材截面最大流速降至119.1 mm/s， 最小流速升到110.2 mm/s， 截面速度差异率由初始 方案的-11.0%+24.7%降至-4.3%+3.4%， 满足型 材出口截面流速差异率5%的最优模具设计评判 依据7， 可用于实际挤压生产。 4试验验证 图7 （a） 所示为初始模具设计方案挤压的型材， 型材的成型质量未达到要求， 根据模拟结果， 右端 10 万方数据 模具工业 2018年第44卷第1期 （a） 改进后的模具结构 （b） 改进后的挤出型材流速分布 图6型孔B处模具结构改进与挤出流速分布 型孔区域的金属流速最快， 中间直臂处的流速最 慢， 由于左右端型孔区域的流速较快， 而中间直臂 区域流速较慢， 导致型材左右两端向中间弯曲， 与 模拟结果基本吻合， 验证了有限元分析的准确性。 图7 （b） 所示为模具结构改进后生产的型材， 经实际 检测， 型材的尺寸与形状达到了设计要求。 （a） 改进前 （b） 改进后 图7模具结构改进前后的型材照片 5结束语 采用数值模拟技术对某异形空心铝型材挤压 工艺进行模拟分析， 得到型材截面的流速分布， 基 于数值模拟结果， 采用了调整阻流块结构尺寸及布 置的改进方案， 使型材截面金属流速更加均匀， 有 效减小了型材截面流速差异率。使用改进后的模 具结构进行型材挤压， 挤出的型材满足成型质量要 求， 数值模拟结果与实际生产基本相符， 能够对同 类型材的挤压生产与模具设计起到指导作用。 参考文献： 1MAHMOODKANI Y,WELL M A,PARSON N,et al.Nu merical modelling of the material flow during extrusion of aluminium alloys and transverse weld formationJ. Journal of Materials Processing Technology,2014,214(3): 688-700. 2谢水生,刘静安,王志英.铝合金车辆大型材模具的设计与 制造工艺研究J.稀有金属,2004,2