杨珊_薄壁空心铝型材挤压模具阻流块结构优化设计

Key words: profile extrusion, numerical simulation, HyperXtrude, block
1 引言
铝合金型材因其强度高、 重量轻、 导电导热性好、 耐腐蚀性好、 表面美观以及易于回收等优点， 被广泛应用于建筑、车辆、船舶、飞机、通讯设备、机械制造、运动器械、家具和装饰等各个领域。 在型材的挤压过程中，材料流动异常复杂，采用传统的测量方法难以全面了解材料流速分布，而通 过挤压过程数值模拟，可以方便地获得材料流速、型材变形程度、温度以及应力应变等物理场量的 分布情况。根据数值模拟结果对模具结构进行相应优化，可减少试模、修模的次数，提高效率，节 约成本。 近年来， 国内外许多学者利用数值模拟的方法研究了挤压模具结构对挤压过程的影响规律， 并 取得了较大进展。GÜLEY 等[1]研究了平模和分流模对 AA6060 棒料热挤压固态重结晶过程中的焊 合质量的影响。黄泽涛等[2]通过球形卸压和拱形沉桥两种结构对方管铝型材挤压模结构进行优化。
3 阻流块的设计与分析
3.1 方案设计
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挤压模具结构不合理是导致该型材截面速度不均的主要原因。为了消除初始方案中设计的缺 陷，本文采取在焊合室内增设阻流块的模具修改方案。由图 4 可以看出型材上部(Part I)材料流速 最大,型材中下部弯折处(Part II)材料流速最小，且变形严重。为了改善材料流动不均匀，初步考虑 限制型材上部(Part I)的流速，因此在型材上部(Part I)相对应的焊合室处增设阻流块。根据喻俊荃 等[19]总结的阻流块设计原则对本文异型材挤压模具进行阻流块的设计。阻流块截面形状与相应部 位型材的截面形状类似，阻流块宽度设置为 2mm(型材宽度的 2 倍)，高度初设为 4mm（焊合室高 度的 1/3 左右） ，阻流块到模孔的距离设置为 0.5mm。 为了得到符合尺寸要求的型材，需要多次调整阻流块，本文在初始设计方案(记为 A0)的基础 上对阻流块进行了 6 次调整(记为方案 A1 到 A6)。根据喻俊荃等[19]的研究结果，阻流块宽度以及 阻流块到模孔的距离在之后的调整中不变， 只重点调整阻流块高度， 辅助调整阻流块截面形状以及 分布。各次调整的阻流块截面形状、高度以及分布见图 5。各次调整的下模三维图及模拟对应的型 材截面材料流动速度分布图分别见图 6 和图 7。 各次调整后模拟获得的型材截面材料流动速度差及 SDV 值见表 2。
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薄壁空心铝型材挤压模具阻流块结构优化设计 The Design of Block Structure in Extrusion Die of a Thin-walled Aluminum Profile
杨珊 张存生* 赵国群 周丽 （山东大学材料科学与工程学院 济南市 250061）
n
SDV =
v
∑ (v − v )
i =1 i
2
n
(3)
式中， i 为考察截面上 i 节点处材料的流动速度， v 为所有考察节点的平均速度， n 为考察节点总 数。显然，SDV 值越小，型材截面速度分布越均匀。选取模具出口处的型材截面上的所有节点作 为考察点，经过计算，初始方案的 SDV 值为 15.98mm/s。
材料 料筒温度(°C) 棒料温度(°C) 挤压比 棒料直径(mm) 挤压速度(mm/s) 模具温度(°C) 热交换因子(W/m )
2
AA6063 450 480 32.2 160 1 450 3000
2.3 模拟结果分析
挤压生产中，型材截面的速度分布是否均匀直接影响型材的质量。图 4 为初始方案中截面的 速度分布图，可以看到最大速度为 74.16mm/s，最小速度为 27.29mm/s，速度差达到 46.87mm/s。 由于型材截面的速度分布非常不均匀， 导致型材挤出模具后发生了严重的扭拧， 型材的尺寸和形状 均不符合实际要求。
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LI 等[3,4]通过设计不同参数的导流室分析了导流室结构对材料流速的影响。 ZHI 等[5]研究了导流室的 分布位置(偏心率)对材料流速的影响。LEE 等[6]研究了焊合室形状对材料流动的影响。李群松等[7] 研究了工作带长度对模具散热和型材扭曲变形程度的影响规律。WU 等[8]通过修改分流孔及分流孔 到工作带的路径，优化设计了方形空心型材挤压模具。张双杰等[9]通过挤压成形极限分析得到了厚 壁管件有芯棒开式冷挤压的最佳模具锥角。陈泽中等[10]利用正交测试、人工神经网络以及遗传算 法实现了薄壁非规则铝型材的多目标优化。刘超等[11]通过建立神经网络、正交实验法和遗传算法 相结合的铝型材挤压模具结构优化模型和挤压模具 CAO(Computer Aided Optimization)系统，对 不对称槽形型材挤压进行了模具优化。赵国群课题组通过调整二级焊合室、阻流块、引流槽、工作 倪正顺等[15] 带长度等挤压模具结构， 有效控制了模腔内材料的流动情况， 并提高了模具寿命[12-14]。 通过增设导流槽、合理布置分流孔和调整工作带长度等措施优化了多边形空心铝型材挤压模具结 构，同时提高了模具寿命。宋佳胜等[16]通过增加模芯处引流孔直径、增大引流槽斜度、调整二级 焊合室的大小和工作带长度等措施对列车车体 106XC 型材模具结构进行了优化。 本 文 针 对 一 复 杂 截 面 且 具 有 微 小 特 征 的 空 心 铝 型 材 的 挤 压 过 程 开 展 研 究 。 采 用 Altair HyperXtrude 软件对该铝型材的挤压过程进行数值模拟， 根据初始模拟结果中型材截面速度分布均 匀性较差，采取在焊合室增设阻流块的方案调整了模具结构，最终得到较为理想的模具结构。
是应变速率， Q 是变形激活能， R 是摩尔气体常数， T 是绝对温度。对于 AA6063，各系数分 ε
别取如下[18]： Q = 1.416 × 10 J / mol ， R = 8.314 J /( mol ⋅ k ) ， A = 5.91× 10 s ， n = 5.385 ，
5
9 −1
α = 4 ×10 −8 m 2 / N 。
摘 要： 挤压模具在铝型材挤压生产中起着至关重要的作用， 直接影响挤压产品的质量和企业的生
产成本。然而在实际生产中，挤压模具的设计更多依赖设计师的经验，模具质量难以保证，需要多 次试模和修模方可生产出合格的型材产品。本文采用 Altair 公司基于 ALE 算法的 HyperXtrude 软 件对某一复杂断面空心型材的挤压过程进行数值模拟。 根据初始模具结构中材料流动严重不均的现 象，提出在焊合室内增设阻流块并调整阻流块的模具修改、优化方案，有效地解决了挤压过程中材 料流动速度不均的问题，获得了较为理想的模具结构。因此，利用数值方法对挤压模具结构进行优 化可为同类铝型材挤压模具设计提供可靠地理论基础。
关键词：型材挤压 数值模拟 HyperXtrude 阻流块 Abstract: Extrusion die plays a vital role in aluminum profile extrusion production, directly
affecting the quality of extrusion products and the production cost. However, in practice, the design of extrusion die relies more on the designer's experience, thus many times of modifications and experiments are needed to produce desired products. In this paper, Altair HyperXtrude based on the ALE algorithm is used for the numerical simulation of the extrusion process of a hollow profile with complex cross-section. According to the seriously non-uniform material flow in the initial die, the block in the welding chamber is used to optimize die structure and balance material flow during extrusion. Therefore, using the numerical method to optimize the extrusion die structure can provide reliable theoretical basis for the same kind of aluminum extrusion die design.
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图 1 型材截面形状及主要尺寸(单位：毫米)
分流孔 分流桥 模芯 焊合室 工作带 空刀 模孔 工作带
(a)上模
(b)下模
图 2 挤压模具三维图
2.2 分析模型的建立
将初始设计方案的模具三维模型导入分析软件 HyperXtrude 后，抽取材料流经区域，并进行 适当的几何清理，然后划分网格。整个模型分为棒料、分流孔、焊合室、工作带和型材五个部分， 其中工作带和型材部分采用三棱柱单元， 其他部分采用四面体单元。 分析模型的单元尺寸由材料的 变形程度决定，工作带附近因材料的变形较剧烈，单元的划分较细密，而在棒料部分的材料只发生 镦粗变形，单元划分较粗，这样既保证了分析精度，又控制了单元数量，节省了计算时间。划分后 的体网格模型如图 3 所示，单元数量为 25 万左右。
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在实际挤压过程中，挤压筒内壁、分流孔、模具上模面附近金属变形剧烈，可认为金属之间不 发生相对移动，它们之间的摩擦设为粘着摩擦；而在模具工作带部分，虽然金属变形也比较剧烈， 但相对于模具，金属已经获得一定的速度，更接近于滑动摩擦，因此在模拟过程中模具工作带处采 用库伦摩擦，摩擦因数取为 0.3。模拟中所采用的工艺参数见表 1。 表 1 初始工艺参数