鋁型材多孔多級(jí)導(dǎo)流模設(shè)計(jì)及模擬

喬 磊，王孟君，陳欣怡，王迎新，袁玉寶，潘學(xué)著

（1.中南大學(xué)有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.廣亞鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528237）

鋁型材多孔多級(jí)導(dǎo)流模設(shè)計(jì)及模擬

喬 磊1，王孟君1，陳欣怡1，王迎新2，袁玉寶2，潘學(xué)著2

（1.中南大學(xué)有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.廣亞鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528237）

采用HyperXtrude有限元模擬分析軟件研究了鋁型材多孔?！暗乳L(zhǎng)工作帶”擠壓時(shí)的多級(jí)導(dǎo)流相關(guān)技術(shù)，探討了工作帶等長(zhǎng)時(shí)導(dǎo)流室級(jí)數(shù)及各級(jí)導(dǎo)流室高度對(duì)型材出口流速的影響。結(jié)果表明，多孔模擠壓時(shí)隨著導(dǎo)流室級(jí)數(shù)的增加金屬的流動(dòng)逐漸趨于均勻，三級(jí)導(dǎo)流模各級(jí)導(dǎo)流室高度一致時(shí)的流速最為均勻。

HyperXtrude；多孔模；多級(jí)導(dǎo)流；等長(zhǎng)工作帶

0 前言

模具是鋁型材擠壓加工的重要裝備之一，模具開(kāi)發(fā)質(zhì)量和周期直接影響著鋁型材的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本等。鋁型材模具開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、修模試模次數(shù)多、模具質(zhì)量不穩(wěn)定等是現(xiàn)有鋁型材加工及其模具行業(yè)面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題[1、2]。發(fā)達(dá)國(guó)家小斷面型材往往采用多孔模具擠壓生產(chǎn)，而國(guó)內(nèi)仍主要以單孔模具擠壓。較之單孔模具擠壓，在擠壓速度相同的情況下，多孔模具生產(chǎn)效率成倍提高，另外采用多孔模具技術(shù)不僅可以減小擠壓系數(shù)，降低擠壓力，在壓余不變的情況下，還可以通過(guò)提高鑄錠長(zhǎng)度，減少幾何廢料，從而提高型材的成品率[3]。對(duì)多孔模具而言，當(dāng)處理一些不規(guī)則型材和由于考慮出料問(wèn)題而要求?？撞季植粚?duì)稱設(shè)計(jì)時(shí)，普通平模已難以有效控制金屬的流速。近年來(lái)，人們已開(kāi)始使用帶導(dǎo)流室的擠壓模具，使金屬在擠壓成型前先通過(guò)導(dǎo)流室形成一個(gè)大致相似的形狀，尤其對(duì)于一些大寬厚比的型材，導(dǎo)流室的采用可以保證擠出型材的平直[4～6]。通過(guò)ZhiPeng[7、8]等人的研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流室形狀的改變對(duì)流速的影響極大。本文采用Hyper-Xtrude有限元模擬分析軟件研究了鋁型材多孔?！暗乳L(zhǎng)工作帶”擠壓時(shí)的多級(jí)導(dǎo)流相關(guān)技術(shù)，探討了不依靠工作帶調(diào)整金屬流速時(shí)焊合室級(jí)數(shù)及各級(jí)焊合室高度對(duì)型材出口流速的影響。

1 多孔多級(jí)導(dǎo)流模具的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方案

1.1 型材與?？撞贾?/p>

本文所選型材如圖1所示，型材一側(cè)的壁Ⅲ較長(zhǎng)，壁厚相對(duì)較大，型材另一側(cè)的兩個(gè)分支Ⅰ、Ⅱ壁厚相對(duì)較小，在實(shí)際擠壓過(guò)程中壁厚較大處金屬流速比壁薄處快。擠壓模具設(shè)計(jì)最核心的問(wèn)題便是流速的控制，不均勻的流速可能引起型材出料后產(chǎn)生彎曲、扭擰等缺陷[9、10]。該型材在擠壓時(shí)采用兩孔模，在考慮?？椎牟季謺r(shí)，將兩個(gè)型材的位置設(shè)計(jì)成如圖1所示，該模孔位置的布置不僅能保證出料的安全，便于牽引，而且在一定程度上能夠抵消兩個(gè)分支Ⅰ、Ⅱ流速較慢的影響，起到一定的平衡作用。

圖1 型材與?？撞贾?/p>

1.2 導(dǎo)流室的設(shè)計(jì)

1.2.1 導(dǎo)流室形狀

在帶導(dǎo)流室的模具中，導(dǎo)流室角度越大金屬的流速越快，增大導(dǎo)流室的寬度和采用多級(jí)導(dǎo)流室都是間接增大了導(dǎo)流室的角度，達(dá)到改善金屬流動(dòng)的效果，多級(jí)導(dǎo)流技術(shù)還能有效減小死區(qū)的大小，因此可以通過(guò)導(dǎo)流室級(jí)數(shù)和導(dǎo)流室的角度來(lái)調(diào)整金屬的流速。根據(jù)“同心圓”法則，金屬流速隨著與模具中心位置的距離變大而減小，因此需要增大距離模具中心位置較遠(yuǎn)處的導(dǎo)流室寬度。根據(jù)以上原則可以最終確定導(dǎo)流室的輪廓形狀，設(shè)計(jì)出如圖2所示的多級(jí)導(dǎo)流室形狀。一級(jí)導(dǎo)流模只有導(dǎo)流室a，二級(jí)導(dǎo)流模包括導(dǎo)流室a、b，三級(jí)導(dǎo)流模包括導(dǎo)流室a、b和c。

圖2 導(dǎo)流室輪廓

1.2.2 導(dǎo)流室高度

本文的目的在于通過(guò)調(diào)整導(dǎo)流室的形狀和高度來(lái)控制金屬的流速，因此該型材采用多孔模擠壓時(shí)，其工作帶長(zhǎng)度恒定設(shè)計(jì)為4mm，相對(duì)于傳統(tǒng)的通過(guò)調(diào)整工作帶長(zhǎng)度來(lái)控制流速的設(shè)計(jì)，稱之為“等長(zhǎng)工作帶”。為了探討導(dǎo)流室級(jí)數(shù)以及導(dǎo)流室高度對(duì)金屬流動(dòng)性的影響，分別設(shè)計(jì)了五套帶導(dǎo)流室的模具，各導(dǎo)流模尺寸設(shè)計(jì)分別如圖3所示。圖3（a）為一級(jí)導(dǎo)流模，（b）為二級(jí)導(dǎo)流模，（c）為三級(jí)導(dǎo)流模，（d）、（e）也都具有三級(jí)導(dǎo)流室結(jié)構(gòu)。與（c）相比（d）的導(dǎo)流室高度沿?cái)D壓方向逐級(jí)增大，定義為“前進(jìn)型”導(dǎo)流模，（e）的導(dǎo)流室高度沿?cái)D壓方向逐級(jí)減小，定義為“后退型”導(dǎo)流模。

圖3 多孔導(dǎo)流模導(dǎo)流室高度設(shè)計(jì)

2 多級(jí)導(dǎo)流的數(shù)值模擬

2.1 模型的建立及材料參數(shù)的選取

圖4所示為用Pro/E繪制的模具三維模型。Pro/ E建模具有細(xì)節(jié)嚴(yán)謹(jǐn)，仿真度高的特點(diǎn)，良好的3D模型可使有限元模擬結(jié)果更接近實(shí)際生產(chǎn)。

圖4 三級(jí)導(dǎo)流室的三維模型

借助HyperWorks里面集成的HyperMesh模塊對(duì)擠壓所用的工模具以及坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在軟件自帶材料庫(kù)中將模具材料設(shè)定為H13鋼，坯料為6063鋁合金。該多孔模為對(duì)稱模具，在模擬過(guò)程中，為節(jié)省運(yùn)算量，取二分之一進(jìn)行研究。圖5為金屬棒料和模具中流體所劃分的網(wǎng)格，其中坯料和導(dǎo)流室里面的金屬所用網(wǎng)格類型為四面體，工作帶與型材的網(wǎng)格類型為五面體。模擬所選取的擠壓參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 有限元模型

表1 擠壓工藝參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果的分析

為了更好的分析擠壓過(guò)程，將型材分為如圖6所示等距的25個(gè)區(qū)段，取每區(qū)段的中點(diǎn)作為計(jì)算該段流速SDV值的特征點(diǎn)。選取金屬流速方差作為判斷流速差異大小的依據(jù)[11、12]，具體定義為：

圖6 型材分段示意圖

圖7 型材流速分布

圖7a為金屬通過(guò)一級(jí)導(dǎo)流模具擠出的型材速度分布圖，可以看出靠近模具中心處流速快，遠(yuǎn)離模具中心處流速慢，流速差達(dá)到150mm/s，通過(guò)計(jì)算得出型材擠出速度的SDV值約為7.24。

圖7b為金屬通過(guò)二級(jí)導(dǎo)流模具擠出的型材速度分布圖，從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)兩次導(dǎo)流后型材流出的速度較一級(jí)導(dǎo)流模要均勻，尤其是在壁Ⅲ位置處型材的流速基本一致，整個(gè)截面上的最大速度與最小速度的差值也大大減少。通過(guò)計(jì)算得出二級(jí)導(dǎo)流模型材擠出速度的SDV值約為0.511，相比一級(jí)導(dǎo)流模的SDV值有大幅降低，說(shuō)明經(jīng)過(guò)兩次導(dǎo)流之后，型材流速的均勻性有較大提高。

圖7c為金屬通過(guò)三級(jí)導(dǎo)流模具擠出的型材速度分布圖，從圖中可知，與二級(jí)導(dǎo)流模相比，型材流速的均勻性更好，而且通過(guò)計(jì)算其SDV值約為0.371，說(shuō)明通過(guò)三次導(dǎo)流后，型材的流速變得更為均勻，也說(shuō)明了三級(jí)導(dǎo)流比二級(jí)導(dǎo)流能更有效的平衡金屬的流動(dòng)。

圖7d、e分別為金屬由“前進(jìn)型”導(dǎo)流模和由“后退型”導(dǎo)流模擠出后的速度分布圖，從圖中可以看出這兩種情況的型材出口流速雖然較一級(jí)導(dǎo)流模均勻，但明顯比各級(jí)導(dǎo)流室高度一致的三級(jí)導(dǎo)流模差。通過(guò)計(jì)算其SDV值，分別為0.899和1.053，說(shuō)明了采用三級(jí)導(dǎo)流的模具在各級(jí)導(dǎo)流室高度一致時(shí)才能最有效地調(diào)整金屬的流速，使型材均勻擠出。

圖8 三級(jí)導(dǎo)流模內(nèi)某時(shí)刻各導(dǎo)流室內(nèi)金屬的流速

圖8所示的為穩(wěn)定擠壓后某一時(shí)刻三級(jí)導(dǎo)流模內(nèi)金屬在各級(jí)導(dǎo)流室內(nèi)的流速分布。金屬在第一級(jí)時(shí)，由圖8a可見(jiàn)靠近模具中心處（即分支I，II處），金屬的流速約150mm/s，而分支III整體流速約為60mm/s，流速差過(guò)大，說(shuō)明只有一級(jí)導(dǎo)流時(shí)金屬的流動(dòng)很不平衡，即使通過(guò)工作帶對(duì)流速進(jìn)一步調(diào)節(jié)也難以得到更好的結(jié)果；圖8b為經(jīng)過(guò)第二級(jí)導(dǎo)流后的金屬流速分布，分支III整體的流速較第一次導(dǎo)流時(shí)有所增大達(dá)到80mm/s，但是在分支III上各部分的流速差異仍較大，說(shuō)明經(jīng)過(guò)兩次導(dǎo)流后金屬遠(yuǎn)離模具中心處的流速有所提高，與I、II分支間的流速差進(jìn)一步減?。煌ㄟ^(guò)第三級(jí)導(dǎo)流，分支III各處金屬的流速更為均勻，如圖8c所示。導(dǎo)流室可以實(shí)現(xiàn)擠壓加工時(shí)金屬的預(yù)分配，滿足金屬均勻流動(dòng)的要求，三級(jí)導(dǎo)流意味著坯料在進(jìn)入擠壓模具時(shí)先進(jìn)行了三次預(yù)變形，坯料逐級(jí)接近型材的形狀，從而逐漸縮小金屬的流速差。綜上可知，模具的多級(jí)導(dǎo)流對(duì)平衡金屬流速的作用顯著，能使金屬在進(jìn)入工作帶成形之前變的盡可能均勻，減少對(duì)工作帶調(diào)整流速的依賴。

3 結(jié)論

（1）模具工作帶等長(zhǎng)時(shí)，多孔模擠壓隨著導(dǎo)流室級(jí)數(shù)的增加金屬的流動(dòng)逐漸趨于均勻，金屬流速的均勻性從一級(jí)、二級(jí)到三級(jí)導(dǎo)流模逐漸提高，三級(jí)導(dǎo)流可最大限度的平衡金屬在進(jìn)入工作帶區(qū)域前的流速，使型材出口流速均勻。

（2）三級(jí)導(dǎo)流時(shí)，各級(jí)導(dǎo)流室的高度設(shè)計(jì)為一致時(shí)金屬的流動(dòng)最為均勻，其次是“前進(jìn)型”導(dǎo)流模，“后退型”導(dǎo)流模最差。

[1] 劉靜安，邵蓮芬，張志軍.鋁合金擠壓模具的修正技術(shù)[J].輕合金加工技術(shù)，2009，37（12）：26-35

[2] 劉靜安，邵蓮芬.鋁合金擠壓工模具典型圖冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.10

[3] 何釗.基于HyperXtrude的多孔模具研究及應(yīng)用[D].中南大學(xué)，2012

[4] 賈俐俐，高錦張.實(shí)心鋁型材擠壓導(dǎo)流模應(yīng)用研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2000，02:66-69

[5] 王忠洲.鋁型材擠壓導(dǎo)流模的應(yīng)用研究[J].四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，04:9-16

[6] 王祖唐，張新泉.鋁型材擠壓導(dǎo)流模設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].輕合金加工技術(shù)，1992，01:38-44

[7] ZhiPeng, Terry Sheppard.Simulation of multi-hole die extrusion[J].Materials Science and Engineering, 2004,（367）:329-342

[8] ZhiPeng, Terry Sheppard.Effect of die pockets on multi-hole die extrusion[J].Materials Science and Engineering, 2005,（407）:89-97

[9] 王孟君，何釗，武星星，李彩文，李光耀.Deformation simulation of low-temperature high-speed extrusion for 6063 Al alloy[J].Journal of Central South University of Technology，2010，05:881-887

[10] 王赫男，王孟君，劉超，喬磊，葛鵬.基于HyperXtrude鋁型材擠壓模具優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鋁加工，2012，06:11-15

[11] 鄭榮，包忠詡，周天瑞，黃克堅(jiān).三維鋁型材擠壓模多參數(shù)優(yōu)化[J].金屬成形工藝，2004，01:69-72

[12] 王樹勛，等.實(shí)用模具設(shè)計(jì)與制造[M].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，1991

（編輯：張為賓）

Design and Simulation of Multihole and Multistage Diversion Mode for Aluminum Profile

QIAO Lei1，WANG Meng-jun1，CHEN Xin-yi1，WANG Ying-xin2，YUAN Yu-bao2，PAN Xue-zhu2
(1.The Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083,China; 2. Guangya Aluminium Co. Ltd., Foshan 528237, China)

Related technology of multihole and multistage diversion mode for aluminum profile is simulated using the HyperXtrude software. The results show that the metal flow tends to be uniform with the increase of diversion chamber levels, and three flow guide die has the most uniform velocity when the diversion chamber height are the same.

HyperXtrude; multihole die; multistage diversion; work-belt with equal length

TG375+.41

A

1005-4898（2014）06-0004-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.06.01

諾貝麗斯中國(guó)首家汽車鋁板熱處理廠竣工投產(chǎn)

佛山市科技創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)專項(xiàng)資助（2013GQ100082）

喬磊（1990-），男，河南南陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事模具設(shè)計(jì)及擠壓模擬的研究。

2014-05-11

10月21日，全球領(lǐng)先的鋁壓延產(chǎn)品制造商及鋁回收利用的領(lǐng)導(dǎo)者諾貝麗斯宣布其常州工廠暨中國(guó)首間汽車鋁板熱處理制造廠正式竣工投產(chǎn)。諾貝麗斯常州工廠的啟用標(biāo)志著諾貝麗斯將成為唯一一家在亞洲、歐洲和北美洲三大主要汽車生產(chǎn)區(qū)域擁有制造汽車鋁板能力的供應(yīng)商。