建筑幕墻立柱鋁型材擠壓過程數(shù)值模擬分析和擠壓模具工作帶優(yōu)化設計的研究

潘衛(wèi)國

（江蘇省 徐州市 221200）

建筑幕墻立柱鋁型材擠壓過程數(shù)值模擬分析和擠壓模具工作帶優(yōu)化設計的研究

潘衛(wèi)國

（江蘇省 徐州市 221200）

以金屬流出擠壓模具工作帶的流速均勻性為目標，以確保高質量成形為目的，采用正常擠壓工藝設置相應工藝參數(shù)，使用HyperXtrude軟件對擠壓模具工作帶形狀和參數(shù)進行優(yōu)化，提出擠壓工藝與模具相互匹配、具備實際應用可行性的數(shù)值化應用解決方案，用以指導實際批量化的模具制造和鋁型材擠壓生產。同時，此項計算機數(shù)值模擬分析研究方法產生的“虛擬試?！毙Ч梢詼p少鋁型材設計研發(fā)生產周期、節(jié)省實際生產試模次數(shù)、提高生產效率和成品率、降低型材擠壓生產成本，提高鋁型材生產經(jīng)濟效益。

建筑幕墻立柱鋁型材；擠壓工藝；有限元數(shù)值模擬分析；模具設計優(yōu)化

0　引言

建筑幕墻立柱鋁合金型材因具備鋁合金的重量輕、耐腐蝕、強度及外觀平整度高等優(yōu)點，作為建筑幕墻受力的支撐框架材料，在幕墻中起到重要的作用，廣泛應用于中大型、超高建筑工程中，同時，也是幕墻鋁型材生產中較難生產的一種型材。

建筑幕墻立柱鋁合金型材擠壓成形過程非常復雜，屬于三維流動、非線性、大變形問題。型材斷面越復雜，變形的不均勻性越顯著，如果模具設計不合理，型材截面上各部分的金屬流動不均勻，造成在擠出?？讜r就越容易以不同的速度流出，從而使型材產生扭擰、波浪、彎曲以及裂紋等缺陷而報廢，模具也極容易損壞。目前鋁型材擠壓模具的設計還停留在依靠工程類比和設計經(jīng)驗階段，所設計的擠壓模具通過反復試模和修模才能達到合理狀態(tài)[1]。

因此，在鋁型材擠壓工藝和模具開發(fā)過程中采用成形過程數(shù)值模擬技術，可以在制模以前就對成形過程進行計算機仿真，從而獲得鋁合金在模腔內的流動變形和擠壓件形狀、擠壓件內部信息，如位移、速度、溫度、應力、應變、壓力等物理場量的分布，便于及時發(fā)現(xiàn)擠壓件和模具結構中可能出現(xiàn)的缺陷，從而評價擠壓工藝及模具結構設計是否合理，進而實行工藝和模具設計方案的及時修改，這是鋁型材現(xiàn)代化生產發(fā)展的必然趨勢[2]。

本文針對建筑幕墻立柱鋁合金型材和模具初始設計方案，建立有限元數(shù)值模擬三維模型。采用常規(guī)擠壓工藝，并通過設定相應工藝參數(shù)，形成擠壓工藝方案，使用有限元數(shù)值分析軟件HyperXtrude對型材擠壓過程進行有限元數(shù)值模擬，通過多次反復模擬，分析比較數(shù)值模擬結果，最終確定能夠保證模具工作帶設計加工參數(shù)和擠壓工藝參數(shù)二者相互適應、優(yōu)化匹配、具有實際應用可行性的“模具設計和擠壓工藝完整配套”解決方案，用以指導實際批量化模具制造和鋁型材擠壓生產的應用要求，并為其它類似鋁型材擠壓件的設計開發(fā)提供具有實際價值的指導。

1　幕墻立柱鋁型材特點和擠壓方法

本研究選用的建筑幕墻立柱鋁合金型材為對稱空心鋁型材，是具有代表性的型材品種，使用量也比較大，其截面圖如圖1所示。此型材寬度為169.5mm，高度為65mm，最小壁厚為3.0mm，截面積為1424.1mm2，外接圓直徑為φ175.7mm，擠壓鋁合金材料為AA6063-T5。

圖1 型材截面圖

圖1所示的建筑幕墻立柱鋁合金型材常采用圓擠壓筒和平面分流組合模的擠壓方法進行批量化生產。

平面分流模的主要設計要素有分流比、分流孔的形狀和布置位置、分流橋、模芯、焊合室、工作帶、模孔空刀的結構形狀和尺寸等[3、4]。

2　初始模具設計及分析模型的建立

2.1初始模具幾何模型設計

圖1所示的建筑幕墻立柱鋁合金型材要求是在1800t擠壓機上，擠壓筒直徑為φ178mm，選用φ165mm、最大長度700mm的鋁棒進行擠壓。

該型材采用分流組合模擠壓法建立模具初始幾何模型，由上模分流腔、下模焊合腔室、工作帶成形腔、模孔空刀和出口空腔組成。模具統(tǒng)一外徑為φ238mm，上模厚度為110mm，下模厚度為87mm，分流腔深度為95mm，下模焊合腔深度為25mm。上模幾何模型如圖2所示，下模幾何模型如圖3所示。

圖2　上模幾何模型設計圖

圖3　下模幾何模型設計圖

型材截面?？自O計圖如圖4所示，型材?？仔涡呐c擠壓筒中心重合。

圖4　型材截面?？自O計圖

根據(jù)模孔尺寸設計圖設計的模具工作帶初始形狀和長度尺寸設計，如圖5所示，工作帶空刀圓角半徑為R1.5mm。

圖5　模具工作帶初始設計圖

2.2數(shù)值模擬分析模型的建立

采用有限元數(shù)值分析軟件HyperXtrude對型材擠壓過程進行數(shù)值模擬分析，建立的分析模型包括：鋁合金金屬流體部分、由上模和下模組成的分流組合模具部分以及擠壓工藝參數(shù)與材料參數(shù)。根據(jù)有限元數(shù)值模擬技術要求，為了簡化分析模型，在建立三維模型時，省略了模具上與分析無關的幾何特征，例如：螺孔、定位銷等[4]。使用Solidworks軟件， 獲得整體三維分析模型，然后，以Step格式輸入到HyperXtrude即可完成分析模型幾何形狀的輸入，如圖6所示。

圖6　數(shù)值模擬分析模型圖

金屬流體部分的模型由鋁合金鑄棒、分流腔金屬、焊合腔金屬、工作帶金屬、出口型材金屬組成。

此部分的模擬結果可以數(shù)值化表述各個金屬部分徑向或軸向的溫度、速度、變形位移、壓力、應力、應變、晶粒度、屈服應力等分析要素大小和分布情況。

固定部分的模具模型由上模、下模組成。此部分模擬結果可以數(shù)值化表述所有模具不同部位徑向或軸向的溫度、變形位移、壓力、應力和應變等分析要素大小和分布情況。

2.3物理性能參數(shù)、數(shù)值模擬邊界條件設置

6063鋁合金的化學成分見表1所示。數(shù)值模擬分析的材料物理性能參數(shù)設置見表2所示。

數(shù)值模擬邊界條件鋁合金坯料和工模具之間摩擦類型及其摩擦因數(shù)、鋁合金坯料和模具與環(huán)境傳熱系數(shù)等參數(shù)，其設置如表3所示。

表1　6063鋁合金的化學成分（質量分數(shù)/%）

表2　擠壓坯料及工模具材料物理性能參數(shù)

表3　數(shù)值模擬邊界條件設置表

3　擠壓工藝與模具工作帶相互適應匹配方案的確定

3.1擠壓工藝設置方案

采用6063鋁合金常規(guī)擠壓工藝，按照表4設定鑄棒溫度、擠壓筒溫度、模具溫度、擠壓速度等工藝參數(shù)作為擠壓工藝方案。

表4　低溫快速擠壓工藝參數(shù)設置方案

3.2初始分析模型的數(shù)值模擬結果

針對以上擠壓工藝方案，運用HyperXtrude數(shù)值分析軟件對建立的初始分析模型進行擠壓過程數(shù)值模擬，得到了如表5所示的數(shù)值模擬結果，包括：型材內外表面平均溫度及溫度范圍、型材出口截面速度變化范圍及速度差異率、總擠壓力等數(shù)值，以及流動金屬部分的溫度彩色分布云圖（如圖7所示）和型材部分的變形位移、溫度、速度彩色分布云圖（如圖8、圖9、圖10所示）。

表5　初始分析模型的數(shù)值模擬結果

圖7　流動金屬部分溫度分布云圖

圖8　型材部分變形位移分布云圖

圖9　型材部分溫度分布云圖

圖10　型材部分速度分布云圖

3.3數(shù)值模擬結果分析小結

（1）鋁合金流體部分出口處的型材內表面最高溫度為563.4℃，最低溫度為470.6℃，平均溫度為522.1℃，溫度差異率為17.37%；外表面最高溫度為561.5℃，最低溫度為470.6℃，平均溫度為523.5℃，溫度差異率為17.78%，具體分布情況見圖9。金屬在流出模具工作帶后的成形溫度均超過500℃，符合6063合金淬火工藝要求的500～595℃溫度范圍，通過風冷淬火工藝可以保證型材的機械、物理性能達到要求。但因型材內、外表面溫度差異率較大，引起型材表面產生較嚴重變形，沿擠壓方向（Z向）最大相對變形量達到24.9mm，如圖8所示。

（2）鋁合金金屬流動所需的總擠壓力為1511.9t，擠壓墊處最大擠壓壓力為541.3MPa，低于1800t擠壓機提供的擠壓力，符合設計要求。

（3）鋁合金流體部分出口處型材截面沿Z向（擠壓方向）的最大擠出速度為623.4mm/s，最小擠出速度為216mm/s，具體分布情況見圖10，最大和最小速度差為407.4mm/s，型材出口處Z向速度差異率為-49.4%～+46.1%，鋁合金材料流動不均勻，擠出速度不均衡，表現(xiàn)為兩短邊側金屬流速遠大于兩長邊側金屬流速，且四個90°尖角處的金屬流速最大，型材擠出成形過程中發(fā)生較嚴重變形，如圖10所示。

基于以上分析小結，在保持各項擠壓工藝參數(shù)不變的前提下，應設定最佳模具設計及擠壓方案的研判依據(jù)，本著經(jīng)濟、高效原則，首先對模具初始設計的工作帶形狀和尺寸進行優(yōu)化，其次對上模分流腔和下模焊合室結構及尺寸進行優(yōu)化，以保證其符合研判依據(jù)的要求。

3.4最佳模具設計和擠壓方案的研判依據(jù)

為了保證型材成形最小程度的變形、獲得穩(wěn)定的機械性能和組織結構，本文提出：在優(yōu)化模具工作帶、上模分流腔和下模焊合室等模具關鍵結構設計的前提下，確保金屬流出模具出口處型材表面溫度為499～593℃，控制表面溫度差異率≤15%的條件下，以型材出口截面速度差異率≤5%做為最優(yōu)模具設計和擠壓工藝方案的研判依據(jù)。

以型材出口截面速度差異率表述型材出口截面金屬流動均勻程度，差異率越小金屬流動越均勻，型材變形量也就越小。

3.5優(yōu)化模具初始設計工作帶的模擬結果

利用HyperXtrude數(shù)值分析軟件的模具工作帶自動優(yōu)化的功能，進行多次數(shù)值模擬分析，優(yōu)化模具初始設計的工作帶形狀和尺寸，最終得到與擠壓工藝參數(shù)相互適應、優(yōu)化匹配的最佳模具工作帶設計方案，模具工作帶優(yōu)化后的分析模型數(shù)值模擬分析結果如表6所示。型材部分的變形位移、溫度、速度彩色分布云圖，如圖11、圖12、圖13所示。

表6　模具工作帶優(yōu)化后的分析模型數(shù)值模擬結果

圖11　工作帶優(yōu)化后型材部分變形位移分布云圖

圖12　工作帶優(yōu)化后型材部分溫度分布云圖

圖13　工作帶優(yōu)化后型材部分速度分布云圖

3.6優(yōu)化前后的模具工作帶、型材部分變形位移和擠出速度變化的對比結果

根據(jù)圖5所示模具工作帶初始設計圖生成的未經(jīng)優(yōu)化模具工作帶立體圖形，如圖14所示，對應的模具出口處型材部分變形位移變化云圖如圖8所示，型材部分速度變化云圖如圖10所示。

圖14　未經(jīng)優(yōu)化的模具工作帶立體圖

與擠壓工藝方案所對應的優(yōu)化后的模具工作帶立體圖形如圖15所示，對應模具出口處型材部分變形位移變化云圖如圖11所示，型材部分速度變化云圖如圖13所示。由此立體圖形生成的工作帶設計圖，如圖16所示。

圖15　優(yōu)化后的模具工作帶立體圖

圖16　優(yōu)化后的模具工作帶設計圖

對比結果表明：

（1）經(jīng)過優(yōu)化的模具工作帶，在表4所示擠壓工藝參數(shù)條件下，型材擠壓成形后的表面沿擠壓方向（Z向）相對位移變形差由未優(yōu)化的24.1～24.9mm變?yōu)閮?yōu)化后的2.06～2.3mm，金屬流動均勻性顯著改善，成形后的型材整體未產生明顯變形。具體參見圖8和圖11。

（2）經(jīng)過優(yōu)化的模具工作帶，在表4所示擠壓工藝參數(shù)條件下，型材擠壓成形后的表面相對流速差由未優(yōu)化的407.4mm/s 變?yōu)閮?yōu)化后的21.5mm/s，速度差異率由未優(yōu)化的-49.4%～+46.1%變?yōu)閮?yōu)化后的-2.4%～+2.6%，成形后的型材各部位流速差別輕微，未產生明顯變形，型材整體變形均勻，成形質量好。具體參見圖10和圖13。

（3）由對比結果可知，在擠壓工藝參數(shù)不變、已設計成形的結構不做變更前提下，通過優(yōu)化模具工作帶初始設計，已經(jīng)實現(xiàn)了型材擠壓成形流速均衡，整體變形均勻，未產生明顯變形的目的，無需再對模具的其他結構進行調整。僅需按優(yōu)化的工作帶尺寸重新修正模具設計，是能夠得到與擠壓工藝相互適應、匹配的擠壓模具設計方案，并應用于后續(xù)的模具制作與鋁型材擠壓生產的實際過程中。

4　結論

（1）基于HyperXtrude數(shù)值分析軟件成功實現(xiàn)了對建筑幕墻立柱鋁合金型材擠壓過程的三維數(shù)值模擬分析，模擬結果直觀明了，可以定量地研究擠壓工藝參數(shù)和模具結構參數(shù)對擠壓過程中鋁型材成形的影響。

（2）通過對鋁合金在模腔內的流動變形和擠壓件形狀、擠壓件內部信息等物理場量的分析，完成對新設計模具及各工藝參數(shù)對鋁型材擠壓成形影響規(guī)律的驗證和確認，并在此基礎上通過反復多次數(shù)值模擬，可以對模具工作帶形狀和尺寸進行優(yōu)化設計，最終得到擠壓工藝與模具結構相互匹配最優(yōu)的建筑幕墻立柱鋁合金型材的模具設計及型材擠壓應用方案，用以指導實際的模具制作和擠壓生產。

（3） 模擬結果得到的建筑幕墻立柱鋁合金型材擠壓過程的金屬流動速度、溫度、變形位移、壓力、應力、應變、晶粒度、屈服應力等分析要素數(shù)值大小和分布圖表，達到了“虛擬試?！钡男Ч?，因此可以減少鋁型材及其模具的設計研發(fā)生產周期、節(jié)省實際生產試模次數(shù)、提高生產效率和成品率、降低型材擠壓生產成本，節(jié)省大量資金，提高鋁型材生產經(jīng)濟效益。

[1]王赫男，王孟軍.基于HyperXtrude鋁型材擠壓模具優(yōu)化設計[J].鋁加工，2012（6）；10-14

[2]吳向紅，趙國群.鋁材長方形空心管擠壓過程數(shù)值模擬與模具結構優(yōu)化設計[J].機床與液壓，2006（11），20-23

[3]賈俐俐，高錦張.擠壓工藝與模具設計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004:194-241

[4]陳浩，趙國群. 薄壁空心鋁型材擠壓過程數(shù)值模擬及模具優(yōu)化[J].機械工程學報，2010（12），34-39

（編輯：余東梅）

Aluminum Extrusion Process Numerical Simulation Analysis for Building Curtain Wall Post and Research on Working Tape Optimization Design for Extrusion Die

PAN Wei-guo
（Jiangsu，Xuzhou ，221200，China）

To take velocity uniformity of working tape of metal outflow extrusion die as the goal，to ensure the high quality forming，using normal extrusion process to set the corresponding process parameters，using HyperXtrude software to optimize extrusion die working tape shape and parameters，extrusion technology and die match each other，practical application feasibility of the numerical value application are put forward，to guide the actual mass of die manufacturing and aluminum extrusion production. At the same time，the computer numerical simulation research method of “virtual die testing” effect can reduce the aluminum design research and development production cycle，save the actual production test times，improve production efficiency and yield，lower profile extrusion production cost，improve aluminum profile production economic benefits.

aluminum profile for building curtain wall post；extrusion process；FEA analysis；die design optimization

TG375+.41

A

1005-4898（2016）02-0020-07

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.02.04

潘衛(wèi)國（1969-），男，新疆烏魯木齊人，工程師。

2015-10-20