復(fù)雜多腔鋁型材擠壓過程數(shù)值模擬與模具設(shè)計(jì)優(yōu)化的實(shí)踐應(yīng)用

王 浩，呂其曄，曲兆金，袁童安，王先鵬

（龍口市叢林鋁材有限公司，山東 龍口 265705）

鋁合金是目前我國應(yīng)用的主要工程材料之一，該類材料憑借著其具有的良好的耐腐蝕性、可加工性、比強(qiáng)度、環(huán)保性等優(yōu)點(diǎn)在我國的航空航天、建筑與軌道交通等方面占據(jù)著主要的核心地位，而復(fù)雜多腔鋁型材則是眾多鋁合金中具有代表性的類型之一，它在模具設(shè)計(jì)和擠壓生產(chǎn)中具有著一定的難度處理[1]。

在對鋁型材擠壓模設(shè)計(jì)的過程中，相關(guān)工作者與研究人員的類比計(jì)算法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)在設(shè)計(jì)過程中依然占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是由于該類設(shè)計(jì)過程的存在著周期過長、效率過低且成本較高等原因，人們開始逐漸嘗試其他的設(shè)計(jì)方法來填補(bǔ)以上的弊端，而近年來隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的蓬勃發(fā)展誕生的數(shù)值模擬方法則能最為直觀的表達(dá)與分析出在設(shè)計(jì)過程中溫度、速度與應(yīng)力應(yīng)變的變化，所以數(shù)值模擬方法稱為了該類設(shè)計(jì)過程的主要研究新方法與關(guān)注點(diǎn)。

數(shù)值模擬方法不當(dāng)可以降低試模成本與生產(chǎn)周期，還可以大大的提高所設(shè)計(jì)模型的生產(chǎn)效率與應(yīng)用壽命，因?yàn)樵擃惙椒梢苑抡嬖擃愋弯X合金的擠壓過程，根據(jù)對它的擠出型材截面上的速度分析情況來優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于實(shí)際模具的制造于擠壓生產(chǎn)[2]。

1 擠壓模設(shè)計(jì)與有限元模型

1.1 擠壓模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對復(fù)雜多腔鋁型材擠壓過程數(shù)值模擬與模具設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中首先需要完成對復(fù)雜多腔鋁型材的擠壓模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而在設(shè)計(jì)的過程中，無論復(fù)雜多腔鋁型材整體結(jié)構(gòu)是簡單還是較為困難，都需要從它的橫截面進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中圖1 為某復(fù)雜空心鋁型材的截面的一種，由圖1 我們可以得到該類鋁型材橫截面的最大寬度為84mm，壁厚為1.6mm 與2.8mm，面積則為1220mm2，外接圓的直徑則為150.7mm，而數(shù)值模擬根據(jù)上述數(shù)據(jù)參數(shù)則可以判斷該類復(fù)雜多腔鋁型材的信號為AB6164。

在得到復(fù)雜多腔鋁型材的橫截面數(shù)據(jù)與型號后，相關(guān)工作者可以通過數(shù)值模擬來優(yōu)先選擇出最優(yōu)擠壓機(jī)型號，然后計(jì)算出擠壓比與胚料生產(chǎn)規(guī)格。

圖1 某類鋁型材橫截面

1.2 有限元模型

在對擠壓模機(jī)構(gòu)進(jìn)行完全設(shè)計(jì)后，相關(guān)工作者需要對復(fù)雜多腔鋁型材的有限元模型進(jìn)行新[3]的相關(guān)設(shè)計(jì)，根據(jù)擠壓模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以判斷出該類型材有著三個(gè)不規(guī)則的空腔，由于他的截面整體并不對稱，因此他的截面流速均勻性并不是能夠很好的進(jìn)行控制，容易產(chǎn)生偏壁、彎曲、扭斷能缺陷，因此為了保證該型材的兩面供料充足，經(jīng)過數(shù)值模擬后得到的設(shè)計(jì)方案[4]具體如圖2 所示：

圖2 有限元模型設(shè)計(jì)方案

在設(shè)計(jì)方案中可以看出，為了保證中間平面的整體連接，需要設(shè)計(jì)上模尺寸為213×120mm，下模尺寸為214×150mm，為了合理的分配整體材料，需要在上模設(shè)計(jì)8 個(gè)分流孔，對中間部分采用直沖處理，以防止該平面的不平，最終得到的有限元三維模型具體如圖3 所示：

圖3 復(fù)雜多腔鋁型材有限元三維模型

在設(shè)計(jì)完復(fù)雜多腔鋁型材有限元三維模型后，相關(guān)工作者還需要通過數(shù)值模擬來對復(fù)雜多腔鋁型材的物理性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算[5]，通過計(jì)算后可以設(shè)計(jì)物理參數(shù)分別為：鋁板加熱溫度為440°C，模具預(yù)熱溫度為390°C，擠壓筒預(yù)熱溫度為240°C，擠壓機(jī)的加壓壓力為1800pa，設(shè)定傳熱系數(shù)為2500W/（m2*K）。

2 模擬結(jié)果分析

經(jīng)過模擬實(shí)驗(yàn)得出的得出的鋁合金6063 和H13 鋼的物理性能參數(shù)對比如下表1 所示。

表1 鋁合金6063 和H13 鋼的物理性能參數(shù)對比表

經(jīng)過分析模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在對鋁合金6063 型材進(jìn)行擠壓加工時(shí)，可將擠出型材截面的速度作為判斷型材成型質(zhì)量的重要參考因素，擠出型材截面速度均勻則型材成型質(zhì)量較高，若擠出型材截面的速度不均勻則型材成型的質(zhì)量較差，易出現(xiàn)表面粗糙、裂縫較大、局部畸形。等缺陷。根據(jù)模擬有限元模型擠壓型材過程，記錄擠壓型[6]材截面各部分的流動(dòng)速度可以發(fā)現(xiàn)，在型材截面鏤空部分的流速一般較快于其他部分，該局部的最大流速可以達(dá)到110m/s；型材兩側(cè)左空腔和右空腔兩部分的流動(dòng)速度較慢，兩側(cè)空腔部分最小流速為35m/s，最高流速為90m/s，因此控制型材兩側(cè)空腔的流動(dòng)速度是把握型材成型質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。此外，型材截面中央部分的流速也相對較快，但起流動(dòng)速度與鏤空部分的流動(dòng)速度想接近，因此得出模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論，要控制型材截面各部分的流動(dòng)速度相等，首先就要控制兩次空腔與型材鏤空部分和中央部分的流動(dòng)速度符合正常比例[7]，盡量保證擠壓型材截面的速度均勻，才能保證型材成型的質(zhì)量。

3 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)過對有限型模具進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)后，總結(jié)其擠壓復(fù)雜多腔鋁型材過程中易出現(xiàn)的質(zhì)量問題，追蹤導(dǎo)致其產(chǎn)生質(zhì)量缺陷的重要影響因素，根據(jù)影響因素對模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了兩次優(yōu)化，其具體優(yōu)化細(xì)節(jié)如下所示。

（1）第一次模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。根據(jù)對該模型擠壓型材截面各部分流動(dòng)速度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案如下:首先，對于型材截面鏤空部分流動(dòng)速度較快的問題，設(shè)計(jì)將截面鏤空部分在原基礎(chǔ)上進(jìn)行偏移，并在鏤空部分設(shè)置遮擋物，減少鏤空面積，降低物料的流動(dòng)量和流動(dòng)速度。其次針對型材截面中央部分流動(dòng)速度過大的問題，在型材截面鏤空部分的?？走吘壴O(shè)置阻流塊[8]，阻擋中央部分的物料流動(dòng)，并縮小中央部分分流孔的尺寸，降低流動(dòng)速度。最后對于左側(cè)空腔和右側(cè)空腔流動(dòng)速度較慢的問題，設(shè)計(jì)擴(kuò)大兩側(cè)空腔的面積，并擴(kuò)大空腔內(nèi)分流孔的尺寸，以此增加物料的流動(dòng)速度。

在第一次對模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，在相同的擠壓工藝參數(shù)下，對該復(fù)雜多腔鋁型材的擠壓過程在次進(jìn)行模擬數(shù)字分析，通過對比兩次的模擬結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)改善了擠壓型材截面速度不均勻的問題。改進(jìn)后的兩側(cè)空腔部分的流動(dòng)速度明顯增大，型材截面中央部分和鏤空部分的流動(dòng)速度仍然較快，但較優(yōu)化前其流動(dòng)速度較慢 ，且兩側(cè)空腔的流動(dòng)速度與中央部分和鏤空部分之間的差值較改進(jìn)前較小，然距離相近還差一定速度，因此在第一次優(yōu)化后，型材截面各部分的流動(dòng)速度得到的相應(yīng)的改善[9]，其整體的均勻度上升，但仍存在一定的改善空間。

（2）第二次模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。在第一次改進(jìn)的基礎(chǔ)上，對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。對于型材截面鏤空部分流速仍然較快的問題，分流球在第一次優(yōu)化的基礎(chǔ)上繼續(xù)偏轉(zhuǎn)位置，使其能夠完全遮擋鏤空部分 ，并采用全新的阻流塊結(jié)構(gòu)，增加阻流塊的高度，使其能夠更好的遮擋鏤空部分。而對于中央部分流速較快的問題，在結(jié)構(gòu)上設(shè)置了分流孔的尺寸結(jié)構(gòu)，改變原來使用的分流孔結(jié)構(gòu)，采用直沖式結(jié)構(gòu)，在中央?yún)^(qū)域的兩側(cè)建設(shè)阻流塊，阻流塊的高度較鏤空區(qū)域阻流塊的高度較小，而由于型材截面兩側(cè)空腔部分流速就慢的問題，其解決方法較少，因此，再次將兩側(cè)空腔部分的分流孔尺寸進(jìn)一步擴(kuò)大，進(jìn)一步提升兩側(cè)空腔部分的流速。

在對模具進(jìn)行第二次結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，型材截面的流動(dòng)速度較第一次優(yōu)化有所改進(jìn)，擠壓型材截面的速度進(jìn)行得到了有效提升。其中，型材截面鏤空部分的最大速度已經(jīng)降至到最低，而中央部分的速度也較第一次下降有所改進(jìn)，且鏤空部分與中央部分的流速基本一致。兩側(cè)空腔部分的流速大約提升至最高點(diǎn)，與鏤空部分和中央部分的流速差值縮小到了最小。綜上所述，經(jīng)過兩次機(jī)構(gòu)改進(jìn)后，擠壓型材截面的速度趨向于穩(wěn)定狀態(tài)，并通過模擬測試發(fā)現(xiàn)，型材擠壓成型質(zhì)量得到明顯改善，未會發(fā)生彎曲、扭擰、表面粗糙以及間縫過大等質(zhì)量問題。由此可見，改善擠壓型材截面速度的均勻性能夠有效提升型材截面成型的質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文所采用的復(fù)雜多腔鋁型材擠壓過程數(shù)值模擬技術(shù)可以從截面結(jié)構(gòu)入手來檢測該類復(fù)雜多腔鋁型材的結(jié)構(gòu)、面積、信號、物理參數(shù)、型號、擠壓機(jī)選取等因素，然后根據(jù)這些因素通過數(shù)值模擬來進(jìn)行整體的模型設(shè)計(jì)與建設(shè)，該類操作不但可以增強(qiáng)該類復(fù)雜多腔鋁型材的說服力，提高效率，還可以大大的減少相關(guān)工作人員與成本的投入[10]，而且本文所應(yīng)用的方法在建立相關(guān)的復(fù)雜多腔鋁型材有限元模型后還會對該結(jié)構(gòu)模型分別進(jìn)行第一優(yōu)化與第二次優(yōu)化，第一次優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)改善了擠壓型材截面速度不均勻的問題，第二次優(yōu)化則可以改善擠壓型材截面速度的均勻性能夠有效提升型材截面成型的質(zhì)量，通過對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，不但能夠縮短模具的制作周期，提升模具的質(zhì)量，節(jié)省相應(yīng)的原材料，還能夠促進(jìn)我國鋁型材的廣泛應(yīng)用和生產(chǎn)，從而提升鋁型材生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，這是傳統(tǒng)方法所不具有的。