基于有限元的電池盒鋁型材擠壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

葉 璋，王凱陽(yáng)，茹中赟，張亦杰，王 婧

(棟梁鋁業(yè)有限公司新材料研究院，浙江 湖州 313000)

0 引 言

鋁合金型材具有密度低、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，在城市建設(shè)、汽車工業(yè)、軌道交通和航空航天中具有極其廣泛的應(yīng)用[1-2]。相對(duì)于其他加工方式，擠壓成型技術(shù)具有加工流程簡(jiǎn)單、耗時(shí)較少、投資較低，和制品的力學(xué)性能較高等優(yōu)點(diǎn)，因此采用擠壓成型的鋁合金型材具有更好的性能。

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，其精度與準(zhǔn)確度不斷提升，使仿真技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到了更加廣泛的應(yīng)用[3]。對(duì)于鋁擠壓成型而言，采用計(jì)算機(jī)仿真模擬能夠直觀、實(shí)時(shí)地分析在擠壓模具內(nèi)棒料腔的運(yùn)動(dòng)變化，理解它的物理量分布，得到在實(shí)際加工中難以得到的擠壓參數(shù)，如變形速度、溫度場(chǎng)等[4-5]。同時(shí)還能夠預(yù)測(cè)在擠壓過(guò)程中，由溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布不均所產(chǎn)生的缺陷，以優(yōu)化擠壓模具結(jié)構(gòu)與擠壓工藝參數(shù)，降低生產(chǎn)過(guò)程中的試模和修模次數(shù)，縮短模具開發(fā)周期，延長(zhǎng)模具使用壽命，從而降低生產(chǎn)成本[6-7]。白云鵬等[8]運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)空心鋁合金型材的擠壓成型進(jìn)行分析，并運(yùn)用實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真進(jìn)行驗(yàn)證；鄒立軍等[9]運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)復(fù)雜鋁型材的擠壓過(guò)程進(jìn)行仿真，并對(duì)其模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；鄭有想[10]基于Pro/E對(duì)鋁合金型材的擠壓成型進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)擠壓成型模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究；劉健[11]研制了軌道列車車體型材用大型、復(fù)雜、精密的擠壓模具，并對(duì)擠壓成型特性進(jìn)行仿真分析。

HyperXtrude軟件，是基于ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)算法的擠壓專用有限元模擬軟件，特別適于模擬復(fù)雜截面鋁型材的擠壓過(guò)程[12-15]。某電動(dòng)汽車電池盒端蓋型材在擠壓過(guò)程中，發(fā)生明顯的平面翹曲變形現(xiàn)象，如圖1所示。本文采用HyperXtrude有限元軟件對(duì)該6061電池盒鋁合金型材的熱擠壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，分析模具型腔中流動(dòng)的規(guī)律，并以型材截面速度分布為依據(jù)，修改初始擠壓模具，對(duì)擠壓模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖1 6061電池盒鋁合金試擠壓型材

1 模擬條件

1.1 材料設(shè)置

1.1.1 本構(gòu)方程

HyperXtrude軟件在模擬前需要確定6061鋁合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線，考慮到型材的擠壓過(guò)程屬于金屬大變形問(wèn)題，采用的6063鋁合金的本構(gòu)關(guān)系為：

1.1.2 流變應(yīng)力曲線

模擬過(guò)程所用6061鋁合金的流變應(yīng)力曲線通過(guò)HyperXtrude軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)獲得，如圖2所示，涵蓋了6061鋁合金在650～750 K溫度區(qū)間的流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變率的變化。

圖2 6061鋁合金流變應(yīng)力曲線

1.2 幾何模型

根據(jù)型材截面圖設(shè)計(jì)建立的初始擠壓模具三維結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

(a) 上模 (b) 下模 (c) 整體裝配圖

1.3 有限元模型建立

根據(jù)初始模具，材料的流經(jīng)區(qū)域分為型材區(qū)域、工作帶區(qū)域、焊合室區(qū)域、分流孔區(qū)域及棒料區(qū)域。在有限元網(wǎng)格劃分的過(guò)程中，網(wǎng)格尺寸大小遵循沿著擠壓方向順序減小的原則確定。建立的有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 鋁型材擠壓的有限元模型

1.4 模擬參數(shù)設(shè)定

在HyperXtrude軟件前處理中設(shè)置模具與擠壓筒均為傳熱剛體材料，由于本研究只模擬擠壓過(guò)程，不模擬擠壓之后殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，剛塑性材料與彈塑性材料幾乎無(wú)差別，為便于模擬，將坯料設(shè)置為剛塑性材料。而所研究的熱擠壓坯料溫度為520 ℃，模具溫度為480 ℃，擠壓筒溫度420 ℃，擠壓速度為22 mm·s-1，棒料直徑為278 mm，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 HyperXtrude模擬參數(shù)設(shè)置

2 HyperXtrude模擬結(jié)果與分析

6061電池盒鋁合金型材擠壓成型的溫度場(chǎng)、變形速度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)如圖5～7所示。由圖5可知，在坯料溫度為520 ℃，模具溫度為480 ℃，擠壓筒溫度為420 ℃，擠壓速度為22 mm·s-1時(shí)，擠壓成型出口鋁合金型材的最高溫度為574.71 ℃，最低溫度為538.47 ℃。鋁合金型材擠壓溫度分布的均勻程度能反應(yīng)模具設(shè)計(jì)是否合理，溫差越小，擠出型材的殘余應(yīng)力就越低，冷卻后的變形量就越少；同時(shí)型材中間點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量溫度為530.0 ℃，模擬溫度為560.2 ℃，造成誤差的原因主要有兩點(diǎn)：第一，模擬過(guò)程中，型材長(zhǎng)度有限，因此模擬測(cè)量點(diǎn)位置要比實(shí)際測(cè)量點(diǎn)位置更靠近模腔，散熱的時(shí)間更短，溫度更高；第二，在模擬過(guò)程中設(shè)置的坯料溫度和模具溫度都是均勻的，而實(shí)際坯料的預(yù)熱溫度和模具預(yù)熱溫度，由于在空氣中散熱的緣故都是呈現(xiàn)梯度分布的，整體小于理想預(yù)熱溫度，從而使模擬擠壓溫度高于實(shí)際測(cè)量值。而兩者相對(duì)誤差約為6%，從誤差的角度證明了本仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖5 初始模具模擬溫度場(chǎng)

圖6 初始模具模擬速度場(chǎng)

圖7 初始模具模擬應(yīng)力場(chǎng)

而根據(jù)圖6速度場(chǎng)的分布，型材出口最大擠出速度為499.10 mm·s-1，而最小擠出速度為337.23 mm·s-1。由擠出速度的分布對(duì)比可知，在此模具結(jié)構(gòu)下，型材擠出速度的均勻性較差。根據(jù)圖7，擠壓過(guò)程中的流動(dòng)應(yīng)力為3～21 MPa。這種構(gòu)件不同部位擠出速度的差異是導(dǎo)致水平橫板向上彎曲變形的主要原因，這個(gè)模擬結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)品的結(jié)果相符。

3 模具優(yōu)化

3.1 模具優(yōu)化分析

為進(jìn)一步分析擠壓出口的速度，以擠出口的平均擠出速度為基準(zhǔn)，模擬初始模具相對(duì)出口速度的差異，如圖8所示。最大相對(duì)出口值為27.9%，最小為約-13.13%，即表明存在較大的速度不均。而此時(shí)1處的擠出速度過(guò)大，2處的擠出速度過(guò)小。為平衡構(gòu)件的擠出速度，模具結(jié)構(gòu)的修改思路應(yīng)為調(diào)整1、2兩處的流速，使1處擠出速度減小，2處擠出速度增大。基于模擬結(jié)果，對(duì)分流孔、阻流塊和工作帶分別進(jìn)行了優(yōu)化。

圖8 初始模具模擬相對(duì)出口速度差異

3.2 分流孔優(yōu)化

由圖7， 8可知，型材橫板處的流速較慢，這是因?yàn)樵摬课唤饘俟┝线^(guò)少，可以通過(guò)改變相對(duì)應(yīng)的分流孔尺寸來(lái)改善金屬的供應(yīng)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)該處金屬流速的目的。根據(jù)擠壓模具設(shè)計(jì)原則，分流孔的外形尺寸(寬、高)A為：

A=A0(1+k)+Δ1，

式中，Δ1為型材外形尺寸的正偏差；k為綜合經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，鋁合金取0.007～0.01。而分流孔處的流速如圖9所示，分流孔5的流速超過(guò)100 mm·s-1，而分流孔6的流速僅為30 mm·s-1,綜合分流孔尺寸設(shè)計(jì)原則和分流孔流速，將分流孔5尺寸縮減到原來(lái)的90%，分流孔6尺寸擴(kuò)大到原來(lái)的113%，右半側(cè)做相同處理，優(yōu)化后的模具分流孔如圖10所示。

圖9 分流孔流速圖

圖10 分流孔優(yōu)化圖

3.3 阻流塊優(yōu)化

圖11即為焊合室的流動(dòng)速度，橫板處的流動(dòng)速度較小，約為350 mm·s-1，遠(yuǎn)低于其他部分的500 mm·s-1，其主要原因是原模具橫板附近設(shè)置的4塊阻流塊過(guò)大，阻流效果過(guò)好，導(dǎo)致焊合室該處的金屬流動(dòng)較慢。根據(jù)喻俊荃等[16]總結(jié)的阻流塊設(shè)計(jì)原則，阻流塊截面形狀與相應(yīng)部位型材的截面形狀類似，初始阻流塊寬度設(shè)置為型材寬度的2倍，而高度初設(shè)為焊合室高度的1/3左右?，F(xiàn)將阻流塊寬度保持不變，高度削減2 mm。

圖11 焊合室速度

3.4 工作帶優(yōu)化

根據(jù)擠壓模具設(shè)計(jì)原則，工作帶越長(zhǎng)，該處的金屬流動(dòng)越慢，擠出速度越小，工作帶長(zhǎng)度增減原則如表2所示。又根據(jù)圖8，1處的擠出速度過(guò)大約為430 mm·s-1，2處的擠出速度過(guò)小約為330 mm·s-1，因此將1處的工作帶延長(zhǎng)1 mm，將2處的工作帶縮短1.5 mm，如圖12所示。

表2 工作帶長(zhǎng)度增減原則

圖12 工作帶優(yōu)化圖

4 模具優(yōu)化結(jié)果

4.1 優(yōu)化模具模擬結(jié)果

優(yōu)化后的模具模擬結(jié)果如圖13， 14所示。由圖13可知，擠出口最大擠出速度為398.87 mm·s-1，最小擠出速度為372.18 mm·s-1。根據(jù)計(jì)算，理論擠出口速度=擠壓比×擠壓筒速度=388 mm·s-1，模擬結(jié)果誤差僅為3%，表明優(yōu)化后的模具設(shè)計(jì)解決了型材流動(dòng)不均勻的問(wèn)題。同時(shí)由圖14可知，優(yōu)化模具的相對(duì)出口速度差異均在±5%以內(nèi)，變形均勻，有效地避免了擠出型材的變形。

圖13 優(yōu)化模具模擬速度場(chǎng)

圖14 優(yōu)化模具模擬相對(duì)出口速度差異

4.2 優(yōu)化模具生產(chǎn)結(jié)果

根據(jù)模擬優(yōu)化的結(jié)果對(duì)模具進(jìn)行修改并進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，實(shí)際生產(chǎn)得到的擠壓型材如圖15所示，未產(chǎn)生翹曲變形，平面度檢驗(yàn)合格，型材的質(zhì)量得到了較大的提高，滿足使用要求。

圖15 模具優(yōu)化后擠壓型材

5 結(jié) 論

1) 鋁合金型材擠壓模擬溫度與實(shí)際測(cè)量溫度誤差小于6%，表明HyperXtrude軟件可對(duì)鋁合金型材的熱擠壓過(guò)程進(jìn)行精確的數(shù)值模擬；

2) 根據(jù)擠壓模具設(shè)計(jì)原則，增大分流孔、削減阻流塊與減短工作帶均可以促進(jìn)金屬在模具內(nèi)腔的流動(dòng)，綜合分流孔、阻流塊和工作帶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以有效地調(diào)節(jié)型材在模具內(nèi)的阻力，平衡金屬的流動(dòng)，使擠出截面速度的分布更加均勻，從而可有效地避免擠壓翹曲變形，提升型材的合格率；

3) 合理的擠壓過(guò)程仿真模擬，可以有效輔助模具設(shè)計(jì)，縮短模具開發(fā)周期，節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)成本，對(duì)實(shí)際擠壓生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。