多腔鋁型材擠壓模的金屬流動(dòng)特性分析與模擬

黃雪梅,林雅芳，羅藝茹，鄧汝榮

(廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，廣東 廣州 510550)

0 引 言

鋁型材擠壓的成型性是擠壓過(guò)程中最關(guān)鍵的要素之一。同批次或不同批次型材的擠壓起始料頭長(zhǎng)度、料尾形狀和尺寸的精確控制以及一致性是保證產(chǎn)品質(zhì)量的根本要求。而型材擠出的形狀和尺寸精度，關(guān)鍵取決于擠壓模具。

由于鋁型材產(chǎn)品得到了廣泛的應(yīng)用，其品種和規(guī)格越來(lái)越多，型材斷面的形狀也越來(lái)越復(fù)雜。依據(jù)它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為空心型材和實(shí)心型材(非空心型材)兩大類型，這兩類型材分別采用分流模和平面模進(jìn)行生產(chǎn)。分流模一般由上模和下模組成，型材的空心部分通常由上模的模芯產(chǎn)生，而模芯由分流橋支撐；平面模一般由一個(gè)模子和一個(gè)模墊組成，實(shí)踐中為優(yōu)化流動(dòng)條件，?？走M(jìn)料端往往設(shè)置前置焊合室、沉孔或?qū)Я骺譡1]。在實(shí)際中，分流模是用得最廣泛的模具結(jié)構(gòu)，它也可以用于非空心型材的擠壓，是最常見(jiàn)的一種擠壓模具。

由于結(jié)構(gòu)的不同及其特殊性，平面模和分流模中的金屬流動(dòng)是不同的。在平面模中，從模具進(jìn)料端到出口是一個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)變過(guò)程。在分流模中，金屬流動(dòng)被分流橋所阻礙，分成幾股金屬流，在焊合室內(nèi)橫向流動(dòng)填充，再重新焊合成連續(xù)的形狀[2]。從金屬連續(xù)轉(zhuǎn)變來(lái)說(shuō)，分流模與平面模是相似的，即通過(guò)模具出口端沒(méi)受到阻攔，并且最終通過(guò)工作帶成型。不同的是，金屬在分流模中的流動(dòng)，是由多個(gè)進(jìn)料孔進(jìn)入焊合室匯合后，再通過(guò)工作帶填充到型材的各個(gè)部位，而在平面模中則由1個(gè)導(dǎo)流孔直接通過(guò)工作帶填充到型材的各個(gè)部位。因此，金屬的填充度取決于金屬體積流動(dòng)速率或單個(gè)?？椎耐ㄟ^(guò)量。而流動(dòng)速率決定了模孔尺寸，但金屬的流動(dòng)速率又受到金屬流動(dòng)的幾何性質(zhì)，如焊合室體積、模道寬度、工作帶，特別是工作帶長(zhǎng)度和角度等的影響。因此，對(duì)復(fù)雜鋁型材擠壓過(guò)程中金屬流動(dòng)特性的分析研究和模擬，對(duì)模具設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義，也引起了廣大專家學(xué)者、工程技術(shù)人員的極大關(guān)注。

本文通過(guò)實(shí)際產(chǎn)品案例，借助商用Altair Hyper Xtrude軟件，對(duì)具有多空腔的型材擠壓過(guò)程中的金屬流動(dòng)特性進(jìn)行分析，總結(jié)模具結(jié)構(gòu)對(duì)金屬流動(dòng)的影響因素，為模具設(shè)計(jì)中如何有效調(diào)整金屬流速提供可靠的依據(jù)，提高模具的成型成功率。

1 金屬流動(dòng)特征分析的方法

目前普通的鋁型材擠壓常用的分流模和平面模如圖1所示。

(a) 非空心型材的平面模擠壓

(b) 空心型材的分流模擠壓

(c) 非空心型材分流模擠壓

對(duì)于擠壓高精度的多腔空心型材，金屬在模具內(nèi)部某些區(qū)域會(huì)發(fā)生橫向流動(dòng)，如圖2所示，模芯可能會(huì)產(chǎn)生偏移，以致出現(xiàn)壁厚偏差。偏置的模芯也可能會(huì)導(dǎo)致流量不平衡，使得出料不規(guī)則。設(shè)計(jì)模具時(shí)，這些因素都必須考慮。目前的模具設(shè)計(jì)仍主要依賴于模具設(shè)計(jì)與制造者的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。模具設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修改，可以大幅提高模具試模的成功率。

(a) 金屬進(jìn)入分流孔

(b) 金屬進(jìn)入焊合室

(c) 金屬填充模芯間的間隙

(d) 金屬最后成型

關(guān)于擠壓過(guò)程中金屬流動(dòng)特征的分析，早期的研究使用的是模型系統(tǒng)，即用模型材料代替鋁合金。目前更多的是使用鋁棒，通過(guò)插入不同合金針、棒或盤，剖切和腐蝕取自盛錠筒和(或)擠壓部分的樣品來(lái)分析流態(tài)。這種方法，對(duì)于研究當(dāng)鋁棒表面和金屬死區(qū)周圍半穩(wěn)態(tài)層的金屬流入型材斷面時(shí)，表面的形成和出現(xiàn)成型缺陷更為有效，當(dāng)然，這一方法也可用于研究模具對(duì)金屬流態(tài)的影響。對(duì)于平面模，通常考慮的是前置焊合室或?qū)Я髑粚?duì)材料流動(dòng)的影響。而對(duì)于分流模，研究的是金屬通過(guò)分流孔和在焊合室重新匯合的金屬流動(dòng)狀態(tài)。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的提高，基于有限元方法，可進(jìn)行模擬流態(tài)分析。但是這種方法對(duì)樣品類型(材料性質(zhì)、熱學(xué)特性、摩擦條件)有一定的要求。大量研究表明，輸入實(shí)際流動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，輸出的模型實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確[3]。

以如圖3所示的型材作為擠壓金屬流動(dòng)分析的對(duì)象。該型材具有壁厚懸殊大、兩個(gè)空腔，和懸臂等復(fù)雜型材的典型特征，斷面積為2 445.8 mm2，型材外接圓半徑為156 mm。模具設(shè)計(jì)具有一定的難度，特別是金屬流量平衡、流速的調(diào)整控制和模具強(qiáng)度保證等。

圖3 多空腔型材示意圖

為了在保持?jǐn)嗝娉叽绶€(wěn)定的情況下，研究擠壓時(shí)模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)參數(shù)的影響，設(shè)計(jì)了3種模具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，模具編號(hào)分別為D、 F、 G。D模具為常規(guī)設(shè)計(jì)模具，F(xiàn)模具與D模具進(jìn)料孔尺寸和?？撞季窒嗤O(shè)置了階梯式的二級(jí)焊合室。G模具的?？咨宰鲂薷模履Ｒ彩瞧矫娴?。圖4列出了不同形狀的金屬流動(dòng)狀態(tài)的CAD模型。

(a) 模具D(分流孔進(jìn)入模板有沉橋)

(b) 模具F(分流孔進(jìn)入模板無(wú)沉橋)

(c) 模具G(分流孔較大且進(jìn)入模板無(wú)沉橋)

2 金屬流動(dòng)模擬

采用有限元方法對(duì)材料流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值分析。模擬軟件為商用軟件Altair HyperXtrude。使用“虛擬擠壓實(shí)驗(yàn)室模塊”模擬擠壓過(guò)程。在溫度和應(yīng)變速率相當(dāng)?shù)臈l件下進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)來(lái)確定鋁合金變形過(guò)程的基本規(guī)律。實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)的CAD幾何數(shù)據(jù)可作為三維有限元模型的原始數(shù)據(jù)，擠壓過(guò)程中，整個(gè)金屬流動(dòng)過(guò)程都必須建模，包括橫截面直徑為205 mm，長(zhǎng)150 mm的鋁棒，模具內(nèi)部的金屬及其成份等。擠出的型材僅用于與工作帶有關(guān)的型材長(zhǎng)度的建模。材料和工具表面為粘著摩擦條件。

盛錠筒和擠壓模都為剛性體。計(jì)算鋁棒、盛錠筒、擠壓模之間的熱傳遞；假定盛錠筒外表面上溫度不變，并采用熱導(dǎo)系數(shù)為5 000 W·m-2·K-1、模具溫度也不變的熱邊界條件。同時(shí)設(shè)定擠壓桿和鋁棒的接觸面溫度不變條件下的流入速度。

現(xiàn)設(shè)定模具溫度為450℃，流入速度1 mm·s-1，在這樣的條件下對(duì)圖3所示型材采用的3種不同模具的金屬流動(dòng)方式進(jìn)行研究。模具分別編號(hào)為D、 F、 G，模擬采用的材料是6063合金。3種不同設(shè)計(jì)的模具模擬結(jié)果分別見(jiàn)圖5～7， 3個(gè)圖分別描述了?？滋幩俣?、壓力分布及模具出口的溢出速度。

值得注意的是，盡管擠壓模具相關(guān)的幾何尺寸變化較大，在計(jì)算?？缀统隹谒俣葧r(shí)有一個(gè)分流孔處的計(jì)算壓力在模具F中出現(xiàn)最大值,達(dá)到190 MPa，而模具D與G在同樣部位處的壓力為160 MPa，因此可以推測(cè)這種模具擠壓時(shí)的擠壓力最大。但每個(gè)模具?？赘魈幍膲毫Σ町悈s幾乎相同，3種模具(或模芯)上負(fù)載的不均勻性是可比的，這樣根據(jù)計(jì)算得到的出口流速可以預(yù)測(cè)，3種模具所擠壓型材的形狀十分相似，出料也不會(huì)彎曲。

(a) 模具D

(a) 模具D

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

從模擬可知，不同的模具設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生不同的流動(dòng)特征。為驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果，可進(jìn)行實(shí)際擠壓實(shí)驗(yàn)。在最大擠壓力為25 MN的擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓，鋁棒橫截面直徑為203 mm。為了形成明顯的流態(tài)，擠壓鋁棒由經(jīng)過(guò)均勻化退火與未經(jīng)處理的6063合金棒組成。通過(guò)連續(xù)擠壓這種鋁棒形成連續(xù)的過(guò)渡形貌，可表征相對(duì)速度和模具里的金屬流態(tài)。圖8為板材連續(xù)擠壓的金屬流動(dòng)橫向焊縫組成的模型[4]。

圖8 板材連續(xù)擠壓的金屬流動(dòng)橫向焊縫組成模型

通過(guò)腐蝕擠壓型材橫斷面可以看到擠壓型材由一種合金組織進(jìn)入到另一種合金組織的轉(zhuǎn)變。通過(guò)擠壓循環(huán)，在接近中間的位置發(fā)生轉(zhuǎn)變，此時(shí)的金屬流態(tài)可認(rèn)為是穩(wěn)定流態(tài)的擠壓過(guò)程。為確定轉(zhuǎn)變的位置，從長(zhǎng)料的停車痕處取樣，以保護(hù)樣品的起點(diǎn)位置。在燒堿和硝酸溶液中腐蝕樣品，再觀察流態(tài)。由于不同合金腐蝕程度不同，橫斷面上鋁棒的轉(zhuǎn)變很清晰地顯示出來(lái)。一旦確定了轉(zhuǎn)變的大致位置，對(duì)合成樣品鋸切取樣。采用同樣的方法腐蝕樣品。為了定量確定流態(tài)，對(duì)腐蝕后的斷面拍照記錄。這些數(shù)碼照片可用于對(duì)比橫斷面上不同的合金區(qū)域。用3D畫圖軟件描繪出形貌的軌跡，如圖9所示。

(a) 型材的斷面照片

輪廓區(qū)域通過(guò)圖片處理軟件的像素計(jì)算來(lái)定量。橫斷面上局部材料的占比與區(qū)域分流孔面積成函數(shù)關(guān)系，區(qū)域型材面積越大，則對(duì)應(yīng)的分流孔面積越大[5],但在模具設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能使各區(qū)域的型材面積與該區(qū)域?qū)?yīng)的分流孔面積之比相等或接近[6-7]。而且不同流速下型材的局部材料軌跡也可以描繪出來(lái)。經(jīng)過(guò)以上步驟，可以比較3種模具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)行為的影響。

4 結(jié)果與討論

3種模具擠壓3個(gè)行程。每個(gè)行程由一支初始棒和不同工藝下的數(shù)個(gè)合成棒組成。為了清楚地表述結(jié)果，實(shí)驗(yàn)型材分成數(shù)個(gè)區(qū)域，并用數(shù)字標(biāo)識(shí)。這些數(shù)字與模具的進(jìn)料孔對(duì)應(yīng)，而區(qū)域的邊界與焊縫大致吻合。圖10為型材分區(qū)圖。

圖10 型材區(qū)域的劃分與區(qū)別

圖11為3種模具的擠壓料頭。料頭通常是金屬流動(dòng)的第一次近似值。料頭顯示各區(qū)域的流速差異。流動(dòng)暢通和(或)區(qū)摩擦力小的區(qū)域有利于材料流動(dòng)，從而流量較大。因此這些區(qū)域模具出料也快。內(nèi)部壓力引起的流動(dòng)速度變化使料頭發(fā)生扭曲變形。當(dāng)料頭來(lái)自瞬時(shí)工藝條件下未填充的模具時(shí)，則無(wú)法體現(xiàn)正常模具的金屬流動(dòng)特征。

另外，當(dāng)擠壓3根鋁棒后得到一個(gè)平衡、穩(wěn)定的狀態(tài)條件，流動(dòng)條件才被認(rèn)為是穩(wěn)定的[8]。3種型材都以厚壁處(圖10中Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū))為中心彎曲。據(jù)此推斷，Ⅴ區(qū)的進(jìn)料比其他區(qū)域超前，而其他區(qū)域特別是Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)的進(jìn)料滯后，以致擠壓型材出現(xiàn)扭擰。排除模具結(jié)構(gòu)不足的情況，整個(gè)橫斷面連續(xù)擠出。因此，某點(diǎn)上的材料質(zhì)點(diǎn)以單一的速度流出模具。

(a) 模具D

型材的形狀和尺寸取決于壓力通道的幾何結(jié)構(gòu)和鋁流經(jīng)模具和流出模具時(shí)的流動(dòng)形式[9]。對(duì)于這3種模具，沿長(zhǎng)料所選位置處所取樣品的關(guān)鍵尺寸可以測(cè)量。測(cè)量的尺寸包括壁厚、內(nèi)腔尺寸和懸臂開口尺寸。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與模具結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)料位置有關(guān)的型材形狀和尺寸沒(méi)有明顯的差異。任何一個(gè)尺寸變化都不超過(guò)0.05 mm。

如上所述，材料經(jīng)過(guò)模孔流入橫斷面的不同區(qū)域，?？酌娣e和模具結(jié)構(gòu)將影響流動(dòng)的特性，以及局部材料通過(guò)量的變化[10]。因此，并不是所有的區(qū)域同時(shí)填充。這可從腐蝕不同位置橫斷面的轉(zhuǎn)變區(qū)看出，如圖12所示。

(a) 模具D

(b) 模具F

(c) 模具G

從圖12中可以看出，對(duì)于所有的模具組合，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)最先發(fā)生材料轉(zhuǎn)變。D和F模具的Ⅳ區(qū)緊隨Ⅱ區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)變，而G模具在Ⅳ區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)變前在填充Ⅲ區(qū)。所有模具的Ⅴ區(qū)在最后填充。網(wǎng)格之間的區(qū)域與橋位有關(guān)，并最終形成縱向焊縫。由于流道被阻礙，這些區(qū)域的材料通過(guò)受阻。此外，由于工作帶和盛錠筒的摩擦，型材外圈的流動(dòng)受到限制，外部的轉(zhuǎn)變比中間和內(nèi)部要慢。在橫斷面的末端出現(xiàn)特殊情況，此時(shí)最后發(fā)生完全轉(zhuǎn)變。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)的3種模具擠壓同一型材,來(lái)研究模具結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)雜、多孔型材流動(dòng)行為的影響，并利用一系列切片和腐蝕合成鋁棒生產(chǎn)的型材斷面來(lái)分析流態(tài)，以及對(duì)所得結(jié)果與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，形成如下結(jié)論。

1) 模具設(shè)計(jì)的CAD幾何數(shù)據(jù)可作為三維有限元模型原始數(shù)據(jù)，擠壓過(guò)程中的整個(gè)金屬流動(dòng)過(guò)程都必須建模，包括鋁棒、模具內(nèi)部的金屬及鋁合金成份等。在建模中要設(shè)定模具溫度和金屬注入速度。

2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，實(shí)驗(yàn)所用的分析方法可準(zhǔn)確并有效地對(duì)金屬流動(dòng)進(jìn)行分析。網(wǎng)格通過(guò)單個(gè)模孔填充，但在較短的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生了初始(橫向焊縫)轉(zhuǎn)變，然后轉(zhuǎn)變又瞬間變慢直至完全轉(zhuǎn)變，即橫向焊縫的消失需要比較長(zhǎng)的時(shí)間，這說(shuō)明在型材長(zhǎng)度方向上橫向焊縫存在的距離較長(zhǎng)。

3) 模具結(jié)構(gòu)的不同決定著模具中單個(gè)?？椎慕饘倭鲃?dòng)狀態(tài)。采用前置焊合室，即焊合室設(shè)計(jì)在上模，在網(wǎng)格填充時(shí)僅有邊界效應(yīng)，分流孔尺寸的改變對(duì)金屬流動(dòng)影響顯著。盡管如此，模具結(jié)構(gòu)或分流孔的差異對(duì)型材的形狀和尺寸的差異并沒(méi)有明顯的影響；型材的形狀和尺寸的差異取決于下模的各個(gè)參數(shù)。

4) 通過(guò)計(jì)算機(jī)可以快速模擬擠壓過(guò)程中的金屬流動(dòng)狀態(tài)。其結(jié)果與模具實(shí)驗(yàn)中確定的流動(dòng)參數(shù)一致。由于模擬的是瞬時(shí)狀態(tài)，不能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，因此，采用的模擬過(guò)程應(yīng)包含從鋁棒到模具出口的整個(gè)金屬流道。