王 旭，黃征昊，李 璞，于泉有，鮑星毅

（江陰金屬材料創(chuàng)新研究院有限公司，江蘇 無錫 214400）

0 引言

鋁合金型材廣泛應(yīng)用于建筑、船舶、交通運(yùn)輸、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域。鋁型材種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、應(yīng)用場景多，輕量化替代等工業(yè)需求旺盛，使其擠壓模設(shè)計(jì)及制造的要求越來越高[1]。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理將影響型材的形狀、尺寸以及模具的使用壽命。傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)依靠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，需要多次試模、修模，消耗大量的人力物力，模具開發(fā)成本高、生產(chǎn)效率低[2-4]。在當(dāng)前模具結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜的背景下，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式受到很大制約。利用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)模擬型材流動(dòng)情況，針對性地對擠壓模進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少或避免鋁型材的擠壓缺陷，將縮短模具開發(fā)時(shí)間，節(jié)省開發(fā)成本。

國內(nèi)外學(xué)者在鋁型材擠壓成形仿真模擬領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，常用的仿真模擬軟件有Deform-3D、Surper Forge和Inspire Extrude，這3種模擬軟件是拉格朗日（Lagrange）描述法、歐拉（Euler）描述法、任意拉格朗日-歐拉（ALE）描述法的典型代表。拉格朗日描述法和歐拉描述法均有各自的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也明顯，前者當(dāng)區(qū)域變形較大時(shí)，網(wǎng)格畸變嚴(yán)重，重劃分網(wǎng)格占用大量的時(shí)間，且造成體積損失；后者計(jì)算效率低，耗費(fèi)大量的計(jì)算資源；而基于ALE算法的Inspire Extrude軟件采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，集合了2種算法的優(yōu)點(diǎn)，避免了焊合區(qū)網(wǎng)格重劃分導(dǎo)致的網(wǎng)格畸變和體積損失，可在較短時(shí)間內(nèi)獲得高精度的仿真結(jié)果[5-8]。

型材橫截面速度均勻性將影響型材成型質(zhì)量，其截面金屬流動(dòng)速度差越小，則型材變形量越小，平面度也越好；速度差越大，則可能產(chǎn)生扭擰、波浪、彎曲等缺陷，同時(shí)可能縮短模具使用壽命。針對某汽車用多孔空心型材及初始模具設(shè)計(jì)，基于Inspire Extrude仿真軟件，分析穩(wěn)態(tài)擠壓過程中型材速度分布。針對初始模擬結(jié)果，有針對性地對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，直到獲得金屬流速較均勻的模具，最后進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證。

1 型材結(jié)構(gòu)說明及模具設(shè)計(jì)

如圖1所示，研究的型材為多孔復(fù)雜型材，其長度為131 mm，寬度為25 mm，型腔形狀大小不一，壁厚最厚為12 mm，最薄為3 mm，截面積為1 522 mm2。該型材使用某型材廠1.8×105kN正向擠壓機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，擠壓筒直徑為φ210 mm，坯料直徑為φ203 mm，擠壓比為22.7。

圖1 型材結(jié)構(gòu)

根據(jù)型材結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用分流組合模，如圖2所示，芯模設(shè)置5個(gè)分流孔，每個(gè)分流孔對應(yīng)產(chǎn)品上筋條的位置，以增加進(jìn)料；芯頭部位與分流橋平滑連接，盡量避免產(chǎn)生尖角。凹模采用蝶形焊合室，焊合室的深度為18 mm。根據(jù)實(shí)際擠壓機(jī)模架及模套的尺寸要求，芯模、凹模直徑均為φ278 mm，芯模厚度設(shè)置為105 mm，凹模厚度設(shè)置為93 mm。

2 模擬前處理

2.1 擠壓參數(shù)設(shè)置

模擬前處理設(shè)置中，采用與實(shí)際生產(chǎn)相同的工藝參數(shù)，如表1所示。其中，結(jié)合該型材定尺1 560 mm、擠壓比22.7的要求，棒料長度設(shè)置為350 mm。

表1 擠壓工藝參數(shù)設(shè)置

2.2 網(wǎng)格劃分

將分流孔、焊合室進(jìn)行區(qū)域劃分為3個(gè)部分，分別為分流孔（portholes）、焊合室（weldchamber）、接觸腔（pocket），軟件根據(jù)名稱自動(dòng)識別進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。本模型共劃分網(wǎng)格989 116個(gè)，擠壓模型設(shè)置如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

3 模擬結(jié)果及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 初始模擬結(jié)果

將模型導(dǎo)入Inspire Extrude軟件中，并按照表1設(shè)置擠壓參數(shù)，迭代次數(shù)設(shè)置為25次，回歸精度為0.01 mm，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬運(yùn)算。型材擠出整體位移云圖如圖4所示，型材截面速度及相對出口速度差異如圖5所示。由圖4可看出初始模擬中，型材出口變形不均勻，其左上角部位變形量最大，右下角變形量次之。由圖5可以看出，左上角矩形部位流速最大，速度約為95.68 mm/s，相對出口差異為110.80%；中間斜筋部位速度最小，約為14.48 mm/s，相對出口差異為-67.78%。型材截面流速最大值與最小值相差84.87%，為使型材流速均勻，需要對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 型材擠出整體位移云圖

圖5 型材截面速度及相對出口速度差異

3.2 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化及模擬結(jié)果分析

根據(jù)初始模擬結(jié)果對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖6所示。其中，結(jié)合模具整修經(jīng)驗(yàn)，對型材流速較快的部位增加3段阻流塊，其尺寸分別為12 mm×5 mm×5 mm、8mm×3 mm×3 mm、10 mm×2 mm×2 mm，對中間直筋和斜筋部位增設(shè)引流槽，引流槽與分流橋之間倒角過渡。

圖6 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

將優(yōu)化后的擠壓模導(dǎo)入Inspire Extrude軟件中進(jìn)行擠壓模擬，型材擠出整體位移云圖如圖7所示，型材截面速度及相對出口速度差異如圖8所示。由圖7可以看出，型材擠出變形量差異較圖4有較大改善。由圖8可以看出，與模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化前相比，型材出口流動(dòng)速度均勻性有較大改善，型材壁厚流速最大為54.71 mm/s，相對出口速度差異為22.46%；型材截面流速最小的位置是中間斜筋部位流速，為35.59 mm/s，相對出口速度差異為-20.62%；截面最大流速和最小流速相差33.94%。

圖7 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化后型材擠出整體位移云圖

3.3 調(diào)整工作帶長度及模擬結(jié)果分析

模具工作帶長度初始設(shè)置均為7 mm，對優(yōu)化后的模具進(jìn)行工作帶優(yōu)化模擬，將工作帶進(jìn)行分組設(shè)置，每一個(gè)特征邊設(shè)置4～6個(gè)特征點(diǎn)（見圖9）。將特征點(diǎn)輸入Inspire Extrude軟件中，使用該軟件自動(dòng)優(yōu)化工作帶功能進(jìn)行分析。優(yōu)化后的型材擠出整體位移云圖如圖10所示，型材截面速度及相對出口速度差異如圖11所示，所獲得的優(yōu)化后的工作帶長度如圖12所示?？梢钥闯鲂筒慕孛嫘螤钶^為平整，流速較為均勻，出口速度最大值為45.73 mm/s，相對出口差異為2.72%；速度最小值為41.94 mm/s，相對出口差異為-5.88%，速度差為8.04%。

圖8 模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化后型材截面速度及相對出口速度差異

圖9 工作帶設(shè)置特征點(diǎn)

圖10 工作帶優(yōu)化后型材擠出整體位移云圖

圖11 工作帶優(yōu)化后型材截面速度及相對出口速度差異

圖12 優(yōu)化后工作帶

3.4 生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)工作帶優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖制作模具，經(jīng)過實(shí)際上機(jī)試模生產(chǎn)，型材料頭平整，整體平直，未出現(xiàn)扭擰、波浪、彎曲等缺陷，對型材進(jìn)行相關(guān)檢測分析，其性能指標(biāo)符合技術(shù)要求。

4 結(jié)束語

對某復(fù)雜型材先進(jìn)行初始模具設(shè)計(jì)，按照實(shí)際技術(shù)參數(shù)使用Inspire Extrude進(jìn)行擠壓模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對模具結(jié)構(gòu)及工作帶進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，實(shí)際生產(chǎn)情況與模擬效果基本一致。通過該案例的分析得出如下結(jié)論。

（1）針對某特定型材，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以先進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，然后導(dǎo)入模擬軟件中進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)仿真模擬結(jié)果針對性地改進(jìn)模擬設(shè)計(jì)。

（2）模具優(yōu)化過程中，根據(jù)模擬擠壓效果，可以綜合引流槽、阻流塊、工作帶長度等進(jìn)行改進(jìn)，該過程可能需要往復(fù)多次改進(jìn)，直到截面流速均勻?yàn)橹?。?jīng)優(yōu)化，型材出口截面最大出口差異由110.80%降至-5.53%，最大速度與最小速度差由84.87%降至8.04%。

（3）通過計(jì)算機(jī)仿真模擬型材擠壓過程代替?zhèn)鹘y(tǒng)的試模、改進(jìn)、再試模等過程，可以直觀地觀測擠壓流速、位移、溫度等擠壓效果，降低生產(chǎn)成本及縮短模具設(shè)計(jì)周期。