唐妍 付維潔 張毅

摘要： 對(duì)空心工業(yè)鋁材進(jìn)行熱鍛擠壓模具設(shè)計(jì)和3D造型，基于DEFORM軟件對(duì)擠壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。模具設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化分流孔入口形狀并提出金屬流速判據(jù)。通過(guò)分析模擬結(jié)果，采用調(diào)整模具工作帶長(zhǎng)度的方法，改善擠壓模出口流速的均勻性，保證了型材質(zhì)量，有效減少模具開發(fā)周期和成本，達(dá)到試模、修模的快速響應(yīng)。

Abstract： The hot forging extrusion die design and 3D modeling of hollow industrial aluminum materials are carried out， and the extrusion process is numerically simulated based on DEFORM software. In the mold design， the inlet shape of the shunt hole was optimized and the metal flow rate criterion was proposed. By analyzing the simulation results， the method of adjusting the length of the die working belt is adopted to improve the uniformity of the exit flow rate of the extrusion die， ensure the quality of the profile， effectively reduce the mold development cycle and cost， and achieve rapid response to mold trial and mold repair.

關(guān)鍵詞： 分流孔;速度分布;數(shù)值模擬;模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Key words： diversion hole;velocity distribution;numerical simulation;mold structure optimization

中圖分類號(hào)：TG162.41? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0096-03

0? 引言

工業(yè)鋁材作為一種耗能少、可塑性強(qiáng)和較強(qiáng)的耐腐蝕性的輕質(zhì)金屬，在航空航天、建筑、汽車等工業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用，特別是近幾年來(lái)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)鋁材由于其操作方便，穩(wěn)固牢靠，易安裝和拆卸，不生銹易保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于汽車檢修支架，汽車測(cè)試支架，汽車噴漆燈架，汽車框架展示架，汽車駕駛模擬測(cè)試架等產(chǎn)品的應(yīng)用。由于鋁材特別是空心鋁材的成形模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致模具企業(yè)開發(fā)、制造的周期較長(zhǎng)，同時(shí)試模、修模階段也具有較高難度[1-3]。利用基于DEFORM的有限元模擬軟件對(duì)鋁材熱鍛擠壓過(guò)程中的速度場(chǎng)等進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠快速調(diào)整模具工作帶長(zhǎng)度，成為快速優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本，縮短模具開發(fā)周期的有效手段。

1? 建立型材成型模具模型

1.1 熱鍛擠壓模設(shè)計(jì)

本文以某Al6063工業(yè)鋁材為例，尺寸規(guī)格φ=L/D=101.2/44.5≈2.28，壁厚t=1.7mm，熱擠壓過(guò)程中擠壓比λ=46.3，產(chǎn)品尺寸如圖1所示。

考慮企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，本產(chǎn)品需采用平面分流擠壓模進(jìn)行成形生產(chǎn)，根據(jù)擠壓模具設(shè)計(jì)原則，利用Pro/E軟件設(shè)計(jì)其成形熱鍛模上、下模。其中矩形鋁材焊合線位于長(zhǎng)邊上，故長(zhǎng)邊焊合線部分設(shè)為工作帶尺寸最小處;短邊基本沒被分流橋遮蔽，故沒有設(shè)置工作帶過(guò)渡段;而模芯工作帶長(zhǎng)度要不小于?？鬃畲蠊ぷ鲙чL(zhǎng)度，這里取為5.5mm，下模?？坠ぷ鲙гO(shè)計(jì)見圖2。

1.2 CAE參數(shù)設(shè)置

利用DEFORM軟件對(duì)整個(gè)擠壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，利用后處理結(jié)果優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，考慮產(chǎn)品形狀的幾何對(duì)稱性，可將包括擠壓頭、擠壓筒、坯料和模具的裝配圖的1/4進(jìn)行模擬，以提高運(yùn)算效率。但因此需設(shè)置對(duì)稱的邊界條件Symmetry Plane，即沒有與工模具接觸的自由表面，即在軟件邊界條件功能里選中模型的1/4對(duì)稱面來(lái)施加邊界條件，保證金屬不會(huì)沿法線方向運(yùn)動(dòng)，以防止附近節(jié)點(diǎn)嵌入對(duì)稱表面。

產(chǎn)品金屬壁厚較薄才1.7mm，而為保持幾何相似性則最短截面必須劃分4～5個(gè)網(wǎng)格，所以局部細(xì)化網(wǎng)格，最小網(wǎng)格大小設(shè)置為0.45mm，且要盡量使總網(wǎng)格數(shù)在20w內(nèi)以保證網(wǎng)格劃分成功。

設(shè)置初始擠壓速度3mm/s;時(shí)間步長(zhǎng)增量為0.1s;熱鍛擠壓狀態(tài)下坯料與模具間摩擦因子取m=0.3;機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能系數(shù)為0.9。

1.3 金屬流速判據(jù)的設(shè)定

2? 分流孔入口形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)

擠壓應(yīng)力中剪切應(yīng)力所占比例較大，特別是普通分流孔入口設(shè)計(jì)，會(huì)增加擠壓力的數(shù)值。而在擠壓過(guò)程中，金屬在塑性區(qū)質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)形成流線，考慮如果以流線軌跡來(lái)設(shè)計(jì)擠壓分流孔入口，那么剪切面則會(huì)變成摩擦面，應(yīng)該能大大降低擠壓力。

在下模模型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上上，擠壓過(guò)程中追蹤點(diǎn)P1～P9如圖3，在擠壓至穩(wěn)定區(qū)域時(shí)記錄坐標(biāo)見表1，其中Y軸坐標(biāo)軸均為0。在此金屬在塑性變形區(qū)的流線軌跡基礎(chǔ)上，利用造型軟件擬合出該曲線并優(yōu)化模具分流孔外形（圖4），并進(jìn)行擠壓模擬，與普通分流孔入口進(jìn)行比較。

后處理數(shù)據(jù)顯示，普通分流口在擠壓過(guò)程中穩(wěn)定區(qū)域的擠壓力峰值達(dá)到172kN，而使用流線設(shè)計(jì)后的峰值為154kN，降低了10.5%的擠壓力，可有效提高了模具的使用壽命，并有助于金屬的流動(dòng)。

3? 模擬后處理結(jié)果分析

為了考察金屬在同一截面各個(gè)位置上金屬的Z方向流動(dòng)速度，選擇在下模出口處位置對(duì)流動(dòng)金屬做一個(gè)XY平面的橫截面，以0.5mm為距。型材內(nèi)、中、外層面上按工作帶段分別追蹤24個(gè)點(diǎn)，并為了分析方便把該截面圖從拐角處拉直。根據(jù)體積守恒原則，型材流出下?？谒俣葀0=λv，本文擠壓初始速度v=3mm/s，擠壓比λ=46.3，故v0=λv=3*46.3=138.9mm/s，但后處理顯示流出?？谒悬c(diǎn)速度平均值v在117.2mm/s左右，占理論值的84.3%，這是由于模擬焊合階段時(shí)網(wǎng)格不斷重新劃分導(dǎo)致體積丟失所引起的。

從表2追蹤點(diǎn)金屬流速分布可見，中性層上各點(diǎn)均滿足金屬流速判據(jù)，流速較均勻;內(nèi)層金屬流速普遍比外層金屬速度大，且均有幾個(gè)點(diǎn)不滿足流速判據(jù)，需調(diào)整相應(yīng)位置的模芯工作帶長(zhǎng)度;另外靠近四角的金屬流速又較慢，需要對(duì)局部?？坠ぷ鲙нM(jìn)行調(diào)整。

調(diào)整后的工作帶長(zhǎng)度如圖5所示，相應(yīng)的模芯工作帶長(zhǎng)度改為7mm。由表3可見優(yōu)化?？?、模芯工作帶后，追蹤點(diǎn)均滿足金屬流速判據(jù)，Z方向金屬出口速度均較為理想，型材擠出情況良好，模具的設(shè)計(jì)已達(dá)到要求。

4? 總結(jié)

本文基于DEFORM軟件對(duì)某工業(yè)鋁材熱鍛擠壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。模具設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)普通平底分流孔位置得到流線入口形狀，把平面分流模的分流孔入口做成流線形式以優(yōu)化模具，在實(shí)際企業(yè)生產(chǎn)中，考慮模具加工困難，可以不嚴(yán)格按照曲線方程，同時(shí)還要考慮死區(qū)大小，以防止表面雜質(zhì)被帶入塑性變形區(qū)影響型材質(zhì)量;同時(shí)提出金屬流速判據(jù)，根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化模具工作帶長(zhǎng)度，提高型材截面各部分的流速均勻性。因此可知正確運(yùn)用數(shù)值分析技術(shù)，可有助于快速準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)平面分流模具，顯著提高該類模具設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)其開發(fā)的高質(zhì)量、低成本、短周期。

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