夏敏

（南昌職業(yè)大學(xué)，江西 南昌 330500）

引言

電池是電動自行車最關(guān)鍵的零部件，電動自行車的電池外殼一般采用輕質(zhì)鋁合金材料，通過擠壓工藝成型。該電池外殼具有空心、薄壁、矩形的特征，其較大的長寬比導(dǎo)致擠壓成型過程中型材出口截面長邊和短邊的流速均勻性較差、模具橋位受力不均勻。實際生產(chǎn)中，電動自行車電池外殼擠壓模需要有經(jīng)驗的工程師進行多次改模、試模和修模，延長了生產(chǎn)周期，也增加了生產(chǎn)成本。在鋁型材的擠壓過程中，模具決定了型材的形狀、質(zhì)量、生產(chǎn)效率。參考文獻顯示，有限元分析技術(shù)已廣泛用于鋁型材熱擠壓模結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化。劉佳欣等[2]采用有限元模擬軟件進行模擬，通過計算型材截面上的速度差來優(yōu)化模具，得到了較好的模具方案；徐晨等利用仿真模擬技術(shù)獲得擠壓過程金屬變形情況，根據(jù)金屬流速分布提出了模具改進方案，減少了試模成本。曾文浩等利用有限元模擬軟件，通過分析流速均方差總結(jié)擠壓因素對擠壓過程的影響。在試模前，利用計算機模擬軟件可以得到模具的變形情況及擠壓過程中金屬的流動規(guī)律，進而改進模具結(jié)構(gòu)，達到不需要試模的目的。針對某款電動自行車電池外殼用矩形框鋁型材零件，采用Inspire 軟件對其擠壓成型過程中的流速均勻性和模具結(jié)構(gòu)受力情況進行模擬分析，提出3 種不同的優(yōu)化方法，將模擬分析結(jié)果和生產(chǎn)試驗料頭結(jié)果進行比對，確定了最優(yōu)的模具結(jié)構(gòu)方案。

一、模具結(jié)構(gòu)初始設(shè)計方案及分析

（一）模具結(jié)構(gòu)初始設(shè)計方案

圖1 所示為某電動自行車電池外殼用的矩形框鋁型材橫截面。該型材屬于矩形空心件，矩形長寬比接近2，矩形框上有8 個圓形凸臺。在保證模具零件強度的前提下，為了使金屬流動更均勻，根據(jù)型材擠壓形狀的實際需要，模具初始設(shè)計采用蝶形、4 分流孔結(jié)構(gòu)，分流孔前端設(shè)置15mm的入料口位置下沉，上模結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

（二）初始方案分析

模擬分析采用專用鋁型材熱擠壓模擬分析軟件Inspire，模擬分析和試模的工藝參數(shù)如表1 所示。圖3（a）所示為初始模具方案的型材出口流速模擬云圖，長短邊擠出速度相差較大，各邊中點位置均比相鄰部位流速快，流速均方差為7.91。這樣的流速分布會導(dǎo)致擠壓加工過程中，型材的長邊和短邊出現(xiàn)波浪起伏。圖3（b）所示為實際試模的料頭，型材短邊波浪變形較明顯，與模擬分析結(jié)果一致，因為短邊的材料流入補給的流動阻力較小，因此流速較快。圖4（a）所示為模具應(yīng)力分析云圖，模具最大應(yīng)力在分流橋的根部，為1466.42MPa，超出了材料屈服強度1000MPa。蝶形分流模的分流橋在工作過程中受較大的應(yīng)力，當(dāng)其所受的應(yīng)力值超出了模具零件材料在工作溫度下的屈服強度時，該位置容易發(fā)生變形積累，最后出現(xiàn)裂紋損傷，導(dǎo)致模具失效。圖4（b）所示為經(jīng)一定次數(shù)擠壓后失效的模具零件，圖中失效點出現(xiàn)了裂紋，失效部位與模擬預(yù)測結(jié)果一致。

二、模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

（一）優(yōu)化方案

為了減小模具所受應(yīng)力，結(jié)合工程經(jīng)驗提出了3 種模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，如圖5 所示。其中，方案1 在初始方案的基礎(chǔ)上取消入料口下沉結(jié)構(gòu)，方案2 將上模的分流孔數(shù)量增加至6 個，方案3 在初始方案的上模上方增加一塊導(dǎo)流塊。

（二）優(yōu)化結(jié)果分析

1.取消入料口下沉方案。圖6（a）所示為取消入料口下沉后的型材出口流速分布，型材短邊流速快、長邊流速慢，流速均方差為8.39；實際擠出料頭的變形趨勢與模擬結(jié)果中流速的分布相同，如圖6（b）所示，流速較快的短邊翹曲、較慢的長邊內(nèi)凹，對比初始模擬結(jié)果，取消入料位置下沉，流速分布情況會變差，短邊流速加快，長邊流速減慢，長短邊流速差異變大，模擬結(jié)果較好地預(yù)測了實際料頭的變形趨勢。長邊中間位置的凸臺附近流速較快，因為凸臺壁厚較厚，對應(yīng)模孔較大，材料供應(yīng)充足且阻力較小，因此流速較快。圖7（a）所示為方案1的上模應(yīng)力分布云圖，上模所受最大應(yīng)力出現(xiàn)在分流橋與模芯連接的根部，最大值達到1597.74MPa，超出了模具在工作溫度下的屈服強度，隨著擠壓次數(shù)的增加易出現(xiàn)損傷。在實際生產(chǎn)過程中，該模具在生產(chǎn)了一定數(shù)量棒料后，分流橋根部位置產(chǎn)生裂紋，如圖7（b）所示，生產(chǎn)結(jié)果與模擬分析結(jié)果一致。由此可以看出，該方案與初始方案的模具失效形式相似，說明入料口位置有無下沉對結(jié)果影響不大。

2.增加分流孔個數(shù)。方案2 在初始方案的基礎(chǔ)上將分流孔數(shù)量從4 個增加到6 個。圖8（a）所示是該方案的型材出口流速分布云圖，型材流速仍然是短邊快、長邊慢，但流速均勻性有了明顯改善，流速均方差只有5.58。生產(chǎn)試模結(jié)果也顯示型材整體流速較均勻，不再出現(xiàn)初始方案和優(yōu)化方案1 中長邊凹陷的現(xiàn)象。短邊流速仍然快，導(dǎo)致料頭的短邊產(chǎn)生了卷曲，如圖8（b）所示。圖9 所示為優(yōu)化方案2 對應(yīng)的上模應(yīng)力分布云圖，上模受到最大應(yīng)力為1054.94MPa，比初始方案和優(yōu)化方案1 中的模具所受應(yīng)力都要小，因為優(yōu)化方案2的模具增加了分流孔的個數(shù)，承受應(yīng)力的分流橋個數(shù)增加且金屬到達模腔時流動性更大，因此模具危險點受力與初始方案和優(yōu)化方案1相比有所減小，說明增加分流孔能減小模具所受到的應(yīng)力。

3.增加導(dǎo)流塊。方案3 在上模前端增加一塊厚度為110mm的導(dǎo)流塊，金屬材料首先經(jīng)過導(dǎo)流塊分流，再進入上模。加入導(dǎo)流塊后，型材出口流速分布模擬結(jié)果如圖10（a）所示。由圖10（a）可知，短邊流速整體較慢，中點位置流速最慢；長邊流速較快且中點位置流速最快，降低了短邊流速，增大了長邊流速，流速均方差為7.79，對流速分布改善明顯。圖10（b）所示為實際試模料頭，長邊流速比短邊快，開始卷曲，且長邊中點位置有波峰，符合流速最快的模擬結(jié)果。短邊在中點位置有波谷，與模擬結(jié)果一致。導(dǎo)流孔能起到對金屬進行預(yù)分配的作用，有效控制長短邊的流速，因此，帶導(dǎo)流塊的情況下型材短邊流速較慢，長邊流速較快，雖然最大流速差仍然較大，但反轉(zhuǎn)了快慢的趨勢，彌補了長邊不易成型的缺陷。由圖10（b）可以看到，短邊不再翹曲，型材整體變形較為均勻。圖11 所示為優(yōu)化方案3 對應(yīng)的上模應(yīng)力分布云圖，導(dǎo)流塊在材料到達上模前先起到分流作用，降低了上模分流橋承擔(dān)的壓力，模具危險點的受力為916.29MPa，小于模具在工作溫度下的屈服強度，實際擠壓過程中不易失效，故增加導(dǎo)流塊可以減少上模所受應(yīng)力。

（三）最優(yōu)方案確定

根據(jù)初始方案和3 種優(yōu)化方案模擬與實際擠壓結(jié)果分析，得出圖12所示的4 種方案模具受力與流速均方差對比。從模具危險點受力的對比可以看出，取消入料口沉橋方案危險點受力反而更高，而增加分流孔數(shù)目和增設(shè)導(dǎo)流塊都能較好的改善危險點受力；從流速均方差的對比可以看出，3 種優(yōu)化方案中，取消入料口沉橋方案和增加導(dǎo)流塊方案流速并未得到改善，而增設(shè)分流孔方案改善了型材流速分布情況，使流速分布更均勻。4種方案擠壓力變化曲線如圖13 所示，增加分流孔數(shù)目時會使擠出型材所需的擠壓力升高，降低了生產(chǎn)效率，同時分流孔的分布方式影響了模腔內(nèi)金屬的流動，導(dǎo)致擠出型材變形不均勻。綜合考慮，增設(shè)導(dǎo)流塊是較好的模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

三、結(jié)束語

結(jié)合有限元模擬及生產(chǎn)試驗，通過流速均勻性和模具失效情況判斷模具結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，最終得到最優(yōu)的模具結(jié)構(gòu)和型材產(chǎn)品，具體結(jié)論如下。1.入料口位置有無下沉對矩形框鋁型材擠壓出口流速和模具擠出影響不大。2.對于矩形框鋁型材擠壓模，增加分流孔個數(shù)能降低模具零件所受應(yīng)力，同時使型材出口速度更均勻，但會使擠出型材所需的擠壓力大幅升高。3.通過增加導(dǎo)流塊可減小模具零件所受應(yīng)力，使模具零件在擠壓過程中不易失效。