陳亞仁

(福建省南平鋁業(yè)股份有限公司，福建 南平 353000 )

鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、易回收和能耗低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、航天航空等領(lǐng)域[1]。鋁合金成形工藝主要有鍛造、沖壓和擠壓等方法，其中擠壓成形的型材占比日益增加。隨著鋁合金擠壓型材向大型化、復(fù)雜化、精密化、多規(guī)格、多用途方向發(fā)展，對(duì)擠壓模的要求越來越高[2]。擠壓成形是在高溫、高壓和劇烈摩擦條件下大塑性變形的復(fù)雜非線性成形過程，采用實(shí)驗(yàn)的方法無法全面了解金屬材料在模腔內(nèi)的變形規(guī)律以及模具的變形規(guī)律，而通過數(shù)值模擬的方法可以獲得金屬材料在模腔內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)以及應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)等的分布情況。因而，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以減少試模和修模的次數(shù)，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過數(shù)值模擬的方法研究了模具結(jié)構(gòu)對(duì)擠壓成形過程的影響規(guī)律。喻俊荃等[3]設(shè)計(jì)了不同阻流塊的高度和寬度，分析了阻流塊對(duì)金屬材料流速的影響規(guī)律，并提出了阻流塊設(shè)計(jì)的一般原則。在模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，采用阻流塊、二級(jí)焊合室和引流槽，可使出口截面速度更加均勻[4- 5]。曾文浩等[6]研究了焊合角和焊合室高度對(duì)金屬流速和焊合質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，最佳焊合角為45°，且最佳焊合室高度為20 mm。劉志文等[7]通過采用基于Kriging近似模型和多島遺傳算法優(yōu)化了工作帶長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)型材截面出口金屬流速的精確控制。Chen等[8]研究了錐體模具的錐度對(duì)擠壓力、材料流速、橫向焊縫長(zhǎng)度、模具應(yīng)力等的影響規(guī)律，結(jié)果表明，隨著錐度的增加，擠壓力逐漸減??；采用錐體模擠壓時(shí)，坯料中心的材料流動(dòng)速度大大加快；錐體模具可以減少型材橫向焊縫長(zhǎng)度；錐體模具上、下模的最大應(yīng)力均小于常規(guī)模具的。

本課題以鋁合金方形型材為研究對(duì)象，以型材截面出口速度均方差和模具等效應(yīng)力為目標(biāo)，采用HyperXtrude軟件對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)型材出口速度、出口溫度、Z向位移、模具等效應(yīng)力、模具變形量等的影響規(guī)律。

1 有限元模型建立

1.1 型材與模具結(jié)構(gòu)

型材斷面如圖1所示，外形尺寸為151.5 mm×151.5 mm，壁厚為2.89 mm。根據(jù)型材的特征，設(shè)計(jì)了中心沉橋的初始模具結(jié)構(gòu)，如圖2所示。上模的尺寸為Φ410 mm×170 mm，下模的尺寸為Φ410 mm×90 mm，焊合室的高度為35 mm，中心的沉橋高度為45 mm。為了方便計(jì)算，忽略模型中的定位銷、螺孔等。

圖1 型材及其外形尺寸Fig.1 Aluminum profile and its overall dimensions

圖2 初始模具三維模型Fig.2 3D model for the initial die

1.2 有限元模型的前處理

1.2.1 網(wǎng)格的劃分

將模具的三維模型導(dǎo)入到HyperXtrude軟件中，對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何清理。幾何清理的程度要適當(dāng)，必須保留模具模型的基本幾何特征，確保提取的表面可以圍成封閉的實(shí)體。為了更好地控制網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量，將金屬材料流經(jīng)的區(qū)域劃分為坯料、分流孔、焊合室、工作帶、型材五個(gè)部分，如圖3所示。在變形小的區(qū)域設(shè)置大尺寸網(wǎng)格，如坯料；在變形大的區(qū)域設(shè)置小尺寸網(wǎng)格，如型材、工作帶。因而，在對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，按照型材-工作帶-焊合室-分流孔-坯料的順序進(jìn)行，網(wǎng)格尺寸逐漸增大。

圖3 有限元計(jì)算模型Fig.3 Finite element calculation model

1.2.2 材料及本構(gòu)模型的設(shè)定

擠壓坯料為6063鋁合金，模具材料為H13鋼，材料的力學(xué)性能和熱物理性能參數(shù)如表1所示。

表1 6063鋁合金和H13鋼的力學(xué)性能和熱物理性能參數(shù)[8]Table 1 Mechanical properties and thermophysical properties of 6063 aluminum alloy and H13 steel

選擇雙曲正弦Arrhenius本構(gòu)模型[9]來描述6063鋁合金的高溫流變行為，其材料本構(gòu)方程如式(1)所示。

(1)

式中：

A—結(jié)構(gòu)因子；

α—應(yīng)力水平參數(shù)；

σ—應(yīng)力峰值或穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力；

N—應(yīng)力指數(shù)；

R—摩爾氣體常數(shù)，數(shù)值為8.314 J/(mol·K)；

T—變形溫度；

Q—熱變形激活能，反映了材料熱變形的難易程度。

為了求解式(1)Arrhenius本構(gòu)模型的參數(shù)，本課題在Gleeble 3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行6063鋁合金材料在不同溫度(300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃)和不同應(yīng)變速率(0.001 s-1、0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、10 s-1)下的熱壓縮實(shí)驗(yàn)，得到了該材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。

圖4 6063鋁合金材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 True stress-strain curves of 6063 aluminum alloy

實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的6063鋁合金材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，采用Matlab軟件擬合求解了Arrhenius本構(gòu)模型的參數(shù)，建立了6063鋁合金材料的Arrhenius本構(gòu)模型，如式(2)所示。并將構(gòu)建的Arrhenius本構(gòu)模型在HyperXtrude軟件中進(jìn)行設(shè)定。

(2)

1.2.3 關(guān)鍵擠壓工藝參數(shù)的設(shè)定

擠壓工藝參數(shù)：坯料直徑為250 mm，坯料預(yù)熱溫度為450 ℃，擠壓筒溫度為450 ℃，模具溫度為450 ℃，擠壓速度為4 mm/s。擠壓筒、模具與坯料之間的換熱系數(shù)為3000 W/(m2·K)，型材與外部環(huán)境之間的換熱系數(shù)為20 W/(m2·℃)。在實(shí)際擠壓過程中，模具工作帶的摩擦較為復(fù)雜，本實(shí)驗(yàn)?zāi)＞吖ぷ鲙У哪Σ令愋驮O(shè)置為庫倫摩擦，摩擦數(shù)值為0.3，其他區(qū)域設(shè)置為黏滯摩擦。

1.2.4 模具應(yīng)力分析

采用擠壓成形過程與模具應(yīng)力分析相互耦合的數(shù)值計(jì)算方法，即型材擠壓成形的擠壓力影響模具應(yīng)力的分布，而模具應(yīng)力的分布反過來也影響型材的擠壓成形過程。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 初始模具型材出口速度分布規(guī)律

為了得到較好的型材形狀和較高的尺寸精度，需要保證型材出口速度分布均勻，否則型材容易發(fā)生變形，出現(xiàn)波紋、扭曲和劃痕等缺陷。因此，采用型材截面出口速度均方差SDV來表征型材出口速度的均勻性，SDV越小，則型材出口速度越均勻，且型材外形尺寸越容易得到保證。

(3)

式中：

vi—型材某一節(jié)點(diǎn)的速度；

N—型材截面上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

圖5為采用初始模具擠壓成形時(shí)型材截面出口速度分布規(guī)律。從圖5可知，型材截面出口最高速度為124.13 mm/s，最低速度為105.74 mm/s，最大與最小的速度差為18.39 mm/s，通過計(jì)算得到型材截面出口速度均方差SDV為6.20 mm/s，即出口速度均方差較大。因而，需要對(duì)模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 初始模具型材截面出口速度分布規(guī)律Fig.5 Distribution law of section exit velocity of initial die

2.2 初始模具等效應(yīng)力分布規(guī)律

采用初始模具擠壓成形時(shí)，模具等效應(yīng)力分布規(guī)律如圖6所示。由圖6可知，模具等效應(yīng)力分布極不均勻，在模芯根部和分流橋連接處存在明顯的應(yīng)力集中，最大等效應(yīng)力為1124.48 MPa，而H13鋼在擠壓成形工作溫度下的屈服強(qiáng)度約為1200 MPa，即上模受到的最大等效應(yīng)力接近模具材料的屈服強(qiáng)度。應(yīng)力集中區(qū)域容易成為微裂紋源，引起開裂，影響模具使用壽命。因此，需要對(duì)初始模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以延長(zhǎng)模具的使用壽命。

圖6 初始模具等效應(yīng)力分布規(guī)律Fig.6 Equivalent stress distribution law of initial die

3 模具優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

3.1 模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

研究表明，模具沉橋高度在一定范圍內(nèi)有利于降低模具應(yīng)力，超過一定范圍后，模具應(yīng)力開始逐漸增大[10]；多級(jí)焊合室可以有效平衡模腔中的金屬材料流動(dòng)速度[11]。因此，通過綜合降低初始模具中心的沉橋深度；將模芯根部設(shè)計(jì)成舌芯階梯臺(tái)階；增加了二級(jí)焊合室的結(jié)構(gòu)等方案來對(duì)模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 模具優(yōu)化后的三維模型Fig.7 3D model after die optimization

3.2 型材出口速度分布規(guī)律

基于優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)方案，采用HyperXtrude軟件對(duì)型材擠壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到型材截面出口速度分布規(guī)律如圖8所示。從圖8可以看出，型材截面出口最大速度降低到121.58 mm/s，最小速度升高至115.44 mm/s，最大與最小速度差減小到6.14 mm/s。與初始模具結(jié)構(gòu)相比，型材截面出口速度均方差為2.33 mm/s，降低了62.42%，這說明模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化后型材截面出口速度分布更均勻，進(jìn)一步消除了擠出型材的變形。

圖8 模具優(yōu)化方案型材截面出口速度分布規(guī)律Fig.8 Distribution law of section exit velocity with the optimized die pattern

3.3 型材出口溫度分布規(guī)律

型材的出口溫度會(huì)影響型材的質(zhì)量，溫度過高，型材容易出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，溫度過低，影響淬火效果，導(dǎo)致型材性能差。圖9為采用不同模具方案擠壓成形時(shí)，型材出口溫度的分布規(guī)律。采用初始模具方案擠出型材的最高溫度為485.40 ℃，最低溫度為480.65 ℃，溫差僅為4.75 ℃。而采用優(yōu)化后的模具方案擠出型材溫差為7.38 ℃，相對(duì)于初始模具升高了2.63 ℃。

圖9 不同模具方案型材出口溫度分布規(guī)律Fig.9 Distribution law of profile exit temperature with different die patterns

這是因?yàn)橐攵?jí)焊合室后，使焊合室的總?cè)萘繙p小，導(dǎo)致單位體積金屬產(chǎn)生的熱量增加，使型材的整體溫度有所上升。并且上模模芯根部設(shè)計(jì)成階梯臺(tái)階，導(dǎo)致材料發(fā)生多次變形，產(chǎn)生的熱量也增加，導(dǎo)致型材中部溫度升高，而型材的四角區(qū)域溫度傳遞距離較遠(yuǎn)，且與模具接觸，導(dǎo)致溫度升高緩慢。

3.4 型材位移分布規(guī)律

型材位移可以直觀反映擠出型材料頭的變形情況，判斷模具設(shè)計(jì)是否合理。型材出口速度越大，則型材位移變形也越大。圖10為初始模具方案和模具優(yōu)化方案型材Z向位移(型材擠出方向)的分布規(guī)律。從圖10可知，初始模具方案擠出型材的最大位移為10.88 mm，位移均方差為3.02 mm；優(yōu)化后的模具方案擠出型材的最大位移為9.08 mm，位移均方差為1.16 mm，與優(yōu)化前相比，位移均方差下降了61.59%；而且，優(yōu)化后模具擠出型材Z向位移分布比初始模具擠出型材Z向位移分布更均勻，這是因?yàn)閮?yōu)化后的模具擠出型材出口速度均方差更小。

圖10 型材Z向位移分布規(guī)律Fig.10 Distribution law of Z-direction displacement of profile

3.5 焊合壓力分布規(guī)律

圖11為初始模具方案和模具優(yōu)化方案焊合室焊合壓力的分布規(guī)律。從圖11可以看出，模具優(yōu)化后焊合室的焊合壓力明顯提高，與初始模具相比，提高了4.72%。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)了舌芯階梯臺(tái)階的模芯和引入了二級(jí)焊合室，金屬材料在分流孔和焊合室中的流動(dòng)阻力增加，導(dǎo)致焊合壓力增大。焊合壓力越大，型材焊合質(zhì)量越好，反之，型材焊合質(zhì)量越差。焊合壓力的增大也將導(dǎo)致擠壓力的升高，分析結(jié)果表明，模具初始方案和優(yōu)化方案的擠壓力分別為13.31 MN、14.60 MN，即模具優(yōu)化后的擠壓力有所增大，增加了9.69%。

圖11 焊合室焊合應(yīng)力分布規(guī)律Fig.11 Welding stress distribution in the welding chamber

3.6 模具等效應(yīng)力分布規(guī)律

圖12為初始模具方案和模具優(yōu)化方案的上模等效應(yīng)力分布規(guī)律。由圖12a可知，在擠壓成形過程中，初始模具的上模等效應(yīng)力分布非常不均勻，在模芯根部與分流橋下端連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，模具最大等效應(yīng)力值為1124.48 MPa，接近此溫度下H13鋼的屈服強(qiáng)度1 200 MPa，容易成為微裂紋源，引起開裂，影響模具的使用壽命。從圖12b可以發(fā)現(xiàn)，模具優(yōu)化后模具最大等效應(yīng)力為673.2 MPa，與初始模具相比，降低了40.13%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于H13鋼在擠壓成形工作下的屈服強(qiáng)度，因而，延長(zhǎng)了模具的使用壽命。

圖12 模具等效應(yīng)力分布規(guī)律Fig.12 Distribution law of equivalent stress of the die

3.7 模具變形分布規(guī)律

圖13為初始模具方案和模具優(yōu)化方案的上模變形分布規(guī)律。由圖13可知，初始模具方案模具的最大變形量出現(xiàn)在分流橋的入口處，最大值為0.30 mm；模具優(yōu)化方案模具的最大變形量出現(xiàn)在模芯的根部，最大值為0.16 mm。這是因?yàn)槟＞邇?yōu)化后，分流橋入口處的金屬流動(dòng)比優(yōu)化前明顯要平穩(wěn)，所以優(yōu)化前的模具最大變形量出現(xiàn)在分流橋的入口處；而優(yōu)化后的模具由于增設(shè)了梯形舌芯臺(tái)階，在此區(qū)域堆積過多的金屬材料，導(dǎo)致擠壓力上升，增加了模芯的變形量，因而模具優(yōu)化后最大變形量出現(xiàn)在模芯的根部。結(jié)合圖12可知，模具的等效應(yīng)力均沒有超過模具材料H13鋼的強(qiáng)度，因此，模具僅發(fā)生彈性變形，提高了模具的使用壽命。

圖13 模具變形分布規(guī)律Fig.13 Distribution law of die deformation

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)如圖14所示。在公司的擠壓機(jī)上采用優(yōu)化后的模具進(jìn)行了型材的擠壓生產(chǎn)，擠壓生產(chǎn)的工藝參數(shù)：坯料溫度為450 ℃，擠壓筒溫度為450 ℃，模具溫度為450 ℃，擠壓速度為4 mm/s。擠壓得到的型材如圖15所示。從圖15可以看出，型材表面光滑，沒有出現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)和劃痕等宏觀缺陷。

圖14 優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)Fig.14 Optimized die structure

圖15 擠壓型材產(chǎn)品Fig.15 Extruded profile products

5 結(jié) 論

1)以速度均方差和模具等效應(yīng)力為目標(biāo)，優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)，得到了具有低沉橋深度、模芯根部舌芯階梯臺(tái)階和二級(jí)焊合室等結(jié)構(gòu)特征的模具。

2)模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，型材截面出口速度分布更均勻，與初始模具相比，擠壓型材截面出口速度均方差降低了61.59%，提高了型材出口位移分布均勻性。

3)模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，模具等效應(yīng)力分布較均勻，且分流橋與模芯連接處的應(yīng)力集中減小，模具最大等效應(yīng)力降低了40.13%，有利于延長(zhǎng)模具的使用壽命。