黃雪梅,林雅芳，羅藝茹，鄧汝榮

(廣州科技職業(yè)技術大學自動化工程學院，廣東 廣州 510550)

0 引 言

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

由于鋁型材產品得到了廣泛的應用，其品種和規(guī)格越來越多，型材斷面的形狀也越來越復雜。依據它們的結構特點可分為空心型材和實心型材(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行生產。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生，而模芯由分流橋支撐；平面模一般由一個模子和一個模墊組成，實踐中為優(yōu)化流動條件，?？走M料端往往設置前置焊合室、沉孔或導流孔[1]。在實際中，分流模是用得最廣泛的模具結構，它也可以用于非空心型材的擠壓，是最常見的一種擠壓模具。

由于結構的不同及其特殊性，平面模和分流模中的金屬流動是不同的。在平面模中，從模具進料端到出口是一個連續(xù)轉變過程。在分流模中，金屬流動被分流橋所阻礙，分成幾股金屬流，在焊合室內橫向流動填充，再重新焊合成連續(xù)的形狀[2]。從金屬連續(xù)轉變來說，分流模與平面模是相似的，即通過模具出口端沒受到阻攔，并且最終通過工作帶成型。不同的是，金屬在分流模中的流動，是由多個進料孔進入焊合室匯合后，再通過工作帶填充到型材的各個部位，而在平面模中則由1個導流孔直接通過工作帶填充到型材的各個部位。因此，金屬的填充度取決于金屬體積流動速率或單個?？椎耐ㄟ^量。而流動速率決定了?？壮叽?，但金屬的流動速率又受到金屬流動的幾何性質，如焊合室體積、模道寬度、工作帶，特別是工作帶長度和角度等的影響。因此，對復雜鋁型材擠壓過程中金屬流動特性的分析研究和模擬，對模具設計具有重要的指導意義，也引起了廣大專家學者、工程技術人員的極大關注。

本文通過實際產品案例，借助商用Altair Hyper Xtrude軟件，對具有多空腔的型材擠壓過程中的金屬流動特性進行分析，總結模具結構對金屬流動的影響因素，為模具設計中如何有效調整金屬流速提供可靠的依據，提高模具的成型成功率。

1 金屬流動特征分析的方法

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

對于擠壓高精度的多腔空心型材，金屬在模具內部某些區(qū)域會發(fā)生橫向流動，如圖2所示，模芯可能會產生偏移，以致出現壁厚偏差。偏置的模芯也可能會導致流量不平衡，使得出料不規(guī)則。設計模具時，這些因素都必須考慮。目前的模具設計仍主要依賴于模具設計與制造者的專業(yè)知識和經驗，且費時費力。模具設計時通過計算機模擬，并結合經驗進行修改，可以大幅提高模具試模的成功率。

(a) 金屬進入分流孔

(b) 金屬進入焊合室

(c) 金屬填充模芯間的間隙

(d) 金屬最后成型

關于擠壓過程中金屬流動特征的分析，早期的研究使用的是模型系統，即用模型材料代替鋁合金。目前更多的是使用鋁棒，通過插入不同合金針、棒或盤，剖切和腐蝕取自盛錠筒和(或)擠壓部分的樣品來分析流態(tài)。這種方法，對于研究當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，表面的形成和出現成型缺陷更為有效，當然，這一方法也可用于研究模具對金屬流態(tài)的影響。對于平面模，通?？紤]的是前置焊合室或導流腔對材料流動的影響。而對于分流模，研究的是金屬通過分流孔和在焊合室重新匯合的金屬流動狀態(tài)。隨著計算機模擬技術的提高，基于有限元方法，可進行模擬流態(tài)分析。但是這種方法對樣品類型(材料性質、熱學特性、摩擦條件)有一定的要求。大量研究表明，輸入實際流動實驗數據，輸出的模型實驗模擬結果會更準確[3]。

以如圖3所示的型材作為擠壓金屬流動分析的對象。該型材具有壁厚懸殊大、兩個空腔，和懸臂等復雜型材的典型特征，斷面積為2 445.8 mm2，型材外接圓半徑為156 mm。模具設計具有一定的難度，特別是金屬流量平衡、流速的調整控制和模具強度保證等。

圖3 多空腔型材示意圖

為了在保持斷面尺寸穩(wěn)定的情況下，研究擠壓時模具內部結構對流動參數的影響，設計了3種模具進行實驗，模具編號分別為D、 F、 G。D模具為常規(guī)設計模具，F模具與D模具進料孔尺寸和?？撞季窒嗤?，但設置了階梯式的二級焊合室。G模具的模孔稍做修改，下模也是平面的。圖4列出了不同形狀的金屬流動狀態(tài)的CAD模型。

(a) 模具D(分流孔進入模板有沉橋)

(b) 模具F(分流孔進入模板無沉橋)

(c) 模具G(分流孔較大且進入模板無沉橋)

2 金屬流動模擬

采用有限元方法對材料流動進行數值分析。模擬軟件為商用軟件Altair HyperXtrude。使用“虛擬擠壓實驗室模塊”模擬擠壓過程。在溫度和應變速率相當的條件下進行壓縮實驗來確定鋁合金變形過程的基本規(guī)律。實驗模具設計的CAD幾何數據可作為三維有限元模型的原始數據，擠壓過程中，整個金屬流動過程都必須建模，包括橫截面直徑為205 mm，長150 mm的鋁棒，模具內部的金屬及其成份等。擠出的型材僅用于與工作帶有關的型材長度的建模。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，并采用熱導系數為5 000 W·m-2·K-1、模具溫度也不變的熱邊界條件。同時設定擠壓桿和鋁棒的接觸面溫度不變條件下的流入速度。

現設定模具溫度為450℃，流入速度1 mm·s-1，在這樣的條件下對圖3所示型材采用的3種不同模具的金屬流動方式進行研究。模具分別編號為D、 F、 G，模擬采用的材料是6063合金。3種不同設計的模具模擬結果分別見圖5～7， 3個圖分別描述了?？滋幩俣?、壓力分布及模具出口的溢出速度。

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

(a) 模具D

(a) 模具D

3 實驗驗證

從模擬可知，不同的模具設計會產生不同的流動特征。為驗證計算機模擬的結果，可進行實際擠壓實驗。在最大擠壓力為25 MN的擠壓機上進行擠壓，鋁棒橫截面直徑為203 mm。為了形成明顯的流態(tài)，擠壓鋁棒由經過均勻化退火與未經處理的6063合金棒組成。通過連續(xù)擠壓這種鋁棒形成連續(xù)的過渡形貌，可表征相對速度和模具里的金屬流態(tài)。圖8為板材連續(xù)擠壓的金屬流動橫向焊縫組成的模型[4]。

圖8 板材連續(xù)擠壓的金屬流動橫向焊縫組成模型

通過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入到另一種合金組織的轉變。通過擠壓循環(huán)，在接近中間的位置發(fā)生轉變，此時的金屬流態(tài)可認為是穩(wěn)定流態(tài)的擠壓過程。為確定轉變的位置，從長料的停車痕處取樣，以保護樣品的起點位置。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，橫斷面上鋁棒的轉變很清晰地顯示出來。一旦確定了轉變的大致位置，對合成樣品鋸切取樣。采用同樣的方法腐蝕樣品。為了定量確定流態(tài)，對腐蝕后的斷面拍照記錄。這些數碼照片可用于對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)域通過圖片處理軟件的像素計算來定量。橫斷面上局部材料的占比與區(qū)域分流孔面積成函數關系，區(qū)域型材面積越大，則對應的分流孔面積越大[5],但在模具設計中，應盡可能使各區(qū)域的型材面積與該區(qū)域對應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。經過以上步驟，可以比較3種模具的內部結構對流動行為的影響。

4 結果與討論

3種模具擠壓3個行程。每個行程由一支初始棒和不同工藝下的數個合成棒組成。為了清楚地表述結果，實驗型材分成數個區(qū)域，并用數字標識。這些數字與模具的進料孔對應，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的第一次近似值。料頭顯示各區(qū)域的流速差異。流動暢通和(或)區(qū)摩擦力小的區(qū)域有利于材料流動，從而流量較大。因此這些區(qū)域模具出料也快。內部壓力引起的流動速度變化使料頭發(fā)生扭曲變形。當料頭來自瞬時工藝條件下未填充的模具時，則無法體現正常模具的金屬流動特征。

另外，當擠壓3根鋁棒后得到一個平衡、穩(wěn)定的狀態(tài)條件，流動條件才被認為是穩(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。據此推斷，Ⅴ區(qū)的進料比其他區(qū)域超前，而其他區(qū)域特別是Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)的進料滯后，以致擠壓型材出現扭擰。排除模具結構不足的情況，整個橫斷面連續(xù)擠出。因此，某點上的材料質點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構和鋁流經模具和流出模具時的流動形式[9]。對于這3種模具，沿長料所選位置處所取樣品的關鍵尺寸可以測量。測量的尺寸包括壁厚、內腔尺寸和懸臂開口尺寸。結果發(fā)現：與模具結構和長料位置有關的型材形狀和尺寸沒有明顯的差異。任何一個尺寸變化都不超過0.05 mm。

如上所述，材料經過模孔流入橫斷面的不同區(qū)域，?？酌娣e和模具結構將影響流動的特性，以及局部材料通過量的變化[10]。因此，并不是所有的區(qū)域同時填充。這可從腐蝕不同位置橫斷面的轉變區(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，對于所有的模具組合，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)最先發(fā)生材料轉變。D和F模具的Ⅳ區(qū)緊隨Ⅱ區(qū)發(fā)生轉變，而G模具在Ⅳ區(qū)發(fā)生轉變前在填充Ⅲ區(qū)。所有模具的Ⅴ區(qū)在最后填充。網格之間的區(qū)域與橋位有關，并最終形成縱向焊縫。由于流道被阻礙，這些區(qū)域的材料通過受阻。此外，由于工作帶和盛錠筒的摩擦，型材外圈的流動受到限制，外部的轉變比中間和內部要慢。在橫斷面的末端出現特殊情況，此時最后發(fā)生完全轉變。

5 結 語

通過設計的3種模具擠壓同一型材,來研究模具結構對復雜、多孔型材流動行為的影響，并利用一系列切片和腐蝕合成鋁棒生產的型材斷面來分析流態(tài)，以及對所得結果與計算機模擬結果進行對比，形成如下結論。

1) 模具設計的CAD幾何數據可作為三維有限元模型原始數據，擠壓過程中的整個金屬流動過程都必須建模，包括鋁棒、模具內部的金屬及鋁合金成份等。在建模中要設定模具溫度和金屬注入速度。

2) 實驗結果證明，實驗所用的分析方法可準確并有效地對金屬流動進行分析。網格通過單個?？滋畛?，但在較短的時間內就發(fā)生了初始(橫向焊縫)轉變，然后轉變又瞬間變慢直至完全轉變，即橫向焊縫的消失需要比較長的時間，這說明在型材長度方向上橫向焊縫存在的距離較長。

3) 模具結構的不同決定著模具中單個?？椎慕饘倭鲃訝顟B(tài)。采用前置焊合室，即焊合室設計在上模，在網格填充時僅有邊界效應，分流孔尺寸的改變對金屬流動影響顯著。盡管如此，模具結構或分流孔的差異對型材的形狀和尺寸的差異并沒有明顯的影響；型材的形狀和尺寸的差異取決于下模的各個參數。

4) 通過計算機可以快速模擬擠壓過程中的金屬流動狀態(tài)。其結果與模具實驗中確定的流動參數一致。由于模擬的是瞬時狀態(tài)，不能與實驗結果進行比較，因此，采用的模擬過程應包含從鋁棒到模具出口的整個金屬流道。