王勝龍 秦中環(huán) 周小京 劉建峰 張海超 郭曉琳 李保永 王志敏

設(shè)計·工藝

復(fù)雜多腔體鋁合金型材擠壓模具設(shè)計及擠壓過程數(shù)值模擬研究

王勝龍1秦中環(huán)1周小京1劉建峰2張海超2郭曉琳1李保永1王志敏1

（1. 北京航星機(jī)器制造有限公司，北京 100013；2. 山東大學(xué)，濟(jì)南 250014）

綜合考慮分流比、分流孔、分流橋、模芯、焊合室、?？椎确至鲾D壓模具的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征及參數(shù)，設(shè)計了航天器復(fù)雜多腔體鋁合金型材的分流組合擠壓模具結(jié)構(gòu)，并利用三維建模軟件繪制了模具的三維幾何模型。在HyperXtrude軟件中構(gòu)建了該型材擠壓的有限元模型，導(dǎo)入繪制的分流組合擠壓模三維模型，模擬仿真該型材的擠壓過程。結(jié)果顯示，該型材擠壓速度、溫度、應(yīng)變和晶粒尺寸分布都比較均勻，說明設(shè)計的模具合理可行。

模具設(shè)計；分流擠壓；復(fù)雜多腔體型材；數(shù)值模擬

1 引言

鋁合金擠壓型材強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕性和導(dǎo)熱導(dǎo)電性良好，且易于回收，在汽車、高鐵、家電3C、石油化工、船舶、兵器、航空航天等多個行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[1]，是產(chǎn)品實現(xiàn)性能提升和輕量化的首選結(jié)構(gòu)材料。盡管我國鋁合金型材擠壓技術(shù)水平得到大幅提升，但復(fù)雜型材擠壓模具的設(shè)計大多還是依靠多次試模和修模生產(chǎn)經(jīng)驗，模具和產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性均難以保證[2]，相關(guān)技術(shù)水平仍然落后世界鋁型材生產(chǎn)強(qiáng)國。因此，改進(jìn)和優(yōu)化固有的模具設(shè)計方法、節(jié)約模具開發(fā)成本、提高模具開發(fā)速度和提高產(chǎn)品質(zhì)量、用科學(xué)的理論指導(dǎo)生產(chǎn)實踐，是我國型材擠壓行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然趨勢。

實際生產(chǎn)中，空心型材的加工主要采用分流組合模擠壓法。擠壓機(jī)推動高溫實心鑄錠前進(jìn)，鑄錠經(jīng)分流孔被分成若干個合金流，在高溫高壓的焊合室內(nèi)重新焊合成包覆模芯的合金整體，最后通過模孔與模芯之間的間隙流出，成形出特定形狀的空心型材[3]。

隨著鋁型材成形工藝的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對鋁合金型材幾何形狀、內(nèi)部組織和力學(xué)性能等的要求日益苛刻。研究的航天器鋁合金型材截面尺寸大且形狀復(fù)雜、壁厚變化大、外形尺寸精度和力學(xué)性能要求高，是典型的復(fù)雜多腔體空心型材，合金在模具型腔內(nèi)的流變行為僅憑經(jīng)驗很難準(zhǔn)確預(yù)測，因此該航天器鋁合金型材的擠壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計難度非常大。主要分析航天器鋁合金型材截面形狀，根據(jù)型材幾何特點(diǎn)和技術(shù)要求來設(shè)計分流組合模結(jié)構(gòu)，并繪制三維模型，然后將模型導(dǎo)入HyperXtrude軟件，模擬仿真該型材的擠壓成形過程，依據(jù)模擬結(jié)果驗證模具設(shè)計的合理性和可行性。

2 分流擠壓型材截面形狀分析

圖1 航天器鋁合金型材幾何形狀

研究對象為航天器鋁合金型材，材料牌號為6005A，屬于中等強(qiáng)度鋁合金，熱擠壓成形工藝性、焊接性較好[4]。其形狀示意圖如圖1所示。從圖中可以看出，該型材為具有大截面、大壁厚差和多腔體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在模具設(shè)計和擠壓工藝設(shè)計方面存在以下難點(diǎn)：

a. 形狀復(fù)雜，壁厚相差懸殊。最大壁厚為48mm，最小壁厚僅為4mm，差距高達(dá)12倍。在擠壓成形過程中，壁厚處合金流動速度快，壁薄處合金流動速度慢，如何保證材料流動速度的均勻性難度非常大。

b. 合金流動速度不均勻?qū)е伦冃尾痪鶆?，壁厚變化較大部位容易發(fā)生橫向位移過大或局部扭曲現(xiàn)象。

c. 成形件外形輪廓度不大于±0.5mm，尺寸精度要求極高，大大增加了成形難度。

d. 擠壓速度過慢會降低成形效率，過快則會導(dǎo)致溫度升高使型材發(fā)生過熱甚至過燒，如何協(xié)調(diào)擠壓溫度和擠壓速度之間的關(guān)系非常關(guān)鍵。

鑒于以上難點(diǎn)，在模具設(shè)計過程中，合理設(shè)計分流孔的形狀并分配位置、添加阻流塊并確定其尺寸以及調(diào)整工作帶的長度十分重要。在擠壓工藝設(shè)計過程中，確定最佳的成形溫度和成形速度等工藝參數(shù)同樣非常關(guān)鍵。

3 分流組合擠壓模具設(shè)計及模型構(gòu)建

分流組合擠壓模主要包含上模和下模兩個部分，靠定位銷和螺釘定位和連接。上模由模芯、分流孔和分流橋組成，下模由?？缀秃负鲜医M成。

3.1 分流擠壓模具設(shè)計

a. 分流比選擇公式為：=(∑分)/型。

分流比與擠壓阻力、合金焊合和型材成形質(zhì)量直接相關(guān)，值越大，擠壓力越小，越有利于合金的流動和焊合。在模具強(qiáng)度可承受區(qū)間內(nèi)，值越大越好[5，6]。對于大型空心薄壁型材，一般取=10～30。

b. 分流孔設(shè)計。分流孔斷面形狀有圓形、橢圓形、扇形和異型等。分流孔數(shù)量越多，焊縫越多，因此不可只通過增加分流孔數(shù)目以達(dá)到流速均勻的效果，需綜合考慮合金流速、擠壓力、模具強(qiáng)度等因素。從模具延壽和平均合金流速的角度考慮，分流孔的布局不能太接近模具的中心，從保證模具強(qiáng)度角度、減小擠壓力的角度考慮，分流孔的排布也不能太靠近模具邊緣。

各分流孔的外接圓直徑應(yīng)不小于0.7筒[5]。對于本研究型材，外接圓直徑大于500mm，采用660mm擠壓筒進(jìn)行擠壓成形。則0.7筒=0.7×660=462mm，即各分流孔的外接圓直徑應(yīng)不小于462mm。

型材斷面形狀復(fù)雜，壁厚相差懸殊，為保證合金流動的均勻性，根據(jù)型材幾何形狀和壁厚尺寸，設(shè)計了9個異型分流孔，如圖2所示。

圖2 分流孔形狀及分布

根據(jù)分流孔的總面積可計算得到分流比。分流孔的總面積為113654.853mm2，型材截面面積為10231.814mm2。

=(∑分)/型= 113654.853/10231.814 =11.1。分流比為11.1，符合一般大型空心薄壁型材分流比常用范圍。

c. 分流橋設(shè)計。分流橋的結(jié)構(gòu)可分為固定式和可拆式，采用固定式分流橋模具。分流橋的寬度小，則合金流量增大，會提高分流比，減小擠壓阻力，但為了保證合金流動均勻性，設(shè)計?？讜r最好使其受到分流橋遮擋，則分流橋?qū)挾葢?yīng)偏大，通常：

=+(3～20)mm

式中，——模芯或型腔寬度，（3～20）——經(jīng)驗系數(shù)，大型擠壓型材取下限，小型型材取上限[5，6]。對于本研究型材，外形尺寸較大，所以取下限。

分流橋截面形狀主要有矩形、矩形倒角和水滴形三種。焊縫質(zhì)量與分流橋斜度的大小有一定程度的關(guān)聯(lián)。對于大型復(fù)雜截面難擠壓型材，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗取=30o。

d. 模芯結(jié)構(gòu)設(shè)計。最常見的模芯結(jié)構(gòu)有雙錐體模芯和圓柱形模芯，其具體結(jié)構(gòu)與模具加工方式、模具強(qiáng)度和合金的焊合質(zhì)量直接相關(guān)。模芯的定徑區(qū)決定著型材內(nèi)腔的形狀和尺寸，對于大噸位擠壓設(shè)備，通常可伸出定徑帶10～12mm；對于小噸位擠壓設(shè)備，通?？缮斐龆◤綆?～3mm。對于本研究的大型復(fù)雜截面型材，需在萬噸級以上大型擠壓設(shè)備上擠壓成形，模芯結(jié)構(gòu)伸出定徑帶12mm。

e. 焊合室設(shè)計。焊合室一般可設(shè)計為蝶形或圓形。設(shè)計采用蝶形截面焊合室，有利于消除相鄰兩個分流孔之間的死區(qū)，降低擠壓阻力，提升焊縫質(zhì)量。

一般情況下，焊合室的高度應(yīng)大于分流橋?qū)挾鹊囊话?，也可根?jù)擠壓筒直徑確定焊合室的高度。對于500mm以上的擠壓筒，取焊合室高度= 40～80mm[5，6]。一級焊合室高度設(shè)定為35mm，二級焊合室高度設(shè)定為5mm。焊合室的三維圖如圖3所示。

圖3 焊合室三維圖

f. ?？壮叽纭Ｄ＞咝颓煌庑蔚哪？壮叽缈捎上率酱_定：

=0+0=(1+)0

式中，0——型材外形公稱尺寸；——經(jīng)驗系數(shù)，對于本研究鋁合金型材，取0.012[5，6]。

型材壁厚的?？壮叽?0+。式中，0——型材壁厚公稱尺寸；——尺寸增量，當(dāng)0＞3mm時，一般取=0.2mm；當(dāng)0≤3mm時，一般取=0.1mm。

計算和優(yōu)化?？壮叽?，設(shè)計了薄壁處的上下模間隙。

3.2 模具三維數(shù)模的構(gòu)建

根據(jù)以上設(shè)計方案，在三維建模軟件中構(gòu)建本研究型材的分流組合擠壓模上模和下模的三維幾何模型，其中模具直徑為890mm，總厚度為450mm，上模厚度為240mm，下模厚度為210mm。

4 鋁合金型材分流擠壓過程有限元數(shù)值模擬

4.1 鋁合金型材分流擠壓有限元數(shù)值模擬模型構(gòu)建

4.1.1 幾何模型的構(gòu)建和導(dǎo)入

將三維上模和下模文件導(dǎo)入HyperXtrude，調(diào)整上下模的位置使其焊合室底面中心位于原點(diǎn)。然后將合金流經(jīng)的擠壓筒和模具內(nèi)表面幾何抽取出來，主要包括四個部分：棒料、分流孔、焊合室、工作帶和型材。為了保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，在生成網(wǎng)格之前需要幾何清理抽取表面。通過改變面片的形狀和拓?fù)溥B接關(guān)系刪除小的幾何特征，避免尖角和長寬比很大的面，將每個面變成易于實現(xiàn)網(wǎng)格生成的幾何形狀。如果幾何清理不合理或不徹底會導(dǎo)致生成畸變的表面網(wǎng)格，影響體積網(wǎng)格的生成以及后續(xù)的數(shù)值運(yùn)算。對于本研究型材，幾何清理之后的流經(jīng)分流孔和焊合室區(qū)域的合金幾何形狀如圖5所示。

圖5 幾何清理后的流經(jīng)分流孔和焊合室區(qū)域的材料形狀

4.1.2 流經(jīng)區(qū)域網(wǎng)格劃分

由于合金在擠壓過程中各部分變形程度以及對成形結(jié)果的影響程度不同，各部分網(wǎng)格單元的密度和大小要求也不一致[7]。在模具出口部位，因為接近最終型材尺寸，合金變形量最大，因此該部位的網(wǎng)格單元密度應(yīng)適當(dāng)增大，而單元尺寸應(yīng)適當(dāng)減小，以提高模擬精度。對于棒料中的單元，網(wǎng)格密度可適當(dāng)減小，單元尺寸可適當(dāng)增大，以縮短計算時間，提高有限元分析效率。

流經(jīng)區(qū)域有限元網(wǎng)格生成主要包括以下幾部分，如圖6所示：

a. 分流孔和焊合室四面體網(wǎng)格生成：首先離散圖5所示的表面，生成三角形面網(wǎng)格，然后根據(jù)表面三角形生成三維四面體網(wǎng)格。

b. 圓形棒料四面體網(wǎng)格生成：坯料尺寸660mm×1200mm。圓柱形棒料網(wǎng)格生成的步驟是先生成表面三角形網(wǎng)格，再生成三維四面體網(wǎng)格。

c. 工作帶三棱柱網(wǎng)格生成：通過拉伸法生成工作帶三棱柱網(wǎng)格，為了減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計算效率，在三棱柱網(wǎng)格壁薄處設(shè)置大密度而壁厚處設(shè)置小密度。

d. 型材三棱柱網(wǎng)格生成：通過拉伸法生成型材三棱柱網(wǎng)格。

按照以上方法生成的流經(jīng)區(qū)域最終網(wǎng)格，共生成1,176,932個單元，包括805,538個四面體單元和371,394個三棱柱單元。

圖6 流經(jīng)區(qū)域有限元網(wǎng)格生成

4.1.3 擠壓工藝參數(shù)選擇范圍及設(shè)置

有限元網(wǎng)格生成后，通過Extrusion Wizard進(jìn)入擠壓設(shè)置向?qū)ВO(shè)置型材擠壓工藝參數(shù)。

a. 設(shè)置單位：單位制選擇metric，長度單位為mm，速度單位為mm/s，溫度單位為℃，應(yīng)力單位為MPa。

b. 設(shè)置分析需求：選擇空心件擠壓，采用已生成的網(wǎng)格。

c. 設(shè)置材料模型：默認(rèn)材料類型。

d. 設(shè)置組件信息：將Billet、Portholes+Welding Chamber、Bearing Cavity和Profile分別與已生成的網(wǎng)格模型對應(yīng)起來。

e. 生成邊界條件：首先設(shè)置擠壓參數(shù)，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，模具溫度設(shè)置為480℃，鑄錠溫度設(shè)置為510℃，擠壓筒溫度設(shè)置為460℃，擠壓速度設(shè)置為1.0mm/s。

材料流動區(qū)域主要涉及到Inflow、Outflow、Solid Wall、Bearing、Free Surface五種邊界條件，具體作用區(qū)域和參數(shù)設(shè)置如表1所示[8]。

表1 邊界條件設(shè)置

f. 材料本構(gòu)模型導(dǎo)入：為了使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，將計算獲得的6005A鋁合金考慮應(yīng)變補(bǔ)償?shù)谋緲?gòu)模型導(dǎo)入到HyperXtrude中。本構(gòu)模型如下：

4.2 基于模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)值模擬結(jié)果及分析

從擠壓過程中合金的流動速度、溫度、應(yīng)變、晶粒尺寸的變化和分布等方面分析有限元計算結(jié)果，驗證模具設(shè)計結(jié)果的可行性。HyperXtrude軟件有限元計算運(yùn)行完成后，在后處理中顯示其計算結(jié)果，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后模具的擠壓過程流動分析

圖7a所示是模具出口的合金流速圖，可以看出，模具出口合金流速最大值為22.00mm/s，最小值為18.72mm/s，最大值是最小值的約1.18倍，合金流動速度比較均勻。

圖7b所示是型材溫度圖，可以看出，最高溫度為554.4℃，出現(xiàn)在壁厚最大的部位。最低溫度為521.3℃，出現(xiàn)在壁厚最小的部位。最大溫差為33.1℃，雖然最大溫差稍高，但溫度分布比較均勻，且在最佳擠壓溫度范圍內(nèi)。

圖7c所示是模具出口的型材應(yīng)變分布圖，可以看出，型材應(yīng)變整體分布比較均勻。最大應(yīng)變值為110.0，出現(xiàn)在型材與模具接觸的部位，符合實際擠壓規(guī)律。

圖7d所示是模具出口的型材晶粒尺寸分布圖，最大晶粒尺寸為9.96μm，最小晶粒尺寸為4.06μm，晶粒尺寸相對細(xì)小，晶粒尺寸比較均勻。

圖7e所示是擠壓過程合金流線追蹤分布圖，流線密集程度越高的部位合金流速越快，整體來看流線密集程度比較均勻，結(jié)合圖7a分析結(jié)果，說明合金流動速度比較均勻。從有限元計算結(jié)果綜合來看，采用設(shè)計的分流擠壓模具擠壓后，型材擠壓速度、溫度、應(yīng)變和晶粒尺寸分布都比較均勻，說明設(shè)計的模具合理可行。

5 結(jié)束語

a. 綜合考慮分流比、分流孔、分流橋、模芯、焊合室、?？壮叽绲确至鲾D壓模具的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征及參數(shù)，設(shè)計了航天器復(fù)雜多腔體鋁合金型材的分流組合擠壓模具結(jié)構(gòu)，并利用三維建模軟件繪制了模具的三維幾何模型。

b. 在HyperXtrude軟件中構(gòu)建了航天器復(fù)雜多腔體鋁合金型材擠壓的有限元數(shù)值模擬模型，采用設(shè)計好的分流組合擠壓模具，模擬該型材的擠壓過程數(shù)值。模擬結(jié)果顯示，型材擠壓速度、溫度、應(yīng)變和晶粒尺寸分布都比較均勻，說明設(shè)計的模具合理可行。

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Design of Extrusion Die and Research on Numerical Simulation of Extrusion Process for the Complex Multi-cavity Aluminum Alloy Profiles

Wang Shenglong1Qin Zhonghuan1Zhou Xiaojing1Liu Jianfeng2Zhang Haichao2Guo Xiaolin1Li Baoyong1Wang Zhimin1

(1. Beijing Hangxing Machinery Manufacture Limited Corporation, Beijing 100013;2. Shandong University, Jinan 250014)

The split-flow combined extrusion die of a complex multi-cavity aluminum alloy profile for spacecraft is designed considering the key characteristics and parameters of the die such as split ratio, split hole, split bridge, die core, welding chamber, and die hole. The three-dimensional geometric model of the die is drawn using three-dimensional modeling software. A finite element numerical simulation extrusion model was constructed in the HyperXtrude software, and the designed die is used to numerically simulate the extrusion process of the profile. The simulation results show that the distributions of the profile extrusion speed, temperature, strain and grain size are relatively uniform, indicating that the designed die for the profile in this study is reasonable and feasible.

design of extrusion die；split extrusion；complex multi-cavity profile；numerical simulation

TG376.2

A

國防基礎(chǔ)科研計劃資助項目（JCKY2018204B034）。

王勝龍（1988），博士，材料科學(xué)與工程專業(yè)；研究方向：輕合金熱加工成形技術(shù)。

2021-09-06