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发表于 2020-4-21 09:08:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
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轻量化车体用复杂空心铝型材挤压过程数值仿真及模具优化方法

孙雪梅1,李帅1*,王远见2,姚志鑫3
(1.临沂大学;2.临沂市消防救援支队;3.临沂凌恒智能科技有限公司,山东 临沂 276000)
【中国汽车材料网】摘要:本文根据型材截面形状,初步预设计模具,经过HyperXtrude 软件进行建模分析,得出材料在挤压过程中的流动情况,并在此基础上采用改变分流孔,增加阻流板等结构,对模具进行优化。优化后的模具能够得到均匀的挤压型材,且符合模具受力变形要求。
关键词:复杂空心;铝型材挤压;数值仿真;模具优化

[size=1em]随着社会经济的发展,车辆轻量化是进一步节能提速的关键所在。车体采用铝合金型材是当前车辆轻量化的主要手段。车体型材普遍存在空心,形状复杂,型材的长宽比例很大,最大最小壁厚相差悬殊等特点,成型过程复杂。这就对模具设计、加工提出了较高的要求要求较高。模具设计是车辆轻量化型材挤压过程研究的重点难点所在。本文采用软件+数值模拟的手段,对模具进行优化设计。
1 模具设计

[size=1em]图1 所示为车体空心壁板。由图可见,该型材具有12个型腔,截面积为3397.8mm2,最大壁厚为4mm,最小壁厚为1.73mm,截面长度与宽度比值为8 倍。由图可见,型材有12个孔,形状复杂。在成型过程中,壁厚较小的部分流速慢,难以成形;而较大的部分流速快。因此型材挤出工作带时有的部分快,有的部分慢,就会形成型材扭曲,变形,无法获得合格的产品。这就要求在进行模具设计的时候综合考虑金属的分配(分流孔设计)、焊合的高度(焊合室设计)、工作带的摩擦(工作带长度设计)等。

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[size=0.8em]图1 型材截面尺寸

[size=1em]在综合分析上图型材的截面形状的基础上,综合考虑金属流动的影响因素,结合铝合金挤压模具设计的各项基本原则,初始设计了模具的主要结构,因为后续还要对模具进行挤压模拟,因此初始模具设计又称为盲设计。如图2所示,模具分为上模、下模以及导流板。图2(a)为下模,各模具最大外径选取700mm。根据型材形状,确定了分流孔的数量,为13 个,下模焊合室的形状根据上模分流的形状直接生成。根究模具设计准则下模上设有两级空刀,用来增加模具的工作带强度以及保护型材挤出。上模各个型芯之间距离很小,壁厚非常小,难以成形,在模芯根部设置了引流槽,有利于型材各孔之间的筋部成型。由于该型材挤压比较大,因此增加了导流板的设计,将材料进行预分流,能够减小挤压比,更有利于成型。初始模具盲设计后,借助有限元软件,对该设计进行了数值模拟,以分析设计的合理性。

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[size=0.8em]图2 初始的挤压模具结构

2 分析模型的建立

[size=1em]初始设计的模具在UG 软件中分上模、下模、导流板三维导出STL 格式,然后导入分析软件HYPERXTRUDE 后。根据材料流动的先后,分为加热后的棒料区域、导流板的分流孔部分、上模的分流孔部分、焊合室部分以及型材最后成型的工作带部分。这五部分分别进行必要的几何清理,几何清理主要是为了去掉极小的结构,为后续的网格划分进行准备。在网格划分过程中,较为简单工作带和型材部分采用面网格直接生成体网格的划分方式,生成三棱柱网格,这部分型材最终成型,因此网格划分要细致,以便成型过程模拟数据的准确性,通常要保证最小厚度处有三层网格。其他部分采用四面体网格,先把所有面网格生成,然后进行网格检查,最后生成体网格。这部分材料只发生墩粗变形,变形量较小,网格划分时,按照约远离材料挤出端,网格越大,通常相邻两部分网格大小比例不宜超过2 倍。根据车辆型材强度、硬度等各方面需求,该型材选用A6005-T6 铝合金,在数值模拟过程中,假设该材料为粘塑性体,模具材料通常用H13 模具钢,在挤压过程中假设为不变形的刚性体,坯料与模具材料的主要特性见表1。

[size=0.8em]表1 A6005-T6 铝合金棒料和H13 模具钢的物理性能
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[size=1em]结合实际生产的需求,棒料选用标准的φ 400mm×800mm规格。在挤压过程中挤压的工艺参数对挤压过程的影响也非常大,合理的挤压参数对型材挤压的均匀性有重要影响。根据课题组前期的研究,主要的挤压参数包括挤压筒预热温度、模具预热温度、坯料加热温度、挤压比以及挤压速度。其中坯料温度一般要比模具温度高20 ~30℃左右。结合前期研究与该型材实际形状,设定该型材挤压工艺参数见表2。

[size=0.8em]表2 模拟过程中使用的工艺参数
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[size=1em]在实际挤压变形中,材料流经挤压筒内壁、导流板分流孔、上模分流孔等区域,在这些区域铝合金棒料与这些流经区域接触面有摩擦,在分析软件设置中选择为粘着摩擦;在型材流出模具工作带时,挤压速度达到设定的1mm/s,即铝合金型材与工作的相对速度为1mm/s 此时挤压分析软件中的摩擦类型应设置为滑动摩擦,根据金属间的摩擦规律,摩擦系数为设置为0.3。

3 初始模具设计方案模拟结果分析

[size=1em]经过上述的网格划分,将材料流经区域的流动过程数值模拟分析后,对结果进行不同物理场量的分析,分别得到了挤压过程中型材的位移、流速,温度以及模具的位移与受力。由上文分析发现,如果型材各部分流出工作带的速度不一致,将会引起变形、扭拧等缺陷,导致型材挤出产品不合格。因此要判断该模具设计是否合理,首先要分析各部分挤出速度一致性。图4 为初始设计模具挤出型材的断面速度分布图,图中左侧为速度大小分布颜色。由图可知,型材挤出工作带的速度大小差距较大,如图中Part2 部位,该部位处在分流孔的中间,供料充足,速度最大达到108.2mm/s,;而如Part1 部分,处在型材的筋部,壁厚较小,摩擦较大,铝合金金属流动困难,速度明显小于其他部位,最小值仅为6.72mm/s。鉴于型材截面速度不一致,流速快的部分要不断向流速慢的部分扩充,导致变形和弯曲,型材的质量严重不合格。因此要根据流动速度的大小,对初始设计的模具进行结构优化,调整分流孔,工作带等,将型材挤出缺陷降低直至消除。

[size=1em]修改模具前,首先要分析各部分流动速度大小不一致的原因。首先,Part2 部位,该部位处在分流孔的中间,供料充足。棒料型材直接达到该部位,相当于平模挤压。而且分流孔中心部位,模具内壁对棒料材料的摩擦非常小,没有阻力,材料到达该部位成型较为容易,材料流速最快;其次,在型材筋部交汇处,材料汇集,壁厚较大,流动阻力相对较小,流速相对较快;再次,分流孔之间的分流桥的存在,与型材接触面积大,摩擦力大,又因为该部件是两股流速不同的金属的汇合处,金属建流动冲撞,速度降低,此部分流速较慢;最后,型材的筋部,壁厚较小,摩擦较大,铝合金金属需要改变流动方向才能经过引流槽到达筋部,该过程中材料流动相当复杂,材料流动方向有正向、反向、横向等。流动阻力非常大,成型最困难,因此筋部的型材为整个型材截面上速度最慢的部分,同时由于受到流速快的型材的扩张,该部分筋部尺寸通常达不到设计要求。

[size=1em]上述得到了型材流速的区域性分析,而在挤压成型过程中,为了能够将速度进行量化,以便更好地控制材料的流动速度,经常引入模具出口型材截面上的金属速度相对均差(VRD-Velocity Relative Difference),来量化表示各部分的速度一致性,公式如下:

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[size=1em]式中, iv 代表材料流出工作带的i 节点处的流动速度, av 代表所有节点的平均速度,n 为计算的节点总数。在hyderxtrude 计算中选取所有节点计算。根据公式(1)得到初始设计的模具,型材挤出该模具工作带时,其VRD 为0.35。

[size=1em]结合上述分析,并根据计算的VRD,对初始设计模具结构进行优化,主要包括调整分流孔大小以合理调整材料的分配;调整焊合室高度以调整材料整体焊合的情况;调整工作带长度以调整材料流出的摩擦力。以此达到局部调整型材各部分流动速度的目的。

4 模具结构的优化

[size=1em](1)分流孔调整。包括导流板分流孔与上模分流孔。根据速度分布图,流速快的部分减少孔的面积,流速慢的部分增加孔的面积;

[size=1em](2)焊合室高度调整。焊合室整体高度较高,则摩擦较大,流出困难,但材料焊合较好,材料流速一致性较好,但焊合高度太大,焊合后挤出困难增加,模芯容易折断变形等等,因此要平衡焊合室的高度;

[size=1em](3)挡块与工作带长度调整。在引流槽开口正对着的焊合室增加挡块,迫使材料流向筋部。流速快的部位设置的挡块要高,增加摩擦,增加成型阻力;反之要减少挡块高度或不设置挡块。

[size=1em]图5 为根据上述优化原则调整模具结构后的材料流动速度分布图。由图可见:最大流速为49.6mm/s,最小流速为23mm/s。流速较初始设计改进较大,更为一致。

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[size=0.8em]图4 初始设计方案型材截面速度分布图

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[size=0.8em]图5 模具优化后型材截面的速度分布图

5 优化后模具的模拟结果分析5.1 金属的流动分析

[size=1em](1)分流孔入口处材料的流速分布。材料流经分流孔,与分流孔模具壁接触的材料由于摩擦阻力大,速度较小,而分流孔中心处的材料基本没有摩擦阻力,速度较大,而该情况业余流体力学原理相符;

[size=1em](2)材料在引流槽入口处的速度分布。材料流出分流孔,进入引流槽,材料开始分流。其中一部分材料运动速度方向与挤压方向一致,进入焊合室。而另一部分材料运动速度方向变为与挤压方向垂直的横向运动,即引流槽内的材料运动方式,该部分用于筋部成型。

[size=1em](3)材料在焊合室内的流动情况。此时各部分材料进行汇集焊合,材料发生剧烈变形,各个方向的流动材料互相碰撞。但整个焊合室内的流动原则与(1)一致,中间快,四周满。

[size=1em](4)模孔入口处的流速分布。材料准备经过工作带成型,材料流动速度与挤压速度方向一致,最终成形为设计的型材。

5.2 温度分析

[size=1em]在挤压成形过程中,金属的温度会发生变化,而引起温度变化主要有以下3 个方面:

[size=1em](1)为了挤压顺利进行,通常需要将材料加热到一定温度,如果模具不加热,型材温度必然流失严重。因此模具也要预热。通常模具预热温度较低。因此模具与材料之间会有热传导,型材刚刚进入模具时,型材温度流失较大;

[size=1em](2)棒料流经模具型腔时,与模具内壁不断摩擦接触,根据摩擦热力学。摩擦会产生相应的热量;

[size=1em](3)材料挤压时,材料内部的塑性变形过程也会产生热量。

[size=1em]分析数值模拟得到的温度分布情况发现,沿挤压方向材料流经部分温度首先降低,此时大部分温度热传导给模具流失,而且初期材料变形小,产生的塑性变形热量较小;随着材料流动进入分流孔、引流槽,材料变形剧烈,产生大量的塑性变形热,而此时的材料模具热传递减少,温度开始回升,但依然低于初始的加热温度;随着材料进入焊合室,伴随着金属流的重新焊合,变形量越来越大,塑性变形热量超过了金属热传递流失的热量,温度急剧升高,到了工作带处变形量达到最大值,温度也升至最高,达到了548℃。由此说明挤压过程中材料的温度变化主要受塑性变形热量影响。

5.3 模具强度分析

[size=1em]在型材挤压成型过程中,高温材料与模具接触,同时在挤压机的作用下,承受高压。加热的材料直接与模具接触,对模具表面产生较大的摩擦力。模具尤其是模具内材料流经的部分服役环境复杂,条件恶劣。因此在模具设计中还要保证模具的工作周期,防止模腔内的变形,导致型材尺寸不满足设计要求。

[size=1em]通过对优化后的模具上模、下模和导流板进行模具受力以及模具变形分析,来判断模具的使用周期以及模具型腔的变形。模拟结果分析发现,模具型腔整体变形量非常小,上模的最大位移出现在分流孔的底部,约为0.56mm,下模的最大位移出现在工作带附近,约为0.52mm。而且模具型腔上主要变形主要集中在挤压方向上,几乎可以忽略。根据挤压模具的应力分布图,模具所受的最大应力为720Mpa左右,而模具材料H13 屈服强度为1020Mpa 左右,因此模具在挤压生产过程中会有稍微的弹性变形,不会产生导致模具裂纹、断裂的塑性变形,模具受力强度完全满足实际生产的要求。

6 结语

[size=1em](1)通过对初始设计方案进行挤压过程的仿真分析,发现利用二级焊合室来控制材料流速,对于带有筋条的型材来说,不能很好的调节筋部的供料量,从而导致筋部流速过慢,变形较大。因此,在模具修改方案中,去掉了二级焊合室,而是采用挡块的结构,有效的控制了平衡了流速,提高了筋部的流动速度,最终得到了合格的型材产品。

[size=1em](2)采用模拟分析辅助模具优化设计的方法,与传统的试错修模相比较,缩短模具设计周期,降低生产成本。

[size=1em](3)模具模拟结果与实际型材变形一致性较好,建立的模拟模型符合要求。




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