基于HyperXtrude的薄壁铝型材挤压成形仿真模拟

夏铭，冉孟春

（重庆安全技术职业学院 机电工程系，重庆万州404020）

近年来，铝型材结构在航空、轨道交通工具等领域的应用受到人们的高度重视，相关专家与学者对其进行深入研究。尤其在薄壁铝型材制造工艺方面，工程技术人员越来越多地借助现代计算机辅助制造技术进行设计、制造与工艺的改进，彻底改变依靠技术人员传统经验方法来提高型材结构成形质量的状况，实现科学技术指导生产，生产材料合理利用，生产效率大幅提高，有效地对挤压制造工艺的优化与改进提供正确的指导。

铝挤压是铝铸锭材料在高温、高压、复杂摩擦状态下的流体运动过程，属于非线性大变形问题。工程技术人员需要清楚地掌握铝型材挤压在过程中的变形规律，合理地指导实际生产工艺方案的设计。在国内外，较多专家和学者对铝型材挤压成形工艺与技术进行了大量研究[1－4]，分析铝材在挤压过程中的速度场、温度场等物理场量，提出了采用改变模具结构和调整挤压速度、挤压温度工艺参数的方法来提高型材质量。应用较多的软件有DEFORM－3D、SUPERFORGE等，此类软件能够分析挤压全过程，其缺点是无法解决金属流动焊合过程中的网格重构的问题。HyperXtrude 克服了网格重构问题，它基于任意拉格朗日—欧拉算法，运用了自适应网格划分技术，采用自由表面修正法来描述材料的移动边界，避免了单元网格流动[5]，适合于分析挤压成形的稳态过程。

本文基于HyperXtrude软件，分析薄壁六边形结构稳态挤压成形的过程中铝合金流速变化、应力应变、压力变化和温度变化等物理量，掌握薄壁铝型材结构挤压过程的动态变形特性，对提高薄壁铝型材成形质量提供工艺指导。

1 HyperXtrude 运算收敛

HyperXtrude 采用广义极小残差隐式算法来计算非线性控制方程。每一步中的非线性量可以通过迭代计算上一步计算结果得到，这个过程反复持续，直到2个连续迭代值之间的差异小于设定的固定值。即当2个连续非线性迭代值之间的差异与前一个非线性迭代值的比例比一特定值小的时候，就可以认为迭代运算是收敛的。其数学表达式为[6]

式中：ε为自定义的收敛容差，ε为0.001时代表2次连续迭代之间的变化是0.1%。

2 产品实例

2.1 研究对象

基于某轿车防撞系统，对其中关键薄壁结构进行研究，该薄壁件三维结构如图1所示。材料为铝合金，牌号为6063，截面形状为正六边形，六边形外接圆直径为98 mm，壁厚为2 mm。选择重庆某铝加工厂8MN 卧式挤压机，进行正向挤压成形的方法制造，按照挤压机配置参数在仿真模拟中设置铝锭坯料、挤压垫、挤压筒、模具等结构的尺寸参数，挤压机装料筒尺寸参数为Ф152 mm×480 mm。

图1 薄壁结构

2.2 模具设计

模具结构设计对挤压型材成形质量具有重要作用。平面分流组合模具由上模、下模组成，通过定位销和联接螺钉定位将上、下模具连接在一起。上模具主要结构有分流孔、分流桥和模芯；分流孔是金属流进型腔的通道，分流桥是支承模芯的支架，模芯是用来形成型材内腔的形状和尺寸。下模具主要结构有焊合室、模孔型腔、工作带和空刀。模具外形尺寸根据挤压机配备模套尺寸确定。本文设计的模具外形尺寸为Φ152×170 mm，材料为H13 钢，挤压比为25，详细结构特征模型如图2所示。

图2 模具结构图

由图2b可知，分流孔的形状为三角形，采用适当的圆角过渡，分流孔横截面从上往下逐渐增大，充分考虑满足模具结构强度，分流桥采用曲面倒角，有利于金属流动导向。由图2c可知，模具焊合室形状为六边凸圆蝶形状，深度为28 mm，主要是依据满足焊合室内金属汇集焊合起来的静压力有利于焊合质量来确定。模孔型腔的工作带部分确定型材的外部尺寸和形状以及调节金属流速，空刀便于型材能够顺利通过，避免影响表面质量。

2.3 挤压模型

HyperXtrude 数值模拟的思想是以有限体积法为基础，运用Euler 网格技术，避免了网格重划分。在挤压过程中，坯料流经了挤压筒、分流孔、焊合室、模孔，成为型材，那么需要建立这几个区域的有限元网格模型。将挤压筒、模具结构和型材在CATIA软件中进行求差运算，建立金属挤压模型，然后将该模型导入Hypermesh中进行几何清理，去除模型中的细微特征消除不必要的细节，改善几何模型的拓扑关系，改善网格划分的质量，提高计算效率与精度。将挤压分析模型导入HyperXtrude中，并对不同区域划分合适的体网格单元，坯料从挤压筒到模孔流动过程中网格大小逐渐减小，减小倍数为2～3，保证网格大小平稳过渡，并有利于计算精确性，挤压模型坯料网格大小设为20mm，分流孔区域网格大小设为7mm，焊合室区域网格大小设为3 mm，型材出口模孔区域网格大小为1 mm，得到挤压分析有限元模型如图3所示。

图3 挤压分析有限元模型

2.4 挤压工艺参数

挤压参数主要包括边界条件、材料参数和工艺参数等。金属塑性变形过程中，与模具接触的边界存在复杂摩擦力作用。目前，研究者们[2，4]一般采用剪切摩擦模型、库仑摩擦模型来处理挤压成形摩擦边界问题。剪切摩擦模型为

τ＝mk

式中：m为摩擦因子；k为剪切屈服应力。库仑摩擦模型为

τ＝uσ

式中：u为摩擦系数；σ为坯料和模具间的接触法向应力。

本文摩擦模型参数按照如下原则设定：坯料与挤压筒、模具之间的接触应力较大，采用剪切摩擦模型，摩擦因子取为0.9，坯料与工作带间采用库仑摩擦模型，摩擦因子取为0.4[7]。文中选择 Hyper-Xtrude 材料库现有的Al6063 材料，弹性模量为68.94 GPa，泊松比为0.33，密度为2.71g·cm-3，热传导率为198W·（m·K）-1，坯料与模具见的热传递系数为3kW·m-2·K-1，应力（MPa）应变关系为

σ＝220ε0.211

边界摩擦条件与材料本构关系对仿真的准确度起着关键性的作用，合理的挤压速度和温度有利于生产高质量型材。

塑性变形区的温度取决于坯料和工具的加热温度、变形热以及被周围介质所吸收的热量。挤压筒温度低于模具预热温度，能有效防止型材表面起皮。本文挤压工艺参数按照一定的温度差设定：铝锭预热温度为510℃，模具预热温度为450℃，挤压筒初始温度为400℃，挤压速度为3 mm·s-1。

3 模拟结果与分析

3.1 应力应变

在稳态挤压过程中，金属流动的vomises 应力情况如图4a所示。在挤压筒中，铝金属材料与挤压筒壁接触面的应力较大，沿着径向应力逐渐减小，金属材料中心轴线上的应力最小；在分流孔中，金属与分流孔壁接触部分存在较大的剪切摩擦，发生弹性变形较大；在焊合腔内，金属受到较大的静压力作用，从而重新焊合在一起，然后由焊合腔被挤入工作带时，形状发生剧烈变化，在工作带区域应力达到最大；在焊合腔内拐角处金属应变最大，此处金属不易流动，从而形成死区，如图4b所示。在模型内部金属应变较小，金属流动性较好，如图4c所示。由仿真可见，通过调整模具结构特征，增加金属接触界面的摩擦，降低该区域的应力，可以避免过大应变造成型材开裂。

3.2 挤压力分析

图4 金属流应力应变和挤压力云图

图5 金属流经分流孔、焊合腔、工作带及出口位置的速度变化云图

图6 金属挤压过程中的温度场分布云图

由最大挤压力与型材截面积比值判断挤压机大小选择是否合理。本例选择的8MN 挤压机能够完成该型材的挤压。在挤压过程中挤压力的变化情况为逐渐减小（从下往上），如图4d所示。初始阶段，金属与边界的接触摩擦力最大，所需要的挤压力较大；当进入稳态挤压过程时，摩擦力减小，型材出口处的挤压力达到最小。从图4d中可以看出，在分流孔倒角区域，明显有挤压力增大，说明倒角形状结构特征对金属流动性具有一定影响。因此在设计时，应尽量使倒角形状特征有利于金属流动。

3.3 速度场分析

当挤压速度设定3 mm·s-1时，按出口流速与入口流速之间的关系可知，理想的出口流速应该是在工作带出口处断面上各质点流速平均值为75 mm·s-1。金属流经分流孔、焊合室、工作带及出口位置的流速变化云图如图5所示。从过程中，金属流速逐渐增大，工作带区域流速最大，金属出口流速分布相当均匀，在65～81 mm·s-1之间。那么说明型材各个截面的流速一致性较好，从而得到的挤压型材金属分布均匀，型材质量较佳。

3.4 温度场分析

在挤压成形过程中，金属的温度变化主要受3个方面的影响：模具与坯料的温度不同，它们之间接触时热传导的影响；坯料在挤压过程中与模具摩擦产生的热的影响；坯料挤压时本身塑性变形过程中产生的热量的影响。三方面因素相互影响，使得挤压过程中温度的变化十分复杂。金属在挤压过程中的温度场分布情况如图6所示，型材工作带及出口区域温度最高，主要是由于此时的摩擦较大，从而使得温升较高。由速度分析知，工作带及出口区域的流速最大，那么摩擦产生的热量也是最大的。从图中可以明显看出，型材最高温度达到718℃，在挤压过程中温度与挤压速度、模具结构（尤其是工作带长度）和初始温度密切相关。

4 结论

通过HyperXtrude软件模拟铝型材挤压成形过程，对坯料应力应变情况、挤压力大小变化、流速变化和温度场变化进行定量分析得出：

1）挤压工艺参数的合理匹配对得到高质量铝型材结构具有重要作用。本文中Al6063 六边形铝型材挤压生产，可以采用以下挤压参数：铝锭预热温度为510℃，模具预热温度为450℃，挤压筒初始温度为400℃，挤压速度为3 mm·s-1，能够得到金属流动均匀的型材料头。

2）通过HyperXtrude软件模拟铝型材挤压成形过程，对优化模具结构特征具有一定的指导作用，实现了模具设计的虚拟试模，验证了模具设计的正确性，同时有效地指导了模具分流孔、焊合室结构修调。

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