铝型材宽展挤压模具设计及数值模拟

王岩，王孟君，周漪，陈新欢，袁玉宝，潘学著

(1.中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，湖南长沙410083；2.广亚铝业有限公司，广东佛山528237）

铝型材宽展挤压模具设计及数值模拟

王岩1，王孟君1，周漪1，陈新欢1，袁玉宝2，潘学著2

(1.中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，湖南长沙410083；2.广亚铝业有限公司，广东佛山528237）

针对“鱼”形空心型材的宽展挤压模具设计，分析了多级宽展和宽展角度对金属速度场、温度场、应力应变场、模具受力及焊合力等情况的影响。研究结果表明，采用递减型二次宽展模具金属流速均匀，模具变形较小，焊合质量好，挤出型材无弯曲、扭拧等缺陷。

铝型材；挤压模具；多级宽展；宽展角

0 前言

随着航空航天、轨道交通等制造行业的快速发展，大宽厚比、多型腔、薄壁扁宽化、断面复杂化的型材需求量迅猛增长，使得宽展挤压在实际应用中受到越来越多的关注。目前，大型整体铝合金壁板型材的挤压生产工艺主要有圆挤压筒挤压法、扁挤压筒挤压法、宽展模挤压法等。其中，宽展挤压基本思想是在挤压筒壁板模前增加设置一道所谓的宽展模，首先通过预成型将圆铝锭展宽成与型材近似的截面，进而生产出腹板宽度比挤压筒内径更大更宽的铝合金型材[1～4]。宽展挤压的生产成本相对低廉、效率高，非常适合生产品种繁多而数量不大的铝合金型材，但目前我国铝型材挤压模具中宽展模具的实际引用量并不大[5～7]。本文以“鱼”形空心型材的宽展挤压模具设计为例，研究多级宽展和宽展角对金属速度场、温度场、应力应变场、模具受力及焊合力等情况的影响，以期为宽展模具设计提供指导。

1 模具结构设计及分析模型建立

1.1 型材外形

图1所示为一“鱼”形复杂断面型材截面图。材料为6005铝合金，该型材主要截面为均曲面，共有三个型腔，平均壁厚3mm，横截面积为2550.2mm2，周长为1542.2mm，断面形状复杂系数f1=1.65，宽厚比W/t为187.79。

图1 某“鱼”形复杂断面型材截面图

1.2结构设计

为探究宽展挤压模具宽展角度对金属流动及其变形、挤压力、模具应力等的影响规律，设计了三种模具结构。方案1为两件式一次分流的宽展挤压结构，方案2和方案3为不同宽展角度的三件式二次分流宽展挤压结构，如图2所示。

图2 导流模和上模设计方案

图3 分流孔布置和初始工作带设计

图3为分流孔的布置及初始工作带设计，三件式模具导流模尺寸为ϕ596mm×100mm，上模尺寸为ϕ596mm×130mm，下模尺寸为ϕ596mm× 120mm，模垫尺寸为ϕ596mm×150mm，其它结构参数详见表1。

表1 模具结构参数

2 数值模拟分析

2.1 模型建立

为了方便模型的前处理和网格划分，提高有限元分析效率，图4为根据CAD模具设计图纸建立的模具的Pro/E 3D模型。

图4 模具三维模型

使用HyperXtrude有限元分析软件对三种方案进行三维模拟和计算，如图5所示。

图5 模具的三维模型示意图

2.2 模拟结果与分析

图6为型材流速分布云图。可以看出，三种方案的金属流动速度的分布特点基本一致，“鱼”头处金属流速最快，“鱼”尾的悬臂处金属流速明显小于其他部位。在挤压过程中，模孔出口处金属流速的不均匀性会导致型材产生弯曲扭拧或尺寸偏差等缺陷[8]，在“鱼”尾的长悬臂处影响尤其明显。方案1、2、3的流速差分别是155mm/s、198mm/s、148mm/s；三种方案的流速分布均匀性均较差，方案3流速相对最为均匀。方案2金属流速差最大，这是由于方案2递增型模具的上模宽展角较大，金属流动阻力增大，同时分流孔孔道增长，摩擦加剧了金属流动的不均匀性，导致金属成型困难[9]。

图6 型材流速云图

图7为型材在横截面（XOY平面）的变形。可以看出方案1和方案2在XOY平面都产生了较大变形，型材尺寸形状与设计形状产生较大偏差，挤压产品不合格，尤其方案2的递增型二次宽展挤压，鱼尾在Y轴正方向产生了2.2mm的“摆尾”。

图7 型材变形云图

表2对比了三种模具设计方案焊缝处的焊合压力与平均流动应力情况。可以看出，3种方案焊合压力与流动应力的比值（Pa/σa）分别为6.77、6.43和7.01，方案3金属更容易焊合，且焊缝质量更好。这一方面是由于递减型二次宽展挤压时的金属流动角度和路线更有利于压力的传递，焊合室内静水压力较大；另一方面，金属由导流模进入上模经过了二次变形，变形功增加产生挤压温度效应，金属的变形抗力减小。

表2 焊缝质量对比

2.3 工作带优化

针对型材流速不均“摆尾”情况，对工作带进行优化，如图8所示。“鱼”头工作带长度增加1mm，筋板1处工作带减小1mm，“鱼”尾工作带长度则适当减小，分别为14mm、7.5mm和4.8mm。

图8 工作带优化

对优化后的工作带进行有限元分析，得到型材流速如图9（a）所示，整体流速较均匀。图9为优化方案和方案3型材流速对比情况。将型材截面划分为等面积的50个单元，取各单元的金属流速平均值并绘制折线图。与方案3相比，“鱼”头金属流速由263.2mm/s降低至204.7mm/s，“鱼”尾处由112.2mm/s增加至228.8mm/s，流速均方差SDV由20.5mm/s降至10.2mm/s，可满足生产要求。

图9 优化方案型材截面金属流速

图10所示为型材截面变形云图。从图10（b）Z向变形分布可以看出挤压制品头尾变形量较大，金属最先流出模孔，挤压料头呈内凹特点。图10（c）、（d）为型材在X和Y方向的变形，可以看出挤压制品在垂直挤压方向没有变形，型材“摆尾”消失，保证了制品的形状和尺寸精度[10]。

图10 优化方案型材截面变形云图

3 生产试模

生产试模选用4000t挤压机，铸锭、模具和挤压筒分别加热至480℃、450℃和420℃，挤压杆推进速度6mm/s，出料速度182mm/s，挤压参数和模拟时一致，对于型材截面宽度375mm的扁宽多腔型材，料头变形量在允许范围之内，一次试模成功，见图11。

图11 型材料头示意图

4 结论

（1）“递减型”二次宽展先在导流模采用较大宽展角，再在上模采用较小宽展角，可以有效对金属进行预分配，金属流速均匀，变形较小，焊合质量最好。

（2）对“鱼”头、“鱼”尾部分的工作带长度进行优化，型材流速均方差SDV由20.5mm/s降至10.2mm/s，型材“摆尾”的情况消失，保证了制品的形状和尺寸精度。

（3）生产试模结果表明递减型二次宽展三件式模具能够挤出合格的型材，无弯曲、扭拧和波浪等质量问题，表面精度和形状尺寸均满足要求。

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Design and Numerical Simulation of Expanding Extrusion Die for Aluminum Alloy Profiles

WANG Yan1,WANG Meng-jun1,ZHOU Yi1，CHEN Xin-huan1，YUAN Yu-bao2,PAN Xue-zhu2
(1.Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering of Ministry of Education, Central South University,Changsha 410083;2.Guangya Aluminum Co.,Ltd.,Foshan 528237,China)

In view of the design of expanding extrusion die for hollow profiles with"fish"shape,the influence of multistage expand⁃ing and expanding angle on velocity field,temperature field,stress and strain field,die force and welding force were analyzed.The re⁃sults show that the metallic flow rate is more uniform and die's deformation becomes smaller,welding is qualified and extrusion pro⁃files is not bended and twisted when using decreasing two-times expanding die.

aluminum profile;extrusion die;multistage expanding;expanding angle

TG375+.41

A

1005-4898(2017)03-0004-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.03.01

佛山市科技创新平台建设专项资金（2013GQ100082）；“十三五”国家重点研发计划（2016YFB0300901）。

王岩（1993－），女，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事模具设计及挤压模拟的研究。

2016－12－27