电动自行车电池外壳铝型材挤压模结构优化设计

2021-10-07杨家栋黄珍媛赵亚萌

模具工业 2021年9期

杨家栋，黄珍媛，赵亚萌，郑坚，马俊

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510641；2.荣阳铝业有限公司，广东广州 511300）

0 引言

电池是电动自行车最关键的零部件，电动自行车的电池外壳一般采用轻质铝合金材料，通过挤压工艺成型。该电池外壳具有空心、薄壁、矩形的特征，其较大的长宽比导致挤压成型过程中型材出口截面长边和短边的流速均匀性较差、模具桥位受力不均匀。实际生产中，电动自行车电池外壳挤压模需要有经验的工程师进行多次改模、试模和修模，延长了生产周期，也增加了生产成本。

在铝型材的挤压过程中，模具决定了型材的形状、质量、生产效率。参考文献[1]显示，有限元分析技术已广泛用于铝型材热挤压模结构设计和优化。刘佳欣等[2]采用有限元模拟软件进行模拟，通过计算型材截面上的速度差来优化模具，得到了较好的模具方案；徐晨等[3]利用仿真模拟技术获得挤压过程金属变形情况，根据金属流速分布提出了模具改进方案，减少了试模成本。曾文浩等[4]利用有限元模拟软件，通过分析流速均方差总结挤压因素对挤压过程的影响。在试模前，利用计算机模拟软件可以得到模具的变形情况及挤压过程中金属的流动规律，进而改进模具结构，达到不需要试模的目的[5]。

针对某款电动自行车电池外壳用矩形框铝型材零件，采用Inspire软件对其挤压成型过程中的流速均匀性和模具结构受力情况进行模拟分析，提出3种不同的优化方法，将模拟分析结果和生产试验料头结果进行比对，确定了最优的模具结构方案。

1 模具结构初始设计方案及分析

1.1 模具结构初始设计方案

图1所示为某电动自行车电池外壳用的矩形框铝型材横截面。该型材属于矩形空心件，矩形长宽比接近2，矩形框上有8个圆形凸台。在保证模具零件强度的前提下，为了使金属流动更均匀，根据型材挤压形状的实际需要，模具初始设计采用蝶形、4分流孔结构，分流孔前端设置15 mm的入料口位置下沉，上模结构如图2所示。

图1 型材截面

图2 初始上模结构

1.2 初始方案分析

模拟分析采用专用铝型材热挤压模拟分析软件Inspire，模拟分析和试模的工艺参数如表1所示。

表1 挤压模拟参数

图3（a）所示为初始模具方案的型材出口流速模拟云图，长短边挤出速度相差较大，各边中点位置均比相邻部位流速快，流速均方差为7.91。这样的流速分布会导致挤压加工过程中，型材的长边和短边出现波浪起伏。图3（b）所示为实际试模的料头，型材短边波浪变形较明显，与模拟分析结果一致，因为短边的材料流入补给的流动阻力较小，因此流速较快。

图3 初始方案型材出口流速分布和实际试模料头

图4（a）所示为模具应力分析云图，模具最大应力在分流桥的根部，为1 466.42 MPa，超出了材料屈服强度1 000 MPa。蝶形分流模的分流桥在工作过程中受较大的应力[6,7]，当其所受的应力值超出了模具零件材料在工作温度下的屈服强度时，该位置容易发生变形积累，最后出现裂纹损伤，导致模具失效。图4（b）所示为经一定次数挤压后失效的模具零件，图中失效点出现了裂纹，失效部位与模拟预测结果一致。

图4 初始方案模具受力云图和实际失效模具零件

2 模具结构优化设计

2.1 优化方案

为了减小模具所受应力，结合工程经验提出了3种模具结构的优化方案，如图5所示。其中，方案1在初始方案的基础上取消入料口下沉结构，方案2将上模的分流孔数量增加至6个，方案3在初始方案的上模上方增加一块导流块。

图5 模具结构优化方案

2.2 优化结果分析

2.2.1 取消入料口下沉方案

图6（a）所示为取消入料口下沉后的型材出口流速分布，型材短边流速快、长边流速慢，流速均方差为8.39；实际挤出料头的变形趋势与模拟结果中流速的分布相同，如图6（b）所示，流速较快的短边翘曲、较慢的长边内凹，对比初始模拟结果，取消入料位置下沉，流速分布情况会变差，短边流速加快，长边流速减慢，长短边流速差异变大，模拟结果较好地预测了实际料头的变形趋势。长边中间位置的凸台附近流速较快，因为凸台壁厚较厚，对应模孔较大，材料供应充足且阻力较小，因此流速较快。

图6 优化方案1型材出口流速分布云图和实际试模料头

图7（a）所示为方案1的上模应力分布云图，上模所受最大应力出现在分流桥与模芯连接的根部，最大值达到1 597.74 MPa，超出了模具在工作温度下的屈服强度，随着挤压次数的增加易出现损伤。在实际生产过程中，该模具在生产了一定数量棒料后，分流桥根部位置产生裂纹，如图7（b）所示，生产结果与模拟分析结果一致。由此可以看出，该方案与初始方案的模具失效形式相似，说明入料口位置有无下沉对结果影响不大。

图7 优化方案1模具受力云图和实际模具失效

2.2.2 增加分流孔个数

方案2在初始方案的基础上将分流孔数量从4个增加到6个。图8（a）所示是该方案的型材出口流速分布云图，型材流速仍然是短边快、长边慢，但流速均匀性有了明显改善，流速均方差只有5.58。生产试模结果也显示型材整体流速较均匀，不再出现初始方案和优化方案1中长边凹陷的现象。短边流速仍然快，导致料头的短边产生了卷曲，如图8（b）所示。

图8 优化方案2型材出口流速分布云图和实际料头

图9所示为优化方案2对应的上模应力分布云图，上模受到最大应力为1 054.94 MPa，比初始方案和优化方案1中的模具所受应力都要小，因为优化方案2的模具增加了分流孔的个数，承受应力的分流桥个数增加且金属到达模腔时流动性更大，因此模具危险点受力与初始方案和优化方案1相比有所减小，说明增加分流孔能减小模具所受到的应力。

2.2.3 增加导流块

方案3在上模前端增加一块厚度为110 mm的导流块，金属材料首先经过导流块分流，再进入上模。加入导流块后，型材出口流速分布模拟结果如图 10（a）所示。

由图10（a）可知，短边流速整体较慢，中点位置流速最慢；长边流速较快且中点位置流速最快，降低了短边流速，增大了长边流速，流速均方差为7.79，对流速分布改善明显。图10（b）所示为实际试模料头，长边流速比短边快，开始卷曲，且长边中点位置有波峰，符合流速最快的模拟结果。短边在中点位置有波谷，与模拟结果一致。导流孔能起到对金属进行预分配的作用，有效控制长短边的流速，因此，带导流块的情况下型材短边流速较慢，长边流速较快，虽然最大流速差仍然较大，但反转了快慢的趋势，弥补了长边不易成型的缺陷。由图10（b）可以看到，短边不再翘曲，型材整体变形较为均匀。

图11所示为优化方案3对应的上模应力分布云图，导流块在材料到达上模前先起到分流作用，降低了上模分流桥承担的压力，模具危险点的受力为916.29 MPa，小于模具在工作温度下的屈服强度，实际挤压过程中不易失效，故增加导流块可以减少上模所受应力。

图11 上模应力云图

2.3 最优方案确定

根据初始方案和3种优化方案模拟与实际挤压结果分析，得出图12所示的4种方案模具受力与流速均方差对比。从模具危险点受力的对比可以看出，取消入料口沉桥方案危险点受力反而更高，而增加分流孔数目和增设导流块都能较好的改善危险点受力；从流速均方差的对比可以看出，3种优化方案中，取消入料口沉桥方案和增加导流块方案流速并未得到改善，而增设分流孔方案改善了型材流速分布情况，使流速分布更均匀。