模具是鋁合金擠壓成型的重要裝備之一^[1]，模具質(zhì)量是影響鋁型材產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。當(dāng)前，鋁型材模具開(kāi)發(fā)中普遍存在開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、修模試模次數(shù)多、模具質(zhì)量不穩(wěn)定等技術(shù)問(wèn)題^[2]。提高鋁型材模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率已成為鋁型材行業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，為突破此技術(shù)瓶頸，應(yīng)用模具仿真與優(yōu)化技術(shù)開(kāi)發(fā)高效、合理的模具結(jié)構(gòu)是最有效的途徑之一。鋁型材模具仿真過(guò)程是一個(gè)虛擬的試模過(guò)程，它可以最大限度的減少實(shí)際生產(chǎn)中的反復(fù)試模過(guò)程。通過(guò)仿真，可以分析模具結(jié)構(gòu)對(duì)金屬的分流質(zhì)量、焊合質(zhì)量、擠出型材質(zhì)量的影響，判斷擠壓過(guò)程中可能出現(xiàn)的變形、裂橋、磨損等缺陷及其位置，可以對(duì)所設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)的合理性做出評(píng)判，從而確定優(yōu)化策略，進(jìn)而改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)反復(fù)的優(yōu)化和仿真，最終獲得最優(yōu)化的模具設(shè)計(jì)方案。

1  帶筋寬幅鋁型材擠壓模具及仿真建模

1.1 模具設(shè)計(jì)方案確定

    帶筋寬幅鋁型材的尺寸圖如圖1所示，型材基本參數(shù)如表1所示，根據(jù)型材的尺寸及基本參數(shù)設(shè)計(jì)如圖2所示的擠壓模具，擠壓機(jī)噸位為3600T。

表1 帶筋寬幅鋁型材基本參數(shù)

圖1 帶筋寬幅鋁型材尺寸圖

 (a)模面                              (b)導(dǎo)流模

圖2 帶筋寬幅鋁型材擠壓模具圖

1.2 模具三維與CAE建模

    完成模具CAD設(shè)計(jì)后，對(duì)模具進(jìn)行仿真建模，仿真建模過(guò)程包括：模具三維建模、型材CAE建模、定徑帶CAE建模、焊合室和導(dǎo)流孔CAE建模、棒料CAE建模、導(dǎo)流模CAE建模、模面CAE建模。帶筋寬幅鋁型材擠壓模具三維造型如圖3所示，其仿真建模圖如圖4所示。

  (a)模面三維造型                   (b)導(dǎo)流模三維造型

圖3 帶筋寬幅鋁型材擠壓模具三維造型

  (a)模面CAE建模                   (b)導(dǎo)流模CAE建模

(c)鋁型材CAE建模

圖4 帶筋寬幅鋁型材擠壓模具仿真建模

2  仿真結(jié)果分析

    完成模具CAE建模后，設(shè)定仿真分析所需的各項(xiàng)邊界條件，邊界條件的各項(xiàng)參數(shù)以公司實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。CAE仿真模擬了整個(gè)擠壓過(guò)程，通過(guò)對(duì)模型計(jì)算分析獲得擠壓變形體內(nèi)的應(yīng)力、變形和流速等物理量分布，以及擠壓各階段的壓力、變形和速度等工藝參數(shù)變化情況，確定擠壓模工作帶斷面和導(dǎo)流流孔、焊合室等模具結(jié)構(gòu)對(duì)成形鋁材流動(dòng)的影響，提出分析報(bào)告并向設(shè)計(jì)人員推薦合適的擠壓條件，設(shè)計(jì)人員再根據(jù)CAE分析結(jié)果修正模具設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過(guò)數(shù)次反復(fù)，直到模具設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求和產(chǎn)品質(zhì)量要求為止。

2.1 導(dǎo)流孔與焊合室的金屬流速分布

    導(dǎo)流孔與焊合室的金屬流速分布云圖如圖5所示，圖中不同的顏色代表流速的快慢情況，紅色代表流速最快的區(qū)域，藍(lán)色代表流速最慢的區(qū)域，圖5(a)、5(b)、5(c)、5(d)為不同時(shí)間段的導(dǎo)流孔與焊合室的金屬流速分布云圖。由圖5(a)、5(b)可以看出，鋁金屬在導(dǎo)流孔的流速較慢，當(dāng)鋁金屬經(jīng)過(guò)導(dǎo)流孔進(jìn)入焊合室后流速分布發(fā)生變化，由圖5(c)、5(d)可以看出，鋁金屬在中間的流速最快，兩邊的流速最慢，流速很不均勻，容易引起鋁型材偏壁和變形。

圖5 導(dǎo)流孔與焊合室的金屬流速分布云圖

2.2 鋁型材出口金屬流速分布

    根據(jù)擠壓生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于硬質(zhì)合金，型材在出口速度比較慢，所以型材出口速度設(shè)為2m/min（相當(dāng)于37.3mm/s），模具擠壓比為37.3（以3600T擠壓機(jī)擠壓），計(jì)算得出擠壓桿速度為1mm/s。型材不同部位的流速分布如圖6所示，可以看出，型材不同部位的流速值相差比較大，紅色圓圈所指的位置流速最快，最大流速達(dá)到78mm/s，型材兩邊位置的流速最慢，最慢流速為22.5mm/s。最大流速與最小流速之間的差異與模具本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，最大流速處所需要的鋁金屬較多，流速應(yīng)快于其它位置才能夠保證供料，但最大流速是最小流速3倍，流速比值相差太大，流速不均勻。而且最大流速是實(shí)際設(shè)定流速的2倍，所以需要修改模具，降低最大流速值，增加最小流速值，使它們之間的流速不能相差太懸殊。另外，流速相差太大會(huì)引起型材變形，如圖7所示。黑色箭頭所指的輪廓線為沒(méi)有變形的型材，從圖中兩個(gè)綠色圓圈所示位置可以看出型材在中間和兩邊位置都拱起，使得型材尺寸達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

圖6 帶筋寬幅鋁型材出口流速分布云圖

圖7 帶筋寬幅鋁型材變形分布云圖

2.3 模具強(qiáng)度分析

    模具強(qiáng)度分布如圖8所示，可以看出，導(dǎo)流模最大應(yīng)力分布在模面表面位置，如圖中黑色圓圈所指位置，最大應(yīng)力為939Mpa，模面最大應(yīng)力分布在懸臂位置處，懸臂位置最大的應(yīng)力為1314Mpa(懸臂處如圖中紅色箭頭所指位置)，由于5A30合金強(qiáng)度較高，所需擠壓力較大，擠壓應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)的增大，從仿真分析可知，模面所受的擠壓應(yīng)力比較大，對(duì)模具使用壽命有影響。

  (a)模面                               (b)導(dǎo)流模

圖8 帶筋寬幅鋁型材擠壓模具強(qiáng)度分布云圖

3  帶筋寬幅鋁型材擠壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

    從仿真模擬的流速分析可以看出，在棒料進(jìn)入加強(qiáng)筋底部的導(dǎo)流和模面時(shí)，流速明顯比型材其余部位快，以至難以達(dá)到均衡流速的效果。相對(duì)于加強(qiáng)筋頂部和型材兩邊的流速，加強(qiáng)筋底部流速無(wú)疑過(guò)快，造成加強(qiáng)筋頂部拱起，影響型材的平整度。因此，要達(dá)到均衡流速的效果，必須改變棒料進(jìn)入加強(qiáng)筋底部導(dǎo)流和模面的金屬流量，以及改變定徑帶的長(zhǎng)短等方式，以達(dá)到均衡流速的理想效果。導(dǎo)流模尺寸與定徑帶尺寸的修改如圖9所示。

    模具修改后再進(jìn)行仿真分析，擠壓速度改為1.5m/min(27.9mm/s)，仿真分析后的型材流速分布如圖10所示，可以看出，型材最大流速與最小流速分別為33.6mm/s和23.7mm/s，最大流速與最小流速之間的差值減小了很多，型材各個(gè)位置的流速都比較均衡了，所以通過(guò)仿真分析后對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改達(dá)到了均衡流速的目的。流速均衡了，型材的變形也相應(yīng)的減小了，如圖11所示，所以在開(kāi)模生產(chǎn)時(shí)，只要給予型材一定的預(yù)變形余量就可以保證型材的尺寸要求。

(a)模具導(dǎo)流模尺寸修改圖

 (b)定徑帶尺寸修改圖

圖9 帶筋寬幅鋁型材模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

圖10 帶筋寬幅鋁型材出口流速分布云圖(修改后)

圖11 帶筋寬幅鋁型材變形分布云圖(修改后)

    模具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后，進(jìn)行模具的開(kāi)模制造，在3600t擠壓機(jī)上進(jìn)行試擠壓，試模料頭如圖12(a)所示，實(shí)際試模的料頭拱起，但變形不是很大，試模料頭的變形與仿真分析一致，通過(guò)料頭變形方向也可以看出試模料頭流速快慢與仿真分析結(jié)果一致。試模料身如圖12(b)所示，料身的各項(xiàng)質(zhì)量數(shù)據(jù)合格，符合設(shè)計(jì)要求。

(a)試模料頭                       (b)試模料身

圖12 帶筋寬幅鋁型材試模圖

4 結(jié)論

     針對(duì)帶筋寬幅鋁型材擠壓模具，采用HyperXtrude有限元仿真分析方法，通過(guò)仿真建模與計(jì)算，分析了鋁型材流速、鋁型材變形和模具應(yīng)力分布情況，并對(duì)模具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的帶筋寬幅鋁型材擠壓模具符合生產(chǎn)要求。仿真與優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用極大地縮短了模具開(kāi)發(fā)周期，提高了模具設(shè)計(jì)水平。

           1．鋁金屬在導(dǎo)流孔的流速較慢，當(dāng)鋁金屬經(jīng)過(guò)導(dǎo)流孔進(jìn)入焊合室后流速分布不均衡，導(dǎo)致型材流速不均勻，容易引起型材偏壁和變形。

    2．導(dǎo)流模最大應(yīng)力分布在模面表面位置，最大應(yīng)力為939Mpa，模面最大應(yīng)力分布在懸臂位置處，懸臂位置最大的應(yīng)力為1314Mpa。

    3．導(dǎo)流模與定徑帶結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化后，型材流速均衡、變形減小；試模料頭變形與仿真分析一致，試模料身的各項(xiàng)質(zhì)量數(shù)據(jù)合格，符合設(shè)計(jì)要求。