在鋁型材的擠壓過(guò)程中，模具是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工具，會(huì)直接影響鋁型材的形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量。當(dāng)前鋁型材擠壓工藝和模具的開(kāi)發(fā)基本上是依靠工程類比和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的擠壓模具必須通過(guò)反復(fù)的試模和修模才能達(dá)到合理狀態(tài)。耗費(fèi)了大量的人力物力且模具設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，不利于提高生產(chǎn)效率[3-4]。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以在試模前對(duì)設(shè)計(jì)出的模具進(jìn)行擠壓模擬，通過(guò)計(jì)算得到鋁型材擠出時(shí)金屬各部分的流速以及模具的變形情況，從而判斷所設(shè)計(jì)的模具是否合理，進(jìn)而對(duì)模具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，從而達(dá)到零試模的目的。

HyperXtrude是目前全球唯一專業(yè)的鋁型材擠壓工藝和模具設(shè)計(jì)的仿真優(yōu)化軟件，既支持正向/反向擠壓分析，又支持穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)求解。軟件采用ALE算法，它吸收了目前有限元中常用的拉格朗日（Lagrange）描述和歐拉（Euler）描述的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了各自的缺陷。通過(guò)規(guī)定合適的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)形式來(lái)描述物體的移動(dòng)界面，并維持單元的合理形狀，因此ALE算法可應(yīng)用于帶自由液面的流動(dòng)。它克服了Lagrange方法中網(wǎng)格因過(guò)度畸變?cè)谥貏澐謺r(shí)出現(xiàn)失敗使得模擬無(wú)法完成的問(wèn)題，也克服了Euler方法只能處理不含時(shí)間的穩(wěn)態(tài)問(wèn)題這一缺陷。

本文利用HyperXtrude對(duì)某壁厚不均的工業(yè)鋁型材擠壓過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，分析金屬的流速和變形情況，預(yù)測(cè)鋁型材因流速不均使鋁型材在出口處發(fā)生的變形。最后將仿真結(jié)果與試模結(jié)果進(jìn)行比照分析，進(jìn)而對(duì)模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 模型建立

1.1 幾何模型建立

圖1  6063鋁型材截面圖

Fig.1  Aluminum profile sectional drawing

模擬所采用的鋁型材是某公司生產(chǎn)的6063-T5壁厚不均的工業(yè)鋁型材，其截面尺寸如圖1所示，各部分壁厚相差較大，最小壁厚為1.3mm，最大壁厚為6.3mm。

模具采用導(dǎo)流板加平模的組合方式，在鋁型材壁厚較大的部位設(shè)置了阻流塊以限制該部分的金屬流速。模具外徑φ198，其三維幾何模型如圖2所示。

（a）導(dǎo)流板 （b）平模 （c）?？滋幾枇鲏K

Fig.2  Geometric model of the die (a) the guide plate (b) flat die (c) choke block

將繪制幾何模型導(dǎo)入到HyperMesh中。在擠壓過(guò)程中，金屬材料流經(jīng)了擠壓筒（container）—導(dǎo)流室（pocket）—?？祝╠ie hole），最后成為鋁型材，而各部分邊界條件網(wǎng)格尺寸都不同，所以仿真模型需要對(duì)這幾個(gè)區(qū)域的材料都進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因此導(dǎo)入幾何模型后的第一個(gè)工作，就是從模具中抽取各部分的表面。抽取各部分表面后，為提高運(yùn)算效率，應(yīng)盡量減少尖角、重疊、間隙等細(xì)微缺陷，所以在劃分網(wǎng)格前對(duì)導(dǎo)流室、工作帶等部分進(jìn)行幾何清理，消除不必要的細(xì)節(jié)，改善幾何模型的拓?fù)潢P(guān)系[2]。最后繪制各部分的網(wǎng)格并生成表面模型，利用表面模型生成體模型，結(jié)果如圖3所示。

圖3 有限元模型

（a）金屬坯料的有限元模型 （b）包含模具的整體模型

Fig.3  The finite element model

（a）The finite element model of the metallic materials （b）The overall model including the die 

1.2 鋁型材擠壓參數(shù)設(shè)置

鋁棒直徑為120mm，長(zhǎng)度250mm。鋁型材長(zhǎng)度為40mm，擠壓速度為4mm/s。

鋁棒材料為6063，模具材料為H13鋼，均從軟件提供的材料庫(kù)中選取。擠壓工藝參數(shù)如表1示。

表1 擠壓模擬參數(shù)

Table 1  Process parameters used in extrusion simulation and experiments

2 模擬結(jié)果及分析

利用HyperXtrude中擠壓材料流動(dòng)分析功能，得到的擠壓過(guò)程中金屬材料的速度場(chǎng)、位移場(chǎng)的分布如圖4所示。由圖中可以看出：鋁型材出口處最大變形量為38mm，最小為17mm，相差19mm，在出口階段發(fā)生了形變；最大流速為253mm/s,最小流速為169mm/s，兩者相差84mm/s，金屬流速不均勻；圖4(c)是導(dǎo)流室金屬的流速分布圖，右邊鋁型材出口處紅色部分流速為338mm/s，左邊流速較慢的部分為211mm/s。在模具設(shè)計(jì)中，金屬流速均勻、鋁型材出口速度一致是模具設(shè)計(jì)的最終目的，工作帶出口流速的均勻程度對(duì)鋁型材成形質(zhì)量至關(guān)重要，流速越均勻，鋁型材發(fā)生扭擰、彎曲等缺陷的可能性就越小，鋁型材平直度就越好[8]。而在本次的模擬結(jié)果中，鋁型材出口處流速相差較大且變形程度不均，導(dǎo)致鋁型材在擠出時(shí)出現(xiàn)彎曲甚至起浪。

圖4變形及流速分布圖

（a）鋁型材出口形變情況 （b）鋁型材出口流速分布 （c）導(dǎo)流室金屬流速分布

Fig.4 Distribution of displacement and velocity（a）displacement distribution of the profile（b）Velocity distribution of metal flow at bearing exit（c）Velocity distribution of metal flow in pocket

3 生產(chǎn)試模

在1000T的擠壓機(jī)上進(jìn)行擠壓試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)和模擬中一致，獲得的料頭如圖5所示。對(duì)比數(shù)值模擬分析結(jié)果可以看出，二者都是鋁型材右半部較薄部分（A區(qū)）流速較快，變形趨勢(shì)吻合，證明利用基于HyperXtrude的數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)擠壓模具初始設(shè)計(jì)方案的潛在缺陷，從而進(jìn)一步提出改進(jìn)方案。鋁型材右半部較薄部分金屬流速過(guò)快而左半部分過(guò)慢導(dǎo)致料頭向左彎曲且有“起浪”現(xiàn)象，應(yīng)該對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正，減少鋁型材右半部的材料供應(yīng)從而降低該部分的金屬速度，使整體金屬流速均勻。

圖5 第一次上機(jī)試模料頭

Fig.5  Nose-end of the profile for the first extrusion test

4 模具的優(yōu)化

為了消除鋁型材的“起浪”現(xiàn)象，使產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定，必須力求使產(chǎn)品橫斷面上各部分的流出速度一致，這是模具設(shè)計(jì)者應(yīng)遵循的基本原則。金屬出模孔的流動(dòng)速度受摩擦阻力影響，模孔處阻流塊的存在使坯料與模具的接觸面積增大，導(dǎo)致摩擦力阻力增大，而在模具出口處摩擦力對(duì)坯料流出起阻礙作用[15]，故該部分流速較小。一般情況下，鋁型材較薄部分因接觸面積大從而阻力大，流速較慢，而在圖4(c)中較薄部分流速較快，比阻流塊附近金屬流速快127mm/s，原因是?？滋幍淖枇鲏K限制了坯料流速，所以在修模過(guò)程中應(yīng)該將阻流塊（圖2c）去掉。同時(shí)對(duì)于該鋁型材限制右半部分金屬的出?？姿俣?。修模時(shí)，在模子工作端面上右端需要阻礙的?？字車m當(dāng)?shù)奈恢糜秒姾付哑鹨欢瓮古_(tái)（見(jiàn)圖6B），使金屬材料在進(jìn)入?？滋幠Σ磷枇υ龃螅瑥亩档驮摬糠值慕饘倭魉佟?/p>

圖6 修正后的模具

A去掉阻流塊的部分 B 新焊合的阻流塊

Fig.6  The optimal die  A the part where the choke block has been removed
                         B the choke block welded on

將模具焊上阻流塊后再次上機(jī)試模，得到的料頭如圖7所示。從圖中可以看出，原來(lái)流速較快處金屬的流動(dòng)速度得到了抑制，而流速較慢流動(dòng)速度提到明顯高。在試模過(guò)程中初始階段材料向右略有彎曲，但程度較之前得到明顯改善，繼續(xù)擠壓得到合格鋁型材（圖8）。

圖7 再次試模得到的料頭

Fig.7  Nose-end of the profile for the second extrusion test

圖8 上機(jī)試模合格鋁型材

Fig.8  The qualified extrudate through the optimal design die

5 結(jié)論

運(yùn)用HyperXtrude對(duì)某壁厚不均的工業(yè)鋁型材擠壓過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，獲得了金屬流動(dòng)的速度場(chǎng)，分析了鋁型材擠壓時(shí)的變形情況。根據(jù)鋁型材的流動(dòng)變形情況對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)焊合阻流塊以降低鋁型材流速快的部位的流動(dòng)速度，鋁型材的“起浪”現(xiàn)象得到明顯改善。上機(jī)試模結(jié)果表明，試模情況與模擬結(jié)果基本一致，基于HyperXtrude的數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)實(shí)際擠壓過(guò)程中可能出現(xiàn)的變形缺陷，對(duì)擠壓模具設(shè)計(jì)和優(yōu)化有很重要的指導(dǎo)意義。
1、利用鋁合金擠壓軟件HyperXtrude，對(duì)某壁厚不均的工業(yè)鋁型材進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了鋁型材擠壓過(guò)程的金屬流動(dòng)速度場(chǎng)，出口處鋁型材流速最快處和最慢處相差84mm/s，最大變形量和最小變形量相差19mm，預(yù)測(cè)了在擠壓時(shí)可能出現(xiàn)“起浪”的情況。

2、通過(guò)上機(jī)試模進(jìn)行驗(yàn)證，試模情況與模擬結(jié)果基本一致。說(shuō)明數(shù)值模擬對(duì)模具設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。

3、通過(guò)焊合阻流塊降低流速，并再次進(jìn)行上機(jī)試模，“起浪”現(xiàn)象得到明顯改善，最終得到合格鋁型材。