1 概述 

鋁型材按照斷面形狀可以分為實(shí)心型材、半空心型材、空心型材三大類。半空心型材一般都呈“U”形狀，具有三面被包圍、一面開口的形狀特征，如圖1 所示。型材上這種三方被包圍、一面開口的部分，被稱之為空間面積，這個(gè)空間面積從模具（凹模）方面來(lái)看，就是懸臂梁，因此，這種半空心型材模具也被稱為懸臂模。

常見的半空心型材擠壓模具使用的是實(shí)心類的平模結(jié)構(gòu)，這種模具由單一的凹模組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有效，但是對(duì)于大型、復(fù)雜、高舌比的半空心型材，這種平模結(jié)構(gòu)卻存在很多問題，在型材質(zhì)量和模具壽命方面都難以滿足生產(chǎn)要求。目前，導(dǎo)流模被廣泛應(yīng)用于這些高難度懸臂類擠壓模具結(jié)構(gòu)中，并取得了很好的效果。本論文以簡(jiǎn)單U 形懸臂模具及其擠壓工藝為例，系統(tǒng)的研究了不帶導(dǎo)流和帶導(dǎo)流兩種不同鋁型材懸臂模擠壓成形過程的特點(diǎn)和規(guī)律，對(duì)比分析了兩種模具結(jié)構(gòu)對(duì)金屬流速、型材質(zhì)量和模具強(qiáng)度的影響程度，獲得了與實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)一致的結(jié)論。

 

圖1 半空心型材截面示意圖

2 有限元模型的建立

針對(duì)多個(gè)不同形狀的U型鋁型材擠壓懸臂模具，分別建立了不帶導(dǎo)流和帶導(dǎo)流類型的多種鋁型材穩(wěn)態(tài)熱擠壓仿真模型，如圖2所示。鋁合金材料選用常見的6063合金，將模具看作可變性的彈塑性體，選用常用的H13 鋼材料。采用四面體單元對(duì)擠壓過程中材料流經(jīng)的所有區(qū)域和擠壓模具本身進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)控制在80萬(wàn)以內(nèi)，用HyperXtrude 8.0求解器進(jìn)行求解計(jì)算，具體擠壓工藝參數(shù)如表1所示。

 

圖2 U 型懸臂模穩(wěn)態(tài)熱擠壓仿真模型
表1 擠壓工藝參數(shù)

 

3 分析結(jié)果

3.1 型材流速

型材流速不均會(huì)造成型材拱起、凹陷、扭擰等變形問題，因此控制鋁型材擠壓成形中的流速均勻性非常重要。由于U 形半空心型材的三條邊中有兩條遠(yuǎn)離中心，有一條靠近中心。不帶導(dǎo)流的情況下，即使工作帶高度設(shè)置合理，也難以避免出現(xiàn)型材中間流速比較快、而兩端的流速稍慢的現(xiàn)象，特別是懸臂的根部所在位置的流速非常慢，如圖3（a）（b）所示。導(dǎo)流孔能起到對(duì)金屬進(jìn)行預(yù)分配的作用，從而可以有效的控制三條邊的流速，因此，帶導(dǎo)流的情況下型材流速更均勻，甚至有可能出現(xiàn)中間比兩端慢的情況，如圖2（c）所示。

  

圖3 U形懸臂模擠壓成形中的型材流速特征  

3.2 型材壁厚

壁厚超差是懸臂類模具擠壓過程中經(jīng)常面對(duì)的問題。壁厚超差主要是由于凹模?？椎淖冃我鸬?。當(dāng)凹模?？卓s小時(shí)，型材壁厚會(huì)減薄，而凹模?？追糯髸r(shí)，型材壁厚會(huì)增加。懸臂的受力狀態(tài)決定了凹模模孔的變形方式和變形大小。懸臂的受力主要來(lái)自受擠壓的鋁合金材料和模墊，按照作用功能可以分為兩大類，第一類是由鋁合金材料流動(dòng)形成的壓力和模墊的支承力所構(gòu)成的鐓粗力，第二類是由于材料壓力和模墊支承力不等而造成的彎曲力。鐓粗變形會(huì)使得模孔縮小，而彎曲變形會(huì)使得?？追糯?。

 

圖4 不帶導(dǎo)流的U 形懸臂模凹模Y 向變形結(jié)果

圖5 帶導(dǎo)流的U 形懸臂模凹模Y 向變形結(jié)果

圖4和圖5 的分析結(jié)果顯示，在不帶導(dǎo)流的情況下，?？讜?huì)不同程度的縮小，而帶導(dǎo)流的情況下，?？讌s是不同程度的放大，二者剛好相反；圖6是?？拙植康胤降姆糯髨D，藍(lán)色線條代表的是?？椎脑夹螤睿t色陰影則是變形后的?？仔螤?，可以很清晰的看到，不帶導(dǎo)流模情況下，凹模懸臂向內(nèi)偏移，而帶導(dǎo)流模時(shí)凹模懸臂向外偏移。這一結(jié)果得到生產(chǎn)實(shí)際的驗(yàn)證，生產(chǎn)結(jié)果顯示，不帶導(dǎo)流的U 形懸臂模的型材壁厚一般會(huì)減薄，而帶導(dǎo)流模的U 形懸臂模的型材壁厚一般會(huì)增加。

 

圖6 凹模?？鬃冃谓Y(jié)果局部放大

3.3 模具受力

所有分析結(jié)果顯示懸臂根部局部地方很容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，如圖7 圓圈所示位置，這些應(yīng)力值都已經(jīng)大大超出了模具材料的屈服強(qiáng)度極限，因此實(shí)際擠壓過程中這些地方很容易形成局部微裂紋，加速模具的報(bào)廢。

 

圖7 凹模應(yīng)力分析結(jié)果

分析結(jié)果顯示，加上導(dǎo)流模能大大降低凹模懸臂上的應(yīng)力集中程度，如圖8 所示。不帶導(dǎo)流模時(shí)，應(yīng)力集中最大達(dá)到2234Mpa，而加上導(dǎo)流模時(shí)，應(yīng)力集中最大值只有830.4Mpa。分析結(jié)果還顯示，不帶導(dǎo)流時(shí)的擠壓力為10471KN，而帶導(dǎo)流模時(shí)的擠壓力為9256KN， 比不帶導(dǎo)流情況小了1215KN，減小幅度為11.6%。因此，導(dǎo)流模不僅可以減小擠壓力，而且可以提高模具強(qiáng)度。

  

圖8 不帶導(dǎo)流和帶導(dǎo)流情況下的凹模應(yīng)力結(jié)果比較

4 結(jié)論

以上的仿真分析結(jié)果表明，不管是從型材流速來(lái)看，還是從型材質(zhì)量或者模具強(qiáng)度來(lái)看，帶導(dǎo)流的懸臂類模具結(jié)構(gòu)都比不帶導(dǎo)流的懸臂類模具結(jié)構(gòu)好，設(shè)置導(dǎo)流不僅能有效調(diào)節(jié)金屬流速，而且可以改變懸臂的受力狀態(tài)，控制擠壓過程中懸臂鐓粗變形和彎曲變形量之間的平衡。因此，設(shè)計(jì)合理的帶導(dǎo)流模或者分流模結(jié)構(gòu)的懸臂模類擠壓模是大型、復(fù)雜、高舌比類半空心鋁型材生產(chǎn)的有效措施。