薄壁空心铝型材挤压模具阻流块结构优化设计
挤压模具在铝型材挤压生产中起着至关重要的作用，直接影响挤压产品的质量和企业的生产成本。然而在实际生产中，挤压模具的设计更多依赖设计师的经验，模具质量难以保证，需要多次试模和修模方可生产出合格的型材产品。本文采用Altair公司基于ALE算法的HyperXtrude软件对某一复杂断面空心型材的挤压过程进行数值模拟。根据初始模具结构中材料流动严重不均的现象，提出在焊合室内增设阻流块并调整阻流块的模具修改、优化方案，有效地解决了挤压过程中材料流动速度不均的问题，获得了较为理想的模具结构。因此，利用数值方法对挤压模具结构进行优化可为同类铝型材挤压模具设计提供可靠地理论基础。
1 引言
铝合金型材因其强度高、重量轻、导电导热性好、耐腐蚀性好、表面美观以及易于回收等优点，被广泛应用于建筑、车辆、船舶、飞机、通讯设备、机械制造、运动器械、家具和装饰等各个领域。在型材的挤压过程中，材料流动异常复杂，采用传统的测量方法难以全面了解材料流速分布，而通过挤压过程数值模拟，可以方便地获得材料流速、型材变形程度、温度以及应力应变等物理场量的分布情况。根据数值模拟结果对模具结构进行相应优化，可减少试模、修模的次数，提高效率，节约成本。
近年来，国内外许多学者利用数值模拟的方法研究了挤压模具结构对挤压过程的影响规律，并取得了较大进展。GÜLEY等研究了平模和分流模对AA6060棒料热挤压固态重结晶过程中的焊合质量的影响。黄泽涛等通过球形卸压和拱形沉桥两种结构对方管铝型材挤压模结构进行优化。
LI等[3,4]通过设计不同参数的导流室分析了导流室结构对材料流速的影响。ZHI等研究了导流室的分布位置(偏心率)对材料流速的影响。LEE 等研究了焊合室形状对材料流动的影响。李群松等研究了工作带长度对模具散热和型材扭曲变形程度的影响规律。WU等通过修改分流孔及分流孔到工作带的路径，优化设计了方形空心型材挤压模具。张双杰等通过挤压成形极限分析得到了厚
壁管件有芯棒开式冷挤压的最佳模具锥角。陈泽中等[10]利用正交测试、人工神经网络以及遗传算
法实现了薄壁非规则铝型材的多目标优化。刘超等[11]通过建立神经网络、正交实验法和遗传算法相结合的铝型材挤压模具结构优化模型和挤压模具CAO(Computer AidedOptimization)系统，对不对称槽形型材挤压进行了模具优化。赵国群课题组通过调整二级焊合室、阻流块、引流槽、工作带长度等挤压模具结构，有效控制了模腔内材料的流动情况，并提高了模具寿命[12-14]。倪正顺等[15]通过增设导流槽、合理布置分流孔和调整工作带长度等措施优化了多边形空心铝型材挤压模具结构，同时提高了模具寿命。宋佳胜等[16]通过增加模芯处引流孔直径、增大引流槽斜度、调整二级焊合室的大小和工作带长度等措施对列车车体106XC 型材模具结构进行了优化。
本文针对一复杂截面且具有微小特征的空心铝型材的挤压过程开展研究。采用AltairHyperXtrude软件对该铝型材的挤压过程进行数值模拟，根据初始模拟结果中型材截面速度分布均匀性较差，采取在焊合室增设阻流块的方案调整了模具结构，最终得到较为理想的模具结构。
2模型建立及模拟结果分析
2.1几何模型的建立
图 1为本文所研究型材的截面形状及主要尺寸，该型材截面形状十分复杂，壁厚较薄，最薄处仅有1.00mm，并且具有较难成形的锯齿状凸起的细小特征，给挤压模具的设计增加了难度。
薄壁空心铝型材一般采用平面分流组合挤压模，由上模和下模两部分组成。上模包括分流孔、分流桥、模芯、工作带以及空刀等，如图2(a)所示。分流孔是材料流入模具型腔的通道。对于本文所研究的型材而言，上模中采用4个分流孔来平衡材料流动和合理分配材料供给量。分流孔的大小由所对应型材的截面面积确定。为降低模腔内的压力，将分流孔略微向外倾斜一定角度。分流桥主要用于支撑模芯，模芯用于形成型材的内部轮廓。下模包括焊合室、模孔、工作带以及空刀等，如图2(b)所示。为获得足够的'焊合压力而又不影响模芯的稳定性，下模焊合室的高度设计为10mm。焊合室用于积聚来自分流孔的材料并将其焊合成一个整体，材料在焊合室内不断汇集，随着内部静水压力增加直到在高温、高压下流出模口。
2.2分析模型的建立
将初始设计方案的模具三维模型导入分析软件HyperXtrude后，抽取材料流经区域，并进行适当的几何清理，然后划分网格。整个模型分为棒料、分流孔、焊合室、工作带和型材五个部分，其中工作带和型材部分采用三棱柱单元，其他部分采用四面体单元。分析模型的单元尺寸由材料的变形程度决定，工作带附近因材料的变形较剧烈，单元的划分较细密，而在棒料部分的材料只发生镦粗变形，单元划分较粗，这样既保证了分析精度，又控制了单元数量，节省了计算时间。划分后的体网格模型如图3所示，单元数量为25万左右。
在实际挤压过程中，挤压筒内壁、分流孔、模具上模面附近金属变形剧烈，可认为金属之间不发生相对移动，它们之间的摩擦设为粘着摩擦;而在模具工作带部分，虽然金属变形也比较剧烈，但相对于模具，金属已经获得一定的速度，更接近于滑动摩擦，因此在模拟过程中模具工作带处采用库伦摩擦，摩擦因数取为0.3。2.3模拟结果分析
挤压生产中，型材截面的速度分布是否均匀直接影响型材的质量。图4为初始方案中截面的速度分布图，可以看到最大速度为74.16mm/s，最小速度为27.29mm/s，速度差达到46.87mm/s。由于型材截面的速度分布非常不均匀，导致型材挤出模具后发生了严重的扭拧，型材的尺寸和形状均不符合实际要求。
式中， vi为考察截面上 i 节点处材料的流动速度， v 为所有考察节点的平均速度， n 为考察节点总数。显然，SDV值越小，型材截面速度分布越均匀。选取模具出口处的型材截面上的所有节点作为考察点，经过计算，初始方案的SDV值为 15.98mm/s。
3 阻流块的设计与分析
3.1方案设计
挤压模具结构不合理是导致该型材截面速度不均的主要原因。为了消除初始方案中设计的缺陷，本文采取在焊合室内增设阻流块的模具修改方案。由图4 可以看出型材上部(Part I)材料流速最大,型材中下部弯折处(PartII)材料流速最小，且变形严重。为了改善材料流动不均匀，初步考虑限制型材上部(Part I)的流速，因此在型材上部(PartI)相对应的焊合室处增设阻流块。根据喻俊荃等[19]总结的阻流块设计原则对本文异型材挤压模具进行阻流块的设计。阻流块截面形状与相应部位型材的截面形状类似，阻流块宽度设置为2mm(型材宽度的 2 倍)，高度初设为 4mm(焊合室高度的1/3左右)，阻流块到模孔的距离设置为0.5mm。
为了得到符合尺寸要求的型材，需要多次调整阻流块，本文在初始设计方案(记为A0)的基础上对阻流块进行了6次调整(记为方案A1到A6)。根据喻俊荃等[19]的研究结果，阻流块宽度以及阻流块到模孔的距离在之后的调整中不变，只重点调整阻流块高度，辅助调整阻流块截面形状以及分布。各次调整的阻流块截面形状、高度以及分布见图5。各次调整的下模三维图及模拟对应的型 材截面材料流动速度分布图分别见图 6和图7。各次调整后模拟获得的型材截面材料流动速度差及SDV值见表 2。
3.2结果分析
通过对比方案A0与A1 型材截面速度分布发现，速度差由46.87mm/s增至76.47mm/s，SDV值由15.98mm/s增至26.39mm/s，且变形更加剧烈。这说明型材上部(PartI)增设阻流块后流动阻力增加太大，反而大大超过了型材中下部弯折处(Part II)的材料流动阻力，而且型材上部(PartI)左侧流速大大超过右侧流速，使得型材发生扭曲变形。故将阻流块作出相应调整。
因此在调整方案A2中，适当改变阻流块截面形状，其高度设置为左侧3.5mm，右侧2.5mm。 通过对比方案 A1与A2的型材截面速度分布发现，速度差由76.47mm/s降至47.41mm/s，SDV值由 6.39mm/s降10.23mm/s，且型材各处变形程度减小。但是型材截面流速差以及变形程度仍然很大，因此继续调整阻流块。
考虑到前两次阻流块调整中，最大流速均处于型材底部(PartIII)，因此设计方案A3与A4重点研究型材底部阻流块对材料流动性的影响。在方案A2的基础上，方案A3中型材上部(PartI)阻流块只调整高度为左侧2.5mm，右侧2.0mm，并在型材底部(PartIII)增设阻流块，宽度2mm，高度1mm，阻流块仍距离焊合室边缘0.5mm。而方案A4中在型材底部(PartIII)无阻流块。对比方案A2与A3，速度差由47.41mm/s 降至35.25mm/s，SDV值由10.23mm/s降至9.01mm/s，型材各处变形程度略为减小。对比方案A2与A4，速度差由47.41mm/s 降至29.51mm/s，SDV值由10.23mm/s降至6.10mm/s，型材各处变形程度略为减小。对比方案A3和A4，虽然方案A3的型材截面材料流速差以及SDV值较方案A4均更大，但是，方案A3中型材中下部弯折处(PartI) 的变形明显更小，说明在型材底部(Part III)增设阻流块有一定效果，但不明显。
因此方案A5与A6调整了阻流块的高度，以便进一步确定型材底部阻流块对材料流动性的影响。由前次模拟中型材上部(PartI)的中央流速最慢，考虑将型材上部的阻流块高度设置为左侧2.5mm，中部 1.5mm，右侧2.5mm。另外，方案A6在型材底部(PartIII)设置阻流块，阻流块的各参数与方案A3一致。对比方案A5与A6的模拟结果发现，型材截面速度差分别为15.56mm/s和11.49mm/s，SDV 值分别为4.00mm/s和2.76mm/s。方案A6型材各处产生的变形很小，基本符合要求，故将此作为模具优化最终结果。
4结论
采用HyperXtrude软件对一复杂截面空心铝型材挤压过程进行数值模拟，通过在焊合室增设阻流块的方案调整了模具结构，改善了型材截面出口处材料流动速度均匀性。
(1)通过增设阻流块可有效改善型材截面材料流速分布，获得较为理想的模具结构。本文提出的采用HyperXtrude软件进行数值模拟的模具设计方法可一定程度上替代传统的试错法，节约生产成本，节省生产时间。
(2)通过多次对阻流块进行调整，验证了阻流块设计的一些经验和原则。本文主要调整阻流块的分布与高度，有效地控制了材料流速及型材的不良变形程度，得到了符合尺寸要求的型材。
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