方管铝材成型过程CAE分析及模具优化

唐 妍，武艳军，曹 睿

（南京交通职业技术学院 轨道交通学院，江苏 南京 211188）

铝型材是工业领域应用最广泛的一类有色金属材料，具有质轻柔软、比强度高、加工性能好和易于再生有利于环保等一系列优点，广泛应用于航空航天、汽车、建筑等行业。其中空心铝材成型所需的平面分流组合模，模具结构复杂，设计、制造周期较长，修模试模具有较高难度[1～3]。随着计算机软硬件技术的高速发展，利用有限元法数值模拟空心铝材的热挤压过程，已成为快速优化模具结构，降低生产成本，缩短模具开发周期的有效手段。

1 构建CAE分析模型

1.1 成型挤压模结构设计

如图1所示为26mm×26mm、壁厚2mm的Al6063方管型材，其挤压成型模具为平面分流组合模。由于型材四角是最难成形部分，因此模具设计时取下模模孔四角3mm内工作带尺寸为计算基准值，取值4mm，如图2所示；而模芯工作带长度要不小于模孔最大工作带长度，故取值8mm，利用Pro/E软件构建模具模型，如图3所示。

1.2 工艺参数和物理参数设置

本文CAE分析时，为节约模拟时间，将模具设置为刚性体，只分析温度传递，将坯料设置为刚粘塑性体，既考虑传热问题，又考虑变形流动问题。后续模拟结果显示和实际生产情况基本一致，可见这样的设置具有可行性。

设置初始挤压速度2.5mm/s；局部细化网格，最小网格长约为0.6mm，时间步长增量为0.1s；挤压模具材料选择具有高淬透性和抗热裂能力的H13，初始温度设置为450℃；挤压坯料选择Al6063，初始温度设置为480℃；热成型状态下坯料与模具间摩擦因子取m=0.33；机械能转化为热能系数为0.9。

1.3 金属流速判据的设定

金属坯料被挤压出下模模口处时，速度必须保持均匀一致以防止铝材出现弯曲、裂纹等缺陷，因此本文提出流速分布系数Fi作为判据，即，其中Vi为模口处某跟踪点流速，为模口处平均流速，本文模具结构设计需满足。

2 模拟结果分析

2.1 模拟方管成型过程描述

模拟结束后，进入DEFORM-3D后处理程序，应用镜像功能，将挤压坯料从1/4外形镜像为一个整体外形。其整个成型过程可描述为：分流阶段（图4a）、焊合阶段（图4b）和成型阶段（图4c）。

2.2 焊合阶段的应力场分布

合理的焊合室设计是成型出具有优质焊缝铝型材的前提，要保证在焊合室内聚集有足够的变形材料以建立一个超过变形材料（10～15）σs的静水压应力[4]。如图5所示为焊合面局部静水压应力的等值线图，可见平均应力在325MPa左右，满足焊合条件要求。因此通过CAE分析，可预测焊合面静水压应力的分布，有效保证型材质量。

2.3 挤压过程中的速度场分布

方管型材出口截面速度等高线如图6所示，可见造成流速不均的主要原因是因为内层金属流速比外层金属速度大，导致方管型材出现整体外扩（图7），另外靠近拐角的地方由于局部流速较慢而出现小缺口。造成这个结果的原因主要是对调节金属流动平衡的因素即工作带长度的设计还有待改进[5、6]。

3 成型挤压模具优化

选择在工作带出口处位置对流动金属做一个XY平面的横截面，得到如图8所示的Z方向流动速度等高线图。以0.5mm为距，在型材内、外表面和中性面上分别追踪23个点。

从出口方向流速与相应工作带长度的关系曲线（图9）可见，中性面上的点流速较均匀，满足金属流速判据 Fi≤0.1；而在方管边的中点左右两边8mm长部分内层金属流速比外层金属速度大很多，几个点明显不满足流速判据，需要加大阻止里层金属流动的模芯工作带；另外靠近拐角的3.2mm处和边中点的3mm处局部内里层金属流速又较慢，需要对局部模孔工作带进行调整。

调整后的工作带长度如图10所示，且模芯工作带相应改至9.5mm，同时得到Z方向流动速度等高线图如图11所示。

可见模孔工作带优化后，Z方向出口速度均较为理想，管材挤出情况良好，追踪点不变，则可做出出口Z方向流速与相应工作带长度的关系曲线图如图12所示，追踪点均满足金属流速判据，模具设计已达到要求。

4 总结

基于有限元分析软件对某方管铝材的挤压过程进行了模拟分析，根据模拟结果优化改进该型材的挤压模具结构，提高了型材截面各部分的流速均匀性，可知结合设计手册和实际经验并正确运用模拟分析技术，有利于快速准确地设计空心类型材平面分流组合模具，显著节省企业开发挤压模具所需的成本和时间，提高企业效益。