鋁型材具有比強度高、外形美觀、耐腐蝕、易于回收等優點，被廣泛應用于建筑、鐵路運輸、航空航天及通信等領域。鋁制散熱器是由6063鋁合金擠壓、焊接或組裝而成，已成為現代生活中逐步取代其他散熱器產品的首選品種。Altair公司的HyperXtrude是一款模擬擠壓工藝、指導擠壓模具設計的專業軟件，HyperXtrude可以模擬金屬或聚合物（如橡膠、塑料）在擠壓成型工藝中材料經歷的復雜塑性變形、材料流動和傳熱過程[1]。本文選取實際生產中的一套模具為例，采用基于ALE算法的HyperXtrude軟件，模擬金屬在模具中的流動，分析了該模具在擠壓過程中可能會遇到的問題。
1問題的描述
本文研究的散熱器型材，外形尺寸較大，壁厚差大，扁寬形，左右不對稱。散熱片之間通過牙形咬合裝配,對成型精度要求高，其生產難度較大。該產品主要應用于空調上的散熱，它具有散熱面積大，風冷散熱性能優良，外形符合其散熱空間的大小的特點。如圖1a所示為初次試模的料頭。初步判斷，型材兩邊流速快，帶螺絲孔的地方流速也較快，中間兩條筋位稍慢，導致型材不能很好的成型。圖1b所示為試模擠壓出來的中段料，經過拉伸矯直后，型材達不到裝配要求。圖1c所示為型材的裝配要求，要求水平度為180 。可見，型材存在的主要問題是形狀及尺寸公差問題。
傳統的型材擠壓模具設計主要依靠工程類比和設計經驗，造成大量人力與物力的浪費，而且嚴重影響生產效率和產品質量。將數值模擬技術引入擠壓模具設計中，通過在計算機上模擬試模，數值仿真的方法可以模擬實際的擠壓過程，得到速度、溫度、應力和應變等現場難以測量的物理量，由此可以判斷型材產品有無扭擰、彎曲、波浪等缺陷，從而評價工藝及模具結構設計是否合理，及時修改工藝和設計參數，代替費時費力的試模及返修過程[2-4]。
2.1 網格劃分
對擠壓過程進行數值模擬[5-6]。采用HyperMesh軟件對模型進行前處理，工作帶和型材出口處用三棱柱網格，模具采用四面體網格，坯料、分流孔和焊合室區域采用四面體網格，分析模型的單元尺寸由材料的變形程度確定，因工作帶附近材料變形比較劇烈，單元劃分比較細密，而在棒料部分的材料只發生墩粗變形，單元劃分較粗，分流孔和焊合室的網格要適當過渡，這樣既保證了分析精度，又有效地控制了單元數量，節省了計算時間，有限元網格模型如圖2所示，網格參數如表1所示。
擠壓模具的約束通過邊界條件進行設置[7~8]。擠壓金屬為AA6063，模具材料為H13；擠壓筒溫度設為430℃，模具預熱至450℃，金屬坯料預熱溫度取480℃，擠壓速度設為5mm/s；模具與金屬材料間的摩擦狀況：工作帶區域使用庫侖摩擦模型，摩擦系數取0.3，擠壓筒和模具表面用Stick摩擦模型。
3.1位移分布
如圖3所示為型材出口的X方向的位移云圖。型材藍色部分往X負方向偏擺，最大位移達到-2.5mm，紅色部分向X正方向偏擺，最大位移達到3.028mm。偏擺是導致后續擠壓出來的型材不能進行裝配的重要原因，可能是由于此處的上下模工作帶設計不夠合理，導致型材的內外壁不能同時從模孔中流出來。型材的其他部分的位移偏差較均勻，不會對裝配有影響。
圖4所示為金屬流經分流孔、焊合室區域的速度矢量分布圖。模孔設計成有一定的寬展角度，金屬相當于在模孔中以爬坡的形式向前流動，由于摩擦的作用，靠近模壁的金屬幾乎粘著在模具表面，金屬流動更多的是鋁跟鋁的摩擦，阻力相對減少很多，由于中間分流孔的面積要小于四周分流孔面積，金屬繞過分流橋流入分流孔時，流速也相應較低；當金屬流經焊合室時，來自六個分流孔的金屬在此聚集，金屬延續了分流孔處的流動趨勢，表現為周邊的流速較慢，而中間的則相對較快，金屬一致流向模孔出口處。大量金屬的聚集，流動速度也較大，流動金屬與模具表面摩擦劇烈，對模孔工作帶的損傷也大。
如圖6所示為分流孔、焊合室和工作帶處的溫度分布。型材兩邊部位的金屬流動較快，金屬的熱量聚集更多，兩邊的溫度更高；中間部位的金屬，受到模芯的阻擋可以及時散熱，金屬流速較緩慢，因此溫度相對較低；在出口工作帶處，高溫金屬通過模孔成型，劇烈的摩擦會產生大量的熱量，大部分保留在金屬內，一小部分通過模具散熱，溫度最高。溫度梯度的變化，對型材的質量有很大的影響，在溫度分界處，極易產生型材擠壓后續冷卻時的色溫，或者組織的不均勻，直接影響型材的質量。
圖7所示為模具的應力分布。模具整體應力分布較小并且較均勻，上模的應力比下模的小，應力集中在工作帶處。在擠壓正方向，模具受到擠壓機的壓力，型材流出模孔的拉力作用。上模受到擠壓墊的擠壓力，分流橋受到流動金屬的剪切作用，模芯受到兩端不等壓力的作用，可能會產生偏擺，工作帶是薄弱區域，受到流動金屬的劇烈摩擦更容易受到損害。下模的工作帶在擠壓過程中，受到型材的拉應力作用，對懸壁處的工作帶影響較大，應力的最大值出現在小懸臂處。
4.1修改意見
通過對數值模擬的分析，初步可以得出結論，中間兩條筋的部位供料不足導致了流速緩慢，結合料頭出料和模擬情況，對模具做了少許修改，通過對模具的應力分析可知，在工作帶處存在局部應力集中的現象。對上模，可以有幾種修改方案，首先可以適當加大中間兩個分流孔的面積；其次是加大模芯下的傾斜度，使金屬更容易往前流；最后是調整工作帶。對下模，可以在模孔四邊對應處設置阻流臺以適當減緩金屬流速，適當修改工作帶尺寸。
加大分流孔的面積，容易造成流速的大波動，并且考慮到加工因素，故不建議采用；用電火花將下模模芯加大引流比較方便，適當減小中間兩條筋部位的工作帶高度，中間兩條筋的工作帶由2.8mm減小到2.4mm；對下模的四邊加設阻流臺，型材兩邊的工作帶加大0.4mm。如圖8所示為修改好的下模。
4.2、修改后的結果
對修改好的模具采用同樣的工藝參數進行了穩態模擬。可以發現型材出口速度在出口斷面處的速度梯度分布均勻，可以獲得端面平齊的擠壓件。如圖9所示為模具修改后的型材出口流速分布圖，經過修改后的模具實際試模后，流速梯度得到了改善。雖然兩邊稍快，中間還是有點慢，不過符合型材成形要求，可以順利出材。型材經過噴涂處理后，兩個型材可以很好地進行裝配，如圖10所示為最終的合格型材產品。
1. 通過數值模擬，對擠壓過程中的型材位移、金屬流動速度、溫度和模具受力進行分析，發現工作帶是影響型材成形的重要因素。
2. 采用上模促流，下模增設阻流臺和調整工作帶長度的方法，可以有效地調節金屬在模具內的流動狀況，使型材出口截面速度分布更加均勻，型材的尺寸精度也得到了改善。
3. 通過Altair公司的HyperXtrude擠壓仿真軟件，模擬金屬在模具內的流動情形，可以預測鋁型材擠壓過程中可能出現的問題，模具工作中可能發生失效的部位，進而有效地指導擠壓模具設計。
6 參考文獻
[1] 漆偉，曾神昌，洪清泉.HyperXtrude在鋁型材擠壓行業的應用[J]. Lw2010鋁型材技術(國際)論壇文集:640~643.
[2] 譚熾東,劉靜安,黃凱. 鋁合金擠壓工模具技術[M]. 冶金工業出版社. 2009.
[3] 劉靜安. 鋁合金擠壓工模具技術的發展概況與趨勢[J]. 鋁加工. 2010(01):16~23.
[4] 方 剛，王飛，雷麗萍，曾攀．鋁型材擠壓數值模擬的研究進展[J]．稀有金屬，2007，5：682～688．
[5] Engineering A. Altair HyperXtrude 9.0 User's Manual[S]. 2008.
[6] 黃珍媛,李文芳,吳錫坤等. HyperXtrude在鋁型材擠壓成形仿真中的應用[J]. 計算機應用與軟件. 2010, 27(4): 143-145.
[7] 潘健怡,周照耀,王堯等. 復雜橫截面鋁型材擠壓模具的設計與數值模擬分析[J]. 塑性工程學報. 2010,Vol.17.No.01:46~51.
[8] 吳錫坤. 鋁型材加工實用技術手冊[M]. 中南大學出版社, 2006.
1問題的描述
本文研究的散熱器型材，外形尺寸較大，壁厚差大，扁寬形，左右不對稱。散熱片之間通過牙形咬合裝配,對成型精度要求高，其生產難度較大。該產品主要應用于空調上的散熱，它具有散熱面積大，風冷散熱性能優良，外形符合其散熱空間的大小的特點。如圖1a所示為初次試模的料頭。初步判斷，型材兩邊流速快，帶螺絲孔的地方流速也較快，中間兩條筋位稍慢，導致型材不能很好的成型。圖1b所示為試模擠壓出來的中段料，經過拉伸矯直后，型材達不到裝配要求。圖1c所示為型材的裝配要求，要求水平度為180 。可見，型材存在的主要問題是形狀及尺寸公差問題。
傳統的型材擠壓模具設計主要依靠工程類比和設計經驗，造成大量人力與物力的浪費，而且嚴重影響生產效率和產品質量。將數值模擬技術引入擠壓模具設計中，通過在計算機上模擬試模，數值仿真的方法可以模擬實際的擠壓過程，得到速度、溫度、應力和應變等現場難以測量的物理量，由此可以判斷型材產品有無扭擰、彎曲、波浪等缺陷，從而評價工藝及模具結構設計是否合理，及時修改工藝和設計參數，代替費時費力的試模及返修過程[2-4]。
2.1 網格劃分
對擠壓過程進行數值模擬[5-6]。采用HyperMesh軟件對模型進行前處理，工作帶和型材出口處用三棱柱網格，模具采用四面體網格，坯料、分流孔和焊合室區域采用四面體網格，分析模型的單元尺寸由材料的變形程度確定，因工作帶附近材料變形比較劇烈，單元劃分比較細密，而在棒料部分的材料只發生墩粗變形，單元劃分較粗，分流孔和焊合室的網格要適當過渡，這樣既保證了分析精度，又有效地控制了單元數量，節省了計算時間，有限元網格模型如圖2所示，網格參數如表1所示。
表1-1 模型有限元網格信息
擠壓模具的約束通過邊界條件進行設置[7~8]。擠壓金屬為AA6063，模具材料為H13；擠壓筒溫度設為430℃，模具預熱至450℃，金屬坯料預熱溫度取480℃，擠壓速度設為5mm/s；模具與金屬材料間的摩擦狀況：工作帶區域使用庫侖摩擦模型，摩擦系數取0.3，擠壓筒和模具表面用Stick摩擦模型。
3.1位移分布
如圖3所示為型材出口的X方向的位移云圖。型材藍色部分往X負方向偏擺，最大位移達到-2.5mm，紅色部分向X正方向偏擺，最大位移達到3.028mm。偏擺是導致后續擠壓出來的型材不能進行裝配的重要原因，可能是由于此處的上下模工作帶設計不夠合理，導致型材的內外壁不能同時從模孔中流出來。型材的其他部分的位移偏差較均勻，不會對裝配有影響。
圖4所示為金屬流經分流孔、焊合室區域的速度矢量分布圖。模孔設計成有一定的寬展角度，金屬相當于在模孔中以爬坡的形式向前流動，由于摩擦的作用，靠近模壁的金屬幾乎粘著在模具表面，金屬流動更多的是鋁跟鋁的摩擦，阻力相對減少很多，由于中間分流孔的面積要小于四周分流孔面積，金屬繞過分流橋流入分流孔時，流速也相應較低；當金屬流經焊合室時，來自六個分流孔的金屬在此聚集，金屬延續了分流孔處的流動趨勢，表現為周邊的流速較慢，而中間的則相對較快，金屬一致流向模孔出口處。大量金屬的聚集，流動速度也較大，流動金屬與模具表面摩擦劇烈，對模孔工作帶的損傷也大。
如圖6所示為分流孔、焊合室和工作帶處的溫度分布。型材兩邊部位的金屬流動較快，金屬的熱量聚集更多，兩邊的溫度更高；中間部位的金屬，受到模芯的阻擋可以及時散熱，金屬流速較緩慢，因此溫度相對較低；在出口工作帶處，高溫金屬通過模孔成型，劇烈的摩擦會產生大量的熱量，大部分保留在金屬內，一小部分通過模具散熱，溫度最高。溫度梯度的變化，對型材的質量有很大的影響，在溫度分界處，極易產生型材擠壓后續冷卻時的色溫，或者組織的不均勻，直接影響型材的質量。
圖7所示為模具的應力分布。模具整體應力分布較小并且較均勻，上模的應力比下模的小，應力集中在工作帶處。在擠壓正方向，模具受到擠壓機的壓力，型材流出模孔的拉力作用。上模受到擠壓墊的擠壓力，分流橋受到流動金屬的剪切作用，模芯受到兩端不等壓力的作用，可能會產生偏擺，工作帶是薄弱區域，受到流動金屬的劇烈摩擦更容易受到損害。下模的工作帶在擠壓過程中，受到型材的拉應力作用，對懸壁處的工作帶影響較大，應力的最大值出現在小懸臂處。
4.1修改意見
通過對數值模擬的分析，初步可以得出結論，中間兩條筋的部位供料不足導致了流速緩慢，結合料頭出料和模擬情況，對模具做了少許修改，通過對模具的應力分析可知，在工作帶處存在局部應力集中的現象。對上模，可以有幾種修改方案，首先可以適當加大中間兩個分流孔的面積；其次是加大模芯下的傾斜度，使金屬更容易往前流；最后是調整工作帶。對下模，可以在模孔四邊對應處設置阻流臺以適當減緩金屬流速，適當修改工作帶尺寸。
加大分流孔的面積，容易造成流速的大波動，并且考慮到加工因素，故不建議采用；用電火花將下模模芯加大引流比較方便，適當減小中間兩條筋部位的工作帶高度，中間兩條筋的工作帶由2.8mm減小到2.4mm；對下模的四邊加設阻流臺，型材兩邊的工作帶加大0.4mm。如圖8所示為修改好的下模。
4.2、修改后的結果
對修改好的模具采用同樣的工藝參數進行了穩態模擬。可以發現型材出口速度在出口斷面處的速度梯度分布均勻，可以獲得端面平齊的擠壓件。如圖9所示為模具修改后的型材出口流速分布圖，經過修改后的模具實際試模后，流速梯度得到了改善。雖然兩邊稍快，中間還是有點慢，不過符合型材成形要求，可以順利出材。型材經過噴涂處理后，兩個型材可以很好地進行裝配，如圖10所示為最終的合格型材產品。
1. 通過數值模擬，對擠壓過程中的型材位移、金屬流動速度、溫度和模具受力進行分析，發現工作帶是影響型材成形的重要因素。
2. 采用上模促流，下模增設阻流臺和調整工作帶長度的方法，可以有效地調節金屬在模具內的流動狀況，使型材出口截面速度分布更加均勻，型材的尺寸精度也得到了改善。
3. 通過Altair公司的HyperXtrude擠壓仿真軟件，模擬金屬在模具內的流動情形，可以預測鋁型材擠壓過程中可能出現的問題，模具工作中可能發生失效的部位，進而有效地指導擠壓模具設計。
6 參考文獻
[1] 漆偉，曾神昌，洪清泉.HyperXtrude在鋁型材擠壓行業的應用[J]. Lw2010鋁型材技術(國際)論壇文集:640~643.
[2] 譚熾東,劉靜安,黃凱. 鋁合金擠壓工模具技術[M]. 冶金工業出版社. 2009.
[3] 劉靜安. 鋁合金擠壓工模具技術的發展概況與趨勢[J]. 鋁加工. 2010(01):16~23.
[4] 方 剛，王飛，雷麗萍，曾攀．鋁型材擠壓數值模擬的研究進展[J]．稀有金屬，2007，5：682～688．
[5] Engineering A. Altair HyperXtrude 9.0 User's Manual[S]. 2008.
[6] 黃珍媛,李文芳,吳錫坤等. HyperXtrude在鋁型材擠壓成形仿真中的應用[J]. 計算機應用與軟件. 2010, 27(4): 143-145.
[7] 潘健怡,周照耀,王堯等. 復雜橫截面鋁型材擠壓模具的設計與數值模擬分析[J]. 塑性工程學報. 2010,Vol.17.No.01:46~51.
[8] 吳錫坤. 鋁型材加工實用技術手冊[M]. 中南大學出版社, 2006.
浙公網安備: 33028102000314號