1 簡介

由于純鋁較軟，且富有延展性，易于塑性成形。添加各種合金元素形成的鋁合金有更高的強度、材料組織性能也得到大大改善，以及會得到其他各項更好的性能，從而能滿足更多的生產需要。鋁合金可以加工成各種加工材，如板、帶、條、箔、管、棒、型、線、自由鍛件和模鍛件等。也可以鑄造成各種鑄件，壓鑄件等鑄造材。加工材和鑄造材又可以分為不可熱處理強化型鋁合金材料和可熱處理強化型鋁合金材料。

1.1 擠壓工藝簡介

作為塑性加工的一種有效手段，擠壓用于高性能鋁型材的加工受到越來越廣泛應用。擠壓是對放在容器（擠壓筒）內的金屬坯料施加外力，使之從特定的?？字辛鞒?，獲得所需斷面形狀和尺寸的一種塑性加工方法[2]，如圖1所示。

圖1 鋁型材產品擠壓的基本原理

按照擠壓時金屬的流動方向不同，擠壓工藝可分為正擠壓、反擠壓和復合擠壓;按照坯料的溫度范圍可分為冷擠壓、溫擠壓和熱擠壓。金屬的擠壓成形是一種先進的少無切削加工工藝，它具有省料、節能和節省機械加工工時、工件性能高等一系列優點，因此越來越受到人們的青睞[1,3]。

近年來，除了改進和完善正反向擠壓及其工藝外，許多強化擠壓過程的新方法、新工藝也在不斷的出現，并且在實際中得到了應用。像平面組合模擠壓、水冷模擠壓、舌形模擠壓、變斷面擠壓、半固態擠壓、冷擠壓、扁擠壓、寬展擠壓、高速擠壓、精密氣、水（霧）冷在線淬火擠壓、等溫擠壓、高效反向擠壓、連續擠壓和連鑄擠連擠技術、形變熱處理、特種拉伸—輥矯等新技術、新工藝有以下意義:擴大鋁型材的品種、提高產品品質、提高擠壓速度和總的生產效率、發掘鋁型材的潛力、減小擠壓力、節約資源、減少成本等。

1.2 模具在鋁型材擠壓中的作用及工作原理[5]

擠壓工具可分為大型基本工具和模具。模具包括模子、穿孔針等直接參與金屬變形且消耗比較大的工具，模具是最重要的擠壓工具，在現代化的大生產中，工具和模具對實現整個擠壓過程都具有十分重要的意義。模具壽命長短是評價一個擠壓方法是否具有可行性的決定因素，工、模具的設計和制造質量是實現擠壓生產優質、高產、低耗的最重要的保證之一。

（1）合理的模具結構是實現任何一種擠壓工藝過程的基礎。它是使金屬產生擠壓變形和傳遞擠壓壓力的關鍵部件。在擠壓過程中，依靠擠壓軸輸出壓力，有擠壓筒盛放鑄錠并使之在強烈的三向壓應力作用下產生變形，模具是使金屬最后完成塑性變形獲得所需形狀的工具。目前的條件下，還不能想象無擠壓筒，無模具的擠壓工藝。

（2）工具和模具是保證產品內外表面質量的重要因素之一。模具自身的表面光潔度、表面硬度等因素對產品的內外表面光潔度有著決定性的影響，只有通過精磨拋光和氮化處理、表面硬化處理的模具才能擠壓出表面光潔度高的制品。表面光潔、過渡圓滑的工模具能保持擠壓產品的光潔表面，使之經過表面處理后厚度均勻、色調美觀、附著牢固的表面氧化膜。

（3）模具是保證產品形狀和精度的基本工具。只有結構合理、精度和硬度合格的模具，才能實現產品的成形并具有精確的斷面尺寸和內外廓形狀。另外，合理的模具和工具設計能保證產品具有最小的縱向彎曲和橫向波浪度，最小的翹曲和扭曲。

（4）合理的工模具結構、形狀尺寸，在一定程度上可控制產品的內部組織和力學性能，特別是在控制空心制品和焊縫組織與力學性能方面，分流孔的大小和形狀以及其分布位置，焊合腔的形狀和尺寸，模芯的結構等起著決定性的作用。擠壓墊片、擠壓筒和模子的結構形狀與尺寸，對控制產品的粗晶環和縮尾、成層等缺陷也有一定的作用。

（5）擠壓筒、擠壓軸、擠壓墊片和模子的結構形狀與尺寸對擠壓時金屬的流動景象、擠壓速度和擠壓力等都有很大的影響，合理的設計與制造模具，對于提高生產效率、提高產品的質量減少能耗等有著重大的意義。

（6）新型的工模具結構，對于發展新品種、新工藝，不斷提高擠壓技術水平起著很大的作用。如舌形模、平面分流組合模的出現，使空心制品的擠壓進入了一個嶄新的階段，多層預應力組合模具的研制成功使冷擠壓獲得了迅速的發展等。

（7）合理的工模具設計與制造能大大提高工模具的使用壽命，這對于降低產品成本有著十分重要的意義。

（8）合理的工模具設計對提高其卸載與更換速度，減少輔助時間，改善勞動條件和保證生產安全等方面有著十分重要的意義。據國內外一些資料的統計，在生產中等批量的擠壓產品時，工模具的成本往往占擠壓總成本的35%一50%。如果使用壽命提高一倍，則產品的成本約降低20%左右。模具屬易損多耗工具，目前的使用壽命仍是十分低的，如果將其壽命提高5～10倍，則產品的成本可大幅度下降。

平面分流組合模的工作原理是實心鑄錠通過擠壓機擠壓力的作用，被分成幾股金屬流，再在焊合室匯集，并在高溫，高壓，高真空的環境下又重新被焊合，最后通過模芯和模子之間形成的間隙流出[6]，從而形成符合一定尺寸要求和性能要求的管材或空心型材。

1.3 DEFORM-3D簡介

1.3.1 DEFORM軟件簡介[7]

典型的 DEFORM-3D應用于包括鍛造、擠壓、墩頭、軋制、自由端、彎曲和其他成形加工手段。它是是一套基于工藝模擬系統的有限元系統（FEM）,專門設計用于分析各種金屬成形過程的三維流動，提供極有價值的工藝分析數據，及有關成形過程中材料和溫度流動。

DEFORM-3D是模擬3D材料流動的理想工具。它有強大的模擬引擎，能夠分析金屬成形過程中多個關聯對象耦合作用的大變形和熱特性。它還具有優良的自動網格重劃分生成器，在任何必要時能夠自行觸發，從而生成優化的網格系統。在要求精度較高的區域，可以進行局部網格細劃分，從而大大減少計算時間，提高效率。DEFORM-3D的圖形界面強大而又靈活，為用戶準備輸入數據和觀察結果數據提供了有效工具。DEFORM-3D還提供了對于3D過程模擬極為重要的3D幾何操縱修正工具。其計算精度和結果可靠性被國際成形模擬領域公認為第一。

1.3.2 DEFORM特點[7]

在材料成形、熱處理和機加工領域中，采用有限元方法開發和設計模具、刀具的產品已達到70%以上，有限元分析已成塑性加工中廣泛使用的工具。

DEFORM—3D是一套基于模擬系統的有限元系統（FEM），專門設計用于分析各種金屬成形過程中的三維（3D）流動，提供極有價值的工藝分析數據，及有關成形過程中的材料和溫度流動。典型的DEFORM—3D應包括鍛造、擠壓、墩頭、扎制、自由鍛、彎曲和其它成形加工手段。

（1）DEFORM-3D是在一個集成環境內綜合建模、成形、熱傳導和成形設備特性進行模擬仿真分析。適用于冷、熱、溫成形，提供極有價值的工藝分析數據。

（2）全自動網格再劃分，前處理自動生成邊界條件，數據準備快速可靠。

（3）集成有形設備模型，如：液壓壓力機、機械壓力機、錘鍛機、軋機、螺旋壓力機、擺輾機和用戶自定義類型（如膨脹成形）。

（4）表面壓力邊界條件處理功能適用于解決膨脹成形工藝模擬，單步模具應力分析方便快捷，適用于多個變形體、組合模具、帶有預應力環時的成形過程分析，材料模型有彈性、剛塑性。熱彈塑性、熱剛粘塑性、粉末材料、剛性材料及自定義類型。

（5）具有FLOWNET和點跡示蹤、變形、云圖、矢量圖、力—行程曲線等后處理功能。具有2D切片功能，可以顯示工件或模具剖面結果。程序具有多聯變體處理能力，能夠分析多個塑性工件和組合模具應力。自定義過程可用于計算流動應力、沖壓系統響應、斷裂判據和一些特別的處理要求，如：金屬微結構、冷卻速率、力學性能等。

2 汽車碰撞橫梁擠壓模具的參數設置及建模

以汽車碰撞梁橫梁為例設計相對應的模具，其各項參數主要是根據相關理論公式計算結合實際生產中經驗值所取得，其三維圖及二維工程圖如下圖2、3所示。

圖2 鋁合金前防撞梁總成

圖3 汽車碰撞粱鋁型材截面工程圖

2.1 碰撞橫梁的材料及型材性能要求

材料選用鋁合金6061，T6 熱處理；屈服極限為215-245Mpa；抗拉強度極限大于270MPa；收縮率為1.2%；外接圓直徑116.32mm。

2.2 模具設計

2.2.1 擠壓機和擠壓模具的尺寸、材料參數的選取

鋁型材擠壓模具的設計包括理論性知識、經驗性知識；既有規范性知識，又有啟發性知識。在于擠壓工藝方面有些參數已經給出了具體的公式[3]，但對于實際情況，例如實際環境和具體型材的變化，許多時候需要根據經驗來合理設計。對于模具設計來說，首先要考慮的問題是擠壓機的結構，由于擠壓比 40≤λ≤80，且型材外接圓直徑為116.32mm，可選擠壓筒為2500t,擠壓筒直徑為280mm，擠壓比為796-354Mpa。鋁型材的材料為AL6061T6，收縮率為1.2%，擠壓溫度范圍在430-520之間，故選模具鋼牌號為H13。

2.2.2 擠壓比的確定

分流模的擠壓比即擠壓筒斷面積和型材斷面積的比值。它是模具設計的一個重要參數，擠壓比不同，會直接影響擠壓力的大小。從而會影響型材的成形和型材焊縫的質量。一般多以保證焊縫質量的提下再考慮模具的生產率。
對于分流模來40≤λ≤80，其具體計算公式如式（2-1）：

λ=（π*Ф2）／（4*n*F）  (2-1)

式中：λ─擠壓比；n─?？讛?；F─型材的面積；Ф─擠壓筒直徑。

模孔數位n=1，擠壓筒直徑Φ=280mm。利用公式（2-1）可算得擠壓比：λ=（π*2802）/(4*1*773.1372)=79.64，擠壓比λ在40-80之間，故符合要求。

2.2.3 模具直徑的確定

模具的外徑D模由擠壓筒直徑D桶或型材外徑確定，一般情況下認為型材的外接圓直徑小于或等于擠壓筒直徑D桶的1.1到1.2倍，都是可以設計出來的。
外接圓直徑為116.32mm<280mm符合要求。一般為了簡便計算，可直接取

D模≈（0.8-1）D桶 （2-2）

本課題中取模具的外徑為擠壓筒外徑想等，均為280mm,且模具高H=60mm。

2.2.4 分流橋的設計

分流模的結構分為固定式分流橋和可卸式分流橋兩種，前者上模模套連在一起為一個整體，后者上模模套分開設計，又稱之為叉架式分流橋。分流橋的寬窄由模具的強度和金屬的流速確定，分流橋的高度會直接影響模具的壽命以及焊縫的質量。

在確定分流橋寬度B的準則為：其一，為增大分流比和降低擠壓力考慮，B應取小值；其二，為了改善金屬流動均勻性考慮，?？鬃詈檬艿椒至鳂虻恼谘?，B應取大值。為了增加分流橋的強度，一般設計時在橋的兩端增加橋墩，在各種形狀中，蝶形橋墩不僅可以增加橋的強度，還可以改善金屬的流動，避免死區的存在。故選擇蝶形分流橋，分流橋高度B為60mm, θ暫取30°，橋底圓角R為3mm，并增加半圓形橋墩。

2.2.5 分流橋的設計

其他尺寸設計如下分流比為：K =20.43；上下模直徑：280mm；上模厚度：60 mm；下模厚度：60 mm；上下模插入深度：5 mm；上下模插入部分厚度10 mm；定位孔直徑：Ф16 mm；定位螺釘直徑：M12。

2.3 模具建模

2.3.1 構建上模

首先通過繪制上模最大外徑，通過拉伸得到高位60mm直徑Ф為280mm的圓柱體。接著在其一端面上繪制分流孔（周邊對稱的四個分流孔），通過切除生成分流孔。然后根據已經計算的焊合角θ，通過倒角命令對分流橋進一步編輯，并對每個分流孔四角倒圓角。再繪制橋墩，并通過拉伸命令構建出除模芯以外的上模主體結構。再次是根據模芯的各項參數，設計出模芯。最后繪制并生產中間分流孔。如圖2-3所示：

2.3.2 構建下模

繪制焊合室基本草圖如圖2-4所示，選擇拔模斜度，切除生產焊合室，然后倒圓角。再根據?？赘黜梾道L制并生產?？?。其有限元擠出成型如圖2-5所示：

圖為：汽車碰撞粱鋁型材擠壓模具上模設計平面圖

圖為：汽車碰撞粱鋁型材擠壓分流模下模設計圖

圖為：汽車碰撞粱鋁型材擠壓分流設計有限元3D模型

3 仿真結果分析及優化

3.1 仿真結果分析

型材的擠出結果影響因素有很多，但最直接的是工作帶的長度，第一次擠出結果的工作帶長度如下圖所，如圖3-1所示：

每一項的分析均采用步數分別為1、20、100、200、260的圖形和數據。坯料的初始溫度為480℃，擠壓速率為0.5mm/s。

圖3-1 第一次仿真工作帶的長度

（1）從制品的外形分析：

圖3-2 開始擠壓的形狀圖3-3 分流孔時的擠壓形狀圖3-4焊合室時的擠壓形狀

圖3-5 開始擠壓的形狀圖3-6第200步擠出制品的放大圖

圖3-7 鋁制品快離開工作帶時的形狀圖3-8 第260步制品的放大圖

從上面幾圖可見，在所有的圖中，分流橋、焊合室里的坯料都很正常，不需要分析。主要分析擠出的型材的形狀。圖3-6中，首先1處的型材有些凸出，另外1處的擠出長度相對于2處的較短，2處以及周邊的都比較合理。圖3-8中，在擠出制品快于工作帶分離出，4處出現嚴重畸形，另外5處相對于3處的長度差異，也慢慢地變大。

（2）從損壞分析

圖3-9 開始擠壓時的損壞圖圖3-10分流孔時的損壞圖圖3-11焊合室時的損壞圖

 

圖3-12開始擠壓時的損壞圖圖3-13 制品快與工作帶分離時的擠壓圖

在加工過程中，工件的損傷主要由于摩擦和壓力而產生，而且應力大的地方，摩擦大的地方，損傷大。由圖可知坯料進入分流孔后周圍都與分流孔發生摩擦，金屬流與分流孔接觸的地方損傷比較大6處和7處，當進入焊合室后，金屬流是懸空狀態，損傷有所減少如8處，在成型階段工作帶附近區域應力和摩擦最嚴重，此處損傷達到最大。但總體看來其值都不是很大，故對型材的擠壓影響不是很大。因為在擠壓的時候，型材的截面積很小，所以每擠出一點制品，未進分流孔的坯料、分流孔里的坯料以及在焊合室的坯料變化都很小，幾乎不動，所以整體損壞不大。從損壞的圖分析合理。

（3）從應變分析：

圖3-14 擠壓時的應變圖圖3-15分流孔中的應變圖圖3-16 焊合室中的應變圖

圖3-17 開始擠壓時的應變圖圖3-18 制品快要與工作帶分離時的擠壓圖

金屬進入分流孔后，在靠近分流孔入口出的金屬應變相對比較大，如9處所示，比較合理。進入焊合室之后，由于通道突然加寬且金屬前端和周圍沒有摩擦，焊合室中的金屬應變較小。之后由于接觸焊合室底部而受阻，金屬受力不斷增加，應變開始上升，但上圖在10處比9處較高，故合理。在金屬成形中，金屬流動的通道變得最小變小，應變增加，但12和13顯示卻很小，此次仿真在工作帶處也不合理。

(4)從應力分析

開始坯料等效應力較小，在經過分流孔分流后，由于受到分流橋等的阻力，在以上模上表面為基準的上下兩邊應力較大，如14所示，而離該面較遠的地方的坯料應力較小，當金屬流在焊合室遇到焊合室底部及以后，金屬流遇到的阻力再次增加，此過程中，整個坯料的應力都在增加，而在上模以上的坯料應力較小的區域不斷減小如15到16所示，當金屬流焊合并開始擠壓出型材時，整個坯料基本都變成淡藍色，大概是30MPa左右，如圖3-22和圖3-24，應力集中主要表現在模芯也?？赘浇?，此處的應力相對于其它位置要高很多，但圖中17處顏色變化不是很明顯與整個坯料主題顏色差異較小，故此次仿真在17處應力不是很合理，當制品與工作帶分離了，則此處的金屬沒有摩擦，前端也沒有阻力，處于懸空狀態，此處的應力減小，如18所示大概小于20MPa，此處比較合理。

圖3-19 開始時的應力圖圖3-20 分流孔的應力圖圖3-21 焊合室的應力圖

圖3-22 開始擠出制品時的應力圖圖3-23 開始擠出制品時工作帶處的應力圖

圖3-24 制品快于工作帶分離時的應力圖圖3-25 制品快于工作帶分離時工作帶處的應力圖

（5）從溫度分析：

由于坯料的溫度比模具的初始溫度高30℃。模具與工件之間存在溫度差，它們之間發生熱傳遞，所以坯料的溫度不斷降低，模具的溫度不斷增加，除此之外，模具和工件之間的摩擦也會產生熱量，使得溫度也會相應的升高，尤其是在工作帶處，間隙很小而且擠壓力在此處較大，所以摩擦嚴重，溫度達到了最大，如圖19處溫度比20處高，21處比22處高，但21處比19處要低，是因為隨著擠壓的進行，坯料的熱量不斷散失所造成的。在整個擠壓過程中溫度時刻不斷的變化。上圖所示溫度較合理。

圖3-26 開始擠壓時的溫度圖3-27 分流孔中的溫度圖3-28 焊合室中的溫度

圖3-29 制品開始擠出時的溫度圖3-30 制品開始擠出時工作帶處放大的溫度

圖3-31 制品與工作帶分離時的溫度圖3-32 制品與工作帶分離時工作帶處的溫度

3.2 模具優化

3.2.1 修改后的工作帶長度及對坯料進行局部網格劃分的調整

圖4-44 優化后的工作帶高度

3.2.2 優化后的仿真結果分析

每一項的分析均采用步數分別為1、40、110以及二次擠壓的10、150步的圖形和數據。坯料的初始溫度為480℃，擠壓速率為0.5mm/s。分析方法同前。

（1）從制品外形分析：

從圖中可以看出，主要分析后兩階段，剛開始擠出型材時，都平齊且擠出效果很好。當制品離開工作帶后一段距離時，制品仍不錯。沒有出現之前嚴重變形的情況，雖然前端部分地方都不是很平齊，但剛開始擠出的前端是這樣很正常。

（2）損傷分析：

由于之前第一次仿真已經分析過損傷了，而且優化后損傷分析仍然合理。分析過程如第一次類似。

（3）等效應變分析：

金屬進入分流孔后，在靠近分流孔入口出的金屬應變相對比較大，進入焊合室之后，由于通道突然加寬且金屬前端和周圍沒有摩擦，焊合室中的金屬應變較小。之后由于接觸焊合室底部而受阻，金屬受力不斷增加，應變開始上升，如第一次分析仍然合理,。在金屬成形中，金屬流動的通道變得最小變小，應變增加，如圖隨著擠壓的進行，應變增大，合理。由于金屬跟模具之間的摩擦產生的，很多應變比較大的地方都發生在金屬的表面。但整體來說，應變都不是很大。

（4）等效應力分析：

一開始坯料等效應力較小，在經過分流孔分流后，由于受到分流橋等的阻力，在以上模上表面為基準的上下兩邊應力較大，而離該面較遠的地方的坯料應力較小，當金屬流在焊合室遇到焊合室底部及以后，金屬流遇到的阻力再次增加，此過程中，整個坯料的應力都在增加，而在上模以上的坯料應力較小的區域不斷減小，前三階段如第一次仿真，結果相類似，合理。當金屬流焊合室并開始擠壓出型材時，整個坯料應力變大，應力集中主要表現在模芯也?？赘浇?，此處的應力相對于其它位置要高很多，當制品離開工作帶后，前端因為沒有摩擦也沒有阻力，故應力開始減小，故優化后的應力合理。

（5）溫度分析：

由于坯料的溫度比模具之間存在溫差，它們之間發生熱傳遞，所以坯料的溫度不斷降低，模具的溫度不斷增加，模具和工件之間的摩擦也會產生熱量，使得溫度也會相應的升高，尤其是在工作帶處，間隙很小而且擠壓力在此處較大，所以摩擦嚴重，溫度達到了最大。在整個擠壓過程中溫度時刻不斷的變化，優化后溫度合理。

4 總結
       本論文設計了一套汽車碰撞梁鋁合金擠壓平面分流組合模具。首先確定汽車碰撞梁的材料、形狀、尺寸、性能等要求。再確定擠壓機和擠壓模具的各項尺寸和材料參數等，構建三維模型，包括上模、下模、擠壓筒、擠壓墊片、坯料。最后導入DEFORM-3D軟件，進行有限元仿真，獲得材料變形時的應力場、應變場、溫度場、破壞場。分析材料變形特點，為了使材料變形更加均勻，優化分流擠壓模具結構，如焊合室高度、工作帶高度，最終獲得比較理想的擠壓模具和比較理想的制品。

4.1 模具設計過程中要注意的事項

（1）在保證分流橋的強度下，分流橋盡量要小。

（2）?？鬃詈媚軐⑵浒仓迷诜至鳂蛳?，讓其遮掩。

（3）焊合角最好盡量大些，這樣可以讓金屬能更好地填滿焊合室。

（4）模芯的長度要適應，太長模芯易便宜，太短則對于金屬在焊合室的焊合效果可能不好，所以其長度要適宜。

（5）焊合室要么內側壁采用一定斜度，要么在在底部與側壁連接處采用大圓角，或者兩者兼用。

模芯的工作上面最好比焊合室底部高1mm，即比模孔工作帶上面高出1mm，下端比模孔的工作帶長1～1.5mm。

4.2 DEFORM-3D仿真前處理中注意事項

（1）在導入DEFORM-3D之前，先在三維軟件中調整好位置，這樣生產的STL文件導入DEFORM-3D，處理會方便很多。

（2）網格細化時，尤其是坯料，對于不同地方其網格劃分不一樣，越接近工作帶處，越細，這就要添加網格細化局部窗口，為了效果較好，建議是3～4個，并建議網格比例較小的調至上面，這是因為當兩個窗口重合時，實驗得出，重合部分的網格基本是安排在上面的局部窗口劃分。對于模具劃分時，在上下模的工作帶處為了讓工作帶很好，可以采用兩個局部窗口，建議其中一個比例為0.5～0.1均可以，在工作帶處天加比例為0.05～0.01的窗口。經實驗可得，這樣劃分得到的工作帶效果很好，而且過渡處也會很好，不建議采用一個窗口的原因，是因為網格是相對網格，經實驗證明，若采用一個窗口，比例再小，其細化結果都不好。