模具是鋁合金擠壓成型的重要裝備之一^[1]，模具質量是影響鋁型材產品質量的關鍵因素。當前，鋁型材模具開發中普遍存在開發周期長、修模試模次數多、模具質量不穩定等技術問題^[2]。提高鋁型材模具的設計質量和效率已成為鋁型材行業發展的技術瓶頸，為突破此技術瓶頸，應用模具仿真與優化技術開發高效、合理的模具結構是最有效的途徑之一。鋁型材模具仿真過程是一個虛擬的試模過程，它可以最大限度的減少實際生產中的反復試模過程。通過仿真，可以分析模具結構對金屬的分流質量、焊合質量、擠出型材質量的影響，判斷擠壓過程中可能出現的變形、裂橋、磨損等缺陷及其位置，可以對所設計的模具結構的合理性做出評判，從而確定優化策略，進而改進模具結構參數，通過反復的優化和仿真，最終獲得最優化的模具設計方案。

1  帶筋寬幅鋁型材擠壓模具及仿真建模

1.1 模具設計方案確定

    帶筋寬幅鋁型材的尺寸圖如圖1所示，型材基本參數如表1所示，根據型材的尺寸及基本參數設計如圖2所示的擠壓模具，擠壓機噸位為3600T。

表1 帶筋寬幅鋁型材基本參數

圖1 帶筋寬幅鋁型材尺寸圖

 (a)模面                              (b)導流模

圖2 帶筋寬幅鋁型材擠壓模具圖

1.2 模具三維與CAE建模

    完成模具CAD設計后，對模具進行仿真建模，仿真建模過程包括：模具三維建模、型材CAE建模、定徑帶CAE建模、焊合室和導流孔CAE建模、棒料CAE建模、導流模CAE建模、模面CAE建模。帶筋寬幅鋁型材擠壓模具三維造型如圖3所示，其仿真建模圖如圖4所示。

  (a)模面三維造型                   (b)導流模三維造型

圖3 帶筋寬幅鋁型材擠壓模具三維造型

  (a)模面CAE建模                   (b)導流模CAE建模

(c)鋁型材CAE建模

圖4 帶筋寬幅鋁型材擠壓模具仿真建模

2  仿真結果分析

    完成模具CAE建模后，設定仿真分析所需的各項邊界條件，邊界條件的各項參數以公司實際生產數據為準。CAE仿真模擬了整個擠壓過程，通過對模型計算分析獲得擠壓變形體內的應力、變形和流速等物理量分布，以及擠壓各階段的壓力、變形和速度等工藝參數變化情況，確定擠壓模工作帶斷面和導流流孔、焊合室等模具結構對成形鋁材流動的影響，提出分析報告并向設計人員推薦合適的擠壓條件，設計人員再根據CAE分析結果修正模具設計方案。經過數次反復，直到模具設計方案滿足產品設計要求和產品質量要求為止。

2.1 導流孔與焊合室的金屬流速分布

    導流孔與焊合室的金屬流速分布云圖如圖5所示，圖中不同的顏色代表流速的快慢情況，紅色代表流速最快的區域，藍色代表流速最慢的區域，圖5(a)、5(b)、5(c)、5(d)為不同時間段的導流孔與焊合室的金屬流速分布云圖。由圖5(a)、5(b)可以看出，鋁金屬在導流孔的流速較慢，當鋁金屬經過導流孔進入焊合室后流速分布發生變化，由圖5(c)、5(d)可以看出，鋁金屬在中間的流速最快，兩邊的流速最慢，流速很不均勻，容易引起鋁型材偏壁和變形。

圖5 導流孔與焊合室的金屬流速分布云圖

2.2 鋁型材出口金屬流速分布

    根據擠壓生產經驗，對于硬質合金，型材在出口速度比較慢，所以型材出口速度設為2m/min（相當于37.3mm/s），模具擠壓比為37.3（以3600T擠壓機擠壓），計算得出擠壓桿速度為1mm/s。型材不同部位的流速分布如圖6所示，可以看出，型材不同部位的流速值相差比較大，紅色圓圈所指的位置流速最快，最大流速達到78mm/s，型材兩邊位置的流速最慢，最慢流速為22.5mm/s。最大流速與最小流速之間的差異與模具本身結構有關，最大流速處所需要的鋁金屬較多，流速應快于其它位置才能夠保證供料，但最大流速是最小流速3倍，流速比值相差太大，流速不均勻。而且最大流速是實際設定流速的2倍，所以需要修改模具，降低最大流速值，增加最小流速值，使它們之間的流速不能相差太懸殊。另外，流速相差太大會引起型材變形，如圖7所示。黑色箭頭所指的輪廓線為沒有變形的型材，從圖中兩個綠色圓圈所示位置可以看出型材在中間和兩邊位置都拱起，使得型材尺寸達不到設計要求。

圖6 帶筋寬幅鋁型材出口流速分布云圖

圖7 帶筋寬幅鋁型材變形分布云圖

2.3 模具強度分析

    模具強度分布如圖8所示，可以看出，導流模最大應力分布在模面表面位置，如圖中黑色圓圈所指位置，最大應力為939Mpa，模面最大應力分布在懸臂位置處，懸臂位置最大的應力為1314Mpa(懸臂處如圖中紅色箭頭所指位置)，由于5A30合金強度較高，所需擠壓力較大，擠壓應力也會相應的增大，從仿真分析可知，模面所受的擠壓應力比較大，對模具使用壽命有影響。

  (a)模面                               (b)導流模

圖8 帶筋寬幅鋁型材擠壓模具強度分布云圖

3  帶筋寬幅鋁型材擠壓模具結構優化

    從仿真模擬的流速分析可以看出，在棒料進入加強筋底部的導流和模面時，流速明顯比型材其余部位快，以至難以達到均衡流速的效果。相對于加強筋頂部和型材兩邊的流速，加強筋底部流速無疑過快，造成加強筋頂部拱起，影響型材的平整度。因此，要達到均衡流速的效果，必須改變棒料進入加強筋底部導流和模面的金屬流量，以及改變定徑帶的長短等方式，以達到均衡流速的理想效果。導流模尺寸與定徑帶尺寸的修改如圖9所示。

    模具修改后再進行仿真分析，擠壓速度改為1.5m/min(27.9mm/s)，仿真分析后的型材流速分布如圖10所示，可以看出，型材最大流速與最小流速分別為33.6mm/s和23.7mm/s，最大流速與最小流速之間的差值減小了很多，型材各個位置的流速都比較均衡了，所以通過仿真分析后對模具結構進行修改達到了均衡流速的目的。流速均衡了，型材的變形也相應的減小了，如圖11所示，所以在開模生產時，只要給予型材一定的預變形余量就可以保證型材的尺寸要求。

(a)模具導流模尺寸修改圖

 (b)定徑帶尺寸修改圖

圖9 帶筋寬幅鋁型材模具結構優化圖

圖10 帶筋寬幅鋁型材出口流速分布云圖(修改后)

圖11 帶筋寬幅鋁型材變形分布云圖(修改后)

    模具結構參數優化后，進行模具的開模制造，在3600t擠壓機上進行試擠壓，試模料頭如圖12(a)所示，實際試模的料頭拱起，但變形不是很大，試模料頭的變形與仿真分析一致，通過料頭變形方向也可以看出試模料頭流速快慢與仿真分析結果一致。試模料身如圖12(b)所示，料身的各項質量數據合格，符合設計要求。

(a)試模料頭                       (b)試模料身

圖12 帶筋寬幅鋁型材試模圖

4 結論

     針對帶筋寬幅鋁型材擠壓模具，采用HyperXtrude有限元仿真分析方法，通過仿真建模與計算，分析了鋁型材流速、鋁型材變形和模具應力分布情況，并對模具結構參數進行優化設計。結果表明，結構優化后的帶筋寬幅鋁型材擠壓模具符合生產要求。仿真與優化技術的應用極大地縮短了模具開發周期，提高了模具設計水平。

           1．鋁金屬在導流孔的流速較慢，當鋁金屬經過導流孔進入焊合室后流速分布不均衡，導致型材流速不均勻，容易引起型材偏壁和變形。

    2．導流模最大應力分布在模面表面位置，最大應力為939Mpa，模面最大應力分布在懸臂位置處，懸臂位置最大的應力為1314Mpa。

    3．導流模與定徑帶結構尺寸優化后，型材流速均衡、變形減小；試模料頭變形與仿真分析一致，試模料身的各項質量數據合格，符合設計要求。