1 概述 

鋁型材按照斷面形狀可以分為實心型材、半空心型材、空心型材三大類。半空心型材一般都呈“U”形狀，具有三面被包圍、一面開口的形狀特征，如圖1 所示。型材上這種三方被包圍、一面開口的部分，被稱之為空間面積，這個空間面積從模具（凹模）方面來看，就是懸臂梁，因此，這種半空心型材模具也被稱為懸臂模。

常見的半空心型材擠壓模具使用的是實心類的平模結構，這種模具由單一的凹模組成，結構簡單、有效，但是對于大型、復雜、高舌比的半空心型材，這種平模結構卻存在很多問題，在型材質量和模具壽命方面都難以滿足生產要求。目前，導流模被廣泛應用于這些高難度懸臂類擠壓模具結構中，并取得了很好的效果。本論文以簡單U 形懸臂模具及其擠壓工藝為例，系統的研究了不帶導流和帶導流兩種不同鋁型材懸臂模擠壓成形過程的特點和規律，對比分析了兩種模具結構對金屬流速、型材質量和模具強度的影響程度，獲得了與實際生產經驗一致的結論。

 

圖1 半空心型材截面示意圖

2 有限元模型的建立

針對多個不同形狀的U型鋁型材擠壓懸臂模具，分別建立了不帶導流和帶導流類型的多種鋁型材穩態熱擠壓仿真模型，如圖2所示。鋁合金材料選用常見的6063合金，將模具看作可變性的彈塑性體，選用常用的H13 鋼材料。采用四面體單元對擠壓過程中材料流經的所有區域和擠壓模具本身進行網格劃分，單元數控制在80萬以內，用HyperXtrude 8.0求解器進行求解計算，具體擠壓工藝參數如表1所示。

 

圖2 U 型懸臂模穩態熱擠壓仿真模型
表1 擠壓工藝參數

 

3 分析結果

3.1 型材流速

型材流速不均會造成型材拱起、凹陷、扭擰等變形問題，因此控制鋁型材擠壓成形中的流速均勻性非常重要。由于U 形半空心型材的三條邊中有兩條遠離中心，有一條靠近中心。不帶導流的情況下，即使工作帶高度設置合理，也難以避免出現型材中間流速比較快、而兩端的流速稍慢的現象，特別是懸臂的根部所在位置的流速非常慢，如圖3（a）（b）所示。導流孔能起到對金屬進行預分配的作用，從而可以有效的控制三條邊的流速，因此，帶導流的情況下型材流速更均勻，甚至有可能出現中間比兩端慢的情況，如圖2（c）所示。

  

圖3 U形懸臂模擠壓成形中的型材流速特征  

3.2 型材壁厚

壁厚超差是懸臂類模具擠壓過程中經常面對的問題。壁厚超差主要是由于凹模模孔的變形引起的。當凹模模孔縮小時，型材壁厚會減薄，而凹模模孔放大時，型材壁厚會增加。懸臂的受力狀態決定了凹模模孔的變形方式和變形大小。懸臂的受力主要來自受擠壓的鋁合金材料和模墊，按照作用功能可以分為兩大類，第一類是由鋁合金材料流動形成的壓力和模墊的支承力所構成的鐓粗力，第二類是由于材料壓力和模墊支承力不等而造成的彎曲力。鐓粗變形會使得模孔縮小，而彎曲變形會使得模孔放大。

 

圖4 不帶導流的U 形懸臂模凹模Y 向變形結果

圖5 帶導流的U 形懸臂模凹模Y 向變形結果

圖4和圖5 的分析結果顯示，在不帶導流的情況下，模孔會不同程度的縮小，而帶導流的情況下，模孔卻是不同程度的放大，二者剛好相反；圖6是模孔局部地方的放大圖，藍色線條代表的是模孔的原始形狀，紅色陰影則是變形后的模孔形狀，可以很清晰的看到，不帶導流模情況下，凹模懸臂向內偏移，而帶導流模時凹模懸臂向外偏移。這一結果得到生產實際的驗證，生產結果顯示，不帶導流的U 形懸臂模的型材壁厚一般會減薄，而帶導流模的U 形懸臂模的型材壁厚一般會增加。

 

圖6 凹模模孔變形結果局部放大

3.3 模具受力

所有分析結果顯示懸臂根部局部地方很容易出現應力集中，如圖7 圓圈所示位置，這些應力值都已經大大超出了模具材料的屈服強度極限，因此實際擠壓過程中這些地方很容易形成局部微裂紋，加速模具的報廢。

 

圖7 凹模應力分析結果

分析結果顯示，加上導流模能大大降低凹模懸臂上的應力集中程度，如圖8 所示。不帶導流模時，應力集中最大達到2234Mpa，而加上導流模時，應力集中最大值只有830.4Mpa。分析結果還顯示，不帶導流時的擠壓力為10471KN，而帶導流模時的擠壓力為9256KN， 比不帶導流情況小了1215KN，減小幅度為11.6%。因此，導流模不僅可以減小擠壓力，而且可以提高模具強度。

  

圖8 不帶導流和帶導流情況下的凹模應力結果比較

4 結論

以上的仿真分析結果表明，不管是從型材流速來看，還是從型材質量或者模具強度來看，帶導流的懸臂類模具結構都比不帶導流的懸臂類模具結構好，設置導流不僅能有效調節金屬流速，而且可以改變懸臂的受力狀態，控制擠壓過程中懸臂鐓粗變形和彎曲變形量之間的平衡。因此，設計合理的帶導流模或者分流模結構的懸臂模類擠壓模是大型、復雜、高舌比類半空心鋁型材生產的有效措施。