我國擁有極其豐富的鋁礦資源。隨著國民經濟的發展和人民生活水平的不斷提高，除航空航天工業外，建筑、交通運輸、電力電器、化工、石油、農機和日常用品等部門對鋁的需求量也越來越大。用擠壓的方法生產鋁型材，既節約金屬，生產效率又高^[1]。

分流組合模廣泛地應用于生產各種規格和形狀的管材和空心鋁型材的擠壓模具結構類型。該類模具不僅可以生產復雜內腔的鋁型材，而且可拆換、加工容易、成本較低^[2]。目前該類模具的設計很大程度上取決于經驗和反復試模，在反復試模的過程中浪費大量的人力物力和財力。

本文采用Simufact有限元軟件對我公司設計的模具進行擠壓過程的數值模擬，揭示金屬的真實流動規律和各種物理場的分布，預測實際生產中可能產生的各種缺陷，從而在設計階段對模具進行優化，以提高模具的質量。

在傳統有限元模擬中，多采用Lagrange法^[3-6]，但鋁型材擠壓過程屬于非線性大變形，擠壓比非常大，金屬變形劇烈，這就不可避免地遇到網格再劃分的問題。而由于鋁型材壁厚一般很薄，這給網格劃分帶來極大的困難，從而使得金屬塑性成形的有限元模擬無法進行下去^[7]。

有限體積法以前多用于模擬流體的流動過程。近年來，部分學者也逐漸將有限體積法用于模擬金屬的塑性成形問題。基于Euler的有限體積法是將網格固定在空間，材料在流動過程中Euler網格不發生變化。因此，用有限體積法模擬大變形塑性成形問題可以很好地避免網格再劃分問題。

Simufact軟件是基于MSC.SuperForm和MSC.SuperForge開發的材料加工工藝仿真優化平臺^[8]。同時擁有MARC（有限元法）和Dytran（有限體積法）求解器。在鋁型材的模擬過程中，一般采用Dytran有限體積法。

Simufact使用專業化語言，便于專業人士使用；提供專業的材料數據庫，并可以由用戶自己輸入數據或修改數據；提供各種壓力加工設備；擁有IGES、UG、Pro/E、CATIA、Parasolid和Solidworks等各種主流CAD接口；分析計算的自動化程度高，用戶不需要輸入很多計算控制參數；界面設計簡單易懂。

3.1 幾何模型的建立

本文以一幕墻鋁型材為例，鋁型材截面及初始工作帶設計如圖1所示。

圖1 型材截面及初始工作帶示意

鋁型材底邊壁厚是3.5mm，其余壁厚為3mm。由于此鋁型材為對稱結構，故取鋁型材的1/2進行模擬。根據模具設計圖紙建立其三維模型 ，并以STL格式導入Simufact軟件，得到上、下模具的三維幾何模型圖如圖2和圖3所示。

圖2 上模示意圖

圖3 下模示意圖

3.2 邊界條件的設定

數值模擬所設定的邊界條件如下：擠壓坯料選用直徑為230mm的鋁棒，長度為170mm。在Simufact軟件自帶的材料庫中選擇模具材料為H13，鋁棒材料為6063；模具預熱溫度為480℃，鋁棒預熱溫度為450℃，環境溫度設定為50℃；鋁棒與模具工作帶處的摩擦類型選為庫倫摩擦類型，摩擦因子為0.3，與其它模具之間的摩擦選塑性剪切摩擦類型，摩擦因子為0.6；擠壓速度為10mm/s。鋁棒與模具的材料性能如表1所示。

表1 鋁棒與模具的材料性能

4.1 應力應變場分析

圖4與圖5分別是坯料等效應力場及等效應變場云圖。

圖4 應力場云圖

從圖4中可知最大等效應力發生在坯料與工作帶接觸的部位，超過了200MPa，遠遠大于6063的屈服應力。

圖5 應變場云圖

從圖5中可知等效應變與等效應力的分布規律相似。由于坯料與工模具接觸面之間存在著摩擦力，尤其是在工作帶部位金屬流向發生改變，變形劇烈，所以坯料的最大等效應變是在工作帶部位；而在擠壓筒中部和分流孔中部做近似的剛體運動，因此，此處的等效應變較小。

4.2 溫度場分析

溫度是影響鋁型材質量的重要因素。鋁型材熱擠壓是一個高溫高壓下大變形的過程。擠壓力、焊合質量、鋁型材表面質量與機械性能都與溫度有關。圖6所示是坯料的溫度場分布云圖，從圖6中可知坯料在與工模具接觸處雖然有摩擦熱的產生，但由于模具的溫度比坯料的低，且較易向空氣中散熱，所以溫度升高幅度不大，甚至溫度降低。擠壓筒中部和分流孔中部由于劇烈變形而產生的塑性變形熱難以擴散，所以溫度升高幅度較大。在工作帶處變形最為劇烈，溫度最高。實際生產中溫度過低，坯料塑性不好，會降低擠壓速度；溫度過高，會使鋁材過燒，表面質量不好。

圖6 溫度場云圖

4.3 速度場分析

在實際生產中，金屬的流動速度是決定鋁型材質量的重要因素。流速不均會造成鋁型材不成型、扭擰、波浪等缺陷。為了評價擠壓過程中金屬流速的均勻程度，本文以擠壓模出口處流速場標準偏差SDV（Stantard Deviation of the Velocity field）值來衡量^[9]，其計算式的形式如下：

式中，N為選取節點的數量，在本文中N為模具出口處同一平面上節點的個數；為位于待研究平面上第i個節點的z向速度；為待研究平面上各節點的z向平均速遞，SDV值反應了擠壓過程的穩定性，因此該值越小表示流速越均勻。

圖7為金屬流出模具后達到穩定的某個平面的流速圖，在鋁型材截面均勻選取20個節點，各點的流速值如表2所示。

圖7 速度場云圖

表2 鋁型材截面選取節點的速度值（單位：mm/s）

根據圖7可知由于鋁型材底邊比其余邊厚，速度較大，而中間筋處較難供料，速度較小，速度的差距容易使鋁型材變形。根據表2，可以計算出78.65 mm/s，由此計算處SDV=6.62。鋁型材出口流速不均勻。為了優化模具的結構，使鋁型材減少因流速產生的缺陷問題，現將鋁型材流速大于平均速度處的工作帶適量加長，將流速小于平均速度處的工作帶適量減短。優化后的工作帶如圖8所示。

其他條件不變，重新模擬后的鋁型材出口流速如圖9所示。

圖8  優化后的工作帶示意圖

圖9 工作帶優化后鋁型材的速度場云圖

在鋁型材上均勻地取20個節點，各節點的z向速度如表3所示。

表3 工作帶優化后鋁型材截面選取節點的速度值（單位：mm/s）

根據表3，可以計算出72.68 mm/s，由此計算處SDV=2.93。與修改前SDV值明顯減小，即鋁型材截面速度更為均勻，實際試模結果顯示修改后的模具擠壓出的鋁型材無缺陷，滿足生產精度要求。

基于Simufact有限元模擬軟件，建立了空心鋁型材分流模擠壓過程的計算模型，并以一幕墻鋁型材為研究對象，對擠壓過程中的應力場、應變場、溫度場及速度場進行了分析，依據分析結果對模具進行修正，最后得到合格的產品。  運用Simufact軟件能夠快速地獲得擠壓過程的應力場、應變場、溫度場、速度場，求解結果能正確地反應實際情況。合理、科學的應用Simufac能夠有效地指導鋁型材擠壓工藝和模具設計，減少試模次數，對提高設計效率和質量、節省成本、提高經濟效益具有重要價值意義。

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