鋁型材擠壓成型的案例
LS-DYNA 擠壓鋁型材軸向壓潰分析 ￥5
基于LS-DYNA，分析擠壓鋁型材的軸向壓潰特性，動(dòng)畫如下圖。
淺談鋁型材擠壓模具減輕暗影的有效解決方法
鋁擠壓型材，在鋁合金型材平面厚度發(fā)生變化的交接處或鋁型材分流模與平模的交接處會(huì)出現(xiàn)凸凹不平的現(xiàn)象，一般肉眼可能無法分辨，但通過表面處理，特別是進(jìn)行鋁型材噴涂表面處理時(shí)，表面會(huì)形成在暗影或骨影。
一 分析生產(chǎn)原因：
1、鋁型材模具分流孔設(shè)計(jì)比例不當(dāng)；
2、擠壓模具工作帶設(shè)計(jì)、過渡不當(dāng)；
3、冷卻過程不均勻，交叉或厚薄區(qū)冷熱不均造成收縮不同，拉伸變形；
二 分流模改良設(shè)計(jì)方法（PKC7003示例）：
a、調(diào)整擠壓模具分流孔大小和芯頭空刀尺寸以及模橋的位置；b、調(diào)整工作帶過渡；見原設(shè)計(jì)圖A、C；調(diào)整后設(shè)計(jì)圖B、D。
展開 ALE有限元法在鋁型材擠壓模具優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
摘要：本文對(duì)一工業(yè)用鋁合金型材擠壓模具進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用了導(dǎo)流板保護(hù)結(jié)構(gòu)，上模短分流橋結(jié)構(gòu)和下模三級(jí)焊合室結(jié)構(gòu)；并運(yùn)用基于任意拉格朗日—?dú)W拉（ALE）有限元法的專用模塊HyperXtrude，成功模擬了坯料在模具中的穩(wěn)態(tài)擠壓過程，并對(duì)成形中型材的擠出速度、模具的形變與應(yīng)力情況進(jìn)行分析，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)方案的合理性。最后探討了模具優(yōu)化方案，通過調(diào)整工作帶長(zhǎng)度和芯部壁厚，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬流動(dòng)的控制，最終獲得合格的型材產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞：鋁合金擠壓；任意拉格朗日—?dú)W拉法（ALE）；數(shù)值模擬；模具優(yōu)化
鋁型材在生活、建筑、航空航天中應(yīng)用日益廣泛[1]。擠壓成形是鋁型材生產(chǎn)的主導(dǎo)技術(shù)和核心環(huán)節(jié)，而擠壓模具是鋁型材擠壓成形的關(guān)鍵裝備。在鋁型材擠壓過程中，模具結(jié)構(gòu)不良容易導(dǎo)致型材扭擰、波浪、彎曲以及裂紋等缺陷問題。
目前鋁型材擠壓模具的設(shè)計(jì)還停留在依靠工程類比和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)階段，所設(shè)計(jì)的模具必須經(jīng)過反復(fù)試模和修模來調(diào)整工藝參數(shù)，這嚴(yán)重影響了企業(yè)的模具開發(fā)周期和生產(chǎn)效率，影響模具質(zhì)量和模具壽命，增加了經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本，因此改進(jìn)傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成為鋁型材及其模具廠家的當(dāng)務(wù)之急[2]。
鋁型材擠壓是一個(gè)處在高溫、高壓、復(fù)雜摩擦狀態(tài)等復(fù)雜條件下的成形過程，屬于三維流動(dòng)、非線性、大變形問題。將數(shù)值模擬技術(shù)引入擠壓模具設(shè)計(jì)中，通過在計(jì)算機(jī)上模擬試模，能夠得到鋁合金在模腔內(nèi)的變形信息，如速度、溫度、應(yīng)力應(yīng)變、壓力等物理場(chǎng)量的分布，從而評(píng)價(jià)工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，修改模具結(jié)構(gòu)，提高模具使用壽命。
Huetink[3]最早采用解耦A(yù)LE方法對(duì)杯—桿復(fù)合擠壓過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)，可有效控制網(wǎng)格的畸變情況，但由于流出部分網(wǎng)格尺寸不夠細(xì)密，模擬所得的幾何形狀與真實(shí)情況有所偏差。
展開 基于HyperXtrude的鋁型材擠壓模具優(yōu)化
行業(yè)：鋁型材擠壓
挑戰(zhàn)：大型模具受力復(fù)雜，容易導(dǎo)致早期報(bào)廢
Altair 解決方案：利用AltairHyperXtrude擠壓仿真軟件對(duì)模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了仿真計(jì)算，并以此 結(jié)果指導(dǎo)模具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
優(yōu)點(diǎn)：較少試模次數(shù) ;有效提高了模具質(zhì)量
背景介紹
鋁合金擠壓模具是控制鋁型材的成型、尺寸精度及表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因而模具是型材生產(chǎn)關(guān)鍵。然而由于設(shè)計(jì)不當(dāng)、加工和生產(chǎn)過程操作不當(dāng)而造成模具過早失 效導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降和成本劇增等問題，成為阻礙企業(yè)生產(chǎn)效益提高的瓶頸，因而通過模具優(yōu)化設(shè)計(jì)提高模具使用壽命是企業(yè)亟待解決問題。
挑戰(zhàn)
大型方管型材由于其模具受力大，往往容易導(dǎo)致模具變形嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)裂橋而導(dǎo)致早期報(bào)廢，因而其模具設(shè)計(jì)一直是困擾鋁型材模具行業(yè)的難題。另外，模具材料、加工、試模等費(fèi)用昂貴也是制約模具設(shè)計(jì)創(chuàng)新的重要因素。鋁型材擠壓是一個(gè)處在高 溫、高壓、復(fù)雜的摩擦狀態(tài)等復(fù)雜條件下的成形過程，采用傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)有的測(cè)量?jī)x器與手段基本上無法準(zhǔn)確得到模具變形受力。
以下為實(shí)際型材的截面圖和擠壓工藝參數(shù)：
“整個(gè)設(shè)計(jì)過程中使用AltairHyperXtrude進(jìn)行模擬分析，研究其對(duì)模具受力的影響，很好地指導(dǎo)了模具創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過模擬擠壓可以減少試模次數(shù)，校核大型模具的強(qiáng)度，對(duì)模具的安全性預(yù)測(cè)具有明顯效果。模擬結(jié)果對(duì)于模具設(shè)計(jì)具有非 常重要指導(dǎo)意義，可以作為模具設(shè)計(jì)的強(qiáng)有力工具。”
展開 
提高鋁型材擠壓生產(chǎn)成品率的工藝方法
提高鋁合金型材成品率是降低企業(yè)生產(chǎn)成本最直接和有效的方法。成品率每提高1個(gè)百分點(diǎn)，鋁材的生產(chǎn)費(fèi)用將降低23元～30元，以一個(gè)年產(chǎn)1萬(wàn)t鋁型材的企業(yè)來說，若每噸鋁型材的成品率提高5個(gè)百分點(diǎn)，每年可節(jié)約125萬(wàn)元，而這125萬(wàn)元是純利潤(rùn)。成品率的提高是建立在產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)之上，與產(chǎn)量又是同比關(guān)系。提高成品率是一個(gè)系統(tǒng)工程，通過單一工藝方法很難大幅提高成品率，必須是多環(huán)節(jié)的累積提高。提高成品率又是一個(gè)細(xì)致的工作，不僅需要技術(shù)工藝做支撐，更需要嚴(yán)謹(jǐn)、務(wù)實(shí)、科學(xué)的管理。
1 影響成品率的因素
影響成品率的因素是多方面的，就擠壓生產(chǎn)而言主要有以下幾個(gè)方面：
（1）鋁鑄錠的質(zhì)量直接決定擠壓制品的成品率。
（2）模具、擠壓工具對(duì)成品率有很大影響，它們直接關(guān)系到擠壓制品的質(zhì)量，制品合格率高則成品率就高。
（3）生產(chǎn)管理中生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)的合理性以及生產(chǎn)報(bào)表原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也是提高成品率的前提。各種生產(chǎn)報(bào)表的原始數(shù)據(jù)是鋁型材擠壓前計(jì)算鑄錠長(zhǎng)度的重要依據(jù)。
（4)擠壓工藝包括根據(jù)擠壓比選定擠壓設(shè)備、確定工藝溫度及張力矯直工藝等，每步工藝是否科學(xué)、細(xì)致、合理也對(duì)成品率影響很大。
（5）操作人員的熟練程度和責(zé)任心是提高擠壓成品率所必備的。
2 提高擠壓鋁型材成品率的工藝方法
2.1 提高鑄錠質(zhì)量是保證擠壓成品率的前提
鑄錠對(duì)擠壓生產(chǎn)來說是原材料。鑄錠組織均勻，晶粒細(xì)小，無夾渣、氣孔、偏析、裂紋等缺陷時(shí)，不僅可以降低擠壓力、提高擠壓速度，提高產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量，而且可以減少擠壓制品表面氣泡、氣孔、劃傷、開裂、麻點(diǎn)等表面缺陷。比如較小的夾渣可以通過模具工作帶的狹縫排出，但會(huì)造成型材表面犁痕，產(chǎn)生一定長(zhǎng)度的幾何廢料；較大的夾渣將被卡在工作帶狹縫中不能被排出，引起塞模或擠壓制品開裂而被迫更換模具，這樣就會(huì)嚴(yán)重影響成品率。
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電動(dòng)自行車電池外殼鋁型材擠壓模結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
1 模具結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)方案及分析
1.1 模具結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)方案
圖1所示為某電動(dòng)自行車電池外殼用的矩形框鋁型材橫截面。該型材屬于矩形空心件，矩形長(zhǎng)寬比接近2，矩形框上有8個(gè)圓形凸臺(tái)。在保證模具零件強(qiáng)度的前提下，為了使金屬流動(dòng)更均勻，根據(jù)型材擠壓形狀的實(shí)際需要，模具初始設(shè)計(jì)采用蝶形、4分流孔結(jié)構(gòu)，分流孔前端設(shè)置15 mm的入料口位置下沉，上模結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1 型材截面
圖2 初始上模結(jié)構(gòu)
1.2 初始方案分析
模擬分析采用專用鋁型材熱擠壓模擬分析軟件Inspire，模擬分析和試模的工藝參數(shù)如表1所示。
表1 擠壓模擬參數(shù)
圖3（a）所示為初始模具方案的型材出口流速模擬云圖，長(zhǎng)短邊擠出速度相差較大，各邊中點(diǎn)位置均比相鄰部位流速快，流速均方差為7.91。這樣的流速分布會(huì)導(dǎo)致擠壓加工過程中，型材的長(zhǎng)邊和短邊出現(xiàn)波浪起伏。圖3（b）所示為實(shí)際試模的料頭，型材短邊波浪變形較明顯，與模擬分析結(jié)果一致，因?yàn)槎踢叺牟牧狭魅胙a(bǔ)給的流動(dòng)阻力較小，因此流速較快。
圖3 初始方案型材出口流速分布和實(shí)際試模料頭
圖4（a）所示為模具應(yīng)力分析云圖，模具最大應(yīng)力在分流橋的根部，為1 466.42 MPa，超出了材料屈服強(qiáng)度1 000 MPa。蝶形分流模的分流橋在工作過程中受較大的應(yīng)力
[6,7]，當(dāng)其所受的應(yīng)力值超出了模具零件材料在工作溫度下的屈服強(qiáng)度時(shí)，該位置容易發(fā)生變形積累，最后出現(xiàn)裂紋損傷，導(dǎo)致模具失效。
展開 Simufact軟件在鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)數(shù)值模擬的應(yīng)用
4.2 溫度場(chǎng)分析
溫度是影響鋁型材質(zhì)量的重要因素。鋁型材熱擠壓是一個(gè)高溫高壓下大變形的過程。擠壓力、焊合質(zhì)量、鋁型材表面質(zhì)量與機(jī)械性能都與溫度有關(guān)。圖6所示是坯料的溫度場(chǎng)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(chǎn)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(chǎn)生的塑性變形熱難以擴(kuò)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(shí)際生產(chǎn)中溫度過低，坯料塑性不好，會(huì)降低擠壓速度；溫度過高，會(huì)使鋁材過燒，表面質(zhì)量不好。
圖6 溫度場(chǎng)云圖
4.3 速度場(chǎng)分析
在實(shí)際生產(chǎn)中，金屬的流動(dòng)速度是決定鋁型材質(zhì)量的重要因素。流速不均會(huì)造成鋁型材不成型、扭擰、波浪等缺陷。為了評(píng)價(jià)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(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)偏差SDV（Stantard Deviation of the Velocity field）值來衡量[9]，其計(jì)算式的形式如下：
式中，N為選取節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，在本文中N為模具出口處同一平面上節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；為位于待研究平面上第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的z向速度；為待研究平面上各節(jié)點(diǎn)的z向平均速遞，SDV值反應(yīng)了擠壓過程的穩(wěn)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(dá)到穩(wěn)定的某個(gè)平面的流速圖，在鋁型材截面均勻選取20個(gè)節(jié)點(diǎn)，各點(diǎn)的流速值如表2所示。
圖7 速度場(chǎng)云圖
表2 鋁型材截面選取節(jié)點(diǎn)的速度值（單位：mm/s）
根據(jù)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(jù)表2，可以計(jì)算出78.65 mm/s，由此計(jì)算處SDV=6.62。鋁型材出口流速不均勻。
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擠壓力、焊合質(zhì)量、鋁型材表面質(zhì)量與機(jī)械性能都與溫度有關(guān)。圖6所示是坯料的溫度場(chǎng)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(chǎn)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(chǎn)生的塑性變形熱難以擴(kuò)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(shí)際生產(chǎn)中溫度過低，坯料塑性不好，會(huì)降低擠壓速度；溫度過高，會(huì)使鋁材過燒，表面質(zhì)量不好。
圖6 溫度場(chǎng)云圖
4.3 速度場(chǎng)分析
在實(shí)際生產(chǎn)中，金屬的流動(dòng)速度是決定鋁型材質(zhì)量的重要因素。流速不均會(huì)造成鋁型材不成型、扭擰、波浪等缺陷。為了評(píng)價(jià)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(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)偏差SDV（Stantard Deviation of the Velocity field）值來衡量[9]，其計(jì)算式的形式如下：
式中，N為選取節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，在本文中N為模具出口處同一平面上節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；為位于待研究平面上第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的z向速度；為待研究平面上各節(jié)點(diǎn)的z向平均速遞，SDV值反應(yīng)了擠壓過程的穩(wěn)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(dá)到穩(wěn)定的某個(gè)平面的流速圖，在鋁型材截面均勻選取20個(gè)節(jié)點(diǎn)，各點(diǎn)的流速值如表2所示。
圖7 速度場(chǎng)云圖
表2 鋁型材截面選取節(jié)點(diǎn)的速度值（單位：mm/s）
根據(jù)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(jù)表2，可以計(jì)算出78.65 mm/s，由此計(jì)算處SDV=6.62。鋁型材出口流速不均勻。
展開 基于 Inspire Extrude 的白車身門檻梁用鋁型材擠壓仿真模擬與模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化
車身鋁型材多以中大型、復(fù)雜的分流模寬展模為主，前期的產(chǎn)品截面和擠壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將直接影響擠出型材模具的壽命、型材表面質(zhì)量和尺寸精度。傳統(tǒng)的鋁擠壓模具以工程師經(jīng)驗(yàn)為主導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并未經(jīng)仿真分析而直接進(jìn)行開模，后期在生產(chǎn)線上進(jìn)行多輪試錯(cuò)調(diào)試，其中不可避免地耗費(fèi)大量的調(diào)試時(shí)間和成本[2,3]。
近些年在鋁擠壓行業(yè)和汽車研發(fā)單位開始逐漸引入擠壓仿真分析軟件對(duì)型材產(chǎn)品進(jìn)行出口流速、應(yīng)力應(yīng)變情況及擠出產(chǎn)品形狀和模具壽命進(jìn)行模擬，從而使產(chǎn)品、工藝及模具設(shè)計(jì)在最優(yōu)狀態(tài)下進(jìn)行制作生產(chǎn)，縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本和提升產(chǎn)品質(zhì)量[4]。
本文將以廣汽傳祺某電動(dòng)車型的中大型復(fù)雜多腔體截面門檻梁型材為例， 采用基于任意拉格朗日-歐拉（ALE）有限元法[5-7]的 Inspire Extrude 擠壓仿真分析軟件，對(duì)初始模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行擠出過程中分流體和型材出口流速、截面各區(qū)域相對(duì)出口速度差異百分比、型材擠出變形位移云圖進(jìn)行仿真模擬和分析。初步分析結(jié)果顯示型材擠出流速嚴(yán)重不均衡，模具和工藝若不優(yōu)化，將使后期的調(diào)試周期和成本大幅增加。為了在產(chǎn)品開發(fā)階段將模具結(jié)構(gòu)調(diào)整至最優(yōu)狀態(tài)，本文中基于鋁擠壓熱狀態(tài)下的金屬流動(dòng)分配的最小阻力定律原則，通過分流孔優(yōu)化、供流槽體大小及工作帶長(zhǎng)度等的優(yōu)化，再次導(dǎo)入優(yōu)化后的模具進(jìn)行仿真分析，直至獲取型材截面各區(qū)域出口流速趨于均勻的新的優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)。隨后，優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，結(jié)果表明仿真分析結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)匹配度基本一致，獲得了良好的擠出產(chǎn)品，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了模具調(diào)試開發(fā)成本。
2 產(chǎn)品、模具設(shè)計(jì)與有限元模型的建立
2.1 產(chǎn)品及其初步模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖 1 所示為某電動(dòng)車型用門檻梁鋁型材產(chǎn)品信息。圖 1(a)為型材三維視圖，圖 1(b)為型材截面尺寸。
展開 CMF設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響【上】金屬材料部分
不銹鋼又分為板材類與液體金屬類，板材類通常成型工藝以沖壓、拉伸、折彎為主，板材厚度從0.05到8.0mm都有，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇。
而液體金屬常用工藝采用的是MIM粉末冶金的方式，一般最薄的地方可以做到0.3mm。
那么除了以上2種加工工藝，還有兩種成型方式，分別叫熱成型與冷軋，都是用板材為基材成型的，像表殼，表鏈通常用此2種工藝制作，然后后期采用CNC加工細(xì)節(jié)處理，達(dá)到最終外形效果。
02，鋁：
一樣也是非常普及的常用的金屬材料，手機(jī)，家電，音響，手板等都有用到，覆蓋面非常廣，由于鋁的材料特性，可塑性也高，價(jià)格適中，所以備受設(shè)計(jì)師喜愛。
鋁材又分為板材類與鋁型材類與鋁合金壓鑄類，板材類與不銹鋼一樣，通常成型工藝以沖壓、拉伸、折彎為主，板材厚度從0.05到8.0mm都有，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇。
鋁合金型材則以擠壓成型為主，通過加熱鋁棒經(jīng)過模具擠壓成型，鋁型材最薄擠壓厚度可以做到0.2mm，當(dāng)然越薄，工藝制作越難，產(chǎn)品強(qiáng)度也就越弱。
而鋁合金壓鑄成型方式與塑膠模具成型方式類似，都是通過模具成型，當(dāng)然壓鑄模具是通過澆注成型，不同塑膠是注塑成型，但是成品可塑性方式與塑膠還是有很多共同點(diǎn)的，鋁合金最薄壁厚可以做到0.5mm，當(dāng)然0.4mm也可以做，當(dāng)然越薄，工藝制作越難，產(chǎn)品強(qiáng)度也就越弱。設(shè)計(jì)的時(shí)候盡量避開極限設(shè)計(jì)尺寸。
03，鎳
鎳以鎳片電鑄為主，最常用在產(chǎn)品的LOGO銘牌上，或者手機(jī)上的喇叭網(wǎng)，聽筒網(wǎng)上，設(shè)計(jì)上常用于產(chǎn)品的亮點(diǎn)點(diǎn)綴，有畫龍點(diǎn)睛同工之妙用，也是備受設(shè)計(jì)師青睞。
鎳片常以電鑄成型為主，屬于電鍍類的物理沉積，好比一片磁鐵表面慢慢吸附一層薄薄的鐵灰一樣，形成一層均勻的沉積層，然后再去鍍上一層鉻形成一層高亮亮銀的效果。
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