分流组合模在挤压多孔薄壁铝型材过程中的应力分析.pdf

第５卷第３期２０１１年９月材料研究与应用ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＶ０１．５．Ｎｏ．３Ｓｅｐｔ．２０ｉ１文章编号：１６７３－９９８１（２０１１）０３－０１９８－０５分流组合模在挤压多孑Ｌ薄壁铝型材过程中的应力分析＊程磊，谢水生，黄国杰，和优锋，付矗北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室．北京１０００８８摘要：采用弹性有限元模拟的方法．建立了分流组合模在挤压空心铝型材过程中的应力计算模型・以典型的多孔薄壁口琴管型材为研究对象，对分流组合模具在挤压型材过程中的应力及弹性变形进行了分析．结果表明：分流组合模上模的应力分布极其不均．模芯根部有明显的应力集中．易产生裂纹・使模具过早失效；模芯和模孔部位的弹性变形会使挤出的型材制品尺寸产生偏差．在设计分流组合模具时应考虑尺寸补偿．关键词：空心铝型材｝分流模；模具应力；数值模拟中图分类号：ＴＧ３７６文献标识码：Ａ铝合金空心型材以其重量轻、强度高、加工性能好、耐腐蚀等良好特性，在航空航天、铁道车辆、汽车和建筑装饰材料等领域中得到了非常广泛的应用¨ｊ．目前，９０％以上的铝合金空心型材都采用分流组合模进行挤压生产，其原理是在普通的挤压机上采用实心铸锭，铝液先经分流组合模具的分流孔分流后再流入高温、高压的焊合室重新焊合后流出模孔，挤出符合要求的各种复杂截面的空心型材【２］．挤压空心铝型材时，由于受到挤压筒壁、模具端面、分流孔、焊合腔、死区以及工作带的强烈摩擦作用，金属流动的不均匀现象十分严重，使得模具的受力状况变得十分复杂．分流组合模具是空心型材挤压过℃程中承受高温（温度可达到６００）、高压（单位压力超过１００ｋｇ／ｍｍ２）、高摩擦（剪切摩擦因子接近１）作用最严重的工具，从而引起工模具的磨损、塑性变形、疲劳破坏和开裂等失效或损坏，模具的使用寿命很低ｂｊ．尤其是在挤压多孔薄壁的空心型材时由于分流组合模的模芯和模孔受力不均，会发生弹性变形，使挤出的型材尺寸发生偏差Ｈ］．为保证产品质量，提高模具的使用寿命，必须详细研究模具的应力及弹性变形情况，以便合理地设计模具．但由于分流模的结构复杂，在挤压过程中，金属的流动方向多变、变形剧烈，难以采用理论分析和实验的方法进行研究［引．针对这一情况，本文选取某一典型的薄壁复杂截面口琴管为研究对象，在商业模拟软件Ｄｅｆｏｒｍ－３Ｄ平台上，对分流模在挤压过程中的应力和弹性变形进行分析。所得结果为分流模具结构的优化设计提供了理论参考．１分流组合模具的设计口琴管因其端面形状类似口琴而得名，是汽车冷凝系统和工业热交换器上的重要零部件，在实际使用中，口琴管内充有冷却介质，用作热交换器的流体导管【６］．为提高其导热率。口琴管通常被设计成４～２５孔，壁厚０．４～１．０ｍｍ，高度约５ｍｍ，这使其生产难度极大．本文所研究的口琴管为５孔，壁厚１ｍｍ，其横截面尺寸如图１所示．口琴管的材料选用１０５０铝合金，模具材料选用Ｈ一１３热模工具钢．图２为挤压此型材所需的分流组合模具结构示意图，为了增加口琴管内壁金属的供给量：在分流模的模芯部位增设了引流孔．收稿日期：２０１ｌ一１１一０４“””－基金项目：９７３项目（２０１０ＣＢ７３５８１１）。。十一五国家科技支撵计划（２００７ＢＡＥ３８８０４）’作者简介：程磊（１９８１一），男．河南新蔡人。工程师，博士．万方数据第５卷第３期程磊．等：分流组合模在挤压多孔薄壁铝型材过程中的应力分析１９９图Ｉ口琴管横截面尺寸图Ｆｉｇ．１—Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｄｒａｗｉｎｇｏｆ—ｈａｒｍｏｎｉｃａｓｈａｐｅｄｔｕｂｅＡ一图２分流组合模具的结构示意图Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｓｏｆｐｏｒｔｈｏｌｅｄｉｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２模具应力分析模型的建立分流模的挤压过程属于金属塑性大变形过程，且变形过程剧烈，在数值模拟过程中如果只考虑工件的塑性变形，而忽略工件和模具的弹性变形，则无法直接进行模具的应力分析．因此，当分流模的挤压成形过程的数值模拟完成后，需分别提取分流阶段和稳态成形阶段的工件载荷施加到模具上，进行分流组合模具的应力分析．为简化边界条件，将挤压筒和分流模的上、下模作为一个整体进行分析．图３为模具应力分析过程中所施加的边界约束条件．为了与实际的挤压成形过程相符，在进行模具应力分析时，把模具设定为弹性材料，进行热力耦合弹性有限元计算，并且施加如下约束：（１）对下模底面Ｚ向的位移施加约束，挤压简外表面的ｚ，ｙ，２方向的位移都施加约束；（２）依据模具的对称性，选取模具的Ｉ／４进行受力分析，并且设定分流组合模具的两个对称面；（３）模具所受的载荷边界条件从挤压成形分析的后处理结果中提取，通过力的形式插入到模具的节点中．万方数据２００材料研究与应用位图３舒ｒ在恒鹰力分析ｑ，的趔并约束条¨Ｆｉｇ３Ｅｄｇｅ－ｒｅｓｔｒａｉｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎｐｏｒｔｈｏｌｅｄｉｅｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓ３模具应力分析结果图４分别为分流阶段和焊合成形阶段分流组合模具的等效应力分布图．由图４可知，在分流阶段模具的等效应力较小，并且主要集中在上模的模桥部位；在成形阶段，模具体内的等效应力增加较大且分布不均匀，最大应力出现在模芯根部，模芯根部和引流孔内的应力集中很明显，此处等效应力达到最大值７２５ＭＰａ，远远高于模具的其它部位，在此部位容易产生裂纹，这与实际情况完全吻合，说明应力集中是模具产生桥裂的主要原因之一．““““”’纛矿。漏”’嗣嗣匪固５分流阶段分流组合模的弹性变形（ａ）ｚ轴方向；（ｂ）ｙ轴方向；（ｃ）：轴方向Ｆｆｇ５Ｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｏｆｐｏｒｔｈｏｌｅｄｉｅｉｎｄｉｖｉｄｉｎｇｓｔａｇｅ（ａ）ｚａｘｉｓｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；（ｂ），ａｘｉｓｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；（ｃ）２ａｘｉｓｄｉｒｅｃｔｉｏｎ万方数据第５卷第３期程磊，等：分流组合模在挤压多孔薄壁铝型材过程中的应力分析图６为成形阶段分流组合模具上模的弹性变形情况．从图６中可以看出，在成形阶段。模桥的弹性变形进一步增加，这时模桥的中心部位向下压塌了“）ｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ・ｍｍ０１２１１１０。０２３４－一０．００１０５Ｉ．０００１０５ｍｌｎ０１２ｌｍａｘ约０．１２ｍｍ，挤压时，多个模芯之间由于受力不均发生了横向变形，使模孔尺寸发生了变化．■■■■■●ｒ：。＿ｊ围６成形阶段上模的弹性变形（ａ）＝轴方向；（ｂ）ｚ轴方向Ｆｉｇ６Ｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒｄｉｅｉｎｆｏｒｍｉｎｇｓｔａｇｅ（ａ）２ａｘｉｓ‘ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｂ）ｚａｘｉｓｄｉｒｅｃｔｉｏｎ由模拟结果可以确定每个模芯的偏移量和偏移方向（图７）．由图７可见，在Ｂ处和Ｃ处模芯都发生了向外扩展变形，口琴管挤出成形后在这两处内腔的壁厚均大于ｌｍｌＴｌ，Ｂ处的偏差量比Ｃ处的小；由于Ａ处模芯向模孔的端部扩展，导致此处圆弧型材的壁厚小于ｌｍｒｆｔ．掉台以＞以＞１ｍｍ＞以－ｚｆｍｍｌ。翔中在工作带处，而且工作带处的变形主要发生在挤压方向ｚ向，下模工作带沿挤压方向移动了０．０８ｍｍ，这会使得工作带的有效长度变小，为此需要进行补偿，以确保出口铝液的流速均匀．＝ｌ图８成形阶段下模的弹性变形Ｆｉｇ８Ｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｄｉｅｉｎｆｏｒｍｉｎｇｓｔａｇｅ圈７成形阶段模芯的位移４结论Ｆｉｇ７Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍａｎｄｒｅｌｉｎｆｏｒｍｉｎｇｓｔａｇｅ基于数值模拟方法，建立了分流组合模具的应图８是在成形阶段分流组合模具下模的弹性变力分析模型，通过对分流组合模在挤压口琴管的过形情况．从图８中可以看出，下模的弹性变形主要集程中的应力及弹性变形的计算，得出以下结论：惦咒…毗■■●ｍｍ㈣薹墓㈣加加ＯＯ■■ｌｍｍ观∞∞㈣川∞∽㈣万方数据２０２材料研究与应用２０ｌ１（１）在空心型材的挤压过程中，分流模具的应力参考文献：主要集中在模桥部分，最大等效应力出现在模芯根［１３谢水生・黄国杰．铝加工生产技术５００问［Ｍ］・北京：化部，应力集中很明显，在此部位最容易产生裂纹；学工业出版社・２００６．（２）分流模具的弹性变形主要集中在模桥部位，［２３谢水生・刘静安・王涛・铝加工技术实用手册［Ｍ］・北且主要是沿挤压方向产生变形，越靠近挤压筒的中京：化学工业出版社・２００Ｅ一一心部位模桥的变形量越大；．［３］刘静安・铝型材篓苎警具设计、制造、使用及维修［Ｍ］，．竺氅磁心型材需要多个觚在挤压时［４］裴主未翥裂慕器失效工程州Ｊ］．轻金这些模芯不仅产生纵向变形，而且由于每个模芯横‘—属．２００３．４０（４）：５２５４．向受力不均匀，还会产生不同的横向变形，使挤出型Ｉｓ］ＬＥＥＪＭ．ＫＩＭＹＭ。ＫＡＮＧｃＧ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃｈａｍｂｅｒ材的内孔尺寸出现偏差；ｓｈａｐｃｓｏｆｐｏｒｔｈｏｌｅｄｉｅｏｎｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｅｘｔｒｕ．（４）分流模的模孔在挤压方向上易发生较大的ｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｃｏｎｄｅｎｓｅｒｔｕｂｅ‘ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ弹性变形，使得工作带的有效长度变小，为此需要进ａｎｄ‘Ｄｅｓｉｇｎ．２００５。２６（４）：３２７３３６．行补偿，以确保铝液在模具出口处的流速均匀．［６］郑祥健．汽车换热器用铝合金口琴管挤压横具［Ｊ］・轻合—金加工技术．２００４。３２（５）：２４２７．Ｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｐｏｒｔｈｏｌｅｄｉｅｆｏｒ—ｍｕｌｔｉｈｏｌｅｄａｎｄｔｈｉｎ。ｗａｌｌｅｄａｌｕｍｉｎｕｍｐｒｏｆｉｌｅｓｅｘｔｒｕｓｉｏｎＣＨＥＮＧＬｅｉ．ＸＩＥＳｈｕｉｓｈｅｎｇ。ＨＵＡＮＧＧｕｏｊｉｅ．ＨＥＹｏｕｆｅｎｇ．ＦＵＹａｏＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＮｏｎｆｅｇｒＯｇＳＭｅｔａｌｓａｎｄＰｒｏｃｅｓｓｅｓ。ＢｅｉｊｉｎｇＧｅｎｅｒａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓ．Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８８。ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｏｒｔｈｏｌｅｄｉｅｆｏｒｅｘｔｒｕｄｉｎｇａｎａｌｕｍｉｎｕｍｈａｒｍｏｎｉｃａ－ｓｈａｐｅｄｔｕｂｅｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｓｔｒｅｓｓ—ａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｐｏｒｔｈｏｌｅｄｉｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｓｔｒｅｓｓａｎｄ—ｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｉｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｏｒｔｈｏｌｅｄｉｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｏｒｔｈｏｌｅｄｉｅｉＳｖｅｒｙｕｎｅｖｅｎ．ＴｈｅｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉＳｒａｔｈｅｒ—ｓｅｖｅｒｅｉｎｂｒｉｄｇｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｏｒｔｈｏｌｅｄｉｅ，ｗｈｅｒｅｉｔｉｓｖｅｒｙｅａｓｙｔＯｃｒａｃｋｉｎｇ，ｌｅａｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｅｅａｒｌｙ—ｆａｉｌｕｒｅ．ＴｈｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｏｆｅｘｔｒｕｄｅｄｐｒｏｆｉｌｅｗｉｌＩｃｈａｎｇｅｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆ—ｍａｎｄｒｅｌ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｉｎｔｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｐｏｒｔｈｏｌｅｄｉｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｏｌｌｏｗａｌｕｍｉｎｕｍｐｒｏｆｉｌｅｓ；ｐｏｒｔｈｏｌｅｄｉｅ；ｄｉｅｓｔｒｅｓｓ；ｎｕｍｅｒｉｃａＩｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ万方数据