1模具設計方案

當模具使用一段時間后，生產出來的型材出現了壁厚超差的問題，于是對模具的尺寸進行了測量。為采用三坐標測量儀對下模的測量圖。先對下模焊合室平面采3點取1平面，然后對懸臂根部測量其坐標，與獲取的平面間得到一個距離，測得懸臂相對下模焊合室平面向下偏移0.2352mm。此外，生產中還出現臂厚偏差問題。由于間距太小，超出三坐標測量儀的測量范圍，難以準確測量模具臂厚方向的位移偏差。本文擬采用數值模擬的方法對擠壓過程中的金屬流動和模具受力進行更深一步的理論分析。

2擠壓工藝數值模擬

2.1有限元模型的建立

采用HyperMesh對三維模型進行網格劃分，然后用HyperXtrude擠壓專用模塊對模型加工藝參數。材料采用AA6063鋁合金，模具材料為H13鋼，將模具看作彈塑性體。圖4為有限元模型，采用庫侖摩擦，摩擦系數取0.3。坯料預熱溫度480℃，模具預熱溫度450℃，擠壓筒預熱至430℃，擠壓速度為5mm/s。

2.2模擬結果分析

(1)型材流速分析

擠壓速度是影響型材制品質量和經濟效益的重要因素之一。金屬在擠壓筒內鐓粗，再流經分流孔到焊合室，最后通過模孔工作帶流出成形。從圖5可以看出，除邊角部位流速稍慢，其它部位的流動速度都大概相同，型材是可以正常流出模孔的。這是因為假分流模在上模開設的四個分流孔，能起到對金屬進行預分配的作用，從而有效地控制流速，使金屬流動不會直接撞擊懸臂，大大改善了模具的受力情況，也使型材出口流速大部分相同。

(2)模具應力分析

在正常擠壓時，由于擠壓力的作用，上模分流橋連接處產生一定的彈性變形，使得上模型芯的假模芯正好與下模焊合室底面相吻合，從而有效地起到了支撐作用，并且引導金屬流出模孔，使擠壓出的型材成為實心型材。另外，在此類分流模的設計中，在設計條件允許的情況下，應盡量使下模型孔兩側的帶有懸臂的部分遮蓋在分流橋下，最大限度改善懸臂處的受力情況。模擬結果如圖6所示，懸臂根部局部地方出現應力集中，最大應力值超過了1000MPa。如果模具長期在這種狀態下工作，必然會造成下模懸臂處的下塌。

(3)壁厚的測量

為采用數值模擬獲得的下模懸臂處z方向的位移分布圖。紅色部位局部最大值為0.4064mm，實際測量的數值為0.2352mm。雖然兩者有一定的偏差，但是通過模擬，可以判斷和預測出型材哪些部位會出現大位移，進而指導模具的修改。下模懸臂處的x方向位移分布圖，通過它可以進一步分析型材的壁厚。生產中懸臂的受力狀態決定了凹模模孔的變形方式和變形大小。為了進一步分析型材的壁厚，按照圖8所示位置進行取點，取點位置為模擬結果的x方向的位移，分別獲得它們沿壁厚方向的位移量，并通過對應點之間的差值測出偏差值。位移絕對值差(S1+S2)的平均值為0.0917mm。由于下模在擠壓過程中發生彈性變形造成的懸臂偏移，從而使兩個懸臂靠近了0.0917mm，擠壓出來的型材壁厚將會小于設計值。用過一段時間后，導致擠壓出來的型材達不到標準。擠壓過程中，下模A部位受到來自鋁合金流動應力和上模下塌構成的支承力作用；而B部位則受到鋁合金材料流動形成的力。綜合作用使得高溫下模具極易發生彈性變形而造成型材壁厚偏差。

(4)模具修改方案

由于下模下塌造成的壁厚偏差，可補做一個下模實現，然而如何實現對懸臂處進行加強才是問題關鍵。可以將模具加厚，即增強下模懸臂處的強度；同時在強度允許條件下，適當減少上模厚度，這樣金屬在分流孔流經焊合室過程中時間縮短，可以適當減小來自金屬的流動應力；此外，針對型材邊緣流動區域流速小的問題，可適當減小型材兩邊工作帶長度，使金屬流動更加均勻。

3結論

本文采用數值模擬軟件對擠壓過程進行了穩態仿真，分析了模具懸臂下塌的原因；針對懸臂下塌及型材制品壁厚偏差提出了修模意見，使得模具壽命、制品精度都有了很大提高。

作者：鄺衛華 陳彪彪 單位：廣州番禺職業技術學院機械與電子系 廣東工業大學材料與能源學院