BJ-KDSTZ13A铝型材低温中速宽展挤压工艺方案的挤压模具仿真模拟研究与分析结果

BJ-KDSTZ13A铝型材低温中速宽展挤压工艺方案的挤压模具仿真模拟分析报告潘卫国 2016年5月6日1、铝型材产品图及选定挤压设备和挤压工艺的原始提供数据型材产品编号：BJ-KDSTZ13A；壁厚：3.0mm；外形尺寸：宽度144.1mm、高度103.4mm；铝合金牌号及状态：6063-T5；型材挤压比（λ）：20.3；型材出模孔截面图如图1所示。

图1 型材出模孔截面图挤压该产品选定的挤压设备原始提供参数：挤压该产品选定的挤压工艺方案参数：2、初始模具设计模型该型材挤压模具为两件套分流组合模，几何模型由上模分流腔、下模焊合腔室、工作带成形腔、后置空刀和出口空腔组成。

模具主要设计参数如下表：如图3所示，下模三视图如图4所示，工作带三维模型如图5所示。

图2 模具几何模型初始设计3维立体图图3 上模三视图图4 下模三视图图5 模具工作带初始设计图图6 模具工作带初始设计3维立体图3、挤压坯料及模具材料的物理性能参数表１ 6063铝合金的化学成分（质量分数）%Si Mg Fe Cu Mn Cr Zn Ti Al0.65 0.65 0.35 0.15 <0.10 0.10 0.10 0.10 其余表２挤压坯料及模具材料的物理性能参数材料类型6063-T5铝合金（20℃）6063-T5铝合金（370℃）H13钢（HRC52,540℃）密度[Kg/m3] 2690 2690 7870 杨氏模量[Pa] 7.0E+10 7.0E+10 2.1E+11 泊松比0.35 0.35 0.35 导热系数[W/(m•k] 201 201 24.3 比热[J/(kg•k)]900 900 460抗拉应力σb[MPa] 185 16 1305屈服应力σ0.2[MPa] 145 14 1000剪切应力τ[MPa] 115 8 652.5-783延伸率δ[%] 12 105 13.94、建立数值模拟分析模型和边界条件采用专业数值模拟分析软件对型材挤压过程进行数值模拟分析，结合挤压工艺参数建立铝合金金属流体部分的分析模型。

根据有限元数值模拟技术要求，在数学模型中可省略螺钉孔、销钉孔等与分析无关的细小结构，使用Solidworks软件, 获得整体三维模具实体模型，然后输入到专业数值模拟分析软件即可形成由由铝合金铸棒、分流模、模具上模、模具上模组成的整体三维分析模型，如图6所示，经过此专业软件的计算求解，得到最终可视化的数值模拟分析结果。

图7 数值模拟分析模型图（下图为网格划分后效果）金属流体部分的三维分析模型由铝合金铸棒、分流腔金属、焊合腔金属、工作带金属、出口型材金属组成，如图7所示。

图8 铝合金流体数值模拟分析模型图（下图为网格划分后效果）此部分的模拟结果可以数值化表述各个金属部分径向或轴向的温度、速度、变形位移、压力、应力、应变、晶粒度、屈服应力等分析要素数值大小和分布情况。

表３挤压边界条件物理量参数设置铝合金坯料和工模具腔体内表面之间为粘塑性摩擦的摩擦因数0.3铝合金坯料和模具工作带之间为粘性摩擦Stick铝合金坯料和模具与环境传热系数为[W/(m2·K)] 10铝合金坯料与工具传热系数为[W/(m2·K)]30005、挤压工艺参数方案和仿真模拟分析结果5.1 挤压工艺参数方案基于已有挤压模具设计图及其3D模型，根据建立的数值模拟分析模型，结合如表4设定的挤压工艺参数，进行挤压稳态过程的有限元仿真模拟。

表4 挤压工艺参数设置方案物理量参数设置初始坯料温度[℃] 500初始模具温度[℃] 480初始挤压筒温度[℃] 420初始挤压垫温度[℃] 420挤压垫挤压速度[mm/s] 6.0挤压比20.3型材理论挤出速度[mm/s] 121.85.2 挤压稳态过程有限元仿真模拟模拟结果1、型材出口处内外表面和截面温度、速度数据和平均压力、总挤压力如表5所示。

2、由铸棒、分流腔、工作带、出口型材金属组成的流动金属部分的温度、压力和速度的数值模拟结果采用彩色云图方式表示。

温度分布云图如图9所示；压力分布云图如图10所示；图9 金属流动部分温度分布云图金属流动部分温度分布分析结果：·铝合金流体部分最高温度为547.0℃，最低温度为453.4℃。

低温区域分布于铸棒进口端，高温区域分布于焊合腔工作带和出模口处型材成形部分，在型材成形部分达到最大值。

·铸棒部分的温度分布自铸棒进口端至上模分流孔入口处沿挤压方向呈现梯度降低形态，在上模分流孔入口处急剧增加至495.0℃，且芯部区域温度高于外周边缘区域温度。

·上模分流腔和焊合腔内部的温度分布自分流腔入口至焊合腔的工作带出口呈现沿挤压方向呈现梯度增加形态，且各分流孔芯部区域温度高于外周边缘区域温度。

在焊合腔工作带出口达到最大值547.09℃，且高温区域逐步向焊合腔底部和焊合腔工作带出口收缩，并集中于焊合腔工作带出口。

·出模口处型材成形部分的温度范围为536.6～547.0℃，型材整体的内外表面温度差异率为0.72-3.76%，分布呈现均匀但有轻微差别的形态。

型材断面的角部结构温度高于直边结构温度。

图10 金属流动部分压力分布云图金属流动部分压力分布分析结果：·铝合金流体部分最高压力为465.8MPa，最低压力为0.0MPa。

高压力区域分布于铸棒进口端，低压力区域分布于焊合腔工作带和出模口处型材成形部分，在型材成形部分减弱至最小值。

·铸棒部分的压力分布自铸棒进口端至上模分流孔入口处沿挤压方向呈现梯度均与递减形态，在上模分流孔入口处递减至258.8MPa。

·上模分流腔和焊合腔内部的压力分布自分流腔入口至焊合腔的工作带出口呈现沿挤压方向梯度递减形态，在焊合腔工作带出口递减至0.0MPa，且低压力区域逐步向焊合腔底部和焊合腔工作带出口收缩，并集中于焊合腔工作带出口。

·出模口处型材成形部分的压力分布呈现在0.0MPa均匀形态。

型材断面的整体结构压力值均为0.0MPa。

·铝合金金属流动所需的总挤压力为 1545.38 吨，挤压垫处平均挤压压力为 446.73MPa, 低于 2000 吨挤压机提供的挤压力，符合设计及生产要求。

3、型材部分的变形位移、速度、温度大小的数值模拟结果采用彩色云图+观察点数值方式表示。

变形位移变化云图，如图11所示；速度变化分布云图，如图12所示；温度变化分布云图，如图13所示；3.1 型材部分的变形位移数值模拟分析图11 型材部分变形位移变化分布云图分析结果：·铝合金流经工作带出口后成形的型材整体变形位移呈现局部不均匀形态，见上图中蓝色至红色部分区域。

此局部区域最大变形位移量为40.6mm，见上图中红色部分区域；最小变形位移量为0.0mm，见上图中蓝色部分区域。

·图中红色部分区域的变形位移量最大达到36.06-40.56mm，高于型材截面的其他部位，且远高于图中蓝色部分区域部位。

·型材成型时局部区域（图中蓝色和红色区域）产生较大畸变，此局部区域的红色部分结构因变形位移量大，金属流动时会受到此局部区域蓝色部分区域部位结构变形位移量小的牵引影响，从而引起型材整体无法正确成形。

3.2 型材部分的表面速度数值模拟分析图12 型材部分表面速度变化分布云图分析结果：·铝合金金属流经工作带出口后成形的型材整体表面速度呈现局部不均匀形态，见上图中蓝色至红色部分。

此局部区域最大表面速度为165.3mm/s，见上图中红色部分区域；最小表面速度为55.3mm/s，见上图中蓝色部分区域。

·图中红色部分区域的表面最大速度达到153.1-165.3mm/s，高于型材理论挤出速度121.8mm/s，也高于型材截面的其他部位，且远高于图中蓝色部分区域部位。

·型材成型时局部区域（图中绿色和红色区域）产生较大畸变，此局部区域的红色部分结构因表面速度大，金属流动时会受到此局部区域蓝色部分区域部位结构表面速度小的牵引影响，从而引起型材整体无法正确成形。

3.3 型材部分的表面温度数值模拟分析图13 型材部分表面温度变化分布云图分析结果：·铝合金流经工作带出口后成形的型材整体部分的表面温度呈现均匀但有细微差别的形态，最大表面温度为546.2℃，见上图紫色数值对应红色区域的点；最小表面温度为526.1℃，见上图紫色数值对应蓝色的点。

高温区域温度范围为：541.7-546.2℃，见图中橙色至红色区域；低温区域温度范围为：526.1-530.5℃，见图中蓝色至浅蓝色区域；·型材整体的内表面温度差异率为0.72～3.50%、外表面温度差异率为3.76%，型材整体表面温度差异率小于5%的技术要求，温度分布比较均匀。

·金属在流出模具工作带后的成形温度分布均匀，差异率低，基本符合6063合金淬火工艺要求的500～595℃温度范围，通过风冷淬火工艺可以保证型材各部位的机械、物理性能均匀一致。

4、模具的上模部分变形位移、温度、应力、承受压力的数值模拟结果采用彩色云图+观察点数值方式表示。

Z向（挤压方向）变形位移变化云图，如图14所示；X向（垂直挤压方向）变形位移变化云图，如图15所示；Y向（垂直挤压方向）变形位移变化云图，如图16所示；温度变化分布云图，如图17所示；应力变化分布云图，如图18所示；承受压力变化分布云图，如图19所示。

4.1 模具的上模部分Z向（挤压方向）变形位移数值模拟分析图14 上模部分Z向（挤压方向）变形位移变化云图上模部分Z向（挤压方向）变形位移变化分析结果：·模具的上模在挤压力和铝合金金属流动的作用下产生了Z向（挤压方向）变形位移。

变形位移分布呈现由模具的中心区域向四周边缘梯度递减，同时沿Z向（挤压方向）逐渐降低的分布形态。

·在上模分流孔进口部位，Z向（挤压方向）变形位移最大值为0.645mm，位于上图绿色数值对应红色区域的点。

分流孔进口部位红色区域的大变形位移量为0.573-0.645mm；·在上模分流孔出口部位的模芯Z向（挤压方向）变形位移最大值为0.603mm。

模芯Z向（挤压方向）大变形位移量为0.429-0.645mm，见下图黄色至红色区域部分。

·上模Z向（挤压方向）的变形位移量验证了在分流孔出料端面模芯应设计预留变形量的设计理论。

此变形位移量接近于模具原始设计方案中的分流孔出料端面预留变形量0.5mm，表明设计的模芯预留变形量满足实际挤压生产要求，同时也表明分流模的刚度设计合格。

4.2 模具的上模部分X向（垂直挤压方向）变形位移数值模拟分析图15 上模部分X向（垂直挤压方向）变形位移变化云图分析结果：·模具的上模在挤压力和铝合金金属流动的作用下产生了X向（垂直挤压方向）变形位移。