基于HyperXtrude的轨道交通铝型材挤压模具仿真模拟

她沥舷©7磁翎須沁y两魏磁殛7己019,Vol/37,NQ吁
DOI：10.13979/j.1007-7235.2019.06.008
基于HypeiXtrude的轨道交通铝型材挤压模具仿真模拟
白凯J曹春鹏$
(1.山东兖矿轻合金有限公司，山东邹城273515；
2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111)
摘要：以轨道车辆用某一扁宽、薄壁、空心、弧形大型铝合金型材为研究对象，根据该型材特点制定模具设计方案，采用基于ALE算法的HyperXtrude挤压模拟分析软件对模具挤压过程进行模拟，将数值模拟结果与实际挤压结果进行对比,发现数值模拟结果与生产试模结果吻合。

得出的数值模拟结果可以为大型复杂截面铝型材挤压模具结构设计和优化提供指导。

关键词:轨道交通;挤压型材;HyperXtrude;宽薄型材;模拟仿真
中图分类号:TG379 文献标识码：A文章编号：1007-7235(2019)06-0045-04
Extrusion die simulation based on HyperXtrude of
aluminum profile for rail transit
BAI Kai1, CAO Chun-peng2
(1.Shandong Yankuang Light Alloy Co.,Ltd・，Zoucheng273515,China；
2.CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd・,Qingdao266111,China)
Abstract:A large aluminum alloy profile for rail vehicle is taken as the research object, which is flat,wide,thiwalled, hollow and curved.The mold design scheme is made accord・ing to the profile characteristics and the extrusion process was simulated by HyperXtrude
trusion simulation analysis software based on ALE algorithm.By comparing the numerical simulation results with the actual extrusion results,it is found that the numerical simulation results are consistent with the production test results.The numerical simulation results can provide guidance for the structural design and optimization of large and complex aluminum extrusion dies・
Key words:rail transit;extrusion profile;HyperXtrude;wide and thin profile；simulation
大型复杂的宽薄壁空心铝型材已在轨道交通列车车厢中广泛应用，该类型材具有外接圆大、宽厚比大、平面间隙要求严格、断面形状复杂等特点，给模具设计带来较大的困难。

挤压模具设计不良容易导致挤出的型材岀现拉裂、波浪、扭拧、弯曲和焊合不良等缺陷,严重时不能成型⑴。

近年来，金属塑性成型的数值模拟技术在型材挤压加工领域得到广泛应用。

采用数值模拟技术，可以预测跟踪金属的流动行为,判断挤压过程中可能出现的缺陷；根据型材的形状和金属的流动规律，进行模具结构优化和工艺参数调整,从而提高模具设计的质量和效率。

文献[2]对空心铝型材的挤压成型过程进行了仿真模拟。

收稿日期=2018-12-09
第一作者简介：白凯(1986-),男，山东淄博人，工程师。

46
WD19,VOI47,Nob磁Wg
文献［3］以壁厚为0.8mm的薄壁铝型材为例，对挤压模具设计及挤压工艺进行仿真模拟，实现了虚拟试模。

文献［4］对空心带弧度异形型材初始模具设计进行数值模拟。

本文作者对宽展薄壁轨道交通型材模具方案进行了设计，采用基于ALE算法的Hy-perXtrude模拟分析软件，对宽展薄壁轨道交通型材的挤压过程进行了模拟分析，并将模拟结果与模具实际试模情况进行对比，验证了模拟结果的准确性和可参考性。

1模拟过程
11型材断面
该断面为轨道交通车体型材，断面宽550mm,高40mm,上下表面为弧形，型材共有8个空腔，薄筋壁厚2mm,型材截面如图1所示。

型材的弧面间隙和壁厚尺寸控制是难点。

该断面形状左右对称,对金属流动有一定的好处，均衡宽断面上每处的金属流速是模具设计时要考虑的重点问题。

图1型材截面
Fig.1Cross-section of the profile
12模具设计
1.2.i设计方案的确定
根据该断面外形尺寸和模具设计经验，采用Q900mm x320mm规格模具,制定了两种模具设计方案，见表1。

表10900mm x320mm规格模具的
设计方案
Table1Design scheme of the¢900mm x320mm die 方案一二
上模厚度/mm190200
下模厚度/mm130120
考虑到上模厚度厚会增大挤压力，下模厚度薄对于抵消模孔变形较为不利。

故确定选择方案一。

1.2.2模具分流孔、分流桥的设计
根据型材左右对称的特点，模具分流孔左右对称布置，上下不对称，在正中间直筋处布置了分流桥。

模具两侧设计了分流孔，以保证供料充足。

中部直筋位置下侧设计了分流桥，加大、加深了引流槽以保证直筋供料。

分流孔和分流桥的设计如图2所示。

图2模具上模
Fig.2Upper Die
1.2.3模具焊合室、工作带的设计
模具设计使用二层焊合室,具体形式见图3所示。

模具工作带形式见图4。

图4模具工作带(一侧)
Fig.4Die bearing(one side
)
13建立数值模拟分析模型
采用专业数值模拟分析软件HyperXtrude对型材挤压过程进行数值模拟分析，建立挤压材料流动区域的分析模型，具体由铸锭、分流孔、焊合室、工作带组成，如图5所示。

图5模具分析模型三维图
Fig.53D diagram of the die analysis model
将建立的模具模型导入模拟分析软件,进行网格划分。

划分网格时要保证工作带处最少4层网格，以便准确分析工作带处金属流动情况，型材高度至少为2倍工作带长，以便准确反映型材出口变形。

最终分析模型的三维网格数量为240万个单元，如图6所示。

图6模具分析模型网格图
Fig.6Grid diagram of the die analysis model
14仿真模拟结果分析
对生成的三维网格模型设定相关挤压工艺参数（如表2）后导入求解器进行求解运算。

经过约14h 运算后，结果显示，模型的挤压力约74.7MN,出口处各点流速见图7。

出口处型材各点温度见图8。

表2挤压模拟工艺参数
Table2Simulation parameters of the extrusion process
型材代号合金-状态挤压系数铸锭温度/七铸锭规格/mm挤压速度/（mm•s'1)模具温度/七EDSS-002156005A-T633.25000450x1000 1.5470
图7模拟挤压出口处流速图
Fig.7Diagram of outlet velocity in extrusion simulation
在挤压成形过程中，型材出口断面速度是否均匀，直接影响型材的质量。

如果型材截面上的各部分金属挤出模孔时速度不均匀，型材会产生扭拧、波浪等缺陷，甚至会损坏模具。

因此，材料流动状态对于挤压生产至关重要。

为了准确地描述型材截面上的速度均匀程度,选取金属流速均方差F册作为判断流速差异大小的依据：
n
图8模拟挤压出口温度分布
Fig.8Diagram of outlet temperature distribution
in extrusion simulation
式中:
”,一考察截面上i节点处的流动速度;。

一所有考察节点的平均速度；
“一节点数目。

越小，金属的挤出速度越均匀，型材变形越小，质量越好;反之,挤出型材变形就越大，难以满足质量要求。

通过图7可以看出，型材两侧的流速较中部快（颜色越深流速越快）。

其中型材槽口红色区域流速最快，最大值为20.6mm/s。

型材中部筋处流速最慢，最小值为3.0mm/s。

己DI 9, Vol", N oe
通过图8可以看出，型材两侧的流速快，温度也 高，最高为570紀。

型材中部温度较低，最低 为 505%： o
2模具上机试模验证
分别从突破挤压力、稳定挤压力、试模料头料 样、型材尺寸等方面对两种模具的上机试模情况进 行对比。

试模工艺参数与表2的相同。

模具试模突破挤压力约78 MN,稳定挤压力约 64 MN 0可以看出，不论是突破挤压力还是稳定挤压 力，都相对较高。

这与自制模具分流孔数目多、桥高 度较高有一定关系。

另外模具在模拟挤压时的挤压 力计算结果为74.7 MN,与实际值78 MN 比较接近， 说明模拟挤压结果较好地反映了挤压力的情况，试 模压力曲线见图9。

试模挤压料头、料样见图10和 图Ho
图9试模挤压压力曲线图Fig. 9 Curves of extrusion pressure in die trial 模具的试模料头反映出模具出口各处的金属流 速。

由图10和图11可知,模具中间部位流速慢，两 侧金属流速快，造成型材两侧挤向中间。

T 形槽部 分流速快，造成型材下表面向上翻，上下表面间隙不
良。

这与模拟挤压的运算结果是一致的。

图10试模挤压料头
Fig. 10 Profile head in die trial extrusion 图11试模挤压料样
Fig. 11 Profile sample in die trial extrusion
3 结论
1) 分流孔数目和分流桥的高度与模具上机挤压
力有直接关系，一般情况下，分流孔越多、分流桥越
厚,挤压力越大。

2) 基于ALE 算法，可以很好地描述稳态挤压阶
段金属的流动情况。

3) 数值模拟结果与实际上机生产具有较好的一 致性，表明数值模拟可以为扁宽、薄壁、空心、弧形大
型铝合金型材挤压模具结构设计提供指导。

参考文献：
[1]
纵荣荣，郝秋红，韩志军，等•轨道车辆用超宽幅薄壁铝型材挤压过程数值模拟及模具优化[J].塑性工 程学报,2015,22(4)： 39 -43.[2]
钟建华，袁志燕，刘艳霞.基于Altair HyperXtrude 的空心铝型材挤压成型仿真模拟[J ].上海有色金属， 2015,36(4): 168 -172.[3] 陈 浩，赵国群，张存生，等.薄壁空心铝型材挤压过程数值模拟及模具优化[J].机械工程学报,2010
(24) : 34 -39.
[4] 倪正顺，邹立军，黄庄泉，等.基于HyperXtrude 的空心异型铝型材挤压模具结构优化[J].热加工工艺，
2018 ,44(23) ：
144-147.。