大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压模具设计关键技术

大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压
模具设计关键技术
莫建虎1 李落星1 李光耀2 钟志华2
1. 湖南大学材料科学与工程学院长沙 410082
2. 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙 410082
摘要：模具设计是大型整体壁板和空心薄壁铝型材制造的关键技术，传统的模具设计主要依靠人的经验和反复试模与修模来完成。

计算机技术和塑性加工技术的发展，促进了挤压模具CAE技术的发展。

本文总结了大型整体壁板和空心薄壁
铝型材的模具设计方法，以及各种CAE技术在模具设计中的应用，最后提出了
关于此类研究的发展瓶颈和发展方向。

关键词：大型整体壁板空心薄壁铝型材模具设计 CAE技术
中图分类号：TG376
0 前言
随着科学技术的进步和现代化经济的高速发展，铝合金型材正向着大型化和整体化、薄壁扁宽化、尺寸高精度化、形状复杂化、外形轮廓美观化的方向发展。

车辆轻量化,特别是高速双层客车和地铁列车的轻量化是铁道运输现代化的中心议题,而大量采用铝合金材料是提高车辆轻量化的最有效的途径，其主要的方法就是采用大型整体壁板和空心薄壁铝合金型材。

为了适应这种市场需求趋势，各国都在加速建设重型挤压机或大型型材挤压生产线。

大型的整体结构部件，过去用数块小型材组装拼接而成，或用轧制板材弯曲加工而成，而用大型整体壁板铝型材代替之后，可以节约模具设计、制造费用，提高挤压生产效率；使机械部件的结构变得更加合理，改善结构的工艺性；密封性好，可获得完善的部件表面。

大型材多采用正挤压生产,需要大型的挤压机,大型的工模具(挤压筒、挤压模等)以及大型的生产设备。

其技术特点是:采用挤压性能好、强度适中、耐腐蚀性能和焊接性优良的铝合金，采用大型卧式油压机，采用高比压的圆挤压筒和扁形挤压筒，以及开发适合于大型断面的挤压生产工艺和模具技术。

大型铝合金型材断面形状复杂，长度可达30m，是多功能的集合体。

挤压成形过程非常复杂，大型整体壁板和空心薄壁铝型材的挤压都属于三维流动大变形问题。

型材断面越复杂，变形的不均匀性越显著，如果模具设计不合理，截面上各部分的金属流动不均匀，造成在挤出模孔时就越容易以不同的速度流出，从而使型材产生扭拧、波浪、弯曲以及裂纹等缺陷而报废，模具也极容易损坏。

另外在以往的设计中靠经验居多，然后进行重复的修模试模，多者超过5-7次，造成模具成本高到不可接受。

1 大型整体壁板和空心薄壁铝型材的模具设计
1.1 大型整体壁板的挤压特点及挤压方法
铝合金挤压型材的“大型”或“小型”，主要是以其外形尺寸或断面积界定。

一般来说，大型型材应满足以下条件[1]：
①型材的宽度或外接圆直径大于250mm；
②型材断面积大于20cm2；
③型材交货长度大于lOm。

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壁板是车辆的一种结构单元，具有材料分配合理、自重轻、结构效率高、表面光滑、气动外形和密封性能好等优点。

大型整体壁板是一种断面宽度很宽，厚度很薄（即断面宽厚比很大），带有纵向筋条等的特殊型材，用来作为新型的整体结构材料。

根据断面形状和生产难易程度不同，大型整体壁板可以分为三类：
①对称型壁板，即壁板的筋条相对于垂直于板面的轴线呈对称分布，如图1所示。

②不对称型壁板,即壁板两侧的筋条的数目、尺寸不相等，甚至筋条集中于一侧，另外一侧完全没有筋条，如图2 所示。

③完全不对称型壁板，即沿壁板宽度方向上底板有明显的截面形状与尺寸变化，如图3 所示。

图
1 对称型壁板
图2 不对称型壁板
图3 完全不对称型壁板
因为大型整体壁板型材的宽厚比大，一般在50～100以上[2]，形状复杂，单位横截面上的表面积又很大，所以可挤压性比较低。

尤其是宽厚比大于100mm，宽度大于800mm，壁厚小于3mm，长度大于10m的壁板，挤压时必须采用一些特殊的工艺措施和特殊结构的模具，才能生产出合格的产品。

大型整体壁板型材挤压成产的方法很多，根据产品的种类、规格、合金牌号等不同，可分别采用圆挤压筒挤压法、扁挤压筒挤压法、宽展模挤压法等。

1）圆挤压筒挤压法：用实心圆坯挤压扁平型材的壁板是最简单的方法。

主要缺点是限制了挤压壁板的宽度。

计算结果表明，在80MN挤压机上可以用硬铝合金（2024、7075、5A06等）的实心圆坯生产宽度不超过460mm的壁板，用软合金（6061、6005、6063）实心圆坯生产宽度不超过650mm的壁板[3]。

2）扁挤压筒挤压法：采用扁挤压筒挤压，是扁平壁板型材的先进生产方法之一，图4为扁挤压筒挤压壁板的示意图。

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图4 扁挤压筒挤压法
用扁挤压筒挤压壁板的最大允许宽度取决于挤压机的结构特征，而不是挤压力的限制。

用扁挤压筒挤压可获得宽度范围内腹板厚度不同而截面不对称的壁板，而且加强筋的高度和形状不受限制。

用扁挤压筒挤压大型整体壁板的主要优点是[3]：
a 可以获得具有不同形状横截面的壁板和型材，其中包括对称性很差的壁板和沿其宽度方向的腹板和加强筋的厚度有急剧变化的壁板；
b 可以在主柱塞行程受研制的简单型棒挤压机上进行挤压；
c 由于挤压是在无润滑的条件下进行的，壁板表面质量高；
d 精整处理相当简单，可以采用挤压车间的普通设备进行精整；
用扁挤压筒挤压大型整体壁板的主要缺点：
a 壁板宽度仍受到限制，一般不超过挤压筒外径的30～40％；
b 制品的流出速度低，生产效率低；
c 挤压筒的寿命相当低。

3）宽展模挤压法：
宽展模挤压是一种新型的挤压方法。

该方法的实质是在圆挤压筒工作端前加设一个宽展模，使圆坯进行展宽成近似于型材截面的预变形，厚度变薄，宽度逐渐增加到大于圆挤压筒直径，起到扁挤压筒作用的一种挤压方法。

如图5所示为宽展模挤压原理图。

1－压型嘴 2－后环 3－中环 4－前环 5－型材模 6－宽展模 7－挤压筒 8－坯料 9－挤压垫 10－挤压轴
图5 宽展模挤压原理图
采用宽展模挤压法可以生产宽度比圆挤压筒直径Dt大10～30％的壁板型材，宽展率[(B2 -B1)/ B1×100%]以15～30％为宜，宽展角一般取15°～45°,常用20～30o，出口宽度一般取比型材的成形模最宽处大20mm 左右。

但宽展模挤压的缺
点是，总挤压力比一般挤压时增高25～30％，因此生产挤压比大、长度尺寸大的硬铝合金扁平壁板时比较困难[4]。

1.2 大型整体壁板挤压模具的设计
根据大型整体壁板的种类、规格、被挤压的合金以及挤压方法的不同，应选择不同的模具结构。

常用的有扁模结构系统、圆模结构系统、宽展模结构系统、分流组合模结构系统以801
及带筋管挤压工具结构系统等。

一般采用分流组合模、宽展模和导流模等。

1.3 空心薄壁铝型材的挤压特点及挤压方法
型材的宽厚比(即型材的宽度W与壁厚t之比W／t)是表征型材扁宽化和薄壁化的重要指标，也是反映型材加工难易程度的主要指标。

当W／t≦130时，在现代挤压技术条件下，能较顺利地生产出合格地产品；若当W／t﹥130时，则可能由于成型困难，断面尺寸各形状精
度难于保证等原因，使产品质量大为降低，生产率和成品率急剧下降，生产成本大为提高[3]。

空心薄壁铝型材根据型材的断面形状可以分为三大类，即实心型材、半空心型材和空心型材，如图6所示。

利用空心型材代替实心型材能够带来明显的经济效益，同实心型材相比，空心型材显著地降低了金属消耗，提高了结构材料的性能指标，减少了机械加工的劳动量。

图6 型材按截面分类图
空心薄壁铝型材的挤压方法可以采用大型整体壁板的方法，即采用圆挤压筒挤压法、扁挤压筒挤压法、宽展模挤压法等。

另外，还有穿孔挤压法。

1.4 空心薄壁铝型材挤压模具的设计
1.4.1平面分流组合模的特点和优点
空心薄壁铝型材一般采用分流组合模、宽展模、穿孔挤压模，另外还有大悬臂半空心型材模、阶段变断面型材模等。

由于分流组合模具是最常用的，在这里对此类模具的设计作一介绍。

平面分流组合模(简称分流模)结构特征如图7，是在桥式舌形模基础上发展起来的，实质上是一种改进，即把凸桥改为平面桥，近年来得到了迅速的发展，并广
泛应用于不带穿孔系统的挤压机上生产各种规格和形状的管材和空心型材，特别是民用建筑空心型材。

1-模外套， 2－分流桥， 3－模芯， 4－焊合室， 5－模子， 6－分流桥， 7－分流孔， 8-挤压制品
图7 平面分流模
平面分流模工作时，实心铸锭在挤压机的作用下，金属在经过分流孔时被劈成几股金属流，汇集于焊合室，在高温、高压、高真空的模腔内重新被焊合，然后通过模芯与模子之间的间隙流出，而形成符合一定尺寸要求的管材和空心型材[5]。

分流模挤压法的主要优点是： 802
1）可以挤压双孔或者多孔的内腔十分复杂的空心型材和管材，也可同时生产多根空心制品，所以生产效率高，这一点是桥式很难甚至无法实现的；
2）可以挤压悬臂梁很大、平模很难生产的半空心型材；
3）可拆模，易加工，成本较低；
4）易分离压余，操作简单，辅助时间短，可在普通的型棒挤压机上用普通的工具完成挤压周期，同时压余短，成材率高；
5）可实现连续挤压，根据需要截取任意长度的制品；
6）可改变分流孔的数目、大小和形状，使断面形状比较复杂、壁厚差较大、难以用工作带、阻碍角和促流角等调节流速的空心型材容易成型；
7）可以用带锥度的分流孔，实现较小的挤压机上挤压外形较大的空心制品，且能够保证有足够的变形量。

但分流模挤压也有一些缺点：
1）焊缝较多，可能会影响制品的组织和性能；
2）要求模子的加工精度高，特别是对于多孔空心型材，要求上下模严格对中；
3）与平面模相比（实心型材模）相比，变形阻力大，挤压力一般比平面模高30-40%，比桥式舌形模高15-20%，一般只限于生产软铝合金。

4）残料分离不干净，有时会影响产品质量，而且不便于修模。

1.4.2 平面分流组合模的主要结构要素设计
分流模的主要设计要素有分流比、分流孔的形状、大小和布置位置、分流桥、模芯、焊合室、工作带、模孔空刀的结构形状和尺寸等[6]。

1.5 国内外对大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压模具设计的研究
大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压模具由于具有复杂的结构，一般都是靠人工经验，反复修模和试模，最后设计出合理的模具。

国内外对大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压模具设计进行过一定的研究：
韩国Jung Min Lee等[7]对空心薄壁铝型材挤压进行了研究，对金属流动、焊合力、挤压力、芯模的偏转作了深入探讨。

结果表明，焊合室高度和焊合室底部斜度增加越多，由于内部巨大摩擦和内部坯料大的剪切变形挤压力变得更大；在空心模具挤压过程中，由于在分流阶段分流桥的弹性变形而造成的舌芯的偏转，舌芯工作带提前表现出扇形成形。

意大利 L. Donati[8]对空心薄壁AA6082铝合金挤压型材的模具设计、产品质量和生产效率进行了研究，并对通过具有中心焊合线的模具在不同的分流孔长度、焊合室高度、坯料温度合挤压速度下的挤压产品分别进行了力学性能的测试。

结果表明大尺寸的分流孔允许在高的挤压速度下有高的生产速度和更宽的挤压情况变化。

但它要受到分流模的分流桥的尺寸限制。

相同的效果可以通过增加焊合室的高度来获得。

，国内西南铝业刘静安等[910]对车辆铝合金大型材模具的设计与制造工艺研究，以典型的
难度较大的底板型材GDX-11为例，对大型模具的结构参数和尺寸设计进行了深入分析，并对模具材料、热处理工艺、模具制造工艺和修模等进行了讨论。

研制出了合格的GDX-11铝合金大型材。

但基于多次修模，成本及时间花费很大。

型材断面和分流模分别如图8和图9所示。

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图8 GDX-11型材断面图图9 GDX-11型材分流模设计图
，西南铝业刘静安，邓小三等[1112]对地铁车辆用6005A大型铝合金型材的研制与开发。

研
究了6005A－T6 铝合金大型材的技术要求,化学成分和挤压工艺、热处理工艺优化等问题。

制定出了合理的生产工艺,并成功地研制出供车辆使用的6005A2T6 大型特种型材。

最后得出大型6005A－T6 铝合金空心型材的主要生产工艺参数如下：优化合金成分，控制Mn和Cr的含量；铸锭均热后进行快冷处理；挤压温度530～550℃,挤压筒温度490～500℃,模具加热温度490～510℃，挤压速度1～
3m/min；制品出前梁后立即进行在线淬火,对于壁厚2.5mm以下的型材可考虑用强风冷却淬火,壁厚2.5 mm以上的型材必须用水雾淬火处理；制品经拉伸矫直,拉伸率1.0%～2.0%；制品经人工时效处理,时效制度为175℃8h；时效前型材的停放时间不超过8h。

山东丛林集团安学利等[13]对地铁特宽空心型材模具设计与挤压工艺进行了研究。

详细介绍了地铁特宽空心型材模具设计、挤压工艺, 尤其是横向平直度控制的技术关键是控制金属质点的均速流动和随机淬火温度520℃,挤压速度2～
3m/min的控制,对高速列车用特宽及大型铝合金空心型材的批量生产具有指导意义和典型产品的代表意义。

东南大学刘伟[14]对最宽处达136mm，壁厚2mm的6063铝合金空心薄壁型材进行了研究。

通过三维造型软件Pro/Engineer创建了多腔壁板铝型材平面分流组合模型，利用刚塑性模拟软件对型材挤压过程进行了模拟，得出了工作带长度与金属流速的关系以及局部挤压比、模孔位置、模孔的挤压带面积和工作带长度之间的关系，从而实现了对模具参数的优化。

如图10～图12。

(a) 三维模型图 (b) 型材截面图图10 多腔壁板型材图
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图11 实际挤压模上模分流孔宽展图图12 实际挤压模上模分流孔入口
珠江钢管集团黄克坚等[15]利用有限体积数值模拟技术到宽展挤压模具设计中，在MSC－ Superforge 商业应用软件平台上, 对某公司宽厚比为80的铝型材产品FD－AWDD－7的挤压变形进行了过程模拟。

通过工业试验证明, 金属流出速度的模拟结果与实际情况比较相符, 利用这种技术指导一般的非空心型材挤压模具设计在生产上是可行的（图13和图
14）。

图13 FD－AWDD－7型材产品截面图图14 FD－AWDD－7 型材制品
，上海交通大学陈泽中等[1617]对大宽厚比薄壁异型材 (壁薄≤1.2mm，最薄只有1mm)挤压
多工艺参数优化研究。

在应用型材挤压CAD／CAE技术建立型材挤压CAD 模型，并对其成形过程及其参数变化规律进行CAE仿真的基础上，采用基于正交试验、人工神经网络和遗传算法的型材挤压多工艺参数计算机辅助优化技术建立型材挤压多工艺参数与挤压质量间的关系映射模型，并预测不同参数值搭配对挤压质量的影响，进而确定多工艺参数最优解。

试验证明取得了良好的效果（图15和图16）。

图15 大宽厚比薄壁型材截面图图16 模具优化后生产的产品
南昌大学郑荣等[18]对空心薄壁铝型材导流模的设计进行了研究。

通过正交法把由经验公式和工艺要求确定的初步模具参数设计成实验样木。

基于此，以UG为平台进行模具CAD造型，然后导入有限元软件SuperForge模拟，得到SDV值作为优化变量，最后用神经网络建805
立模具参数的数学模型，遗传算法优化模具参数。

由此设计出的模具一次试模成功，为设计导流模提供了一种行之有效的方法。

西北工业大学刘汉武等[19]在VB 开发环境下开发了铝型材模具交互式参数化实时设计系统,可实现对铝型材挤压模具强度进行有限元分析的实时处理、人工神经网络技术与遗传算法相结合的结构优化及基于智能化语言Auto LISP 的参数化程序绘图。

并对一大型空心薄壁型材挤压模具的设计作为范例，系统功能强, 模块通用性好, 图形库扩展性强, 对实际铝型材挤压生产过程有重要的指导意义。

2 大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压模具CAE技术
从前面可以看出，目前我国挤压模具设计还停留在传统的依靠工程类比和设计经验的积累上，所设计的模具必须经过反复的试模和修模来调整工艺参数，造成企业经常停工待模，生产能力低；另外，造成挤压产品质量不高，降低安全性和使用寿命。

改进传统的模具设计方法已经成为发展大型整体壁板和空心薄壁铝型材的迫切需求。

而CAE（计算机辅助工程）技术的产生，给挤压模具的设计带来了革命性的改变。

铝型材挤压模CAE 技术是利用CAD 中建立的挤压产品模型、结合挤压工艺与控制参数、完成其成形过程分析和相应模具优化设计的一种数值技术[20]。

目前，国内外对大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压模具CAE技术的研究主要集中在利用有限元法（FEM）、有限体积法（FVM）、有限元与有限体积法分步进行和ALE有限元法进行数值模拟。

应用数值模拟方法对铝型材挤压的
变形、温度场、摩擦与润滑等问题进行分析，在此基础上对挤压模具进行优化设计与开发。

2.1 有限元法
有限元法采用更新的Lagrangian方法。

在更新的Lagrangian方法中计算网格固定在物体上随物体一起运动，即网格点与物质点在物体的变形过程中始终保持重合，简化了控制方程的求解过程，得到了广泛地应用。

但是在大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压过程中产生大变形，有限元网格出现严重扭曲畸变，不仅需要网格重划分，而且严重地影响结果的精度，另外所需划分的网格数量大。

因此目前很少人用这种方法研究大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压过程和模具设计优化。

上海交通大学周飞等[21]对薄壁型材挤压过程分别用有限元软件和有限体积法软件进行了研究，型材截面如图17所示。

对比模拟结果表明,FEM计算效率高,但在模拟终成形阶段时,由于频繁的网格再划分,造成模拟结果严重失真；FVM避免了网格再划分问题,模拟精度高,但计算时间长。

提出了采用FEM模拟铝型材挤压预成形,FVM模拟终成形的复合模拟方法,解决了料厚而壁薄这类铝型材挤压成形的数值模拟问题。

图17 薄壁型材的横截面
2.2 有限体积法 806
有限体积法采用Eulerian算法，在Eulerian算法中网格固定在空间中，即计算网格在物体的变形过程中保持不变，对处理大变形问题比较理想。

所以，针对大型
整体壁板和空心薄壁铝型材挤压过程和模具设计优化国内外学者进行了很多的研究。

有限体积法的缺点是在FVM 模拟中, 有限体积网格需要事先占据材料所要经过的所有空间. 对于大型整体壁板和空心薄壁铝型产品, 需要划很多的网格，而且网格划分很细, 因此采用FVM 模拟会占用大量计算机内存, 如果对成形进行一步模拟, 往往会因为内存不足导致计算无法进行下去. 如果采用较粗网格, 虽然占用内存少, 但是模拟精度又不能得到保证。

模拟效率较低，另外对处理移动边界和互相作用问题也十分困难。

上海交通大学李大勇等[22]对薄壁铝型材挤压用有限体积分步法进行了模拟，建立了铝型材挤压成形有限体积法分步模拟系统，研究了有限体积分步求解方法关键技术, 实现了各分步有限体积模拟系统的数据传递和信息继承。

在每一分步计算中, 占用相对较少的计算机资源, 可划分更为细致的有限体积网络。

利用该方法成功地模拟了薄壁类铝型材挤压成形过程, 并对成形中应力、应变及温度场分布的演化进行了分析。

研究结果表明,有限体积分步法是模拟薄壁类铝型材挤压成形过程的有效方法。

，南昌大学黄克坚等[2324]利用有限体积法对卷闸门用铝合金薄壁型材的挤压变形规律进
行了研究，然后优化模具的设计。

通过6063铝合金坯料在挤压模具中变形的过程模拟，分别得到不同时刻的、与实际情况接近的材料变形的速度场、温度场等；该模拟结果反映了挤压时金属的实际变形规律（图18和图19）。

图18 FD-JLB8001 产品图（比例：1：4）
图19 优化后的Z向金属流动速度
山东大学吴向红等[25]对空心薄壁铝合金管材挤压过程进行了数值模拟与模具的结构优化（图20～图21）。

用基于有限体积法的Msc/SuperForge软件模拟了空心薄壁铝合金管材，模拟显示使用初始设计的模具在出模口横截面上金属的流动是不均匀的。

对三种不同修改方案进行模拟后得出优化的模具，即修改上模分流孔内斜度角度，如图21所示。

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图20 优化前后的上模设计
图21 下模设计
2.3 有限元与有限体积法分步进行
有限元法和有限体积法有自身的缺点难于克服，因此有学者研究出一种结合两者之长的方法来解决挤压过程模拟。

上海交通大学周飞[26]提出采用有限元法和有限体积法相结合、基于统一求解模式的复合模拟方法，即采用有限元法模拟挤压预成型，采用有限体积法模拟挤压终成型的方法，来解决复杂薄壁铝型材挤压的数值模拟问题。

并对窗户锁扣型材地平模挤压和圆管型材地分流模挤压成形过程进行了数值模拟，模拟结果和实际生产证明了该复合模拟技术的高效性和实用性。

中南大学罗超等[27]对薄壁铝型材挤压成形的一种有效模拟方法进行了研究。

基于大变形弹塑性有限元理论和有限体积法基本原理, 建立金属塑性成形的弹塑性UL有限元列式以及塑性流动中的有限体积控制方程. 提出有限元模拟系统到有限体积模拟系统的数据传递和信息继承方法, 建立铝型材挤压成形有限元与有限体积法复合模拟系统, 对铝型材挤压过程进行了数值模拟, 预示金属在成形中的塑性变形行为。

2.4 ALE有限元法
近年来，ALE有限元方法（the Arbitrary Lagrangian-Eulerian）被引进用来处理金属的大
，变形成形研究 [2829]。

ALE有限元方法在材料构型和网格构型的同时，引入参考构型，使得
网格和材料运动分离，存在一个对流运动。

这样，ALE有限元方法充分吸收了更新的808。