散热器型材挤压模具的数值分析
铝型材具有比强度高、外形美观、耐腐蚀、易于回收等优点，被广泛应用于建筑、铁路运输、航空航天及通信等领域。铝制散热器是由6063铝合金挤压、焊接或组装而成，已成为现代生活中逐步取代其他散热器产品的首选品种。Altair公司的HyperXtrude是一款模拟挤压工艺、指导挤压模具设计的专业软件，HyperXtrude可以模拟金属或聚合物（如橡胶、塑料）在挤压成型工艺中材料经历的复杂塑性变形、材料流动和传热过程[1]。本文选取实际生产中的一套模具为例，采用基于ALE算法的HyperXtrude软件，模拟金属在模具中的流动，分析了该模具在挤压过程中可能会遇到的问题。
1 问题的描述
本文研究的散热器型材，外形尺寸较大，壁厚差大，扁宽形，左右不对称。散热片之间通过牙形咬合装配,对成型精度要求高，其生产难度较大。该产品主要应用于空调上的散热，它具有散热面积大，风冷散热性能优良，外形符合其散热空间的大小的特点。如图1a所示为初次试模的料头。初步判断，型材两边流速快，带螺丝孔的地方流速也较快，中间两条筋位稍慢，导致型材不能很好的成型。图1b所示为试模挤压出来的中段料，经过拉伸矫直后，型材达不到装配要求。图1c所示为型材的装配要求，要求水平度为180°。可见，型材存在的主要问题是形状及尺寸公差问题。
传统的型材挤压模具设计主要依靠工程类比和设计经验，造成大量人力与物力的浪费，而且严重影响生产效率和产品质量。将数值模拟技术引入挤压模具设计中，通过在计算机上模拟试模，数值仿真的方法可以模拟实际的挤压过程，得到速度、温度、应力和应变等现场难以测量的物理量，由此可以判断型材产品有无扭拧、弯曲、波浪等缺陷，从而评价工艺及模具结构设计是否合理，及时修改工艺和设计参数，代替费时费力的试模及返修过程[2-4]。
2 有限元模型建立
2.1 网格划分
对挤压过程进行数值模拟[5-6]。采用HyperMesh软件对模型进行前处理，工作带和型材出口处用三棱柱网格，模具采用四面体网格，坯料、分流孔和焊合室区域采用四面体网格，分析模型的单元尺寸由材料的变形程度确定，因工作带附近材料变形比较剧烈，单元划分比较细密，而在棒料部分的材料只发生墩粗变形，单元划分较粗，分流孔和焊合室的网格要适当过渡，这样既保证了分析精度，又有效地控制了单元数量，节省了计算时间，有限元网格模型如图2所示，网格参数如表1所示。
表1 模型有限元网格信息
2.2 参数设置
挤压模具的约束通过边界条件进行设置[7~8]。挤压金属为AA6063，模具材料为H13；挤压筒温度设为430℃，模具预热至450℃，金属坯料预热温度取480℃，挤压速度设为5mm/s；模具与金属材料间的摩擦状况：工作带区域使用库仑摩擦模型，摩擦系数取0.3，挤压筒和模具表面用Stick摩擦模型。
3 模拟结果分析
3.1 位移分布 nextpage
如图3所示为型材出口的X方向的位移云图。型材蓝色部分往X负方向偏摆，最大位移达到-2.5mm，红色部分向X正方向偏摆，最大位移达到3.028mm。偏摆是导致后续挤压出来的型材不能进行装配的重要原因，可能是由于此处的上下模工作带设计不够合理，导致型材的内外壁不能同时从模孔中流出来。型材的其他部分的位移偏差较均匀，不会对装配有影响。
3.2 流速分布
图4所示为金属流经分流孔、焊合室区域的速度矢量分布图。模孔设计成有一定的宽展角度，金属相当于在模孔中以爬坡的形式向前流动，由于摩擦的作用，靠近模壁的金属几乎粘着在模具表面，金属流动更多的是铝跟铝的摩擦，阻力相对减少很多，由于中间分流孔的面积要小于四周分流孔面积，金属绕过分流桥流入分流孔时，流速也相应较低；当金属流经焊合室时，来自六个分流孔的金属在此聚集，金属延续了分流孔处的流动趋势，表现为周边的流速较慢，而中间的则相对较快，金属一致流向模孔出口处。大量金属的聚集，流动速度也较大，流动金属与模具表面摩擦剧烈，对模孔工作带的损伤也大。
图5为型材出口速度分布图。流速较慢的区域造成压应力，较快的区域形成拉应力。中间两条筋的流动速度很慢，两个螺丝孔处的金属流速较大，中间部分成型时形成向内拉的力；两边的流速快，过渡区型材的金属流速平缓，为协调两边的流动，导致型材出口变形产生一定扭曲。出口的变形情况与试模的料头较好的吻合。
3.3 温度分布
如图6所示为分流孔、焊合室和工作带处的温度分布。型材两边部位的金属流动较快，金属的热量聚集更多，两边的温度更高；中间部位的金属，受到模芯的阻挡可以及时散热，金属流速较缓慢，因此温度相对较低；在出口工作带处，高温金属通过模孔成型，剧烈的摩擦会产生大量的热量，大部分保留在金属内，一小部分通过模具散热，温度最高。温度梯度的变化，对型材的质量有很大的影响，在温度分界处，极易产生型材挤压后续冷却时的色温，或者组织的不均匀，直接影响型材的质量。
nextpage
3.4 模具分析
图7所示为模具的应力分布。模具整体应力分布较小并且较均匀，上模的应力比下模的小，应力集中在工作带处。在挤压正方向，模具受到挤压机的压力，型材流出模孔的拉力作用。上模受到挤压垫的挤压力，分流桥受到流动金属的剪切作用，模芯受到两端不等压力的作用，可能会产生偏摆，工作带是薄弱区域，受到流动金属的剧烈摩擦更容易受到损害。下模的工作带在挤压过程中，受到型材的拉应力作用，对悬壁处的工作带影响较大，应力的最大值出现在小悬臂处。
4 修改
4.1 修改意见
通过对数值模拟的分析，初步可以得出结论，中间两条筋的部位供料不足导致了流速缓慢，结合料头出料和模拟情况，对模具做了少许修改，通过对模具的应力分析可知，在工作带处存在局部应力集中的现象。对上模，可以有几种修改方案，首先可以适当加大中间两个分流孔的面积；其次是加大模芯下的倾斜度，使金属更容易往前流；最后是调整工作带。对下模，可以在模孔四边对应处设置阻流台以适当减缓金属流速，适当修改工作带尺寸。
加大分流孔的面积，容易造成流速的大波动，并且考虑到加工因素，故不建议采用；用电火花将下模模芯加大引流比较方便，适当减小中间两条筋部位的工作带高度，中间两条筋的工作带由2.8mm减小到2.4mm；对下模的四边加设阻流台，型材两边的工作带加大0.4mm。如图8所示为修改好的下模。
4.2 修改后的结果
对修改好的模具采用同样的工艺参数进行了稳态模拟。可以发现型材出口速度在出口断面处的速度梯度分布均匀，可以获得端面平齐的挤压件。如图9所示为模具修改后的型材出口流速分布图，经过修改后的模具实际试模后，流速梯度得到了改善。虽然两边稍快，中间还是有点慢，不过符合型材成形要求，可以顺利出材。型材经过喷涂处理后，两个型材可以很好地进行装配，如图10所示为最终的合格型材产品。
5 结论
1. 通过数值模拟，对挤压过程中的型材位移、金属流动速度、温度和模具受力进行分析，发现工作带是影响型材成形的重要因素。
2. 采用上模促流，下模增设阻流台和调整工作带长度的方法，可以有效地调节金属在模具内的流动状况，使型材出口截面速度分布更加均匀，型材的尺寸精度也得到了改善。
3. 通过Altair公司的HyperXtrude挤压仿真软件，模拟金属在模具内的流动情形，可以预测铝型材挤压过程中可能出现的问题，模具工作中可能发生失效的部位，进而有效地指导挤压模具设计。
作者：西部车床，如若转载，请注明出处：https://www.lathe.cc/2023/03/7527.html