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空心铝型材“丁字位”表面印痕缺陷的模具结构优化 ① 周 漪１， 王孟君１， 李继林２， 潘学著３， 王迎新３， 梁松林３ （１．中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 ４１００８３； ２．广东省材料与加工研究所，广东 广州 ５１０６５０； ３．广亚铝业有限公司，广东 佛山 ５２８２３７） 摘 要 对 ６０６３ 空心铝型材挤压过程进行数值模拟，获得型材“丁字位”区域同方向的金属流速和位移，分析型材产生印痕的原因 和表面内凹量，并在合理位置添加阻流块，优化模具结构。 模拟和验证实验均表明，阻流块可以有效控制流速，使“丁字位”上的流 速更加均匀，型材“丁字位”表面内凹量减小，产品达到生产要求。 关键词 空心铝型材； 丁字位； 印痕； 表面缺陷； 挤压； 数值模拟 中图分类号 ＴＧ３７６文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-６０９９．２０１９．０２．０２７ 文章编号 ０２５３-６０９９（２０１９）０２-０１１１-０４ Optimization of Die Structure for Surface Indentation of T-cross Section of Aluminum Alloy with Hollow Profile ＺＨＯＵ Ｙｉ１， ＷＡＮＧ Ｍｅｎｇ-ｊｕｎ１， ＬＩ Ｊｉ-ｌｉｎ２， ＰＡＮ Ｘｕｅ-ｚｈｕ３， ＷＡＮＧ Ｙｉｎｇ-ｘｉｎ３， ＬＩＡＮＧ Ｓｏｎｇ-ｌｉｎ３ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６５０， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｇｕａｎｇｙａ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｆｏｓｈａｎ ５２８２３７， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ） Abstract Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ６０６３ ｈｏｌｌｏｗ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｐｒｏｆｉｌｅ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｔｏｗａｒｄ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ “Ｔ-ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ” ｏｆ ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｐｒｏｆｉｌｅ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｔｈｅｎ， ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｆｏｒ ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｄｉｍｐｌｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ， ａ ｂａｆｆｌｅ ｂｌｏｃｋ ｗａｓ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ａｔ ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｄｉｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ． Ｂｏｔｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂａｆｆｌｅ- ｂｌｏｃｋ ｃｏｕｌｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ， ｌｅａｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｕｎｉｆｏｒｍ ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｔ-ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ． Ｂｅｓｉｄｅｓ， ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｄｉｍｐｌｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ Ｔ-ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｒｅｄｕｃｅｄ． Ｉｔ ｗａｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ， ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｐｒｏｆｉｌｅ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ． Key words ａｌｕｍｉｎｕｍ ｈｏｌｌｏｗ ｐｒｏｆｉｌｅ； Ｔ-ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ； ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ； ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｆｅｃｔ； ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 对铝型材表面质量要求越来越高，印痕缺陷铝型 材表面不允许出现。 印痕是空心铝型材“丁字位”区域 空心部分和实心部分交接处较水平表面 ０．０３～０．０５ ｍｍ 的凹陷，经喷漆处理后，反光条件下该处出现的折痕。 铝挤压厂多采用反复试模和修模方式，以达到产品表 面合格。 目前不少学者通过有限元仿真技术，对挤压 模具的分流孔［１-２］、 焊 合 室［３-５］、 阻 流 块［６-８］、 工 作 带［９-１０］、导流板［１１］等结构进行了优化。 本文根据实际 挤压生产中含“丁字位”结构的空心铝型材表面产生 的印痕问题，运用有限元模拟软件模拟挤压过程，分析 型材产生印痕的原因，并通过实验验证模拟结果。 １ 实 验 １.１ 生产中的印痕问题 本文研究对象为某企业实际生产的空心铝型材， 图 １ 为其横截面尺寸图。 型材的平均壁厚 １．４ ｍｍ，最 小壁厚 １ ｍｍ，截面积为 ３０６．４８ ｍｍ２，周长 ４１３．６３ ｍｍ。 经检测，Ｂ 处悬臂轻微翘曲，经喷涂处理后， Ａ 处反光 条件下有微小内凹的折痕，如图 ２ 所示。 本实验将截 取存在印痕的“丁字位”部分进行分析。 １.２ 模型的建立 用三维软件绘制的初始模具模型如图３所示。 ①收稿日期 ２０１８-０９-２５ 基金项目 广东省省级科技计划项目（２０１６Ｂ０９０９３１００４） 作者简介 周 漪（１９９４-），女，湖南邵阳人，硕士研究生，主要研究方向为铝合金材料加工。 第 ３９ 卷第 ２ 期 ２０１９ 年 ０４ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Ｖｏｌ．３９ №２ Ａｐｒｉｌ ２０１９ ChaoXing 图 １ 型材横截面（单位mm） 图 ２ 型材三维模型 图 ３ 初始模具三维模型 （ａ） 上模； （ｂ） 下模 上模尺寸为 Φ１８０ ｍｍ ６０ ｍｍ，下模尺寸为Φ１８０ ｍｍ ６０ ｍｍ。 将模型导出为 ｓｔｐ 格式，并导入到基于 ＡＬＥ 算 法的 Ｃｌｉｃｋ２Ｅｘｔｒｕｄ 软件中，设定挤压方向为 Ｚ 轴正方 向，型材“丁字位”表面内凹方向为 Ｘ 轴正向。 挤压材 料为 ６０６３ 铝合金，模具材料为 Ｈ１３ 钢。 挤压工艺参数 为坯料加热温度 ４８０ ℃，模具预热温度 ４５０ ℃，挤压筒 温度 ４１０ ℃，挤压杆速度 ８ ｍｍ／ ｓ，坯料直径 １２０ ｍｍ，挤 压筒内径 １３０ ｍｍ，挤压比为 ４２．８。 ２ 实验结果及讨论 ２.１ 仿真结果分析 图 ４ 为型材流速分布图。 由图 ４ 可见，型材 Ｚ 轴 方向流速不均匀。 在 ＡＣ 边上，Ａ 处到 Ｃ 处的 Ｚ 轴方 向流速逐渐减小，在附加应力的作用下，金属有从 Ａ 处沿 ＡＣ 方向流向 Ｃ 处的趋势，导致 Ａ 处金属产生 Ｘ 正方向的流速。 Ｂ 处悬臂流速最大，故金属在 Ｘ 轴负 方向产生流速。 在 Ｘ 轴方向上，ＢＤ 面上产生不同方 向流速。 图 ４ 型材流速分布 （ａ） Ｚ 轴； （ｂ） Ｘ 轴 型材 Ｘ 轴方向位移见图 ５。 由图 ５ 可知，Ａ 处轻 微内凹，位移为 ０．０５２ ｍｍ，Ｂ 处细小悬臂翘曲，位移为 -０．０６２ ｍｍ，Ｄ 处位移为 ０．００７ ｍｍ。 ＢＤ 面上，从 Ｂ 到 Ａ 处倾斜 ０．１１４ ｍｍ，Ｄ 到 Ａ 处倾斜 ０．０４５ ｍｍ，ＢＡ 和 ＤＡ 相对 Ａ 处翘起，使得型材在 Ａ 处产生折痕。 这与 实际生产中 Ｂ 处轻微上翘、Ａ 处以及其周围产生轻微 内凹一致。 由此可知，型材的印痕缺陷主要由挤压方 向的金属流速不均匀引起。 图 ５ 型材 X 轴方向位移 ２１１矿 冶 工 程第 ３９ 卷 ChaoXing ２.２ 模具优化分析 为使金属流速均匀，在流速较快的 Ｂ 处添加阻流 块，阻流块长度为 ９ ｍｍ（为悬臂长度），宽度为 ２ ｍｍ （为型材宽度的 ２ 倍），高度 ３ ｍｍ（为焊合室的 １／３）， 阻流块到模孔的距离设为 ０．５ ｍｍ。 增加阻流块后下 模三维模型如图 ６ 所示。 图 ６ 增加阻流块后下模三维模型 图 ７ 为增加阻流块后型材流速分布图。 将研究区 域划分为等面积的 １４ 段，Ｎ 为对应段数编号，取各段 Ｚ 轴方向流速平均值绘制折线图，如图 ８ 所示。 由于阻流 块阻碍悬臂处金属流动，Ｂ 处悬臂流速降低２０ ｍｍ／ ｓ，Ｃ 处流速增加 ７ ｍｍ／ ｓ，Ａ 处流速基本不变，型材 Ｚ 轴方 向金属流速趋于均匀，金属从 Ａ 处流向 Ｃ 处的趋势变 小。 故在 Ｘ 轴方向，Ａ 处流速降低 ２．５ ｍｍ／ ｓ ，Ｂ 处流 速降低 ２．９ ｍｍ／ ｓ。 ＢＤ 面流速均为 Ｘ 轴负方向流速。 图 ７ 增加阻流块后型材流速分布 （ａ） Ｚ 轴； （ｂ） Ｘ 轴 N ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 365 355 345 335 325 315 30691215 流速/ mm s-1 ▲▲▲▲▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲▲ 未添加阻流块 添加阻流块 ■ ▲ 10 9 8 7 6 5 3 4 1 2 11121314 图 ８ 型材丁字型区域分段及增加阻流块前后 Z 方向流速对比 增加阻流块后型材 Ｘ 轴方向位移如图 ９ 所示。 ＢＤ 面上，Ａ 处位移仅-０．００４ ｍｍ，Ｂ 处位移-０．０２５ ｍｍ，Ｄ 处 位移 ０．０１０ ｍｍ。 从 Ｂ 到 Ａ 倾斜 ０．０２１ ｍｍ，Ａ 到 Ｄ 倾 斜 ０．０３５ ｍｍ，未发生相对 Ａ 处的折痕，且 Ａ 处内凹量 微小，可忽略不计。 图 ９ 增加阻流块后型材 X 轴方向位移 ２.３ 验证实验 在下模的细小悬臂处添加阻流块，按照原挤压参 数进行挤压，得到的型材料头如图 １０ 所示。 比较优化 前后的型材料头可知，优化前型材悬臂处金属流速明 显高于其它部位，优化后型材整体金属流速较均匀，均 与模拟结果一致。 经检测，优化后型材尺寸符合要求， 型材表面不平整度在标准允许范围内，悬臂处未出现 翘曲。 经喷漆处理后，“丁字位”凹痕缺陷并不明显， 符合生产要求。 ３１１第 ２ 期周 漪等 空心铝型材“丁字位”表面印痕缺陷的模具结构优化 ChaoXing 图 １０ 模具优化前后的型材料头 （ａ） 优化前； （ｂ） 优化后 ３ 结 论 １） 模拟和验证实验均表明，型材“丁字位”表面 印痕缺陷是由挤压方向流速不均匀引起的，型材悬臂 处流速过大，造成印痕的产生。 ２） 通过数值模拟，可获得型材内凹方向的位移 量，为模具优化提供依据。 ３） 在流速较快的地方合理添加阻流块能有效降 低该处流速，使型材流速均匀。 参考文献 ［１］ 黄东男，于 洋，李有来，等．复杂断面空心铝型材分流模挤压焊 合过程金属流变行为分析［Ｊ］． 材料工程， ２０１４（９）６８-７５． ［２］ 黄东男，李静媛，张志豪，等． 方形管分流模双孔挤压过程中金属 的流动行为［Ｊ］． 中国有色金属学报， ２０１０，２０（３）４８８-４９５． ［３］ Ｄｏｎａｔｉ Ｌ， Ｔｏｍｅｓａｎｉ Ｌ． Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｅａｍ ｗｅｌｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｅｘｔｒｕｄｅｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｐｒｏｆｉｌｅｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２００５，１６４-１６５１０２５-１０３１． ［４］ Ｌｅｅ Ｊ Ｍ， Ｋｉｍ Ｂ Ｍ， Ｋａｎｇ Ｃ Ｇ． Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃｈａｍｂｅｒ ｓｈａｐｅｓ ｏｆ ｐｏｒｔｈｏｌｅ ｄｉｅ ｏｎ ｅｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ｔｕｂｅ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ［Ｊ］． Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＆ 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