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扩口模和扁平容器在大型中空和扁平的铝合金型材挤出中的应用和分析
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扩口模和扁平容器在大型，中空和扁平的铝合金型材挤出中的应用和分析Dong Wang1,2 & Cunsheng Zhang1,2 & Cuixue Wang2 & Guoqun Zhao2 & Liang Chen2 & Wenchao Sun收到：2017年6月27日/接受：2017年9月13日/在线发布：2017年10月2日Springer-Verlag London Ltd.2017摘 要挤压模具的结构对大型铝合金型材的材料流动平衡和产品质量有很大的影响，尤其是预分配的结构，例如拉延模和扁平容器。在这项工作中，针对高速列车中使用的大尺寸，中空和宽幅铝合金型材的实际生产中存在的实际问题，首先使用HyperXtrude模拟了具有圆柱容器和摊铺模的舷窗挤压工艺 并经过实验验证。 然后通过将实验设计与响应曲面方法相结合来优化扩散模具。 使用优化的延展模具，型材横截面的最大速度差从8.63降低到3.07 mm / s，相应的SDV从1.56降低到0.69 mm / s。 最后，设计了容器的不同结构。 在数值模拟过程中，比较分析了不同过渡形式的圆筒形容器和扁平容器对材料流动，坯料表皮和模头应力的影响。 总结了大型，中空和宽幅铝合金型材的挤压模具的设计规则。相比之下，最大速度差从14.41降低至3 mm /。挤压模具的最大应力从999MPa降低到670MPa，扁平容器挤压的死区也大大减少。关键词：铝合金型材；舷窗挤压模；展开模具；扁平容器11引言由于其低密度，高强度重量比，耐腐蚀性和其他良好的物理特性，铝合金型材已广泛用于高速火车，地铁和其他领域的车身中。 此外，随着铝合金型材的日益增加的应用，它们正在朝着大尺寸，宽幅，薄壁和复杂截面的方向发展。 图1显示了用于制造高速火车车体的铝合金型材的示例。为了生产这种铝合金型材，在实际的挤压工艺中广泛使用带有圆筒形容器的小孔挤压模具，如图2所示。加热的铝合金坯料先后进行up粗，分条和焊接，然后进行热处理。 最终将型材从挤出模的轴承区中挤出。为了平衡模腔中的整个材料流速并提高挤压模的使用寿命，一些学者对大型，中空和扁平铝合金型材的挤压过程进行了数值模拟。Lee等【1】使用Deform-3D研究了冷凝器管挤压中孔道模具腔室形状对材料流动，焊接压力，挤压载荷和心轴挠度在非稳态下的影响。 杨等【2】研究了各种设计参数对复杂零件热挤压的影响铝合金型材。刘等【3】模拟了6005铝合金高速列车墙板型材的挤压过程，研究了基于HyperXtrude调整舷窗尺寸，添加凸台，倒角芯轴以及调整轴承对模具出口处金属流速的影响。 赵等【4】通过添加挡板和使用HyperXtrude调整焊接室的系列来模拟和优化大型墙板铝合金型材的挤压过程； 另外，通过挤压实验检查了结果。 张等文献【5】对挤压模的挡板的布局，形状和高度进行了优化，以获得无缺陷的轮廓，并通过挤压实验验证了模拟结果。Sun等【6】修改了高速火车墙板铝合金型材的舷窗挤压模具的第二步焊接室的高度和形状。雷迪等【7】使用HyperXtrude和HyperStudy的组合优化了挤压模具的轴承长度。张等【8】使用HyperMorph和HyperStudy自动优化了挤压模的进料腔。Mayavaram等【9】文献采用了一种新的挤压过程热力学优化算法，实现了轴承长度的自动优化，并通过三个例子验证了结果的正确性。Bas J.E.等【10】开发了一种数值模拟软件，用于分析稳态挤压过程并使用欧拉方法预测复杂轮廓的横截面形状。作为典型的三维变形过程，挤压模腔中的材料流动非常复杂且难以控制。 由于横截面形状的复杂性，壁厚的差异大以及型材的宽厚比大，因此孔口挤压模具包括多个瓦片孔口，多级焊接室，不等长的轴承台面和其他复杂结构。 主要用于容易引起型材弯曲或扭曲变形的场合。 同时，挤压模通常在高温，高压，强摩擦和周期性的装卸条件下工作。 结果，挤压模容易破裂或损坏。为了有效地提高大型挤压模的物料流动均匀性和使用寿命，一些学者开发了新型的挤压模，例如散布模和扁平容器。 铺展挤压是一种新的挤压技术，用于生产宽度大于容器直径的型材。 通常在容器和舷窗模具之间增加一个展开模具。 拉延模的横截面始终设计成哑铃形，而延伸成喇叭形。 进行金属在拉延模中的预分布和预变形后，材料流动的整体均匀性将得到明显改善。Sajko等【11】文献通过HyperXtrude仿真和优化了扩模的凹形部分，以平衡金属流，从而获得宽阔的实心轮廓。K.Abrinia等【12-13】文献在简单型材的挤出过程中应用了铺展模具。D.Lesniak等【14】比较了传统模具和铺展模具对材料流速，表面质量和显微硬度的影响。Fang等人【15】通过数值和实验研究了扩展挤压过程中模具结构参数对实体宽扁型材的影响。扁挤压是近年来发展起来的另一种铝合金型材挤压技术，尤其适用于大尺寸、中空、宽幅型材的挤压。由于扁坯与挤压型材截面形状的几何相似性，采用扁容器可以提高材料流动速度的均匀性，减少死区面积。扁平容器在高温、高压、高摩擦和交变应力作用下，往往会产生均匀的应力分布，与其它圆筒容器相比，扁平容器更容易损坏。因此，在目前大尺寸、扁宽铝合金型材的生产中，扁平容器的应用并不广泛。美国工程师首次提出扁平容器挤压法，并应用于相关领域。徐等【16】使用ANSYSFEM分析了扁平容器，并使用了具有可变收缩能力的预加载层，而不是具有均匀收缩率的预加载层。 国内一些学者对扁平容器的模具设计，模具制造以及结构参数优化进行了研究。 段【17】基于解析和数值模拟方法优化了扁平容器的内孔。 Wang【18】分析了扁平容器中空腔的应力分布和变形，并提出了一些方法，例如可变的收缩配合范围，间隙度和椭圆率。根据以上分析，一些学者在铝合金型材的挤压过程中研究并应用了拉延模或扁平容器。 但是，目前的研究主要集中在实心型材上，对于大型，中空和扁平的铝合金型材，几乎没有工业案例。 因此，这项工作的目的是研究大尺寸，中空和宽扁铝合金型材在拉延模挤压和扁平容器挤压过程中的材料流动。 对于拉伸模具的挤出，将在实际生产中使用拉伸模具，然后通过实验设计和响应面方法对其进行优化。 对于扁平容器挤压，将设计具有不同几何形状的容器，并比较分析它们在数值模拟过程中对物料流，钢坯表皮和模头应力的影响。 最后，将总结大型，空心和扁平宽铝合金型材的挤压模具的设计规则。图1高速火车用铝合金型材 （a）圆挤压筒 （b）多孔分流挤压模2用扩展模对传统挤压工艺进行建模在这项研究中，用于高速列车的大尺寸，中空和扁平宽铝合金型材的几何形状和主要尺寸如图3所示。该型材有10个空腔，横截面面积为 该轮廓是2451.6 mm2。 此外，其最大壁厚和最小壁厚分别为2.63和1.73 mm，宽度与厚度之比最高为11。图3铝合金型材几何及主要尺寸（单位:mm）为生产这种大尺寸，中空和宽扁的铝合金型材，可使用 如图4所示，设计了一个扩散模。在上模和下模旁边，在上模和容器之间添加了一个扩散模。 展开模，上模和下模具有相同的535毫米外径，其高度分别为120毫米，130毫米和110毫米。扩散模具主要用于合理地预分配材料。 上模采用十个小孔，有效平衡物料流动。 下模具有专门设计的两步焊接室。 上模和下模的轴承座长度不相等，以进一步平衡物料流动，如图5所示。轴承座长度的设计原则是较长的轴承座，其设计易于在轮廓上进行加工形式，反之亦然。然后，将6N01铝合金坯料在8000吨挤压机上以表1所列的工艺参数进行挤压。挤压后，获得型材的前端，如图6a所示，主要用于 在实际生产中修理挤压模。 从该图可以看出，在横截面的横截面中存在不均匀的材料流动，并且两端的材料流动都快于中心的材料。 更重要的是，经过数轮挤出生产后，由于应力集中而在挤出模具中出现裂纹，并最终导致挤出模具的断裂。 模具裂纹发生在轴承区附近，该轴承区涂有白色涂料（图6b）。 上述问题导致成品率低和生产成本高。 因此，接下来，将基于数值模拟和优化算法，对挤压模的初始设计进行优化，以改善材料流动并降低应力集中.表1实际挤出生产中的工艺参数坯料断面(mm) 304 820挤压比31.2钢坯初始温度 (C)500模具初始温度（C)480容器初始温度 (C)420挤出速度(mm/s)1.88 （a）宽展模具 （b）上模 （c）上模图4实际挤出过程中的挤出模具图5轴承座长度不相等（单位：mm） (a)型材的前端 (b) 损坏的带有裂纹的模具图6型材的前端和损坏的带有裂纹的模具2.1AA6N01材料参数的确定6N01铝合金广泛用于挤出过程中，以生产高速列车的车身轮廓。为了提供准确的材料参数，通过一系列实验测试检查了其力学和热物理参数，并将获得的材料参数列于表2。此外，根据通过AA6N01的热压缩试验获得的应力-应变数据，确定了具有应变补偿的Arrhenius本构模型中的材料参数，然后将其用于模拟AA6N01的挤压过程； C()、d()、e()、f()是应变的多项式函数，分别用来表示材料常数(，n，q，a)。多项式拟合系数的值列在表3中。测得的流应力（经温度和摩擦误差校正）与预测结果之间的比较如图7所示。可以看出流之间存在良好的一致性。 通过两种方法获得的应力，尤其是在较高温度下.我们先前的研究已经完成了用于本研究的AA6N01 Arrhenius本构模型的建立过程【19】。表2通过实验测试得到的AA6N01的材料参数密度(kg/m3) 2700比热容(J/(kg K) 947导热系数(W/(m K) 195.7195.7杨氏模量(Pa)3.53 1010泊松比0.3平均线膨胀系数(k-1)2.83 10表3四个多项式拟合的常数 nQln AC0 0.029D0 11.160E0 367.568F0 55.545C1 0.043D1 36.636E1 1,147.593F1 174.441C2 0.201D2 166.205E2 5,395.428F2 826.665C3 0.394D3 376.270E312,903.128F1,988.263C4 0.312D4 322.990E4 11,660F4 1,801.81图7预测值和实验值的流变应力比较2.2挤出过程建模了模拟挤出过程中的材料流动和模头强度，使用了一个稳态有限元。 。 在HyperXtrude上，它由金属流动分析模型以及模具变形和强度分析模型组成，如图8所示。分别选择6N01铝合金和H13工具钢作为坯料和模具材料。 数值模拟中使用的工艺参数与挤出实验中使用的参数相同（表2）。 作为一种更专用的铝合金，HyperXtrude的材料库中没有AA6N01的材料数据，因此通过在上述本构方程中嵌入以描述挤压过程中的热变形行为，开发了用户定义的模型。 用户定义的材料本构模型是通过UDF_MatModel.dll的动态链接库在数值模拟中触发的（a）物料流面积 (b) 宽展模具 （c）上模 （d）下模2.3仿真结果分析和实验验证经过模拟，轮廓截面中的物料流速如图9所示。从图中可以看出，两端的物料流动速度略快于中心的物料流动速度。 轮廓的最大和最小速度分别为63.31和54.68 mm/s，整个横截面的最大速度差为8.63 mm/s，与图6中观察到的轮廓的实验前端一致。为了调查模具破裂的潜在原因，将分析挤压模具的位移和应力。 在挤出过程中，模具的变形对挤出物的轮廓有很大的影响，并且是导致挤出物误差的主要因素。 数值模拟过程中，模具沿X，Y和Z方向的位移分布如图10所示。可以看出，挤压模具上的Z位移相对集中，几乎可以忽略X位移和Y位移。 但是，应注意的是，挤压模的Z位移对型材的尺寸精度几乎没有影响。在实际的挤出生产中，挤出模具总是在高温下进行多次加载/卸载循环，因此容易产生塑性变形或破裂，特别是在应力集中严重的情况下。 挤出模头上的应力分布如图11所示。展开模头上的最大应力约为580 MPa，出现在模头出口，上模头上的最大应力约为795 MPa，位于桥和芯轴之间的部分。 ，在下模的最大应力约为661 MPa，发生在挤压实验中观察到断裂的部位附近。 因此，比较表明，数值结果与实验观测值吻合良好，验证了数值模型的准确性。 但是需要声明的是，根据H13工具钢的屈服强度，弹性变形仅发生在挤压模具上【20】。图9剖面中的速度分布（a）宽展模具(b) 上模 (c)下模图10挤压模在X，Y和Z方向上的位移分布（a）宽展模具(b) 上模 (c)下模图11挤压模上的应力分布3展开挤压模结构优化3.1设计变量和响应的定义展开模具入口处的高度（H），宽度（B）和最大外接圆直径（L）对沿着展开方向的物料流有很大影响。 因此，为了获得更合理的拉延模结构，选择三个结构参数作为要优化的设计变量，如图12所示。表4中列出了设计变量的值范围最均匀的材料。模腔中的流动，在模出口处轮廓截面的平方偏差速度（SDV）被定义为描述轮廓速度均匀性的响应，SDV可以表示如下8 表4设计变量的取值范围设计变量范围H80-140B60-80L290-500图12冲模设计变量的定义3.2 Box-Behnken方法的实验设计、如表5所示，使用Box-Behnken方法进行的实验设计（DOE），获得了三个设计变量的17种组合，然后建立了相应的数值模型，并进行了稳态数值模拟。 最终，对于每个实验设计，将计算出模具出口处轮廓截面中的SDV。表5实验设计和计算的SDV 实验设计 H (mm) B (mm) L (mm)SDV (mm/s) 1808029570492140602951.553110802904.14480702905.15140702900.926110603001.567110602001.12880703003.489110702951.2510140802951.481180602951.0012140703001.0013110702951.2514110803002.7115110702951.2516110702951.2517110702951.253.3拟合和分析根据表5中的数据，通过以下最小二乘拟合获得响应和设计变量之间的响应面函数：根据上述功能，可以针对设计变量的不同组合计算出模出口横截面的SDV。为了评估响应面模型的可靠性，对模型进行了方差分析和显着性检验，如表6所示。该模型的P值小于0.05； 它表示等式中的响应面函数。 （4）对响应结果有明显和显着的影响。R平方为0.992，表示等式中给出的函数模型。 （4）模型拟合好，误差小。 因此，可以使用功能模型。 调整后的R平方为0.983，这意味着该模型可以解释98.3的响应结果，而只有1.7的响应结果无法解释。 足够的精度为34.777且大于4，这表明精度足够好。 上面的分析表明，由等式给出的模型。 （4）适用于分析和预测目标函数SDV。表6 SDV的方差分析和显着性检验数值SDV和预测SDV之间的比较如图13所示。结果表明，预测SDV与数值SDV基本相同，因此回归模型可以准确地预测结果。SDV在设计变量方面的响应图如图14所示。图14a给出了SDV与设计变量B和H之间的关系，而设计变量L为295 mm。 结果表明，当H大于120 mm时，SDV随B的增加先减小后增大。这表明，对于每个值H，都有一个特定的B值可以更好地控制物料流，并具有一个更好的SDV值。 当H小于120 mm时，摊铺模腔中的材料流动距离很小。 对于这种小高度的情况，很难及时调整物料流量。 此时，SDV随着B的增加而增加。图14b给出了SDV与设计变量L和H之间的关系，而入口中心的宽度B为70 mm。 可以看出，SDV随H的增加先减小，然后缓慢增加。图14c给出了SDV与设计变量L和B之间的关系，高度H为110 mm。 结果表明，当B小于70 mm时，SD随L的增加而变化不大。图13数值和预测SDV之间的比较图14在设计变量方面SDV的响应面3.4响应面的优化和验证为了获得最均匀的物料流，根据公式可将最小SDV计算为0.59 mm/s。 （4）。 为了验证上述优化结果，建立了具有最佳设计变量的相应有限元模型，并对挤压过程进行了仿真。 模拟后，根据公式，在模具出口处的横截面中的SDV为0.69 mm/s。 （3），与预测的相似。 速度分布与初始模具和最佳模具的比较如图15所示。可以看出，整个横截面中的最大速度差急剧减小。 表7中列出了结构和材料流动参数与初始模具和最佳模具的比较。最大速度差从8.63降低到3.07 mm/s，相应的SDV从1.56降低到0.69 mm/s。 因此，优化后，物料流分布趋于更均匀。优化后的挤压模具上的应力分布如图16所示。与图11相比，展开模具中的最大应力增加，而上下模具中的最大应力减小。图15初始和最佳模具结构的轮廓速度分布 表7冲模结构参数和物料流的比较 （a）宽展模具 （b）上摸 （c）下模图16优化后的挤压模上的应力分布4扁平容器在挤出过程中的应用4.1扁平容器的对比设计扁平容器的内孔通常设计为矩形，表面边缘呈弧形。内孔的宽高比最好在2到3之间21。挤压系数、挤压件宽度和所选用的轻合金的性能对内孔尺寸有很大的影响。容器内孔宽度与外径之比最好控制在0.8-0.9之间，一旦超过这个范围，容器的强度就无法保证21。容器的孔径、所选用的轻合金的性能、挤压机的结构、闸板的强度对容器的长度有影响。特别是对于扁平容器，容器的长度越大，容易引起闸板的弯曲变形。本文结合轻合金挤压工具的设计规范和生产实际，设计了两种不同的扁平容器过渡形式，并进行了比较。内孔尺寸均为460210mm。其外径和长度尺寸分别为550毫米和1230毫米。因此，集装箱内孔宽高比为2.2，内孔宽高比为0.84，符合标准.为了便于比较，还设计了另一个圆筒容器。其内径和外径分别为395和600mm，如图17所示。这里，在扁平和圆筒形容器挤压工艺中使用相同的上模和下模，如图4b，c所示，但不使用扩展模。a 圆筒容器 b 半弧形扁平容器 c 椭圆形扁平容器图17不同挤压容器的内孔形状4.2扁平容器挤压过程的建模与分析4.2.1物料流分析图18显示了具有不同挤压容器的型材横截面中的速度分布。可以看出，型材的材料流速对于圆柱容器来说非常不均匀。 而且它在中心的流动比两端的流动都要快。 轮廓的最大和最小速度分别为98.8和84.39 mm/s，整个横截面的最大速度差为14.41 mm/s。 与圆筒形容器相比，由于扁平容器的内孔的截面形状与轮廓形状相似，有效地改善了整个物料的速度分布。 扁平容器的物料流速变得均匀，并且整个横截面的最大速度差分别仅为3和5.25 mm/s。 然而，可以看出，由于不同的挤压比，圆筒形容器的平均流速总是比扁平容器的平均流速大。 图19显示了在不同挤压阶段使用不同挤压容器的物料流分布。与扁平容器相比，在整个挤压过程中，特别是在挤压的最后阶段，与圆筒形容器的物料速度差始终很大。a圆筒容器b半弧形扁平容器c椭圆形扁平容器图18带圆柱和扁平容器的型材的速度分布 a 圆筒容器 b半弧形扁平容器 c椭圆形扁平容器图19圆筒形容器和扁平容器在不同挤压阶段的流速分布4.2.2钢坯表皮分析图20显示了使用不同的挤压容器在不同时间的坯料表皮的流动行为。它表明，在挤压的早期阶段，对于来自容器的摩擦，坯料表皮的流动要比冲头速度慢， 然后在容器壁和撞锤之间的拐角处聚集，并沿着撞锤表面从边缘流向中心。 此时，扁平容器中的坯料表皮的长度比圆筒容器中的坯体表皮的长度长，并且对于扁平容器的不同过渡形式，长度差较小。 随着挤压过程的进行，钢坯蒙皮沿挤压方向顺次流动，直到到达上模的入口。 目前，在不同挤压容器中的坯料皮的长度是相同的，占初始坯料总长度的11.7。 因此，改变容器内孔的形状对枪托的长度和材料的利用几乎没有影响。a圆形容器b半弧形扁平容器C椭圆形扁平容器图20在不同的挤压容器上的位移4.2.3挤压模的位移和应力分析沿X，Y和Z方向挤压容器上的位移的比较如图21所示。结果表明，X位移和Y位移大于Z位移，X位移和Y位移为开。 气缸容器上的数量级相同。（a）圆柱容器（b）带有半圆弧的扁平容器（c）带有椭圆弧的扁平容器图23带有圆柱和扁平容器的挤压模具上的应力分布Int J Adv Manuf Technol（2018）94：42474263 4261但是， 由于扁平容器的几何不对称性，Y位移明显大于X位移。图21在不同的挤压容器上的位移abc挤压容器上的应力分布如图22所示。可以看出，圆筒形容器上的最大应力比扁平容器上的最大应力分布更均匀，前者比后者低约65 MPa。图22应力分布 a b c 由于扁平容器挤压过程中物料流的均匀性，上模和下模上的应力明显低于圆筒形容器挤压中的应力，如图23所示。图23带圆柱和扁平容器的挤压模具上的应力分布ab结 论在这项工作中，将最新开发的拉延模和扁平容器挤出技术应用于高速火车上使用的大型，中空和扁平的宽铝合金型材，并对挤出的数值模拟过程进行了分析。得出以下结论：（1）建立了热力学模型来分析复杂截面铝合金型材的挤压过程。 然后，将数值模拟结果与实验观察结果进行了比较，并得到了很好的验证。 更重要的是，证明了铺展模具可以有效地改善铺展方向上的材料供应。（2）通过将实验设计与响应面法相结合，对铺展挤压模进行了优化。 优化后，物料流分布比优化前更均匀。轮廓横截面中的最大速度差从8.63降低到3.07 mm / s，相应的SDV从1.56降低到0.69 mm / s。（3）模拟了扁平容器挤压与传统圆柱容器挤压的比较。 扁平容器挤压过程中的物料流均匀性可以大大提高。 最大速度差从14.41降至3 mm / s。 同时，挤压模上的最大应力从999 MPa降低到670 MPa，并且死区也大大减少。但是，扁平容器上的位移更加不均匀，其最大应力比圆柱容器上的最大应力高约65 MPa。（4）与椭圆弧形扁平容器相比，半弧形扁平容器中的物料流速分布更均匀； 最大速度差从5.25降至3 mm / s。 但是，在挤压数值模拟中，扁平容器的内孔形状对死区，对接长度，容器位移和挤压工具应力的影响很小。致 谢感谢国家自然科学基金（51575315）、广东省科技发展基金（2017A010103003）、山东省重点研究开发项目（2017GGX30140）、山东大学基础研究基金（2015WLJH29）的资助。参考文献1Lee JM, Kim BM, Kang CG (2005) Effects of chamber shapes of porthole die on elastic deformation and extrusion process in condenser tube extrusion. 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