徐 鑫，李 冰，刘瑞萍，张德伟，张书豪

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

随着我国经济的飞速发展，人民生活水平的提高，城市化和工业化进程也在加速，铝合金挤压型材在民用建筑、工业、航天、汽车、电子等领域的使用也越来越广泛。与此同时，铝型材的生产技术在不断地完善和创新，新产品、新工艺、新用途的铝型材将不断出现，从而推动技术进步和行业持续健康发展。随着铝制品应用领域的日益扩大，铝型材的需求量也越来越多。众多企业在寻求效率提升之时多模孔挤压模具应用而生。从理论上来讲，挤压速度不变的情况下多孔挤压模具的生产效率可以成倍提高。然而，支撑这种效率的则是模具的优化设计[1]。

模具设计是铝型材生产的最重要环节，而模具的成功与否很大程度依赖设计者的经验，而且还要经过试模来验证模具设计的合理性[2]。传统的试模方式不仅低效、高成本，更是存在模具断裂或因无法修模导致模具报废的风险。有限元分析可以高效、低成本的完成试模过程，并且可以将风险降到最低，因此近年来得到业内的青睐。本文通过一模双孔分流模的模具设计，辅以有限元模拟软件分析，谈一谈二者之间的积极联系，供同行参考。

1 型材断面分析

如图1所示，该断面为空心型材，形状近似于方管。型材截面积174mm2，断面周长208mm，型材外接圆直径Φ18.5mm，最小壁厚1.4mm，型材尺寸公差执行GB/T 14846-2008高精级标准，材料为6061-T6。根据型材截面积及外接圆尺寸分析，设计使用一模双孔分流组合模，在12.5MN挤压机上试验，挤压筒径155mm，挤压比54.2，模具规格Φ220mm×140mm。

图1 型材断面图Fig.1 Profile section

2 模具结构设计

(1)模孔采用左右对称式结构放置，为避免模孔间距过大或过小产生的缺陷，初步设计模孔间距为30mm～55mm。同时，为降低金属在上模分流孔中的行程，在保证模具强度的条件下，尽可能的降低上模厚度[3]，以降低挤压力，防止挤压过程中金属无法突破。因此，初步设计上模厚度65mm，下模厚度75mm，模孔尺寸按1%收缩率计算。

(2)上模采用宽展设计，保证金属在模具中的流动性。同时分流孔最大入口直径距挤压筒边缘10mm以内，最大程度的提高分流比，减小金属流动阻力，提高焊合质量；分流桥入口可考虑采取倒角处理，以降低挤压力。

(3)下模采用各自独立的焊合室结构，保证各模孔金属供流的稳定性，减少各模孔之间相互“抢金属”的状况[3]。焊合室设计5°斜面，减少死区面积，同时促进金属流动。

3 有限元模拟分析

3.1 设计方案与模型建立

根据以上几点因素，结合自身经验，初步得到以下两种设计方案(图2)，图3为对应三维模型，其中分流孔数量依次为4个、7个，分流比为24和16.2。

图2 挤压模具简图Fig.2 Schematic diagram of extrusion die

图3 挤压模具三维模型Fig.3 3D model of extrusion die

3.2 仿真模拟结果及分析

利用先进的铝型材模具挤压成型仿真软件，采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法，进行挤压模拟运算。其中，模具温度450℃，铸锭温度480℃，挤压筒温度420℃，挤压杆速1.5mm/s，铸锭规格Φ151mm×450mm。

3.2.1 型材流速分析

如图4所示，两种模具的流速均比较均匀、稳定，没有产生明显的变形、弯曲等缺陷，其中4孔模具型材的平均速度为81mm/s，平均温度523℃；7孔模具型材的平均速度88mm/s，平均温度540℃，均在可接受范围内。

图4 型材流速效果图Fig.4 Impression drawing of profile flow rate

3.2.2 突破压力及模具应力分析

分析结果显示，4孔模具的突破压力为11.5MN，7孔模具的突破压力为13.4MN，其中7孔模具的突破压力已经超过了挤压机(12.5MN)的压力极限，理论上型材不能突破成型。

再看模具剖视图(图5)，4孔模具的最大应力约1000MPa，而7孔模具的最大应力则高达1400MPa，超过了H13模具钢的屈服极限(H13在450℃的屈服强度为1200MPa)。因此，7孔模具在挤压过程中有断裂风险。综合考虑，应采用4孔模具的设计方案进行实际生产。

图5 模具应力效果图Fig.5 Impression drawing of die stress

4 结论

通过有限元模拟分析方式对两种双模孔型材挤压模具设计进行分析。结果显示，7分流孔模具设计方式在挤压过程中可能会出现模具断裂及堵模风险，4分流孔模具设计方式预计挤压过程中不会出现明显缺陷。综上所述，有限元分析技术的使用直接提高了模具设计的效率及成功率，减小试模成本，可提高企业效益。