汽车防撞梁铝型材挤压上下分流组合模具设计

1 简介

由于纯铝较软，且富有延展性，易于塑性成形。添加各类 合金元素构成 的铝合金有更高的强度、材料组织机能 也获得 年夜 年夜 改善，和 会获得 其他各项更好的机能 ，从而能知足 更多的出产需要。铝合金可以加工成各类 加工材，如板、带、条、箔、管、棒、型、线、自由锻件和模锻件等。也能够 铸造成各类 铸件，压铸件等铸造材。加工材和铸造材又可以分为不行热处置强化型铝合金材料和可热处置强化型铝合金材料。

1.1 挤压工艺简介

作为塑性加工的一种有用 手段，挤压用于高机能 铝型材的加工遭到 愈来愈 普遍 利用。挤压是对放在容器（挤压筒）内的金属坯料施加外力，使之从特定的模孔中流出，获得所需断面外形 和尺寸的一种塑性加工方式 [2]，如图1所示。

图1 铝型材产物 挤压的基来源根基 理

依照 挤压时金属的活动 标的目的分歧 ，挤压工艺可分为正挤压、反挤压和复合挤压;依照 坯料的温度局限 可分为冷挤压、温挤压和热挤压。金属的挤压成形是一种进步前辈的少无切削加工工艺，它具有省料、节能和节约 机械加工工时、工件机能 高档 一系列长处 ，是以 愈来愈 遭到 人们的青睐[1,3]。

最近几年来，除 改善 和完美 正反向挤压及其工艺外，许多强化挤压进程 的新方式 、新工艺也在不竭的泛起 ，而且 在现实 中获得 了利用。像平面组合模挤压、水冷模挤压、舌形模挤压、变断面挤压、半固态挤压、冷挤压、扁挤压、宽展挤压、高速挤压、周详 气、水（雾）冷在线淬火挤压、等温挤压、高效反向挤压、陆续挤压和连铸挤连挤手艺 、形变热处置、特种拉伸—辊矫等新手艺 、新工艺有以下意义:扩年夜 铝型材的品种、提高产物 品质、提高挤压速度和总的出产效力 、挖掘 铝型材的潜力、减小挤压力、节约资本 、削减 本钱 等。

1.2 模具在铝型材挤压中的感化 及工作道理 [5]

挤压对象 可分为年夜 型根基 对象 和模具。模具包孕 模子、穿孔针等直接介入 金属变形且消费 对照 年夜 的对象 ，模具是最主要 的挤压对象 ，在现代化的年夜 出产中，对象 和模具对实现全部 挤压进程 都具有十分主要 的意义。模具寿命长短是评价一个挤压方式 是不是 具有可行性的决议身分 ，工、模具的设计和制造质量是实现挤压出产优良 、高产、低耗的最主要 的包管 之一。

（1）公道 的模具布局是实现任何一种挤压工艺进程 的根本。它是使金属发生 挤压变形和传递挤压压力的环节部件。在挤压进程 中，依托 挤压轴输出压力，有挤压筒盛放铸锭并使之在强烈的三向压应力感化 下发生 变形，模具是使金属最后完成塑性变形获得所需外形 的对象 。今朝 的前提 下，还不克不及 想象无挤压筒，无模具的挤压工艺。

（2）对象 和模具是包管 产物 表里 外观质量的主要 身分 之一。模具本身 的外参观洁度、外观硬度等身分 对产物 的表里 外参观洁度有着决议性的影响，只有经由过程 精磨抛光和氮化处置、外观硬化处置的模具才能挤压出外参观洁度高的成品 。外参观洁、过渡油滑 的工模具能连结 挤压产物 的光洁外观，使之颠末外观处置后厚度平均 、色调美观、附着安稳的外观氧化膜。

（3）模具是包管 产物 外形 和精度的根基 对象 。只有布局公道 、精度和硬度及格 的模具，才能实现产物 的成形并具有切确的断面尺寸和表里 廓外形 。别的 ，公道 的模具和对象 设计能包管 产物 具有最小的纵向曲折 和横向海浪 度，最小的翘曲和扭曲。

（4）公道 的工模具布局、外形 尺寸，在必然 水平 上可节制 产物 的内部组织和力学机能 ，出格是在节制 空心成品 和焊缝组织与力学机能 方面，分流孔的年夜 小和外形 和 其散布 位置，焊合腔的外形 和尺寸，模芯的布局等起着决议性的感化 。挤压垫片、挤压筒和模子的布局外形 与尺寸，对节制 产物 的粗晶环和缩尾、成层等缺点 也有必然 的感化 。

（5）挤压筒、挤压轴、挤压垫片和模子的布局外形 与尺寸对挤压时金属的活动 气象、挤压速度和挤压力等都有很年夜 的影响，公道 的设计与制造模具，对 提高出产效力 、提高产物 的质量削减 能耗等有侧重 年夜 的意义。

（6）新型的工模具布局，对 成长 新品种、新工艺，不竭提高挤压手艺 水平起着很年夜 的感化 。如舌形模、平面分流组合模的泛起 ，使空心成品 的挤压进入了一个极新 的阶段，多层预应力组合模具的研制成功使冷挤压获得了敏捷 的成长 等。

（7）公道 的工模具设计与制造能年夜 年夜 提高工模具的利用 寿命，这对 下降 产物 本钱 有着十分主要 的意义。

（8）公道 的工模具设计对提高其卸载与改换速度，削减 辅助时候 ，改善劳动前提 和包管 出产平安 等方面有着十分主要 的意义。据国表里 一些资料的统计，在出产中等批量的挤压产物 时，工模具的本钱 常常 占挤压总本钱 的35%一50%。假如 利用 寿命提高一倍，则产物 的本钱 约下降 20%阁下 。模具属易损多耗对象 ，今朝 的利用 寿命还是 十分低的，假如 将其寿命提高5～10倍，则产物 的本钱 可年夜 幅度下降。

平面分流组合模的工作道理 是实心铸锭经由过程 挤压机挤压力的感化 ，被分成几股金属流，再在焊合室聚集 ，并在高温，高压，高真空的情况 下又从新 被焊合，最后经由过程 模芯和模子之间构成 的间隙流出[6]，从而构成 合适必然 尺寸要乞降 机能 要求的管材或空心型材。

1.3 DEFORM-3D简介

1.3.1 DEFORM软件简介[7]

典型的 DEFORM-3D利用于包孕 铸造 、挤压、墩头、轧制、自由端、曲折 和其他成形加工手段。它是是一套基于工艺摹拟 系统的有限元系统（FEM）,专门设计用于阐明各类 金属成形进程 的三维活动 ，供给极有价值的工艺阐明数据，及有关成形进程 中材料和温度活动 。

DEFORM-3D是摹拟 3D材料活动 的抱负对象 。它有强年夜 的摹拟 引擎，可以或许 阐明金属成形进程 中多个联系关系 对象耦合感化 的年夜 变形和热特征 。它还具有良好的主动 网格重划分生成器，在任何需要 时可以或许 自行触发，从而生成优化的网格系统。在要求精度较高的区域，可以进行局部网格细划分，从而年夜 年夜 削减 计较时候 ，提高效力 。DEFORM-3D的图形界面强年夜 而又天真 ，为用户预备 输入数据和调查后果数据供给了有用 对象 。DEFORM-3D还供给了对 3D进程 摹拟 极其 主要 的3D几何操作 批改 对象 。其计较精度和后果靠得住 性被国际成形摹拟 范畴 公认为第一。

1.3.2 DEFORM特点[7]

在材料成形、热处置和机加工范畴 中，采取 有限元方式 开辟 和设计模具、刀具的产物 已到达 70%以上，有限元阐明已成塑性加工中普遍 利用 的对象 。

DEFORM—3D是一套基于摹拟 系统的有限元系统（FEM），专门设计用于阐明各类 金属成形进程 中的三维（3D）活动 ，供给极有价值的工艺阐明数据，及有关成形进程 中的材料和温度活动 。典型的DEFORM—3D应包孕 铸造 、挤压、墩头、扎制、自由锻、曲折 和其它成形加工手段。

（1）DEFORM-3D是在一个集成情况 内综合建模、成形、热传导和成形装备 特征 进行摹拟 仿真阐明。合用 于冷、热、温成形，供给极有价值的工艺阐明数据。

（2）全主动 网格再划分，前处置主动 生成鸿沟前提 ，数据预备 快速靠得住 。

（3）集成有形装备 模子 ，如：液压压力机、机械压力机、锤锻机、轧机、螺旋压力机、摆辗机和用户自界说 类型（如膨胀成形）。

（4）外观压力鸿沟前提 处置功能合用 于解决膨胀成形工艺摹拟 ，单步模具应力阐明利便快捷，合用 于多个变形体、组合模具、带有预应力环时的成形进程 阐明，材料模子 有弹性、刚塑性。热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、刚性材料及自界说 类型。

（5）具有FLOWNET和点迹示踪、变形、云图、矢量图、力—行程曲线等后处置功能。具有2D切片功能，可以显示工件或模具剖面后果。法式 具有多联变体处置能力，可以或许 阐明多个塑性工件和组合模具应力。自界说 进程 可用于计较活动 应力、冲压系统响应、断裂判据和一些特其它处置要求，如：金属微布局、冷却速度 、力学机能 等。

2 汽车碰撞横梁挤压模具的参数设置及建模

以汽车碰撞梁横梁为例设计相对应的模具，其各项参数主如果 凭据 相干 理论公式计较连系 现实 出产中经验值所获得 ，其三维图及二维工程图以下 图2、3所示。

图2 铝合金前防撞梁总成

图3 汽车碰撞粱铝型材截面工程图

2.1 碰撞横梁的材料及型材机能 要求

材料选用铝合金6061，T6 热处置；屈就 极限为215-245Mpa；抗拉强度极限年夜 于270MPa；缩短 率为1.2%；外接圆直径116.32mm。

2.2 模具设计

2.2.1 挤压机和挤压模具的尺寸、材料参数的拔取

铝型材挤压模具的设计包孕 理论性常识 、经验性常识 ；既有规范性常识 ，又有开导 性常识 。在于挤压工艺方面有些参数已 给出了具体的公式[3]，但对 现实 情况，例照实 际情况 和具体型材的转变 ，许多时刻 需要凭据 经验来公道 设计。对 模具设计来讲 ，起首 要斟酌 的问题是挤压机的布局，由于挤压比 40≤λ≤80，且型材外接圆直径为116.32mm，可选挤压筒为2500t,挤压筒直径为280mm，挤压比为796-354Mpa。铝型材的材料为AL6061T6，缩短 率为1.2%，挤压温度局限 在430-520之间，故选模具钢商标 为H13。

2.2.2 挤压比简直定

分流模的挤压比即挤压筒断面积和型材断面积的比值。它是模具设计的一个主要 参数，挤压比分歧 ，会直接影响挤压力的年夜 小。从而会影响型材的成形和型材焊缝的质量。一般多以包管 焊缝质量的提下再斟酌 模具的出产率。

对 分流模来40≤λ≤80，其具体计较公式如式（2-1）：

λ=（π*Ф2）／（4*n*F） (2-1)

式中：λ─挤压比；n─模孔数；F─型材的面积；Ф─挤压筒直径。

模孔数位n=1，挤压筒直径Φ=280mm。哄骗公式（2-1）可算得挤压比：λ=（π*2802）/(4*1*773.1372)=79.64，挤压比λ在40-80之间，故合适要求。

2.2.3 模具直径简直定

模具的外径D模由挤压筒直径D桶或型材外径肯定 ，一般情况下认为型材的外接圆直径小于或等于挤压筒直径D桶的1.1到1.2倍，都是可以设计出来的。

外接圆直径为116.32mm

D模≈（0.8-1）D桶 （2-2）

本课题中取模具的外径为挤压筒外径想等，均为280mm,且模具高H=60mm。

2.2.4 分流桥的设计

分流模的布局分为固定式分流桥和可卸式分流桥两种，前者上模模套连在一路 为一个整体，后者上模模套分隔隔离分散 设计，又称之为叉架势 分流桥。分流桥的宽窄由模具的强度和金属的流速肯定 ，分流桥的高度会直接影响模具的寿命和 焊缝的质量。

在肯定 分流桥宽度B的准则为：其一，为增年夜 分流比和下降 挤压力斟酌 ，B应取小值；其二，为了改善金属活动 平均 性斟酌 ，模孔最好遭到 分流桥的遮盖 ，B应取年夜 值。为了增添 分流桥的强度，一般设计时在桥的两头 增添 桥墩，在各类 外形 中，蝶形桥墩不但 可以增添 桥的强度，还可以改善金属的活动 ，避免死区的存在。故选择蝶形分流桥，分流桥高度B为60mm, θ暂取30°，桥底圆角R为3mm，并增添 半圆形桥墩。

2.2.5 分流桥的设计

其他尺寸设计以下 分流比为：K =20.43；上下模直径：280mm；上模厚度：60 mm；下模厚度：60 mm；上下模插入深度：5 mm；上下模插入部份 厚度10 mm；定位孔直径：Ф16 mm；定位螺钉直径：M12。

2.3 模具建模

2.3.1 构建上模

起首 经由过程 绘制上模最年夜 外径，经由过程 拉伸获得 高位60mm直径Ф为280mm的圆柱体。接着在其一端面上绘制分流孔（周边对称的四个分流孔），经由过程 切除生成份 流孔。然后凭据 已 计较的焊合角θ，经由过程 倒角敕令 对分流桥进一步编纂 ，并对每一个 分流孔四角倒圆角。再绘制桥墩，并经由过程 拉伸敕令 构建出除模芯之外的上模主体布局。再次是凭据 模芯的各项参数，设计出模芯。最后绘制并出产中央 分流孔。如图2-3所示：

2.3.2 构建下模

绘制焊合室根基 草图如图2-4所示，选择拔模斜度，切除出产焊合室，然后倒圆角。再凭据 模孔各项参数绘制并出产模孔。其有限元挤出成型如图2-5所示：

图为：汽车碰撞粱铝型材挤压模具上模设计平面图

图为：汽车碰撞粱铝型材挤压分流模下模设计图

图为：汽车碰撞粱铝型材挤压分流设计有限元3D模子

3 仿真后果阐明及优化

3.1 仿真后果阐明

型材的挤出后果影响身分 有许多 ，但最直接的是工作带的长度，第一次挤出后果的工作带长度以下 图所，如图3-1所示：

每一项的阐明均采取 步数划分为1、20、100、200、260的图形和数据。坯料的初始温度为480℃，挤压速度 为0.5mm/s。

图3-1 第一次仿真工作带的长度

（1）从成品 的外形阐明：

图3-2 入手下手挤压的外形 图3-3 分流孔时的挤压外形 图3-4焊合室时的挤压外形

图3-5 入手下手挤压的外形 图3-6第200步挤出成品 的放年夜 图

图3-7 铝成品 快分开工作带时的外形 图3-8 第260步成品 的放年夜 图

从上面几图可见，在所有的图中，分流桥、焊合室里的坯料都很正常，不需要阐明。主要阐明挤出的型材的外形 。图3-6中，起首 1处的型材有些凸出，别的 1处的挤出长度相对 2处的较短，2处和 周边的都对照 公道 。图3-8中，在挤出成品 快于工作带星散 出，4处泛起 严重畸形，别的 5处相对 3处的长度差别 ，也渐渐 地变年夜 。

（2）从破坏 阐明

图3-9 入手下手挤压时的破坏 图图3-10分流孔时的破坏 图图3-11焊合室时的破坏 图

图3-12入手下手挤压时的破坏 图图3-13 成品 快与工作带星散 时的挤压图

在加工进程 中，工件的毁伤 主要由于磨擦 和压力而发生 ，而且应力年夜 的地方，磨擦 年夜 的地方，毁伤 年夜 。由图可知坯料进入分流孔后四周 都与分流孔发生磨擦 ，金属流与分流孔接触的地方毁伤 对照 年夜 6处和7处，当进入焊合室后，金属流是悬空状况 ，毁伤 有所削减 如8处，在成型阶段工作带四周 区域应力和磨擦 最严重，此处毁伤 到达 最年夜 。但整体 看来其值都不是很年夜 ，故对型材的挤压影响不是很年夜 。由于 在挤压的时刻 ，型材的截面积很小，所以每挤出一点成品 ，未进分流孔的坯料、分流孔里的坯料和 在焊合室的坯料转变 都很小，几近 不动，所以整体破坏 不年夜 。从破坏 的图阐明公道 。

（3）从应变阐明：

图3-14 挤压时的应变图图3-15分流孔中的应变图图3-16 焊合室中的应变图

图3-17 入手下手挤压时的应变图图3-18 成品 将近 与工作带星散 时的挤压图

金属进入分流孔后，在接近 分流孔进口 出的金属应变相对对照 年夜 ，如9地方 示，对照 公道 。进入焊合室以后 ，由于通道忽然加宽且金属前端和四周 没有磨擦 ，焊合室中的金属应变较小。以后 由于接触焊合室底部而受阻，金属受力不竭增添 ，应变入手下手上升，但上图在10处比9处较高，故公道 。在金属成形中，金属活动 的通道变得最小变小，应变增添 ，但12和13显示却很小，此次仿真在工作带处也不公道 。

(4)从应力阐明

入手下手坯料等效应力较小，在颠末度 流孔分流后，由于遭到 分流桥等的阻力，在以上模上外观为基准的上下双方 应力较年夜 ，如14所示，而离该面较远的地方的坯料应力较小，当金属流在焊合室碰到 焊合室底部及今后 ，金属流碰到 的阻力再次增添 ，此进程 中，全部 坯料的应力都在增添 ，而在上模以上的坯料应力较小的区域不竭减小如15到16所示，当金属流焊归并 入手下手挤压出型材时，全部 坯料根基 都酿成 淡蓝色，年夜 概是30MPa阁下 ，如图3-22和图3-24，应力集中主要显露在模芯也模孔四周 ，此处的应力相对 其它位置要高许多 ，但图中17处色彩 转变 不是很明明与全部 坯料主题色彩 差别 较小，故此次仿真在17处应力不是很公道 ，当成品 与工作带星散 了，则此处的金属没有磨擦 ，前端也没有阻力，处于悬空状况 ，此处的应力减小，如18所示年夜 概小于20MPa，此处对照 公道 。

图3-19 入手下手时的应力求图3-20 分流孔的应力求图3-21 焊合室的应力求

图3-22 入手下手挤出成品 时的应力求图3-23 入手下手挤出成品 时工作带处的应力求

图3-24 成品 快于工作带星散 时的应力求图3-25 成品 快于工作带星散 时工作带处的应力求

（5）从温度阐明：

由于坯料的温度比模具的初始温度高30℃。模具与工件之间存在温度差，它们之间发生热传递，所以坯料的温度不竭下降 ，模具的温度不竭增添 ，除此之外，模具和工件之间的磨擦 也会发生 热量，使得温度也会响应 的升高，特别 是在工作带处，间隙很小而且挤压力在此处较年夜 ，所以磨擦 严重，温度到达 了最年夜 ，如图19处温度比20处高，21处比22处高，但21处比19处要低，是由于 跟着 挤压的进行，坯料的热量不竭散掉 所酿成的 。在全部 挤压进程 中温度时刻不竭的转变 。上图所示温度较公道 。

图3-26 入手下手挤压时的温度图3-27 分流孔中的温度图3-28 焊合室中的温度

图3-29 成品 入手下手挤出时的温度图3-30 成品 入手下手挤出时工作带处放年夜 的温度

图3-31 成品 与工作带星散 时的温度图3-32 成品 与工作带星散 时工作带处的温度

3.2 模具优化

3.2.1 点窜 后的工作带长度及对坯料进行局部网格划分的调剂

图4-44 优化后的工作带高度

3.2.2 优化后的仿真后果阐明

每一项的阐明均采取 步数划分为1、40、110和 二次挤压的10、150步的图形和数据。坯料的初始温度为480℃，挤压速度 为0.5mm/s。阐明方式 同前。

（1）从成品 外形阐明：

从图中可以看出，主要阐明后两阶段，刚入手下手挤出型材时，都平齐且挤出结果 很好。当成品 分开工作带后一段距离时，成品 仍不错。没有泛起 之前严重变形的情况，固然 前端部份 地方都不是很平齐，但刚入手下手挤出的前端是如许 很正常。

（2）毁伤 阐明：

由于之前第一次仿真已 阐明过毁伤 了，而且优化后毁伤 阐明依然 公道 。阐明进程 如第一次近似。

（3）等效应变阐明：

金属进入分流孔后，在接近 分流孔进口 出的金属应变相对对照 年夜 ，进入焊合室以后 ，由于通道忽然加宽且金属前端和四周 没有磨擦 ，焊合室中的金属应变较小。以后 由于接触焊合室底部而受阻，金属受力不竭增添 ，应变入手下手上升，如第一次阐明依然 公道 ,。在金属成形中，金属活动 的通道变得最小变小，应变增添 ，如图跟着 挤压的进行，应变增年夜 ，公道 。由于金属跟模具之间的磨擦 发生 的，许多 应变对照 年夜 的地方都发生在金属的外观。但整体来讲 ，应变都不是很年夜 。

（4）等效应力阐明：

一入手下手坯料等效应力较小，在颠末度 流孔分流后，由于遭到 分流桥等的阻力，在以上模上外观为基准的上下双方 应力较年夜 ，而离该面较远的地方的坯料应力较小，当金属流在焊合室碰到 焊合室底部及今后 ，金属流碰到 的阻力再次增添 ，此进程 中，全部 坯料的应力都在增添 ，而在上模以上的坯料应力较小的区域不竭减小，前三阶段如第一次仿真，后果邻近 似，公道 。当金属流焊合室并入手下手挤压出型材时，全部 坯料应力变年夜 ，应力集中主要显露在模芯也模孔四周 ，此处的应力相对 其它位置要高许多 ，当成品 分开工作带后，前端由于 没有磨擦 也没有阻力，故应力入手下手减小，故优化后的应力公道 。

（5）温度阐明：

由于坯料的温度比模具之间存在温差，它们之间发生热传递，所以坯料的温度不竭下降 ，模具的温度不竭增添 ，模具和工件之间的磨擦 也会发生 热量，使得温度也会响应 的升高，特别 是在工作带处，间隙很小而且挤压力在此处较年夜 ，所以磨擦 严重，温度到达 了最年夜 。在全部 挤压进程 中温度时刻不竭的转变 ，优化后温度公道 。

4 总结

本论文设计了一套汽车碰撞梁铝合金挤压平面分流组合模具。起首 肯定 汽车碰撞梁的材料、外形 、尺寸、机能 等要求。再肯定 挤压机和挤压模具的各项尺寸和材料参数等，构建三维模子 ，包孕 上模、下模、挤压筒、挤压垫片、坯料。最后导入DEFORM-3D软件，进行有限元仿真，获得材料变形时的应力场、应变场、温度场、毁坏场。阐明材料变形特点，为了使材料变形加倍 平均 ，优化分流挤压模具布局，如焊合室高度、工作带高度，终究 获得对照 抱负的挤压模具和对照 抱负的成品 。

4.1 模具设计进程 中要注重的事项

（1）在包管 分流桥的强度下，分流桥尽可能 要小。

（2）模孔最好能将其安设在分流桥下，让其遮盖 。

（3）焊合角最好尽可能 年夜 些，如许 可让 金属能更好地填满焊合室。

（4）模芯的长度要顺应 ，太长模芯易廉价 ，太短则对 金属在焊合室的焊合结果 可能欠好 ，所以其长度要适合 。

（5）焊合室要末 内侧壁采取 必然 斜度，要末 在在底部与侧壁毗连处采取 年夜 圆角，或 二者 兼用。

模芯的工作上面最比如 焊合室底部高1mm，即比模孔工作带上面超过跨过1mm，下端比模孔的工作带长1～1.5mm。

4.2 DEFORM-3D仿真前处置中注重事项

（1）在导入DEFORM-3D之前，先在三维软件中调剂 好位置，如许 出产的STL文件导入DEFORM-3D，处置会利便许多 。

（2）网格细化时，特别 是坯料，对 分歧 地方其网格划分纷歧 样，越接近工作带处，越细，这就要添加网格细化局部窗口，为了结果 较好，建议是3～4个，并建议网格比例较小的调至上面，这是由于 当两个窗口重应时 ，尝试得出，重合部份 的网格根基 是放置 在上面的局部窗口划分。对 模具划分时，在上下模的工作带处为了让工作带很好，可以采取 两个局部窗口，建议个中 一个比例为0.5～0.1都可 以，在工作带处天加比例为0.05～0.01的窗口。经尝试可得，如许 划分获得 的工作带结果 很好，而且过渡处也会很好，不建议采取 一个窗口的缘由 ，是由于 网格是相对网格，经尝试证实 ，若采取 一个窗口，比例再小，其细化后果都欠好 。