基于Inspire Extrude的铝型材稳态模拟及生产验证

王 旭，黄征昊，李 璞，于泉有，鲍星毅

（江阴金属材料创新研究院有限公司，江苏 无锡 214400）

0 引言

铝合金型材广泛应用于建筑、船舶、交通运输、航空航天、医疗等领域。铝型材种类繁多、结构复杂、应用场景多，轻量化替代等工业需求旺盛，使其挤压模设计及制造的要求越来越高[1]。模具结构设计是否合理将影响型材的形状、尺寸以及模具的使用寿命。传统的模具设计依靠生产经验进行，需要多次试模、修模，消耗大量的人力物力，模具开发成本高、生产效率低[2-4]。在当前模具结构越来越复杂的背景下，传统设计模式受到很大制约。利用计算机数值仿真技术模拟型材流动情况，针对性地对挤压模进行优化设计，减少或避免铝型材的挤压缺陷，将缩短模具开发时间，节省开发成本。

国内外学者在铝型材挤压成形仿真模拟领域进行了大量研究，常用的仿真模拟软件有Deform-3D、Surper Forge和Inspire Extrude，这3种模拟软件是拉格朗日（Lagrange）描述法、欧拉（Euler）描述法、任意拉格朗日-欧拉（ALE）描述法的典型代表。拉格朗日描述法和欧拉描述法均有各自的优点，但缺点也明显，前者当区域变形较大时，网格畸变严重，重划分网格占用大量的时间，且造成体积损失；后者计算效率低，耗费大量的计算资源；而基于ALE算法的Inspire Extrude软件采用自适应网格划分技术，集合了2种算法的优点，避免了焊合区网格重划分导致的网格畸变和体积损失，可在较短时间内获得高精度的仿真结果[5-8]。

型材横截面速度均匀性将影响型材成型质量，其截面金属流动速度差越小，则型材变形量越小，平面度也越好；速度差越大，则可能产生扭拧、波浪、弯曲等缺陷，同时可能缩短模具使用寿命。针对某汽车用多孔空心型材及初始模具设计，基于Inspire Extrude仿真软件，分析稳态挤压过程中型材速度分布。针对初始模拟结果，有针对性地对模具结构进行优化设计，直到获得金属流速较均匀的模具，最后进行生产验证。

1 型材结构说明及模具设计

如图1所示，研究的型材为多孔复杂型材，其长度为131 mm，宽度为25 mm，型腔形状大小不一，壁厚最厚为12 mm，最薄为3 mm，截面积为1 522 mm2。该型材使用某型材厂1.8×105kN正向挤压机进行生产，挤压筒直径为φ210 mm，坯料直径为φ203 mm，挤压比为22.7。

图1 型材结构

根据型材结构特点，采用分流组合模，如图2所示，芯模设置5个分流孔，每个分流孔对应产品上筋条的位置，以增加进料；芯头部位与分流桥平滑连接，尽量避免产生尖角。凹模采用蝶形焊合室，焊合室的深度为18 mm。根据实际挤压机模架及模套的尺寸要求，芯模、凹模直径均为φ278 mm，芯模厚度设置为105 mm，凹模厚度设置为93 mm。

2 模拟前处理

2.1 挤压参数设置

模拟前处理设置中，采用与实际生产相同的工艺参数，如表1所示。其中，结合该型材定尺1 560 mm、挤压比22.7的要求，棒料长度设置为350 mm。

表1 挤压工艺参数设置

2.2 网格划分

将分流孔、焊合室进行区域划分为3个部分，分别为分流孔（portholes）、焊合室（weldchamber）、接触腔（pocket），软件根据名称自动识别进行网格划分并进行网格细化。本模型共划分网格989 116个，挤压模型设置如图3所示。

图3 模型网格划分

3 模拟结果及模具结构优化

3.1 初始模拟结果

将模型导入Inspire Extrude软件中，并按照表1设置挤压参数，迭代次数设置为25次，回归精度为0.01 mm，进行稳态模拟运算。型材挤出整体位移云图如图4所示，型材截面速度及相对出口速度差异如图5所示。由图4可看出初始模拟中，型材出口变形不均匀，其左上角部位变形量最大，右下角变形量次之。由图5可以看出，左上角矩形部位流速最大，速度约为95.68 mm/s，相对出口差异为110.80%；中间斜筋部位速度最小，约为14.48 mm/s，相对出口差异为-67.78%。型材截面流速最大值与最小值相差84.87%，为使型材流速均匀，需要对模具结构进行优化。

图4 型材挤出整体位移云图

图5 型材截面速度及相对出口速度差异

3.2 模具结构优化及模拟结果分析

根据初始模拟结果对模具结构进行优化，如图6所示。其中，结合模具整修经验，对型材流速较快的部位增加3段阻流块，其尺寸分别为12 mm×5 mm×5 mm、8mm×3 mm×3 mm、10 mm×2 mm×2 mm，对中间直筋和斜筋部位增设引流槽，引流槽与分流桥之间倒角过渡。

图6 模具结构优化

将优化后的挤压模导入Inspire Extrude软件中进行挤压模拟，型材挤出整体位移云图如图7所示，型材截面速度及相对出口速度差异如图8所示。由图7可以看出，型材挤出变形量差异较图4有较大改善。由图8可以看出，与模具结构优化前相比，型材出口流动速度均匀性有较大改善，型材壁厚流速最大为54.71 mm/s，相对出口速度差异为22.46%；型材截面流速最小的位置是中间斜筋部位流速，为35.59 mm/s，相对出口速度差异为-20.62%；截面最大流速和最小流速相差33.94%。

图7 模具结构优化后型材挤出整体位移云图

3.3 调整工作带长度及模拟结果分析

模具工作带长度初始设置均为7 mm，对优化后的模具进行工作带优化模拟，将工作带进行分组设置，每一个特征边设置4～6个特征点（见图9）。将特征点输入Inspire Extrude软件中，使用该软件自动优化工作带功能进行分析。优化后的型材挤出整体位移云图如图10所示，型材截面速度及相对出口速度差异如图11所示，所获得的优化后的工作带长度如图12所示。可以看出型材截面形状较为平整，流速较为均匀，出口速度最大值为45.73 mm/s，相对出口差异为2.72%；速度最小值为41.94 mm/s，相对出口差异为-5.88%，速度差为8.04%。

图8 模具结构优化后型材截面速度及相对出口速度差异

图9 工作带设置特征点

图10 工作带优化后型材挤出整体位移云图

图11 工作带优化后型材截面速度及相对出口速度差异

图12 优化后工作带

3.4 生产验证

根据工作带优化后的模具结构设计图制作模具，经过实际上机试模生产，型材料头平整，整体平直，未出现扭拧、波浪、弯曲等缺陷，对型材进行相关检测分析，其性能指标符合技术要求。

4 结束语

对某复杂型材先进行初始模具设计，按照实际技术参数使用Inspire Extrude进行挤压模拟，根据模拟结果对模具结构及工作带进行优化改进，并经生产验证，实际生产情况与模拟效果基本一致。通过该案例的分析得出如下结论。

（1）针对某特定型材，根据其结构特点，可以先进行模具设计，然后导入模拟软件中进行仿真分析，并根据仿真模拟结果针对性地改进模拟设计。

（2）模具优化过程中，根据模拟挤压效果，可以综合引流槽、阻流块、工作带长度等进行改进，该过程可能需要往复多次改进，直到截面流速均匀为止。经优化，型材出口截面最大出口差异由110.80%降至-5.53%，最大速度与最小速度差由84.87%降至8.04%。

（3）通过计算机仿真模拟型材挤压过程代替传统的试模、改进、再试模等过程，可以直观地观测挤压流速、位移、温度等挤压效果，降低生产成本及缩短模具设计周期。