1 简介
由于纯铝较软，且富有延展性，易于塑性成形。添加各种合金元素形成的铝合金有更高的强度、材料组织性能也得到大大改善，以及会得到其他各项更好的性能，从而能满足更多的生产需要。铝合金可以加工成各种加工材，如板、带、条、箔、管、棒、型、线、自由锻件和模锻件等。也可以铸造成各种铸件，压铸件等铸造材。加工材和铸造材又可以分为不可热处理强化型铝合金材料和可热处理强化型铝合金材料。
1.1 挤压工艺简介
作为塑性加工的一种有效手段，挤压用于高性能铝型材的加工受到越来越广泛应用。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，获得所需断面形状和尺寸的一种塑性加工方法[2]，如图1所示。
图1 铝型材产品挤压的基本原理
按照挤压时金属的流动方向不同，挤压工艺可分为正挤压、反挤压和复合挤压;按照坯料的温度范围可分为冷挤压、温挤压和热挤压。金属的挤压成形是一种先进的少无切削加工工艺，它具有省料、节能和节省机械加工工时、工件性能高等一系列优点，因此越来越受到人们的青睐[1,3]。
近年来，除了改进和完善正反向挤压及其工艺外，许多强化挤压过程的新方法、新工艺也在不断的出现，并且在实际中得到了应用。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、精密气、水（雾）冷在线淬火挤压、等温挤压、高效反向挤压、连续挤压和连铸挤连挤技术、形变热处理、特种拉伸—辊矫等新技术、新工艺有以下意义:扩大铝型材的品种、提高产品品质、提高挤压速度和总的生产效率、发掘铝型材的潜力、减小挤压力、节约资源、减少成本等。
1.2 模具在铝型材挤压中的作用及工作原理[5]
挤压工具可分为大型基本工具和模具。模具包括模子、穿孔针等直接参与金属变形且消耗比较大的工具，模具是最重要的挤压工具，在现代化的大生产中，工具和模具对实现整个挤压过程都具有十分重要的意义。模具寿命长短是评价一个挤压方法是否具有可行性的决定因素，工、模具的设计和制造质量是实现挤压生产优质、高产、低耗的最重要的保证之一。
（1）合理的模具结构是实现任何一种挤压工艺过程的基础。它是使金属产生挤压变形和传递挤压压力的关键部件。在挤压过程中，依靠挤压轴输出压力，有挤压筒盛放铸锭并使之在强烈的三向压应力作用下产生变形，模具是使金属最后完成塑性变形获得所需形状的工具。目前的条件下，还不能想象无挤压筒，无模具的挤压工艺。
（2）工具和模具是保证产品内外表面质量的重要因素之一。模具自身的表面光洁度、表面硬度等因素对产品的内外表面光洁度有着决定性的影响，只有通过精磨抛光和氮化处理、表面硬化处理的模具才能挤压出表面光洁度高的制品。表面光洁、过渡圆滑的工模具能保持挤压产品的光洁表面，使之经过表面处理后厚度均匀、色调美观、附着牢固的表面氧化膜。
（3）模具是保证产品形状和精度的基本工具。只有结构合理、精度和硬度合格的模具，才能实现产品的成形并具有精确的断面尺寸和内外廓形状。另外，合理的模具和工具设计能保证产品具有最小的纵向弯曲和横向波浪度，最小的翘曲和扭曲。
（4）合理的工模具结构、形状尺寸，在一定程度上可控制产品的内部组织和力学性能，特别是在控制空心制品和焊缝组织与力学性能方面，分流孔的大小和形状以及其分布位置，焊合腔的形状和尺寸，模芯的结构等起着决定性的作用。挤压垫片、挤压筒和模子的结构形状与尺寸，对控制产品的粗晶环和缩尾、成层等缺陷也有一定的作用。
（5）挤压筒、挤压轴、挤压垫片和模子的结构形状与尺寸对挤压时金属的流动景象、挤压速度和挤压力等都有很大的影响，合理的设计与制造模具，对于提高生产效率、提高产品的质量减少能耗等有着重大的意义。
（6）新型的工模具结构，对于发展新品种、新工艺，不断提高挤压技术水平起着很大的作用。如舌形模、平面分流组合模的出现，使空心制品的挤压进入了一个崭新的阶段，多层预应力组合模具的研制成功使冷挤压获得了迅速的发展等。
（7）合理的工模具设计与制造能大大提高工模具的使用寿命，这对于降低产品成本有着十分重要的意义。
（8）合理的工模具设计对提高其卸载与更换速度，减少辅助时间，改善劳动条件和保证生产安全等方面有着十分重要的意义。据国内外一些资料的统计，在生产中等批量的挤压产品时，工模具的成本往往占挤压总成本的35%一50%。如果使用寿命提高一倍，则产品的成本约降低20%左右。模具属易损多耗工具，目前的使用寿命仍是十分低的，如果将其寿命提高5～10倍，则产品的成本可大幅度下降。
平面分流组合模的工作原理是实心铸锭通过挤压机挤压力的作用，被分成几股金属流，再在焊合室汇集，并在高温，高压，高真空的环境下又重新被焊合，最后通过模芯和模子之间形成的间隙流出[6]，从而形成符合一定尺寸要求和性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应用于包括锻造、挤压、墩头、轧制、自由端、弯曲和其他成形加工手段。它是是一套基于工艺模拟系统的有限元系统（FEM）,专门设计用于分析各种金属成形过程的三维流动，提供极有价值的工艺分析数据，及有关成形过程中材料和温度流动。
DEFORM-3D是模拟3D材料流动的理想工具。它有强大的模拟引擎，能够分析金属成形过程中多个关联对象耦合作用的大变形和热特性。它还具有优良的自动网格重划分生成器，在任何必要时能够自行触发，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，从而大大减少计算时间，提高效率。DEFORM-3D的图形界面强大而又灵活，为用户准备输入数据和观察结果数据提供了有效工具。DEFORM-3D还提供了对于3D过程模拟极为重要的3D几何操纵修正工具。其计算精度和结果可靠性被国际成形模拟领域公认为第一。
1.3.2 DEFORM特点[7]
在材料成形、热处理和机加工领域中，采用有限元方法开发和设计模具、刀具的产品已达到70%以上，有限元分析已成塑性加工中广泛使用的工具。
DEFORM—3D是一套基于模拟系统的有限元系统（FEM），专门设计用于分析各种金属成形过程中的三维（3D）流动，提供极有价值的工艺分析数据，及有关成形过程中的材料和温度流动。典型的DEFORM—3D应包括锻造、挤压、墩头、扎制、自由锻、弯曲和其它成形加工手段。
（1）DEFORM-3D是在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析。适用于冷、热、温成形，提供极有价值的工艺分析数据。
（2）全自动网格再划分，前处理自动生成边界条件，数据准备快速可靠。
（3）集成有形设备模型，如：液压压力机、机械压力机、锤锻机、轧机、螺旋压力机、摆辗机和用户自定义类型（如膨胀成形）。
（4）表面压力边界条件处理功能适用于解决膨胀成形工艺模拟，单步模具应力分析方便快捷，适用于多个变形体、组合模具、带有预应力环时的成形过程分析，材料模型有弹性、刚塑性。热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、刚性材料及自定义类型。
（5）具有FLOWNET和点迹示踪、变形、云图、矢量图、力—行程曲线等后处理功能。具有2D切片功能，可以显示工件或模具剖面结果。程序具有多联变体处理能力，能够分析多个塑性工件和组合模具应力。自定义过程可用于计算流动应力、冲压系统响应、断裂判据和一些特别的处理要求，如：金属微结构、冷却速率、力学性能等。
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，其各项参数主要是根据相关理论公式计算结合实际生产中经验值所取得，其三维图及二维工程图如下图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性能要求
材料选用铝合金6061，T6 热处理；屈服极限为215-245Mpa；抗拉强度极限大于270MPa；收缩率为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、材料参数的选取
铝型材挤压模具的设计包括理论性知识、经验性知识；既有规范性知识，又有启发性知识。在于挤压工艺方面有些参数已经给出了具体的公式[3]，但对于实际情况，例如实际环境和具体型材的变化，许多时候需要根据经验来合理设计。对于模具设计来说，首先要考虑的问题是挤压机的结构，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，收缩率为1.2%，挤压温度范围在430-520之间，故选模具钢牌号为H13。
2.2.2 挤压比的确定
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重要参数，挤压比不同，会直接影响挤压力的大小。从而会影响型材的成形和型材焊缝的质量。一般多以保证焊缝质量的提下再考虑模具的生产率。
对于分流模来40≤λ≤80，其具体计算公式如式（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。利用公式（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，故符合要求。
2.2.3 模具直径的确定
模具的外径D模由挤压筒直径D桶或型材外径确定，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<280mm符合要求。一般为了简便计算，可直接取
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
分流模的结构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起为一个整体，后者上模模套分开设计，又称之为叉架式分流桥。分流桥的宽窄由模具的强度和金属的流速确定，分流桥的高度会直接影响模具的寿命以及焊缝的质量。
在确定分流桥宽度B的准则为：其一，为增大分流比和降低挤压力考虑，B应取小值；其二，为了改善金属流动均匀性考虑，模孔最好受到分流桥的遮掩，B应取大值。为了增加分流桥的强度，一般设计时在桥的两端增加桥墩，在各种形状中，蝶形桥墩不仅可以增加桥的强度，还可以改善金属的流动，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，并增加半圆形桥墩。
2.2.5 分流桥的设计
其他尺寸设计如下分流比为：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；上下模插入部分厚度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
首先通过绘制上模最大外径，通过拉伸得到高位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），通过切除生成分流孔。然后根据已经计算的焊合角θ，通过倒角命令对分流桥进一步编辑，并对每个分流孔四角倒圆角。再绘制桥墩，并通过拉伸命令构建出除模芯以外的上模主体结构。再次是根据模芯的各项参数，设计出模芯。最后绘制并生产中间分流孔。如图2-3所示：
2.3.2 构建下模
绘制焊合室基本草图如图2-4所示，选择拔模斜度，切除生产焊合室，然后倒圆角。再根据模孔各项参数绘制并生产模孔。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模型
3 仿真结果分析及优化
3.1 仿真结果分析
型材的挤出结果影响因素有很多，但最直接的是工作带的长度，第一次挤出结果的工作带长度如下图所，如图3-1所示：
每一项的分析均采用步数分别为1、20、100、200、260的图形和数据。坯料的初始温度为480℃，挤压速率为0.5mm/s。
图3-1 第一次仿真工作带的长度
（1）从制品的外形分析：
图3-2 开始挤压的形状图3-3 分流孔时的挤压形状图3-4焊合室时的挤压形状
图3-5 开始挤压的形状图3-6第200步挤出制品的放大图
图3-7 铝制品快离开工作带时的形状图3-8 第260步制品的放大图
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，不需要分析。主要分析挤出的型材的形状。图3-6中，首先1处的型材有些凸出，另外1处的挤出长度相对于2处的较短，2处以及周边的都比较合理。图3-8中，在挤出制品快于工作带分离出，4处出现严重畸形，另外5处相对于3处的长度差异，也慢慢地变大。
（2）从损坏分析
图3-9 开始挤压时的损坏图图3-10分流孔时的损坏图图3-11焊合室时的损坏图
图3-12开始挤压时的损坏图图3-13 制品快与工作带分离时的挤压图
在加工过程中，工件的损伤主要由于摩擦和压力而产生，而且应力大的地方，摩擦大的地方，损伤大。由图可知坯料进入分流孔后周围都与分流孔发生摩擦，金属流与分流孔接触的地方损伤比较大6处和7处，当进入焊合室后，金属流是悬空状态，损伤有所减少如8处，在成型阶段工作带附近区域应力和摩擦最严重，此处损伤达到最大。但总体看来其值都不是很大，故对型材的挤压影响不是很大。因为在挤压的时候，型材的截面积很小，所以每挤出一点制品，未进分流孔的坯料、分流孔里的坯料以及在焊合室的坯料变化都很小，几乎不动，所以整体损坏不大。从损坏的图分析合理。
（3）从应变分析：
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 开始挤压时的应变图图3-18 制品快要与工作带分离时的挤压图
金属进入分流孔后，在靠近分流孔入口出的金属应变相对比较大，如9处所示，比较合理。进入焊合室之后，由于通道突然加宽且金属前端和周围没有摩擦，焊合室中的金属应变较小。之后由于接触焊合室底部而受阻，金属受力不断增加，应变开始上升，但上图在10处比9处较高，故合理。在金属成形中，金属流动的通道变得最小变小，应变增加，但12和13显示却很小，此次仿真在工作带处也不合理。
(4)从应力分析
开始坯料等效应力较小，在经过分流孔分流后，由于受到分流桥等的阻力，在以上模上表面为基准的上下两边应力较大，如14所示，而离该面较远的地方的坯料应力较小，当金属流在焊合室遇到焊合室底部及以后，金属流遇到的阻力再次增加，此过程中，整个坯料的应力都在增加，而在上模以上的坯料应力较小的区域不断减小如15到16所示，当金属流焊合并开始挤压出型材时，整个坯料基本都变成淡蓝色，大概是30MPa左右，如图3-22和图3-24，应力集中主要表现在模芯也模孔附近，此处的应力相对于其它位置要高很多，但图中17处颜色变化不是很明显与整个坯料主题颜色差异较小，故此次仿真在17处应力不是很合理，当制品与工作带分离了，则此处的金属没有摩擦，前端也没有阻力，处于悬空状态，此处的应力减小，如18所示大概小于20MPa，此处比较合理。
图3-19 开始时的应力图图3-20 分流孔的应力图图3-21 焊合室的应力图
图3-22 开始挤出制品时的应力图图3-23 开始挤出制品时工作带处的应力图
图3-24 制品快于工作带分离时的应力图图3-25 制品快于工作带分离时工作带处的应力图
（5）从温度分析：
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，所以坯料的温度不断降低，模具的温度不断增加，除此之外，模具和工件之间的摩擦也会产生热量，使得温度也会相应的升高，尤其是在工作带处，间隙很小而且挤压力在此处较大，所以摩擦严重，温度达到了最大，如图19处温度比20处高，21处比22处高，但21处比19处要低，是因为随着挤压的进行，坯料的热量不断散失所造成的。在整个挤压过程中温度时刻不断的变化。上图所示温度较合理。
图3-26 开始挤压时的温度图3-27 分流孔中的温度图3-28 焊合室中的温度
图3-29 制品开始挤出时的温度图3-30 制品开始挤出时工作带处放大的温度
图3-31 制品与工作带分离时的温度图3-32 制品与工作带分离时工作带处的温度
3.2 模具优化
3.2.1 修改后的工作带长度及对坯料进行局部网格划分的调整
图4-44 优化后的工作带高度
3.2.2 优化后的仿真结果分析
每一项的分析均采用步数分别为1、40、110以及二次挤压的10、150步的图形和数据。坯料的初始温度为480℃，挤压速率为0.5mm/s。分析方法同前。
（1）从制品外形分析：
从图中可以看出，主要分析后两阶段，刚开始挤出型材时，都平齐且挤出效果很好。当制品离开工作带后一段距离时，制品仍不错。没有出现之前严重变形的情况，虽然前端部分地方都不是很平齐，但刚开始挤出的前端是这样很正常。
（2）损伤分析：
由于之前第一次仿真已经分析过损伤了，而且优化后损伤分析仍然合理。分析过程如第一次类似。
（3）等效应变分析：
金属进入分流孔后，在靠近分流孔入口出的金属应变相对比较大，进入焊合室之后，由于通道突然加宽且金属前端和周围没有摩擦，焊合室中的金属应变较小。之后由于接触焊合室底部而受阻，金属受力不断增加，应变开始上升，如第一次分析仍然合理,。在金属成形中，金属流动的通道变得最小变小，应变增加，如图随着挤压的进行，应变增大，合理。由于金属跟模具之间的摩擦产生的，很多应变比较大的地方都发生在金属的表面。但整体来说，应变都不是很大。
（4）等效应力分析：
一开始坯料等效应力较小，在经过分流孔分流后，由于受到分流桥等的阻力，在以上模上表面为基准的上下两边应力较大，而离该面较远的地方的坯料应力较小，当金属流在焊合室遇到焊合室底部及以后，金属流遇到的阻力再次增加，此过程中，整个坯料的应力都在增加，而在上模以上的坯料应力较小的区域不断减小，前三阶段如第一次仿真，结果相类似，合理。当金属流焊合室并开始挤压出型材时，整个坯料应力变大，应力集中主要表现在模芯也模孔附近，此处的应力相对于其它位置要高很多，当制品离开工作带后，前端因为没有摩擦也没有阻力，故应力开始减小，故优化后的应力合理。
（5）温度分析：
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，所以坯料的温度不断降低，模具的温度不断增加，模具和工件之间的摩擦也会产生热量，使得温度也会相应的升高，尤其是在工作带处，间隙很小而且挤压力在此处较大，所以摩擦严重，温度达到了最大。在整个挤压过程中温度时刻不断的变化，优化后温度合理。
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。首先确定汽车碰撞梁的材料、形状、尺寸、性能等要求。再确定挤压机和挤压模具的各项尺寸和材料参数等，构建三维模型，包括上模、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、破坏场。分析材料变形特点，为了使材料变形更加均匀，优化分流挤压模具结构，如焊合室高度、工作带高度，最终获得比较理想的挤压模具和比较理想的制品。
4.1 模具设计过程中要注意的事项
（1）在保证分流桥的强度下，分流桥尽量要小。
（2）模孔最好能将其安置在分流桥下，让其遮掩。
（3）焊合角最好尽量大些，这样可以让金属能更好地填满焊合室。
（4）模芯的长度要适应，太长模芯易便宜，太短则对于金属在焊合室的焊合效果可能不好，所以其长度要适宜。
（5）焊合室要么内侧壁采用一定斜度，要么在在底部与侧壁连接处采用大圆角，或者两者兼用。
模芯的工作上面最好比焊合室底部高1mm，即比模孔工作带上面高出1mm，下端比模孔的工作带长1～1.5mm。
4.2 DEFORM-3D仿真前处理中注意事项
（1）在导入DEFORM-3D之前，先在三维软件中调整好位置，这样生产的STL文件导入DEFORM-3D，处理会方便很多。
（2）网格细化时，尤其是坯料，对于不同地方其网格划分不一样，越接近工作带处，越细，这就要添加网格细化局部窗口，为了效果较好，建议是3～4个，并建议网格比例较小的调至上面，这是因为当两个窗口重合时，实验得出，重合部分的网格基本是安排在上面的局部窗口划分。对于模具划分时，在上下模的工作带处为了让工作带很好，可以采用两个局部窗口，建议其中一个比例为0.5～0.1均可以，在工作带处天加比例为0.05～0.01的窗口。经实验可得，这样划分得到的工作带效果很好，而且过渡处也会很好，不建议采用一个窗口的原因，是因为网格是相对网格，经实验证明，若采用一个窗口，比例再小，其细化结果都不好。
