电动自行车电池外壳铝型材挤压模结构优化设计

康攀

2021-10-25 02:59

1 模具结构初始设计方案及分析

1.1 模具结构初始设计方案

图1所示为某电动自行车电池外壳用的矩形框铝型材横截面。该型材属于矩形空心件，矩形长宽比接近2，矩形框上有8个圆形凸台。在保证模具零件强度的前提下，为了使金属流动更均匀，根据型材挤压形状的实际需要，模具初始设计采用蝶形、4分流孔结构，分流孔前端设置15 mm的入料口位置下沉，上模结构如图2所示。

图1 型材截面

图2 初始上模结构

1.2 初始方案分析

模拟分析采用专用铝型材热挤压模拟分析软件Inspire，模拟分析和试模的工艺参数如表1所示。

表1 挤压模拟参数

图3（a）所示为初始模具方案的型材出口流速模拟云图，长短边挤出速度相差较大，各边中点位置均比相邻部位流速快，流速均方差为7.91。这样的流速分布会导致挤压加工过程中，型材的长边和短边出现波浪起伏。图3（b）所示为实际试模的料头，型材短边波浪变形较明显，与模拟分析结果一致，因为短边的材料流入补给的流动阻力较小，因此流速较快。

图3 初始方案型材出口流速分布和实际试模料头

图4（a）所示为模具应力分析云图，模具最大应力在分流桥的根部，为1 466.42 MPa，超出了材料屈服强度1 000 MPa。蝶形分流模的分流桥在工作过程中受较大的应力^[6,7]，当其所受的应力值超出了模具零件材料在工作温度下的屈服强度时，该位置容易发生变形积累，最后出现裂纹损伤，导致模具失效。图4（b）所示为经一定次数挤压后失效的模具零件，图中失效点出现了裂纹，失效部位与模拟预测结果一致。

图4 初始方案模具受力云图和实际失效模具零件

2 模具结构优化设计

2.1 优化方案

为了减小模具所受应力，结合工程经验提出了3种模具结构的优化方案，如图5所示。其中，方案1在初始方案的基础上取消入料口下沉结构，方案2将上模的分流孔数量增加至6个，方案3在初始方案的上模上方增加一块导流块。

图5 模具结构优化方案

2.2 优化结果分析

2.2.1 取消入料口下沉方案

图6（a）所示为取消入料口下沉后的型材出口流速分布，型材短边流速快、长边流速慢，流速均方差为8.39；实际挤出料头的变形趋势与模拟结果中流速的分布相同，如图6（b）所示，流速较快的短边翘曲、较慢的长边内凹，对比初始模拟结果，取消入料位置下沉，流速分布情况会变差，短边流速加快，长边流速减慢，长短边流速差异变大，模拟结果较好地预测了实际料头的变形趋势。长边中间位置的凸台附近流速较快，因为凸台壁厚较厚，对应模孔较大，材料供应充足且阻力较小，因此流速较快。

图6 优化方案1型材出口流速分布云图和实际试模料头

图7（a）所示为方案1的上模应力分布云图，上模所受最大应力出现在分流桥与模芯连接的根部，最大值达到1 597.74 MPa，超出了模具在工作温度下的屈服强度，随着挤压次数的增加易出现损伤。在实际生产过程中，该模具在生产了一定数量棒料后，分流桥根部位置产生裂纹，如图7（b）所示，生产结果与模拟分析结果一致。由此可以看出，该方案与初始方案的模具失效形式相似，说明入料口位置有无下沉对结果影响不大。

图7 优化方案1模具受力云图和实际模具失效

2.2.2 增加分流孔个数

方案2在初始方案的基础上将分流孔数量从4个增加到6个。图8（a）所示是该方案的型材出口流速分布云图，型材流速仍然是短边快、长边慢，但流速均匀性有了明显改善，流速均方差只有5.58。生产试模结果也显示型材整体流速较均匀，不再出现初始方案和优化方案1中长边凹陷的现象。短边流速仍然快，导致料头的短边产生了卷曲，如图8（b）所示。

图8 优化方案2型材出口流速分布云图和实际料头

图9所示为优化方案2对应的上模应力分布云图，上模受到最大应力为1 054.94 MPa，比初始方案和优化方案1中的模具所受应力都要小，因为优化方案2的模具增加了分流孔的个数，承受应力的分流桥个数增加且金属到达模腔时流动性更大，因此模具危险点受力与初始方案和优化方案1相比有所减小，说明增加分流孔能减小模具所受到的应力。

图9 优化方案2上模应力分布云图

2.2.3 增加导流块

方案3在上模前端增加一块厚度为110 mm的导流块，金属材料首先经过导流块分流，再进入上模。加入导流块后，型材出口流速分布模拟结果如图10（a）所示。

图10 优化方案3型材出口流速分布和实际试模料头

由图10（a）可知，短边流速整体较慢，中点位置流速最慢；长边流速较快且中点位置流速最快，降低了短边流速，增大了长边流速，流速均方差为7.79，对流速分布改善明显。图10（b）所示为实际试模料头，长边流速比短边快，开始卷曲，且长边中点位置有波峰，符合流速最快的模拟结果。短边在中点位置有波谷，与模拟结果一致。导流孔能起到对金属进行预分配的作用，有效控制长短边的流速，因此，带导流块的情况下型材短边流速较慢，长边流速较快，虽然最大流速差仍然较大，但反转了快慢的趋势，弥补了长边不易成型的缺陷。由图10（b）可以看到，短边不再翘曲，型材整体变形较为均匀。

图11所示为优化方案3对应的上模应力分布云图，导流块在材料到达上模前先起到分流作用，降低了上模分流桥承担的压力，模具危险点的受力为916.29 MPa，小于模具在工作温度下的屈服强度，实际挤压过程中不易失效，故增加导流块可以减少上模所受应力。

图11 上模应力云图

2.3 最优方案确定

根据初始方案和3种优化方案模拟与实际挤压结果分析，得出图12所示的4种方案模具受力与流速均方差对比。从模具危险点受力的对比可以看出，取消入料口沉桥方案危险点受力反而更高，而增加分流孔数目和增设导流块都能较好的改善危险点受力；从流速均方差的对比可以看出，3种优化方案中，取消入料口沉桥方案和增加导流块方案流速并未得到改善，而增设分流孔方案改善了型材流速分布情况，使流速分布更均匀。

图12 4种方案模具受力与流速均方差对比

4种方案挤压力变化曲线如图13所示，增加分流孔数目时会使挤出型材所需的挤压力升高，降低了生产效率，同时分流孔的分布方式影响了模腔内金属的流动，导致挤出型材变形不均匀。综合考虑，增设导流块是较好的模具结构优化方法。

图13 4种方案挤压力变化曲线

附件：

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