新能源汽车结构件型材挤压模设计及优化.pdf

44【摘要】针对新能源车用硬质铝合金挤压型材力学性能偏低、力学性能稳定性差、型材开裂以及水淬后型材弯曲扭拧的缺陷。文中分析产品性能，并对模具结构进行分析和优化。结果表明：优化后的模具结构能成功地改善型材力学性能，表面质量和尺寸精度，是一种可以复制推广的模具结构。【关键词】抗拉强度；挤压力；厚度；焊合室；分流孔Design and Optimization of Extrusion Die for Structural Parts of New Energy VehicleYeDonghui（FujianNanpingAluminumIndustryCo.,LTD.,Nanping353000,Fujian）【Abstract】Aimingatthedefectsoflowmechanicalproperties,poormechanicalstability,crackingofprofilesandbendingandtwistingofprofilesafterwaterquenching.Thispaperadjusttheproductionsituation,andthestructureofthediewasanalyzedandoptimized.Theresultsshowthattheoptimizedmoldstructurecansuccessfullyimprovethemechanicalproperties,surfacequalityanddimensionalaccuracyoftheprofiles,itisakindofmoldstructurethatcanbecopiedandpromoted.【Key words】tensilestrength;extrusionforce;thickness;weldingchamber;baffleplate引言近年来，汽车轻量化是全球汽车产业共同追求的目标，在新能源汽车轻量化的进程中，铝合金材料的应用潜力巨大，一台车铝合金用量大约在 350kg 左右，但因汽车用铝型材不等用于建筑型材及普通工业材，不但要求型材的尺寸公差，还特别要求型材的力学性能。这些要求常规的 6063 合金无法达到，新能源汽车用铝型材的常用合金为 6005A、6061 及 6082。这三种的合金的流动性较差、可挤压性较低、挤压速度无法加快，进而导致型材的力学性能难以达标。严重影响到挤压效率与成品率。1 型材结构特征与成型分析图 1 所示是一款新能源汽车结构件型材，要求两圆的孔心距、孔径尺寸及侧平面垂直于两圆心连线的垂直度不大于 0.3，力学性能需满足抗拉强度 310MPa、屈服强度 260MPa、延伸率 A50 6%。圆孔是用于型材后续加工后插入对接销子。孔内径尺寸要求严格，孔径过大时容易造成对接不牢靠，有缝隙影响使用强度；孔径过小或者焊合不良容易插销时引起开裂。因此，要求全部碱洗和扩口焊合检查。图 1 构件型材截面图型材合金状态为 6082-T6，而 6082 合金流动性较差，可挤压性较低，在生产过程中需保证型材挤压出口温度 540，采用强水冷工新能源汽车结构件型材挤压模设计及优化叶东辉（福建省南平铝业股份有限公司，福建南平353000）作者简介：叶东辉（1985.5），毕业于福州大学机械及自动化学院材料成型与控制工程专业，工程师。收稿日期：2023 年 4 月福 建 冶 金 2 0 2 3 年第 4 期 45艺确保型材力学性能，同时需控制水冷过程型材急速冷却引起的型材弯曲扭拧、尺寸变形等缺陷1。2 模具结构设计2.1 挤压机的确定为提高日产量，选择 36MN挤压机开发多孔模，挤压筒内径为 285mm，铸锭的直径为278mm。经计算，开发双孔模具的挤压比宜为56.44，但是在多孔模中且大吨位的挤压机台中，其经向上存在较大压力梯度差会使金属流动变的更加复杂，使得型材对称位置处于模具不对称位置部位，使流速难以一致，尺寸精度难以保证。2.2 型材出料方式的选择由于型材表面质量要求高，为避免型材生产时在牵引、拉伸、锯切翻料过程中产生碰伤、划伤缺陷，因而不能采用流速相对容易保持平衡的上、下孔出料方式设计，而采用左、右孔并排出料的方式，这也增加了调整流速平衡的难度。由于型材侧边实心部位流速较腔体部位容易快，为保证挤压过程各部位的金属流速趋于平衡，将侧型材实心平模部分靠模具的外侧即远离中心位置2。2.3 模具设计方案的制定根据以往模具设计经验，针对该产品拟定两个方案，分别为方案 A、方案 B。下面为两个设计方案的设计思路。方案 A：根据确定好的出料方式，采用高速降压模具设计思路，上模厚度尽量减薄，确定上模厚度 55mm，下模厚度 70mm，模垫厚度 75mm。其主要参数如下：（1）分流比为K=8.96；（2）分流桥的宽度为 18mm，分流桥采用水滴形结构，舌芯主桥宽 24mm；（3）型孔尺寸设计按照 1.01 系数放大。下模在焊合室设计阻挡墙分割出独立焊合室，以防止两模孔间金属流互相影响或干涉，并防止模孔间形成挤压的刚性或死区而影响型材表面质量和力学性能。由于两模孔间的成型互不干涉，所有工作带可按照单孔模取值，同样可保证各模孔流速一致3。考虑模芯较小，保证舌芯的强度与刚度前提下，设计时减少了下模焊合室深度，同时缩短舌心长度，其焊合室深度按取值 20mm。并采用二级焊合室，提高出口型材温度。A 设计方案模具结构图见图 2。图 2 方案 A 模具结构图方案 B：采用加深分流孔行程，确定上模厚度 80mm，下模厚度 70mm，模垫厚度 50mm。通过上模入口沉桥，减薄中间模桥宽度，增加供流量的同时进而减少挤压力。采用上模出口沉桥形式增加焊合空间的同时，保证上模模芯不是高于模面太多。其主要参数：(1)分流比为K=9.78；（2）分流桥的宽度为 18mm，分流桥采用入口倒 20斜角，舌芯主桥宽 18mm，上模出口沉桥 5mm；（3）型孔尺寸设计按照 1.01 系数放大。下模设计思路与方案 A 的一致。B 设计方案模具结构如图 3。图 3 方案 B 模具结构图3 试模生产3.1 挤压工艺参数与试制情况实际挤压生产试制时，采用的挤压工艺参数见表 1。从表 2 生产试制情况表可以看出：（1）A、B 方案型材尺寸合格，外形尺寸处于公差下限，但型材存在侧弯缺陷；（2）A 方案取样位置型材力学性能抗拉强度 290MPa，不满足客户技术要求的 310MPa；（3）B 方案取样位置型材力学性能抗拉强度 311MPa，略高于客户要求的新能源汽车结构件型材挤压模设计及优化46表 1 挤压工艺参数合金铸锭规格/mm铸锭温度/模具温度/挤压筒温度/挤压轴速度/mms-1淬火方式60822787005004804602.5喷水冷 50%表 3 两种生产工艺型材表面质量及抗拉强度工艺出口温度范围/主缸压力/bar抗拉强度/MPa表面质量最大最小头中尾1555 561262183348332318表面麻面严重2551 560237160356328316表面光亮无划痕、尾部开裂表 2 两种模具设计方案生产试制情况试制情况方案 A方案 B出口温度范围/530 542543 551主缸压力/bar最大231238最小162170尺寸精度外形尺寸处公差下限，型材侧弯外形尺寸处公差下限，型材侧弯表面质量表面光亮无划痕表面光亮无划痕力学性能*抗拉强度/MPa290311屈服强度/MPa274291断后伸长率 A50m/%9.09.0注：*取样位置为短棒挤压型材尾部 6 米处310MPa。相比较而言 B 方案优于 A 方案，但B 方案模具生产时每支短锭均需切除 6 米尾料，其工艺废料太多，成品率太低。为提高型材成品率，减少工艺废料，需保证型材尾 3 米处力学性能满足客户要求，因而考虑改进挤压工艺。根据经验制定两种挤压工艺（工艺 1、工艺 2），采用方案 B 设计的模具进行试制，取型材头（距头部 2 米处）、中、尾（距尾部 3 米处）检测力学性能。各挤压工艺方案参数如下：工艺 1：铸锭规格 308mm625mm，铝锭加热炉温度设置 500，挤压轴速度 2.5mm/s。工艺 2：铸锭规格 278mm750mm，采用梯度升温模式，铝锭加热炉三区温度设置500、500、520。挤压轴速度 2.5mm/s。由表 3 看出，工艺 1 调整铸锭规格后，抗拉强度能稳定在 318MPa 以上，满足要求。但最大主缸压力超过 260bar，压力偏大。且挤压轴速度为 1.7mm/s 时，型材表面出现麻面，当2.5mm/s 时严重麻面。此方案挤压突破压力大、挤压速度低，对提高挤压生产效率不利。工艺二生产的型材抗拉强度在 316MPa 以上，但存在型材头、尾部抗拉强度相差 40MPa及型材尾部开裂缺陷，需调整模具结构。3.2 存在问题及分析对 B 方案模具结构采用不同挤压工艺生产过程中出现型材侧弯，力学性能不合格、头尾抗拉强度相差 40MPa、型材尾部开裂等缺陷分析。（1）侧弯，主要原因型材未拉伸前外形尺寸处公差下限、为保证型材外形尺寸，拉伸率值设置太小，型材无法调直。（2）生产过程中出现型材力学性能不合格，主要原因型材出口温度无法稳定维持在 540以上，静水压力不足，以及桥下位置焊合不良4。（3）型材头、尾抗拉强度相差 40MPa，主要原因为挤压过程终了阶段的主缸压力衰减过大，终了阶段主缸压力为 160bar，保压能力不足。（4）型材尾部开裂，主要原因采用梯度升温模式，铝锭加热炉三区锭温分别设置 500、500、520，致使挤压终段型材尾部出口温度过高。4 模具设计结构改进如何保证挤压轴速度、型材尺寸精度、力新能源汽车结构件型材挤压模设计及优化47学性能的稳定性，是模具设计优化中的关键。新设计方案采用加大分流孔面积以提高分流比。采用较厚模具厚度、加长工作带长度提高金属摩擦行程保证型材的出口温度。确定模具规格 360240，上模厚度 80mm，下模80mm，模垫厚度 80mm。采用较深焊合室深度增加焊合室静水压力，保证挤压终了阶段挤压力。通过合理上模入口沉桥，减薄中间模桥宽度，增加供流量。上模出口沉桥形式增加焊合空间的同时，保证上模模芯不是高于模面太多。其主要参数(1)分流比为 K=11.3；（2）分流桥的宽度为 18mm，分流桥采用水滴形结构，舌芯主桥宽 16mm；（3）型孔尺寸设计按照 1.012 系数放大；（4）加大焊合室截面积；（5）工作带长度加长 0.5mm。改进后模具结构见图 4。图 4 改进后模具结构图5 改进模具结构后生产试制表 4 为改进模具结构后生产试制情况。数据得出改进模具结构后挤压轴速度达到 2.7mm/s，主缸最小压力维持在 188bar，达到预定目标值；型材尾部抗拉强度 323MPa，处于安全区间；且头、中、尾抗拉强度差值 17MPa，该数值在合理力学性能的波动范围内，较之前 40MPa 有明显的改善。铝锭加热炉三区温度设置不再采用梯度升温模式，型材尾部开裂的缺陷随之消除。从结果可以看出，改进后的模具有明显的优势，模具寿命、型材的尺寸精度及表面质量均显著提高。6 结论（1）对于汽车用铝型材不能以“高速挤压”为前提、以“降压提速”为生产指导思想。应当确保型材力学性能，焊接性能满足使用要求的情况下，降低挤压力、提高挤压速度。（2）通过增大分流孔面积，尽可能增大分流比让分流孔的金属能够畅流，提高焊合质量。（3）增加上模厚度，使铝合金流过模腔的路径变长，或加长工作带长度使铝合金与工作带接触摩擦长度变长，通过金属摩擦温升，保证型材的出口温度，但增加上模厚度会导致挤压力变大、模具的弹性变形严重，所以将模具的外圆规格及整体模具厚度增加可有效防止模具弹变。（4）焊合室的深度和入口形式均影响焊合质量、金属流动均匀性和挤压力的大小。焊合室太浅时，由于静水压力不足，可能导致主缸压力不足，在保证模芯刚度、强度的前提下，可以增加焊合室深度，或加大焊合室的截面积，提高焊合腔内静水压力，增加挤压终断阶段挤压力。参考文献：1 刘静安.轻合金挤压工模具手册 M.北京:冶金工业出版社,2012.2 吴锡坤.铝型材加工实用技术手册 M.长沙:中南大学出版社,2006.3 邓汝荣,曾蕾.铝型材多孔分流模的设计 J.轻合金加工技术,2015,43(11):44-49+55.4 曹东升,王睿,刘建生,董晶飞,赵钰锋.汽车轻量化用宽幅薄壁多腔型材挤压工艺研究 J.有色金属加工,2022,51(02):48-50+66.表 4 挤压工艺参数及型材生产情况工艺参数及产品指标值铸锭尺寸规格/mm278700铸锭温度/500挤压轴速度/（mms-1）2.7最大主缸压力/bar250最小主缸压力/bar188尺寸精度符合高精级表面质量抗拉强度/MPa表面光亮无划痕头340中332尾323新能源汽车结构件型材挤压模设计及优化