摘要结合生产实际，对H13热作模具钢分流桥根部过早开裂的现象进行研究。利用DeForm-3D有限元模拟软件对分流桥组合模挤压过程进行数值模拟，研究模具不同工作区长度对模具应力场及金属流动均匀性的影响。研究发现，当工作区长度为6 mm、焊合室深度为12 mm时，分流桥根部等效应力最小且应力分布较为均匀，下模工作区出口处毛坯的流速也较为均匀。研究结果为铝型材热挤压成型用H13钢模具的合理设计提供了有效的理论参数。

关键词：数值模拟；分流组合模具；挤压成型；模具参数；H13热作模具钢

0 前言

H13热作模具钢(成分：4Cr5MoSiV1)是应用最广泛的热作模具钢之一，由于其具有强度高、韧性好、热疲劳性能好等优点，被广泛应用于铝合金、镁合金等金属加工制造行业[1-4]。

传统挤压工艺穿孔针法所采用的模具结构简单，制品无焊缝，可减少粗晶环等缺陷，但需经常更换芯轴，管材前端偏心度较大。目前，分流器组合模具[5,6]已逐渐取代穿孔针法。使用分流器组合模具可获得壁厚均匀、尺寸精度高的制品，且具有设备操作简单、生产周期快、成本低等优点。然而，分流器组合模具会因成型制品形状复杂、挤压压力过大以及冷热疲劳等原因而发生开裂失效，模具一旦开裂则失去使用功能而报废。为保证制品成型质量，延长模具使用寿命，必须对模具结构进行合理设计[7,8]。

余宝义等[9]对模具的流量比、焊接角度进行优化设计，并通过对优化后的模具进行强度校核，获得了合理的模具结构参数。岳博文等[10]对不同流孔深度的模具进行仿真，分析了平面流道组合模具流孔深度对铝型材挤压成型的影响，获得了最佳流孔深度。针对某汽车部件流道组合模具流桥早期失效问题，采用热机耦合数值模拟方法对挤压过程进行模拟，并通过改进模具工作带长度等参数，为延长模具使用寿命提供了一定的理论依据。

1.导流组合模块

1.1分流组合模具的工作原理及几何模型

分流组合模具的工作原理如图1所示，在挤压杆的挤压力作用下，坯料按图1中箭头所示方向运动，第一阶段，坯料被分流桥分成四股金属流后沿分流孔进入焊合室；第二阶段，金属在焊合室内缓慢流动并相互接触，发生焊接；第三阶段，金属在出料口工作带上焊接成型。

图1 分流组合模块工作原理

工作区是模孔中决定挤压型材形状、尺寸和表面质量的一段，初始值为4mm。焊合室深度为分流桥底部到模孔入口的垂直距离，初始值为12mm。图2为淬火锯切后的汽车部件型材，图3为模具分流桥根部开裂，导致模具报废。

图2 汽车零部件剖面图

图3 模具导流桥根部裂纹

1.2 模拟条件设置

基于实际生产工艺参数，设定坯料初始温度为510℃，直径为φ178mm；模具、挤压筒、挤压杆假定为刚性，初始温度分别设定为480、440、20℃；挤压速度设定为3mm/s；坯料与模具挤压筒之间的摩擦系数设定为0.4；每步步长为1mm，模拟总步数为600；通过计算坯料截面积与型材截面积，得到挤压比约为40.1。

分流器组合模模口附近毛坯变形较大，易引起网格畸变，因此需要对网格进行局部划分[10]。采用相对法划分网格，网格基数为40000，最小边尺寸为3.12 mm，在毛坯进入上模时开始局部网格划分，划分比例为0.1；在毛坯进入下模时也开始局部网格划分，划分比例为0.05；上模采用相对法划分网格，网格基数为40000，最小边尺寸为1.99 mm，在分流器桥部分进行局部网格划分，划分比例为0.1；下模也采用相对法划分网格，网格基数为40000，最小边尺寸为2.13 mm，在焊室及工作带部分进行局部网格划分，划分比例为0.1。 在挤压棒和挤压筒上进行少量的网格划分，坯料和模具材料的性能如表1所示[9]。

表1 毛坯及模具材料性能

2 仿真结果与分析

以工作带长度L为研究对象,在不改变其他工艺参数的情况下,分析不同工作带长度下流动金属对结晶器应力的影响及金属流出工作带时的流动均匀性,以降低结晶器导流桥处的等效应力,延长结晶器使用寿命。

2.1工作区长度对模具零件应力的影响

图4为焊室深度为12mm、不同工作带长度的上模分流桥等效应力分布图。从图4可以看出，应力集中在分流桥处，当工作带长度为4、6、8mm时，靠近型芯的分流桥处等效应力分别为778、716、865MPa。图5为不同工作带长度下分流桥同一点的等效应力值。从图5可以看出，在不同质点处，6mm工作带长度的等效应力值小于4、8mm工作带长度的等效应力值，且梯度变化较为平缓，说明此工作带长度下上模分流桥应力分布较为均匀。当应力集中在模具的局部区域，在循环载荷的反复作用下，此处首先会出现裂纹，在持续使用过程中，裂纹会不断扩展，最终导致模具零件断裂。 另外，工作区过长，会造成金属流动不均匀，阳极氧化后成型品表面两侧及中间部分色调不均匀，壁厚不均；工作区过短，会降低制品尺寸稳定性，增加模具零件磨损，缩短模具使用寿命[11,12]。因此，在设计模具时，应合理设计工作区长度。

图4 不同工作带长度上模等效应力

（a）工作带长度为 4 毫米 （b）工作带长度为 6 毫米 （c）工作带长度为 8 毫米

图5 不同工作带长度的分流桥处等效应力

图6为焊室深度为12 mm、不同工作带长度的下模等效应力分布情况。从图6可以看出，工作带越长，下模最大等效应力越大。当工作带长度为4、6、8 mm时，下模最大等效应力依次增大。工作带长度过长，在金属流动过程中，模仁可能产生变形，影响成型件的表面质量。

图6 不同工作带长度下模等效应力

（a）L = 4 毫米 （b）L = 6 毫米 （c）L = 8 毫米

2.2 模头出口处的流量分布

出口处金属流速不均匀会影响成型件的表面质量，因此必须调整工作带的长度，使金属流出工作带的速度更加均匀。为了有效地表示金属流出模孔的均匀性，采用金属流出工作带时的流量分布系数进行测量[13-15]。计算公式如下：

(1) 式中：DMVi为工作区出口节点数的流量分配系数；Image为指定平面上节点i的轴向流速，mm/s；Image为指定平面上所有节点的平均流速，mm/s。

在不同工作带长度下的剖面上取相同的8个点，在DeForm-3D软件后处理中利用点追踪功能提取此时这8个质点的流速，各点的流动因子分布及流速分布曲线如图7所示。由图7可以看出，工作带长度为4、6、8 mm时，不同工作带长度下的流动因子分布分别为0.061 33、0.008 14、0.023 2。由计算可知其范围为0.061 33、0.008 14、0.023 2。随着工作带长度的增加，工作带出口处坯料的流速趋于均匀，但达到一定程度后，模具出口处坯料的流速变得不均匀。 当工作带长度为6 mm时，流动因子波动最小，说明工作带长度下金属流动较为均匀。

图7 各点流动因子分布及流速分布曲线

按改进后的工艺参数设计模具，工作带长6 mm进行试生产，改进前模具约生产8×103 kg即报废，按改进后的参数设计的模具生产11.6×103 kg，且模具分流桥根部仍无明显裂纹，成型产品质量满足要求。

3 结论

通过仿真可以看出，工作带长度为6 mm时，相对于工作带长度4和8 mm，分流桥根部附近的等效应力最小且应力分布比较均匀。利用点追踪函数观察流动速度分布，当工作带长度为6 mm时，流动因子波动最小，说明在此工作带长度下金属流动最均匀。采用改进后的工作带长度6 mm工艺参数设计的模具进行实际生产，当铝型材挤压量达到11.6×103 kg时，模具分流桥根部未出现明显裂纹，超过了改进前8×103 kg的产量。