前言
近年來，世界汽車制造商越來越多地使用鋁替代鋼，以解決降低重量和提高性能之間的矛盾。鋁合金的密度小，比強度高，流動性好，易于加工制造各種不同形狀的零件；鋁的表面易于形成致密而穩(wěn)定的氧化膜，鋁的耐腐蝕性能較好；鋁的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能優(yōu)于普通鋼材；鋁材美觀耐用，可表面處理，易于回收利用；向鋁中添加一種或幾種其他元素后，即構(gòu)成鋁合金材料。不同成分的鋁合金材料，具有不同的性能和加工特點。
應(yīng)用于各種汽車上的鋁制零部件很多，典型的零件包括：發(fā)動機系統(tǒng)部件，車體車身系統(tǒng)部件，空調(diào)散熱器熱交換系統(tǒng)部件及其它結(jié)構(gòu)件。鑄造鋁合金AC3B可以用于制造殼體、薄殼罩類等其它復(fù)雜形狀零件；典型汽車車身鋁合金包括2002-T4，6009-T4；汽車車身框架型材多為6xxx及7xxx系鋁合金擠壓件；散熱器系統(tǒng)部件中使用的材料涵蓋3xxx，4xxx及7xxx系鋁合金。
將鋁合金用于汽車零部件的生產(chǎn)制造需要克服很多困難。為達(dá)到零件的性能指標(biāo)，需要開發(fā)新型合金材料，探索先進制造工藝方法，開發(fā)合適的成型設(shè)備等。鋁擠壓技術(shù)是面向汽車零部件制造的一種成熟的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。鋁合金的擠壓特性好，可通過多種擠壓工藝和模具結(jié)構(gòu)進行加工；鋁擠壓生產(chǎn)出的產(chǎn)品具有截面形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸精密，規(guī)格品種多樣等特點，能夠滿足軍用和民用工程的需要。
1 微通道鋁扁管應(yīng)用背景
采用輕質(zhì)材料和新結(jié)構(gòu)的換熱器系統(tǒng)是汽車輕量化的重要途徑之一。汽車空調(diào)系統(tǒng)中具有熱交換功能的重要部件為冷凝器和蒸發(fā)器。將微通道多孔扁管應(yīng)用于汽車空調(diào)換熱器制造已成為當(dāng)前汽車空調(diào)換熱器行業(yè)的主流。試驗和研究表明，平行流換熱器相比于傳統(tǒng)的管翅型換熱器具有以下優(yōu)點：1）耐久性能更優(yōu)，2）換熱性能更好，3）重量輕，4）結(jié)構(gòu)緊湊，5）空氣側(cè)阻力損失低，6）制冷劑充注量少，7）散熱器成品可承受更高的爆破壓力。
平行流換熱器由多孔微通道扁管，翅片與集管整體焊接而成，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。微通道扁管是構(gòu)成平行流換熱器的主要部件，用于承載制冷劑。微通道扁管制備技術(shù)是制造平行流換熱器的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是平行流換熱器應(yīng)用于汽車空調(diào)的前提。
圖1 平行流換熱器基本結(jié)構(gòu)
CAE技術(shù)在擠壓生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，能夠獲得速度場，溫度場，應(yīng)力場和應(yīng)變場的分布圖，有助于深刻掌握和理解金屬的流動和變形行為，為優(yōu)化工藝過程、提高產(chǎn)品質(zhì)量提供直接的指導(dǎo)。本文在闡述微通道多孔扁管應(yīng)用背景的基礎(chǔ)上，介紹扁管的制備技術(shù)方法；以扁管的熱擠壓過程為例，詳述CAE方法在鋁擠壓件加工研究中的應(yīng)用；在HyperXtrude軟件平臺中，實現(xiàn)熱擠壓過程的穩(wěn)態(tài)模擬；在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過修改模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高扁管在模孔出口處速度的一致性。
2 微通道扁管擠壓制備技術(shù)
微通道扁管具有多個孔徑微小的制冷劑通道，通道間相互封閉，壁厚尺寸小。圖2所示為本文研究的多孔扁管截面圖，該種扁管具有10個孔通道，規(guī)格為16×2mm，上下壁厚度為0.38mm，中部筋的厚度為0.36mm。
圖2 微通道扁管截面
工業(yè)領(lǐng)域一般選用1xxx系與3xxx系鋁合金作為生產(chǎn)多孔微通道扁管的主要用材。1xxx系列鋁純度高，擠壓難度相對較小，價格相對便宜；3xxx系鋁合金以錳元素為主要合金成分，強度高、耐腐蝕性能好，但價格相對于1系列要高。
目前，工業(yè)領(lǐng)域中有兩種成熟的微通道扁管擠壓生產(chǎn)方法，康風(fēng)連續(xù)擠壓與直推臥式擠壓�？碉L(fēng)擠壓的方式一般只生產(chǎn)寬度規(guī)格較小的扁管，也無法滿足一些孔數(shù)多筋部尺寸小扁管的生產(chǎn)需求；直推臥式擠壓可以用于生產(chǎn)現(xiàn)行所有規(guī)格的扁管。所以本文只針對直推臥式擠壓機的擠壓過程進行分析研究。臥式擠壓機生產(chǎn)出的產(chǎn)品尺寸精度高，表面質(zhì)量好。擠壓機噸位的選擇與扁管的規(guī)格、同時擠出扁管的條數(shù)相關(guān)。如采用一出六擠壓生產(chǎn)方式，選用規(guī)格在3500噸左右的擠壓機為宜。
臥式擠壓生產(chǎn)效率高，鋁合金成形質(zhì)量好。擠壓用鋁合金屬于一種元素含量較多的合金，鋁鑄錠在熱擠壓前經(jīng)過均質(zhì)化處理；感應(yīng)加熱爐預(yù)熱鋁鑄錠至一定的溫度后，鋁鑄錠由硬變軟；自動上料裝置將鋁鑄錠輸送至擠壓機，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。擠壓成形的鋁扁管經(jīng)表面噴鋅處理，水冷，干燥，盤卷，拉伸矯值，鋸切等后續(xù)工序處理之后，用于汽車空調(diào)換熱器的裝配制造。
當(dāng)前，微通道扁管擠壓技術(shù)的研究熱點有：1）開發(fā)新型的鋁合金材料和模具材料；2）扁管型材新產(chǎn)品設(shè)計，充分發(fā)揮鋁擠壓型材的優(yōu)勢；3）開發(fā)先進的制模技術(shù)和擠壓技術(shù)，延長模具壽命與提高產(chǎn)品質(zhì)量；4）研究金屬流動規(guī)律以及擠壓過程中的數(shù)值模擬技術(shù)。
擠壓制品的質(zhì)量與模具的設(shè)計和制造技術(shù)水平品密切相關(guān)。為降低擠壓阻力，扁管擠壓模具設(shè)計成雙孔分流擠壓的形式。鋁合金材料在模具內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的大變形塑性成形。工程師根據(jù)經(jīng)驗，查閱文獻和手冊，難以掌握擠壓過程中各影響因素的作用規(guī)律；CAE技術(shù)為全面正確的找到影響因素和改善方法提供了依據(jù)。
3 微通道扁管擠壓數(shù)值模擬
HyperXtrude擠壓仿真模塊，在完整的模型建立和全面的邊界條件設(shè)定后，能夠精確地模擬熱擠壓過程中材料的流動行為和熱傳導(dǎo)。擠壓過程模擬可以縮減試模次數(shù)，減少模具設(shè)計時間，降低開發(fā)成本。
圖3所示為針對本文中扁管設(shè)計的分流擠壓模具。模具包含嵌套有模芯的上模和下模。
圖3 扁管擠壓模具：a-上模，b-下模
根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，在HyperXtrude中，只需建立1/4對稱模型即可，完成網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖4所示。坯料被分流橋分成兩股進入分流孔，隨后填充模芯芯針的間隙，并在高溫高壓環(huán)境下焊合在一起；經(jīng)由模芯和�？椎墓ぷ鲙D出成形。
圖4 有限元模型
先進的擠壓技術(shù)體現(xiàn)在合理的模具設(shè)計和工藝參數(shù)設(shè)定上。本文模擬使用的材料參數(shù)和工藝參數(shù)在表1中列出。
表1 擠壓模擬中使用的材料參數(shù)與工藝參數(shù)
扁管生產(chǎn)時需對擠出扁管在�？壮隹谔庍M行一定范圍內(nèi)的等溫和等速控制。如果在模孔出口處溫度不均勻，擠出扁管在經(jīng)過后續(xù)工序處理后，扁管的尺寸精度和機械性能難以得到保證。擠出扁管在模孔出口處速度不均勻，易導(dǎo)致擠壓型材出現(xiàn)扭擰和波浪，甚至加速模具的磨損。
圖5 扁管擠壓模擬有限元模型
本文針對扁管做出了模具的原始設(shè)計；基于原始設(shè)計進行的擠壓分析，采用修改工作帶高度的方法，做出模具的優(yōu)化設(shè)計（如圖5所示），較好地實現(xiàn)了在等溫擠壓基礎(chǔ)上的等速擠壓控制。優(yōu)化前：工作帶等高為0.7mm；優(yōu)化后：芯針上的工作帶高度由模具中心向端部成梯度變化，中心為1mm，端部為0.4mm。
圖6 模具改進前后扁管出口處截面溫度分布：a-優(yōu)化前，b-優(yōu)化后
圖6所示為擠壓過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，模芯工作帶附近的溫度分布云圖。由于在模具優(yōu)化前后的兩次模擬中，擠壓工藝參數(shù)和模型邊界條件設(shè)置不變，模孔出口處扁管各點的溫度差異不大，扁管筋部溫度差異在15度范圍內(nèi)。
圖7 改進前后扁管出口處截面速度分布：a-優(yōu)化前，b-優(yōu)化后
模具優(yōu)化前，各個芯針上的工作帶長度相同，模孔出口處的扁管在寬度方向上擠出速度不一致。模具優(yōu)化后，芯針上的工作帶長度不一致，中心芯針上的工作帶長度大，端部芯針上的工作帶長度小，模孔出口處的扁管在寬度方向上扁管擠出速度一致性得到改善。
圖7為擠壓過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，�？壮隹谔幮筒牡乃俣确植荚茍D。從圖7中可以看出，對模具做出優(yōu)化后，出口處扁管各管筋的金屬擠出速度一致性提高。從結(jié)果中，依次提取扁管筋部金屬的擠出速度值，結(jié)果如圖8所示。優(yōu)化前，扁管筋部金屬流動速度最大差值為7.2mm/s；優(yōu)化后，金屬流動速度最大差異值為2.4mm/s。
圖8 優(yōu)化前后扁管筋部金屬的擠出速度
4 結(jié)論
汽車輕量化和成本控制驅(qū)使汽車制造商在生產(chǎn)中，越來越多地使用鋁制零件，CAE技術(shù)在鋁制零件的開發(fā)和制造中發(fā)揮著重要作用。從CAE技術(shù)中獲取的豐富信息，為深刻認(rèn)識零件屬性，優(yōu)化零件加工工藝參數(shù)，掌握零件性能提供了可靠依據(jù)。CAE技術(shù)為產(chǎn)品注入了更高的科技含量，極大地增強了產(chǎn)品的競爭力。
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本文標(biāo)題：2014產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化征文：CAE技術(shù)在微通道扁管擠壓研究中的應(yīng)用
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