《Chemistry》：Aluminum Extrusion Simulation Using Finite Elements
Dimitrios Skarvelakis and
Georgios E. Stavroulakis
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挤压模具轮廓的复杂性由其几何形状决定。诸如复杂性指数、形状因子和形状系数等各类指标被用来量化几何复杂性如何影响生产成本、模具寿命、能耗、产品质量及整体可制造性。轴承几何在控制铝挤压过程中的金属流动和工具寿命方面起着关键作用。在本研究中，通过基于仿真的研究，利用
挤压模具轮廓的复杂性由其几何形状决定。诸如复杂性指数、形状因子和形状系数等各类指标被用来量化几何复杂性如何影响生产成本、模具寿命、能耗、产品质量及整体可制造性。轴承几何在控制铝挤压过程中的金属流动和工具寿命方面起着关键作用。在本研究中，通过基于仿真的研究，利用有限元方法（FEM）探究轴承几何对挤压行为的影响。研究人员考察了两种挤压模具：一种是具有均匀轴承几何的单腔模具，另一种是在一个腔体中进行受控轴承几何修改的双腔模具。结果表明，双腔模具中的轴承修改导致了严重的流动不平衡，并伴有出口速度偏差。这种不平衡导致关键模具区域的局部压力放大、热梯度增加和应力集中。相比之下，单腔模具由于其简单的几何形状，表现出均匀的流动、稳定的压力演变和较低的工具应力。这些发现证明了多腔挤压模具对轴承几何的高度敏感性，并凸显了仿真驱动的模具设计对于实现平衡流动和改善工具性能的重要性。
**铝挤压过程的有限元仿真研究：轴承几何对流动与模具性能的影响**
**研究背景与意义**
铝挤压是最广泛使用的金属成形工艺之一。由于铝具有优异的强度重量比和耐腐蚀性，其在汽车、建筑和能源系统中得到广泛应用。在挤压过程中，最终产品的质量、生产效率和模具寿命在很大程度上受到挤压模具设计的影响。在众多模具设计参数中，轴承几何（bearing geometry）在控制金属流动、挤压压力、温度以及模具内部应力发展方面起着主导作用。轴承长度或角度的变化会导致模具出口处材料速度不同和表面质量不均，从而显著改变挤压型材的轮廓。然而，目前对于轴承几何如何具体影响多腔模具中的流动平衡、热力分布及模具应力，仍缺乏系统性的量化认识。因此，开展基于仿真技术的深入研究，对于优化模具设计、提高生产效率和延长模具寿命具有重要的工程意义。
**研究目的与内容**
本研究旨在通过热力耦合有限元仿真，评估轴承几何对金属流动速度、挤压压力、温度演变和模具应力的影响。具体而言，研究通过理论回顾、几何分类和基于计算机辅助设计/计算机辅助工程（CAD-CAE）的仿真相结合，探究模具几何、挤压工艺参数与所得铝型材特性之间的关系。研究重点关注单腔均匀模具与双腔非均匀轴承几何模具之间的性能对比，以揭示几何复杂性对挤压过程的影响机制。
**关键技术方法概述**
研究人员采用Altair Inspire Extrude Metal软件（2025版本）进行了完全耦合的热力机械仿真。模拟基于直接热挤压条件，坯料和模具组件初始温度设为均匀的450°C，采用恒定的5 mm/s冲头速度。材料模型采用铝合AA6060，其热成形行为通过温度依赖的粘塑性本构定律描述，考虑了应变硬化、应变率敏感性和变形过程中的热软化效应。坯料与工具表面的接触相互作用采用库伦摩擦定律建模，摩擦系数设为0.30。仿真中进行了网格细化，特别是在轴承区、焊接室区域、桥-芯棒界面和模具出口区域等具有强热力梯度的区域，以确保结果的准确性。
**研究结果分析**
* **单腔模具（Profile A）的仿真结果**：模拟显示，挤压过程所需的总冲头力为13.65 MN，对应的最大挤压压力约为535 MPa。压力峰值集中在模具入口和轴承过渡区附近。整个型材横截面的温度变化不超过1.4%，表明由于塑性变形和摩擦产生的热量平衡。模具体内的冯·米塞斯（von Mises）应力分布显示，最大应力水平约为56.6 MPa，位于轴承阻流区附近，远低于工具钢在操作温度下的屈服强度，表明安全裕度充足。
* **双腔模具（Profile B）的仿真结果**：包含扁平化轴承几何的腔体表现出显著更高的出口速度，最大值达到643 mm/s，是Profile A观察到的速度的三倍多。两个出口孔之间的速度不平衡非常显著，其中一个腔体在挤压方向上的偏差高达+70%，第二个腔体为+28%。最大挤压压力达到489.6 MPa，局部压力峰值集中在孔入口和修改后的轴承区域附近。最高温度达到约551°C，型材表面温度变化范围约为1.0%至2.9%。Profile B的冯·米塞斯应力分布表明，最大应力水平约为62.6 MPa，位于桥结构与扁平轴承区域的交界处。
**讨论与结论**
研究发现，Profile A产生了高度均匀的压力和速度分布，验证了简单几何形状在促进平衡流动方面的有效性。而Profile B由于轴承修改，表现出显著的流动不平衡（出口处±70%）。这支持了即使轴承和芯棒区域的微小几何变化也能显著影响流动行为的观点，强化了模具轴承几何主导流动均匀性的设计原则。虽然两种型材的载荷都在典型的工业范围内，但Profile B的载荷分布均匀性较差，局部峰值更高。Profile B的最大出口速度是Profile A的三倍，这突显了轴承改变如何在特定路径上加速材料流动，从而造成不平衡。这种行为与铝挤压的仿真研究一致，即速度不均匀性是产生缺陷（型材变形、焊缝薄弱）的主要原因，并受模具几何和工艺参数影响。两种型材都达到了该合金类型可接受的温度范围，但Profile B显示出更大的表面温度变化，证实了几何不平衡会转化为热不平衡，最终可能影响冶金和表面质量。
研究人员指出，尽管Profile A和Profile B获得的最大挤压压力大小相当，但由此产生的速度场却存在显著差异。这种表面上的不一致源于控制单腔和多腔挤压模具的根本不同的流动控制机制。挤压压力是一个主要由总挤压比、坯料温度和材料平均变形阻力决定的全局过程量。因此，即使局部流动条件差异很大，也可能获得相似的压力水平。相比之下，出口速度分布主要由模具内的局部流动阻力控制，这受到轴承几何、流道对称性和流道复杂性的强烈影响。Profile A由具有均匀轴承几何的单腔组成，导致均匀的流动阻力，从而实现平衡的速度分布。而Profile B代表具有不对称轴承条件的双腔配置。一个腔体中轴承的故意扁平化局部降低了摩擦阻力和有效流动长度。因此，材料在内部重新分布，而不需要全局挤压压力的大幅增加。冲压机继续以几乎相同的载荷运行，而金属流动在局部重组，导致出口通道之间产生巨大的速度差异。这种行为与既定的铝挤压理论一致，即速度不平衡主要由局部轴承阻力而非整体挤压压力控制。因此，多腔模具对几何不对称性高度敏感，相对较小的压力变化可能对应于出口速度和型材稳定性的巨大差异。
从仿真中获得的最大模具应力远低于典型挤压工具钢（如H13）在高温下的屈服强度。从纯粹的静态强度角度来看，两种模具配置都表现出较大的安全裕度，可以防止塑性变形或立即的结构失效。然而，在工业实践中，工具退化主要由热机械疲劳机制控制。尽管计算出的应力水平较低，但在轴承过渡和桥接交叉点附近观察到的局部应力集中——尤其是在Profile B中——可能在长期循环操作下成为潜在的疲劳起始点。双腔配置由于流动不平衡引入了稍高的应力局部化和更大的热梯度，与更均匀的单腔设计相比，可能加速裂纹形核。因此，虽然静态应力表明操作安全，但长期模具寿命预计将由抗热疲劳性而非峰值应力大小控制。适当的模具预热、受控冷却、氮化处理和优化的轴承几何仍然是减轻工业挤压过程中热机械疲劳的关键措施。此外，局部温度的微小升高会因热软化效应而降低材料强度。因此，在略高温度下运行的区域倾向于加速材料流动，从而加剧挤压通道之间的速度不平衡。这种温度与流动阻力之间的耦合在多腔模具中尤为关键，因为需要均匀的出口速度来保持尺寸稳定性。从工业角度来看，这种热不均匀性可能会影响生产的几个方面，包括表面光洁度一致性、尺寸公差以及冷却和拉伸操作后的残余应力发展。
**结论**
本研究表明，轴承几何是控制铝挤压过程中金属流动均匀性的关键因素。单腔均匀模具能实现稳定、平衡的挤压，而双腔模具中微小的轴承几何修改会导致严重的流动不平衡、局部压力放大和热梯度增加。仿真结果强调了仿真驱动设计在优化多腔挤压模具、实现平衡流动和延长工具寿命方面的重要性。未来研究可考虑利用参数化研究产生的计算数据来训练人工神经网络，并提供基于人工智能（AI）的降阶模型（ROM-AI），以实现快速预测，例如在数字孪生（Digital Twin）的意义上。
