前言
近年来,世界汽车制造商越来越多地使用铝替代钢,以解决降低重量和提高性能之间的矛盾。铝合金的密度小,比强度高,流动性好,易于加工制造各种不同形状的零件;铝的表面易于形成致密而稳定的氧化膜,铝的耐腐蚀性能较好;铝的导热导电性能优于普通钢材;铝材美观耐用,可表面处理,易于回收利用;向铝中添加一种或几种其他元素后,即构成铝合金材料。不同成分的铝合金材料,具有不同的性能和加工特点。
应用于各种汽车上的铝制零部件很多,典型的零件包括:发动机系统部件,车体车身系统部件,空调散热器热交换系统部件及其它结构件。铸造铝合金AC3B可以用于制造壳体、薄壳罩类等其它复杂形状零件;典型汽车车身铝合金包括2002-T4,6009-T4;汽车车身框架型材多为6xxx及7xxx系铝合金挤压件;散热器系统部件中使用的材料涵盖3xxx,4xxx及7xxx系铝合金。
将铝合金用于汽车零部件的生产制造需要克服很多困难。为达到零件的性能指标,需要开发新型合金材料,探索先进制造工艺方法,开发合适的成型设备等。铝挤压技术是面向汽车零部件制造的一种成熟的工业生产技术。铝合金的挤压特性好,可通过多种挤压工艺和模具结构进行加工;铝挤压生产出的产品具有截面形状复杂,结构尺寸精密,规格品种多样等特点,能够满足军用和民用工程的需要。
1 微通道铝扁管应用背景
采用轻质材料和新结构的换热器系统是汽车轻量化的重要途径之一。汽车空调系统中具有热交换功能的重要部件为冷凝器和蒸发器。将微通道多孔扁管应用于汽车空调换热器制造已成为当前汽车空调换热器行业的主流。试验和研究表明,平行流换热器相比于传统的管翅型换热器具有以下优点:1)耐久性能更优,2)换热性能更好,3)重量轻,4)结构紧凑,5)空气侧阻力损失低,6)制冷剂充注量少,7)散热器成品可承受更高的爆破压力。
平行流换热器由多孔微通道扁管,翅片与集管整体焊接而成,其结构形式如图1所示。微通道扁管是构成平行流换热器的主要部件,用于承载制冷剂。微通道扁管制备技术是制造平行流换热器的关键技术之一,也是平行流换热器应用于汽车空调的前提。
图1 平行流换热器基本结构
CAE技术在挤压生产领域应用广泛,能够获得速度场,温度场,应力场和应变场的分布图,有助于深刻掌握和理解金属的流动和变形行为,为优化工艺过程、提高产品质量提供直接的指导。本文在阐述微通道多孔扁管应用背景的基础上,介绍扁管的制备技术方法;以扁管的热挤压过程为例,详述CAE方法在铝挤压件加工研究中的应用;在HyperXtrude软件平台中,实现热挤压过程的稳态模拟;在分析结果的基础上,通过修改模具结构设计,提高扁管在模孔出口处速度的一致性。
2 微通道扁管挤压制备技术
微通道扁管具有多个孔径微小的制冷剂通道,通道间相互封闭,壁厚尺寸小。图2所示为本文研究的多孔扁管截面图,该种扁管具有10个孔通道,规格为16×2mm,上下壁厚度为0.38mm,中部筋的厚度为0.36mm。
图2 微通道扁管截面
工业领域一般选用1xxx系与3xxx系铝合金作为生产多孔微通道扁管的主要用材。1xxx系列铝纯度高,挤压难度相对较小,价格相对便宜;3xxx系铝合金以锰元素为主要合金成分,强度高、耐腐蚀性能好,但价格相对于1系列要高。
目前,工业领域中有两种成熟的微通道扁管挤压生产方法,康风连续挤压与直推卧式挤压。康风挤压的方式一般只生产宽度规格较小的扁管,也无法满足一些孔数多筋部尺寸小扁管的生产需求;直推卧式挤压可以用于生产现行所有规格的扁管。所以本文只针对直推卧式挤压机的挤压过程进行分析研究。卧式挤压机生产出的产品尺寸精度高,表面质量好。挤压机吨位的选择与扁管的规格、同时挤出扁管的条数相关。如采用一出六挤压生产方式,选用规格在3500吨左右的挤压机为宜。
卧式挤压生产效率高,铝合金成形质量好。挤压用铝合金属于一种元素含量较多的合金,铝铸锭在热挤压前经过均质化处理;感应加热炉预热铝铸锭至一定的温度后,铝铸锭由硬变软;自动上料装置将铝铸锭输送至挤压机,实现连续生产。挤压成形的铝扁管经表面喷锌处理,水冷,干燥,盘卷,拉伸矫值,锯切等后续工序处理之后,用于汽车空调换热器的装配制造。
当前,微通道扁管挤压技术的研究热点有:1)开发新型的铝合金材料和模具材料;2)扁管型材新产品设计,充分发挥铝挤压型材的优势;3)开发先进的制模技术和挤压技术,延长模具寿命与提高产品质量;4)研究金属流动规律以及挤压过程中的数值模拟技术。
挤压制品的质量与模具的设计和制造技术水平品密切相关。为降低挤压阻力,扁管挤压模具设计成双孔分流挤压的形式。铝合金材料在模具内部产生复杂的大变形塑性成形。工程师根据经验,查阅文献和手册,难以掌握挤压过程中各影响因素的作用规律;CAE技术为全面正确的找到影响因素和改善方法提供了依据。
3 微通道扁管挤压数值模拟
HyperXtrude挤压仿真模块,在完整的模型建立和全面的边界条件设定后,能够精确地模拟热挤压过程中材料的流动行为和热传导。挤压过程模拟可以缩减试模次数,减少模具设计时间,降低开发成本。
图3所示为针对本文中扁管设计的分流挤压模具。模具包含嵌套有模芯的上模和下模。
图3 扁管挤压模具:a-上模,b-下模
根据结构的对称性,在HyperXtrude中,只需建立1/4对称模型即可,完成网格划分后的有限元模型如图4所示。坯料被分流桥分成两股进入分流孔,随后填充模芯芯针的间隙,并在高温高压环境下焊合在一起;经由模芯和模孔的工作带挤出成形。
图4 有限元模型
先进的挤压技术体现在合理的模具设计和工艺参数设定上。本文模拟使用的材料参数和工艺参数在表1中列出。
表1 挤压模拟中使用的材料参数与工艺参数
扁管生产时需对挤出扁管在模孔出口处进行一定范围内的等温和等速控制。如果在模孔出口处温度不均匀,挤出扁管在经过后续工序处理后,扁管的尺寸精度和机械性能难以得到保证。挤出扁管在模孔出口处速度不均匀,易导致挤压型材出现扭拧和波浪,甚至加速模具的磨损。
图5 扁管挤压模拟有限元模型
本文针对扁管做出了模具的原始设计;基于原始设计进行的挤压分析,采用修改工作带高度的方法,做出模具的优化设计(如图5所示),较好地实现了在等温挤压基础上的等速挤压控制。优化前:工作带等高为0.7mm;优化后:芯针上的工作带高度由模具中心向端部成梯度变化,中心为1mm,端部为0.4mm。
图6 模具改进前后扁管出口处截面温度分布:a-优化前,b-优化后
图6所示为挤压过程达到稳态时,模芯工作带附近的温度分布云图。由于在模具优化前后的两次模拟中,挤压工艺参数和模型边界条件设置不变,模孔出口处扁管各点的温度差异不大,扁管筋部温度差异在15度范围内。
图7 改进前后扁管出口处截面速度分布:a-优化前,b-优化后
模具优化前,各个芯针上的工作带长度相同,模孔出口处的扁管在宽度方向上挤出速度不一致。模具优化后,芯针上的工作带长度不一致,中心芯针上的工作带长度大,端部芯针上的工作带长度小,模孔出口处的扁管在宽度方向上扁管挤出速度一致性得到改善。
图7为挤压过程达到稳态时,模孔出口处型材的速度分布云图。从图7中可以看出,对模具做出优化后,出口处扁管各管筋的金属挤出速度一致性提高。从结果中,依次提取扁管筋部金属的挤出速度值,结果如图8所示。优化前,扁管筋部金属流动速度最大差值为7.2mm/s;优化后,金属流动速度最大差异值为2.4mm/s。
图8 优化前后扁管筋部金属的挤出速度
4 结论
汽车轻量化和成本控制驱使汽车制造商在生产中,越来越多地使用铝制零件,CAE技术在铝制零件的开发和制造中发挥着重要作用。从CAE技术中获取的丰富信息,为深刻认识零件属性,优化零件加工工艺参数,掌握零件性能提供了可靠依据。CAE技术为产品注入了更高的科技含量,极大地增强了产品的竞争力。
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