全球快报:多种新能源汽车空心铝型材及挤压模设计案例

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导 读

(资料图片)

近10年，国家大力发展新能源汽车。为了提高新能源汽车电池续航能力，轻量化成为汽车的发展方向，在保证汽车强度和安全性能的前提下，汽车钢结构件被铝合金材质替代。本文介绍了多种为新能源汽车燃料电池组外框铝型材的挤压模具设计方案。

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引言

新能源汽车是国家重点发展的战略性新兴产业，目前已进入了快速发展阶段。据中国汽车工业协会近日发布数据显示，2022年，我国新能源汽车产销分别达到705.8万辆和688.7万辆，同比增长96.9%和93.4%，市场占有率达到25.6%，保持“快车道”发展态势。

随着能源问题、环保问题的日益突出，人民安全意识的不断提高，新能源汽车轻量化已成必然趋势。铝型材具有密度低、强韧性好、耐腐蚀、回收率高等优点，是新能源汽车轻量化的主要应用材料之一，广泛用于制造动力电池托盘、前后防撞梁、电机外壳、底盘纵横梁、门槛梁、座椅架、天窗导轨等。根据《节能与新能源汽车产业发展规划2.0》，到2025年，新能源汽车的铝产品平均用量将达到250公斤，并在2030年达到350公斤。

凤铝减震器电池托盘底板（一）

图片凤铝减震器电池托盘底板（二）

兴发电池托盘搅拌摩擦焊现场图片

举例一

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电池组外框铝合金型材

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图1所示为6082-T6铝合金电池组外框型材截面图

型材为多空腔结构，如图1所示，外接圆为168 mm左右。因6082铝合金的流动性较差，挤压速度慢，且模具压力大，会导致模具弹性变形严重。如何保证挤压速度和型材尺寸在挤压的前、中、后过程的稳定性，是模具设计中要注意的问题。

图1型材截面图

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模具设计方案

2.1

分流孔的布置

根据型材的截面大小，采用22 MN挤压机挤压，采用Φ203 mm圆锭坯料。模具分流孔的布置应遵循孔随形走的原则，如图2所示。确定模桥位置时要优先考虑最难挤出的型材部分的分流孔布置。

图2分流孔布置

然后用桥位线对型材进行划分，并计算划分后的各部分的型材面积(参见图3)。

图3划分后的各部分的型材面积

根据划分后各部分型材面积的比例(分流比)计算分流孔的供料面积，以最小的分流孔面积为基准，计算出各个分流孔的面积，如图4所示。

图4各部分的分流孔面积

图5分流模上模

图6分流模上模

2.2

工作带的设计和焊合室深度的选择

由于6082铝合金难流动、难挤压、难焊合，所以焊合室深度取值为上限，约30 mm。为减轻铝合金与工作带的摩擦力，减轻型材表面的粗糙度，提高挤压速度，将工作带设计一般为型材壁厚的1.5～2倍。

图7所示为工作带设计值

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型材挤压生产试验

采用所设计的模具对电池组外框6082铝合金型材进行生产试验，采用的挤压工艺参数见表1。

表1挤压工艺参数

挤压机吨位/MN挤压筒直径/mm挤压筒温度/℃锭坯长度/mm锭坯温度/℃模具温度/℃型材出口速度/(m·min-1)

图8合格型材样品

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总结

随着新型汽车的开发，汽车用铝型材的产品截面会不断改变，需要模具设计师不断的尝试、摸索，总结出适合不同截面型材的设计方案及配套的生产工艺。以上是我公司承接新能源汽车电池组外框铝合金型材生产所需模具的设计方案，供同行参考、指正。

举例二

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模具设计

用于新能源汽车电池架的空心铝型材的结构及部分尺寸如图1所示。材料为AA6061铝合金，型材的截面面积为1258.8mm2，最大外接圆直径为φ191.9mm。该型材为不对称件，有4个空腔与1处悬臂，可采用分流组合模进行挤压生产。经过计算，其型材截面复杂系数为1.6，属于较难成型的型材。

根据相关设计标准，选择的坯料尺寸为φ220mm×600mm，选取的挤压筒直径为φ226mm，经计算可得挤压比为31.9。利用挤压力计算公式得出挤压力为21.1MN，选用25MN的挤压机进行挤压成型。根据挤压机的规格，选择配套的模具尺寸为φ358mm×260mm，其中上模尺寸为φ358mm×105mm，下模尺寸为φ358mm×155mm。

查阅相关文献，并结合型材的具体形状， 根据孔随形走的设计原则 ，在上模设计8个分流孔，其中大小和结构存在一定的差异以平衡各处的金属流速。根据挤压筒的直径确定焊合室的高度，焊合室的总高度设计为20mm，焊合室均分布在下模。分流桥宽度根据相关公式进行计算后，取20mm，焊合角取15°。按照上述结构尺寸进行三维建模，模具的三维结构如图2所示，模具材料选择H13钢。

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工艺参数及有限元模型

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工艺参数

根据相关经验及参考文献，最终选择的工艺参数如表1所示。

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有限元模型

将设计并建模的模具及坯料导入CAE软件，划分单元格，并添加边界条件。其中设定工作带处的摩擦为库仑摩擦，摩擦因数取0.3，模具和坯料间的传热系数为3000W/(m2·K)[13]，建立的有限元模型如图3所示。

图3有限元模型

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模拟结果分析

为保证生产合格完整的型材，需要研究模具出口处的金属流速。现引入速度均方差FSDV以准确地描述模具出口处的金属流动速度均匀程度，其数学模型为:

式中：vi——截面上节点i处的流速；-v——所有节点的平均流速；n——节点总数。

由公式（1）可以看出，计算的速度均方差越小，流动速度越均匀，生产的型材完整性越好。

利用初始模具模拟挤压后得到的型腔出口处金属流速分布如图4所示。由图4可知，金属流动速度不均匀，其中型材上部的悬臂突出部分速度较快，下部的平板部分速度较慢，最大速度为93.6mm/s，最小速度为50.6mm/s，速度差达到了43mm/s。经计算，型材的速度均方差为10.5mm/s，速度均匀性较差。

使用初始设计的模具进行试模，生产的型材如图5所示，挤出型材的料头部分出现了严重的弯曲变形，并影响了后续挤出型材的外形尺寸，导致成型产品不合格，需要对初始模具结构进行改进。

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模具结构改进

由图4可知， 型材上部的金属流速较快，原因是这部分的型材壁厚较厚，型腔较大，金属容易向此处流动汇集，可针对型材上部所对应的芯模部分进行改进，改进部位如图6所示，采用加高芯模限制此处的金属流速。 将芯模分别加高2、4、6cm，对3组改进方案分别进行模拟，改进前后的形状如图7所示。

将芯模加高2cm后模具挤出的型材速度分布如图8所示，由图8可知，型材上部的突出部分速度仍较快，但相对初始模具挤出型材的速度有降低。挤出型材的最大速度为79.3mm/s，最小速度为57.9mm/s，速度差为21.4mm/s，经计算，速度均方差为4.8mm/s，比初始状态有改善，但速度均匀性仍较差。

将芯模加高4cm后的模具挤出的型材速度分布如图9所示，由图9可知，挤出型材的最大速度为64mm/s，最小速度为58.1mm/s，速度差为5.9mm/s，经计算，速度均方差为1.7mm/s，速度均匀性较好，相比于初始模具有了较大的提升。

将芯模加高6cm后的模具挤出的型材速度分布如图10所示，由图10可知，型材上部的突出部分速度较小，下部平板部分速度较大。挤出型材的最大速度为72.9mm/s，最小速度为35.2mm/s，速度差为37.7mm/s，经计算，速度均方差为7.6mm/s。

通过对初始模具以及将芯模分别加高2、4、6cm的4种模具设计方案的有限元模拟结果进行分析，比较4种方案的速度均方差情况，如图11所示。从图11可以看出，将芯模加高4cm的方案，挤出型材的速度均方差最小，即流动速度最均匀，型材不容易出现缺陷。5试验验证使用改进后的模具结构进行生产，其中试验模具如图12所示，生产的铝型材如图13所示，改进后的模具挤出型材满足设计要求。

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试验验证

使用改进后的模具结构进行生产，其中试验模具如图12所示，生产的铝型材如图13所示，改进后的模具挤出型材满足设计要求。

图12试验模具

图13模具结构改进后生产的铝型材

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结束语

利用有限元模拟分析初始模具的挤压成型过程，提出调整模具工作带长度和分流孔形状的改进方案，改进后模具出口处金属流速均匀，为实际生产提供了指导。经实际生产证明，模拟结果与实际生产结果符合，证明了模拟的可靠性，将三维有限元模拟技术应用在空心铝型材挤压成型设计中，可有效提高实际生产效率，降低企业生产成本。

关键词： 模具设计 最小速度