2014产品创新数字化征文：CAE技术在微通道扁管挤压研究中的应用

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。