HyperXtrude有限元法在鋁材模具設計中的運用

鋁型材在糊口、建筑、航空航天中利用日趨 普遍 。擠壓成形是鋁型材出產(chǎn)的主導手藝 和焦點 環(huán)節(jié)，而擠壓模具是鋁型材擠壓成形的關頭設備 。在鋁型材擠壓進程 中，模具布局不良輕易 致使 型材扭擰、海浪 、曲折 和 裂紋等缺點 問題。今朝 鋁型材擠壓模具的設計還逗留 在依托 工程類比和設計經(jīng)驗階段，所設計的模具必需 顛末頻頻 試模和修模來調(diào)劑 工藝參數(shù)，這嚴重影響了企業(yè)的模具開辟 周期和出產(chǎn)效力 ，影響模具質量和模具壽命，增添 了經(jīng)濟本錢 和時候 本錢 ，是以 改善 傳統(tǒng)的模具設計方式 已 成為鋁型材及其模具廠家確當 務之急。

HyperXtrude供應 擠壓模設計的虛擬測試、驗證、批改 和優(yōu)化的剖析 東西。削減 模具設計時候 和本錢 ；穩(wěn)健靠得住 和有用 的計較機摹擬 為在模具加工和擠壓成立之條件 供設計導向；設計穩(wěn)健的模具正確 猜測 模具的變形和應力，優(yōu)化模具設計；可視化和預感 擠壓材料活動 ，溫度，擠壓力削減 焊合廢物 ；計較焊合長度，削減 廢物 ；經(jīng)由過程 虛擬試模削減 本錢 和試模時候 ；極年夜 地削減 全部 產(chǎn)物 開辟 周期。

鋁型材擠壓是一個處在高溫、高壓、復雜磨擦 狀況 等復雜條件下的成形進程 ，屬于三維活動 、非線性、年夜 變形問題。將數(shù)值摹擬 手藝 引入擠壓模具設計中，經(jīng)由過程 在計較機上摹擬 試模，可以或許 獲得 鋁合金在模腔內(nèi)的變形信息，如速度、溫度、應力應變、壓力等物理場量的散布 ，從而評價工藝及模具布局設計是不是 公道 ，點竄 模具布局，提高模具使用壽命。

Huetink[3]最早采取 解耦ALE方式 對杯—桿復合擠壓進程 進行了數(shù)值摹擬 ，經(jīng)由過程 網(wǎng)格活動 ，可有用 節(jié)制 網(wǎng)格的畸變環(huán)境，但因為 流出部份 網(wǎng)格尺寸不敷 精密 ，摹擬 所得的幾何外形 與真實環(huán)境有所誤差 。Ghosh[4]將ALE方式 與自順應 網(wǎng)格活動 算法及多極堆疊 網(wǎng)格方式 連系 ，用于捕獲 反擠壓進程 中的局部應變效應。Gadala和Wang成立了完全耦合ALE列式，經(jīng)由過程 在單位 上成立物資 點和網(wǎng)格點的活動 關系，隨后在單位 剛度集成前消弭 離散方程中網(wǎng)格速度項的方式來求解全部 有限元列式，并與UL方式 所得摹擬 效果 比力可知，ALE方式 具有 正確 描寫 活動 鴻溝、削減 網(wǎng)格單位 畸變的優(yōu)勢，所得摹擬 效果 也較為靠得住 。

本文彩 取 HyperXtrude有限元擠壓成形軟件對模具設計進行驗證，以國內(nèi)某鋁材擠壓模具出產(chǎn)廠家出產(chǎn)的胡蝶 型工業(yè)型材擠壓模具為例，對鋁合金型材擠壓進程 進行了數(shù)值摹擬 ，并對成形中模具的負載效果 進行了對照剖析 ，完成對新設計模具的驗證和確認，削減 了因頻頻 試模引發(fā) 的昂貴出產(chǎn)本錢 。

1 模具設計與模子 成立

1.1 模具設計

圖1為某型材廠出產(chǎn)的具有“胡蝶 型”橫截面布局的工業(yè)用鋁合金型材產(chǎn)物 。最小壁厚為5.7 mm，其截面積為4882.6 mm2，模具的使用要求是在2200 t擠壓機上，選用直徑為216.0 mm的鋁棒進行擠壓，擠壓鋁合金材料是AA6063-T5，擠壓速度為3.0 mm?s-1。

因為 型材斷面的外接圓直徑到達 Φ246.9 mm，比擠壓棒料的直徑尺寸年夜 了約14.3%，是以 需要對材料進行比力年夜 的寬展成形。而經(jīng)寬展成形的鋁錠再次顛末度 流孔、工作帶擠壓成形，型材面積突然 減小，擠壓力劇增，發(fā)生 了8.3的擠壓比。為減輕模具上模分流橋部位的壓力，和 盡可能 削減 上模的寬展角度，需要做一塊導流板以回護上模和指導 金屬向雙方 活動 。

型材截面具有兩個空心年夜 斷面，中心部位需設有一條增強 筋，因為 截面中心的這一增強 筋較長，為知足 材料活動 供料要求，需要在增強 筋響應 上模的位置開設一個分流孔，以包管 有足夠的材料流向增強 筋的出口位置。同時因為 模具上模存在兩個年夜 截面積的模芯，材料進口 正面受壓面積較年夜 ，是以 在上模中心位置增添 了一個分流孔，以疏通溝通 材料的活動 ，削減 模具正面承受的壓力。

本文彩 取 了導流板前置式的分流組合模具設計方式 ，經(jīng)由過程 引入導流板，有用 均衡 了金屬活動 狀況 ，分管 了上模部份 壓力，有益 于回護模具；同時，上模的設計采取 了短分流橋布局，下模的設計采取 了三級焊合室布局，前者增添 了分流橋抵御金屬直接沖擊的強度，可提高模具使用壽命，后者深化了金屬焊合水平 ，可提高金屬焊合質量，使型材具有優(yōu)秀的輪廓質量。

對分流孔和寬展等布局的安頓，需要知足 型材截面雙方 離中心較遠邊角的供料要求，盡可能 使有足夠多的金屬能流向雙方 ，均衡 其與近中心位置金屬活動 的速度誤差 。

導流板、上下模的設計方案如圖2、3所示，工作帶高度的設計方案見圖4。

1.2 成立有限元模子

采取 的鋁合金材料AA6063-T5的本構模子 [5,7]為：

此中，R是氣體常數(shù)，R=8.314 J?(mol?K)-1，T是溫度，B0為應力常數(shù)，A為應變因子的倒數(shù)、Q為激活能，m為應力系數(shù)。 是初始應變速度 。

式中，B0=25 MPa，A=5.91×109 s-1，Q=141550 J?mol-1，m=5.385， 是依靠 于溫度的參數(shù)。

材料彈性模量為3.681×1010 Pa，密度為2.64×103 kg/m3，泊松比為0.333，坯料加熱溫度為480℃。模具與擠壓筒預熱溫度為430℃。剖析 計較在Hyperxtrude擠壓專用有限元剖析 模塊進行，磨擦 采取 庫侖模子 ，磨擦 系數(shù)取0.4[6-7]。

圖5所示為依照 設計方案對模具進行三維CAD建模和劃分的有限元網(wǎng)格。

2 摹擬 效果 與剖析

2.1 鋁型材速度剖析

抱負的材料活動 效果 應當 是在工作帶出口處斷面上各質點的速度平均 散布 ，進而獲得端面平齊的鋁型材產(chǎn)物 。由擠壓件流速散布 圖6可見，速度場散布 很不平均 ，外側懸臂梁金屬活動 速度顯著 年夜 于增強 筋中部和 平行雙方 ，此中懸臂梁端部份 流孔內(nèi)金屬活動 最快，出材最快，速度最年夜 到達 56.1 mm?s-1，增強 筋中部出材最慢，速度最小只有14.2 mm?s-1，而按照理論計較，型材擠出的平均速度為：Vave=λ?Vin=25.0 mm?s-1。

圖7是當前擠壓條件下的型材活動 環(huán)境，此中黑色橢圓部位的速度轉變 梯度最年夜 ，此處最可能發(fā)生變形。

2.2 模具形變剖析

圖8為擠壓進程 中，上模沿x偏向 和y偏向 的變形環(huán)境。由圖可知，在型材穩(wěn)態(tài)擠壓進程 中，模具最年夜 彈性形變發(fā)生在模芯位置，同時陪伴隨 分流孔必然 水平 向外擴大 。模具的形變幾近 均沿著徑向由中心向外緣遞減，距?？自竭h，變形量越小。

金屬顛末三級焊合室，在焊合腔內(nèi)充實焊合后被擠入工作帶，外形 發(fā)生猛烈 轉變 ，此時模具遭到 最年夜 等效應力和最年夜 彈性形變，體目下當今模芯沿x軸偏向 發(fā)生 了0.01-0.02 mm的位移，而沿y軸偏向 發(fā)生 了0.07-0.08 mm的位移。

可見因為 胡蝶 型材的不合錯誤稱性散布 ，對應胡蝶 懸臂處的分流孔中的金屬流度遠遠年夜 于其它分流孔中的金屬流速，使得本側金屬靜水壓力削弱 ，即對模芯擠壓感化 相對削弱 ；金屬在焊合室內(nèi)速度差散布 進一步加重 ，右邊 金屬因為 流速遲緩 ，與模芯接觸時候 耽誤 ，切向磨擦 力與法向擠壓力都顯著增年夜 ，終究 發(fā)生 圖8（a）所示的模芯位置偏移環(huán)境。

同時，因為 增強 筋部份 金屬活動 最慢，速度僅為14.2 mm?s-1，是出材最難題 的位置。年夜 量金屬經(jīng)焊合室在模芯中部聚集 ，遭到 模芯直接阻礙感化 ，靜水壓力年夜 于其它部位的金屬感化 力，從而使模芯發(fā)生 了沿y軸偏向 的顯著 的彈性形變，如圖8（b）所示。

2.3 模具應力剖析

由圖9(a)可知，導流板的最年夜 等效應力發(fā)生在右邊 分流橋，約為630 MPa；而左邊 分流橋的等效應力略小，約為540 MPa。圖9(b)、(c)是上模沿分歧 截面的等效應力散布 圖，此中最年夜 等效應力約為640 MPa。圖(d)是下模等效應力散布 圖，比擬 上模和導流板而言，下模承載的等效應力較小，最年夜 應力約為252 MPa。

由圖9可知，等效應力的散布 紀律 和模具形變紀律 類似 ，在全部 穩(wěn)態(tài)擠壓進程 里，模具內(nèi)最年夜 應力發(fā)生在坯料和分流橋正向沖擊的部位，并跟著 擠壓的深切 而增添 ，等效應力最年夜 值發(fā)生在模具分流橋底端?？梢?，?？咨⒉?的平均 水平 對模具內(nèi)應力的散布 有著直接影響，對應胡蝶 懸臂處的分流橋內(nèi)部等效應力到達 最年夜 值。

而經(jīng)摹擬 剖析 獲得 的效果 ，模具內(nèi)最年夜 應力值為640 MPa，在模具設計的應力許可局限 以內(nèi)。是以 ，經(jīng)由過程 設計短分流橋布局和 導流板的導流減壓感化 ，有用 節(jié)制 了模具內(nèi)部最年夜 應力的發(fā)生，并改善了應力散布 的平均 性，可包管 模具優(yōu)秀的使用壽命。

3 設計批改

從上述摹擬 效果 可以獲得以下信息：因為 分流橋直接管 到金屬正向沖擊，所以遭到 的等效應力最年夜 ，發(fā)生 較年夜 形變。摹擬 效果 也解釋，擠壓進程 中金屬活動 遵守 活動 阻力最小定律，在圖7中，型材中心“十”字處呈凸起 的小山坡外形 ，這主如果 該部份 對應著型材的兩個環(huán)扣，面積比其他部份 的要年夜 ，接近 該部份 的金屬活動 所受的阻力最小，速度比其它處年夜 。

按照以上信息對模具的工作帶長度進行調(diào)劑 ：懸臂處工作帶長度增添 5 mm，同時芯部實體位置的工作帶長度減小1-2 mm，以減小材料與模具之間的磨擦 。工作帶出口流速的平均 水平 對型材成形質量相當 主要 ，流速越平均 ，型材發(fā)生扭擰、曲折 等缺點 的可能性就越小，型材平直度就越好。

從圖9和圖10可知，上模芯部壁厚可減小0.10-0.15 mm，同時上下兩側壁厚可以恰當 增添 0.05-0.08 mm，以賠償 模具發(fā)生 的彈性形變。改善兩側翼內(nèi)凹部份 的分流孔布局，以增添 內(nèi)凹部份 的材料供給 ，從而增年夜 兩側短邊的金屬活動 速度。

同時，為了改善金屬焊合水平 及型材輪廓質量，進一步不亂 出材速度，下模采取 的三級焊合室布局也有較好的增進 感化 。

經(jīng)由過程 恰當 設計批改 ，前置導流板可有用 均衡 金屬活動 狀況 ，分管 上模部份 壓力，有益 于回護模具；同時短分流橋布局提高了分流橋抵御金屬直接沖擊的強度，可耽誤 模具的使用壽命；而三級焊合室的布局則增進 了金屬深切 焊合與平均 活動 ，進一步改善了型材的輪廓質量。

4 結論

本文對一工業(yè)用鋁合金型材擠壓模具進行設計，采取 了導流板回護布局，上模短分流橋布局和下模三級焊合室布局；并應用 基于肆意拉格朗日—歐拉（ALE）有限元法的專用模塊HyperXtrude，成功摹擬 了坯料在模具中的穩(wěn)態(tài)擠壓進程 ，并對成形中型材的擠出速度、模具的形變與應力環(huán)境進行剖析 ，驗證了其設計方案的公道 性。最后商量 了模具優(yōu)化方案，經(jīng)由過程 調(diào)劑 工作帶長度和芯部壁厚，實現(xiàn)了對金屬活動 的節(jié)制 ，終究 獲得及格 的型材產(chǎn)物 。

（1）使用基于ALE的有限元法對鋁型材擠壓進程 進行數(shù)值摹擬 剖析 ，可以定量的研究模具布局參數(shù)對擠壓進程 的影響，經(jīng)由過程 對各場量進行數(shù)值剖析 ，完成對新設計模具的驗證和確認，削減 因頻頻 試模引發(fā) 的昂貴出產(chǎn)本錢 。

（2）因為 分流孔散布 不平均 ，金屬活動 速度快的區(qū)域，對模具擠壓感化 相對削弱 ，輕易 造成模芯向流速快一側發(fā)生變形，而增強 筋區(qū)域金屬對模芯擠壓感化 最為顯著 。是以 需要恰當 減小金屬流速較快一側的芯部壁厚，以賠償 模具發(fā)生 的彈性形變。

（3）經(jīng)由過程 導流板的導流回護感化 ，有益 于減小寬展成形中模具遭到 的直接沖擊；而短分流橋布局提高了分流橋強度，使模具可以或許 承載更年夜 擠壓負荷；同時三級焊合室布局，對 型材輪廓質量有著顯著改善。