基于HyperXtrude鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)和模擬分析

王赫男，王孟君，喬 磊

（中南大學(xué)有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410083）

0 前言

鋁合金型材因具有重量輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、易成形、可節(jié)能儲能等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在當(dāng)前生產(chǎn)的鋁合金制品中，空心件占有相當(dāng)大的比例，其生產(chǎn)一般是采用無縫擠壓和有縫擠壓兩種工藝，其中有縫擠壓是采用平面分流組合模來完成的。本文所研究的6063異型鋁型材就是采用平面分流組合模擠壓生產(chǎn)。平面分流組合模是目前普遍應(yīng)用的一種模具，具有加工簡便，可連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[1]。

鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)是提高擠壓技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)鋁型材生產(chǎn)企業(yè)主要還是依賴工程設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)人員的試模、返修來保證設(shè)計(jì)成功率，這會造成人力、物力與時(shí)間的耗費(fèi)并且模具壽命也不高[2～4]。

使用數(shù)值模擬技術(shù)能夠模擬材料流動過程。例如有限元法（FEM）就能很好地處理變形體與模具的接觸問題，同時(shí)又具有較高的模擬精度，大量文獻(xiàn)表明，有限元法己被成功地應(yīng)用于模擬研究鋁型材擠壓過程[5～11]。利用有限元法可以得到速度、應(yīng)力、應(yīng)變、壓力等各種物理場量的分布及變化情況，分析模具結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝參數(shù)（擠壓速度、模具和坯料的溫度、擠壓比）等對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，由此評價(jià)工藝及模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理，從而進(jìn)行及時(shí)修改，代替費(fèi)時(shí)費(fèi)力的試模返修過程[12]，可以大大降低生產(chǎn)成本。

1 模具設(shè)計(jì)

平面分流模的主要設(shè)計(jì)要素有：分流比、分流孔的形狀、大小和分布、分流橋、模芯、焊合室、定徑帶等。這些因素對產(chǎn)品的質(zhì)量和模具壽命均有重大影響，需要認(rèn)真計(jì)算和選擇。

1.1 型材分析

對于這種斷面形狀復(fù)雜的空心型材，可采用平面分流模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。材料選擇6063鋁合金，截面積F型＝778mm2，因?yàn)樾筒慕孛鎻?fù)雜，為了增加?？追植嫉膶ΨQ性，將模具中心安排在型腔偏上的位置（如圖1所示）。

圖1 型材截面圖

1.2 選坯和設(shè)備的選擇

根據(jù)型材的截面積以及尺寸，選擇的錠坯的尺寸為φ178，擠壓機(jī)噸位為1630T，計(jì)算擠壓比

1.3 擠壓力的計(jì)算

根據(jù)擠壓力公式：P= 11.775×[(D/d)1/2－0.8]×D2×σb。其中，P為單位擠壓力，N；D為擠壓筒內(nèi)直徑，mm；d為制品的當(dāng)量直徑，mm；σb為某一擠壓溫度下材料的抗拉強(qiáng)度，MPa。

得到P＝11.775×[(187/31.48)1/2－0.8 ] ×1872×16.2＝10921.42kN，換算成噸位約1092.1噸，計(jì)算的擠壓力小于所選1630T擠壓機(jī)的擠壓力。

1.4 分流孔的設(shè)計(jì)

根據(jù)分流孔的布置應(yīng)盡量與制品保持幾何相似的原則[13]，分流孔選用4孔。為了使懸臂梁供料充足，最上面的分流孔設(shè)計(jì)成斜形孔，這樣可以使懸臂梁處供料充足。本設(shè)計(jì)孔道錐面與其軸線的夾角取5.7o。因?yàn)樾筒男螤钶^為復(fù)雜，考慮多種因素，將分流孔最大外接圓直徑定為160mm。分流孔整體形狀見圖2。

圖2 分流孔及分流橋形狀

1.5 分流橋的設(shè)計(jì)

分流橋的寬度B一般?。?/p>

分流橋的截面形狀，采用水滴形，取A-A截面，如圖2所示。這樣有利于金屬的流動與焊合，也便于模具加工， B取為27mm ，分流橋的斜度θ=30o。

1.6 模芯的設(shè)計(jì)

因?yàn)樾筒男螤钶^為復(fù)雜，設(shè)計(jì)采取錐體模芯。當(dāng)模芯寬度b＞20mm時(shí)，模芯多采用凸臺式，故定徑帶靠長懸臂梁的一邊為凸臺式，另外一邊考慮到模芯的強(qiáng)度以及材料的流動情況設(shè)計(jì)為錐式，且錐角為30o。

1.7 焊合室的設(shè)計(jì)

焊合室高度與擠壓簡直徑的關(guān)系如表1所示。

表1 擠壓簡直徑與焊合室高度之間的關(guān)系[14]

本設(shè)計(jì)擠壓筒直徑為187mm，根據(jù)表1選擇焊合室高度為20mm。

1.8 ?？坠ぷ鲙У脑O(shè)計(jì)

一般處于分流橋底的模孔部分由于金屬流進(jìn)比較困難，工作帶必須減短[15]。確定工作帶長度時(shí)，首先要找出分流橋下面位于擠壓筒中心部分最窄的?？?，工作帶應(yīng)該定為兩倍的型材壁厚，對于此型材，分流橋下面較窄的型材臂其工作帶長度定在3mm～5mm之間，以此為基準(zhǔn)，再設(shè)計(jì)其他地方的工作帶長度?？拷鼣D壓筒中心部位，本設(shè)計(jì)取9mm；長懸臂梁位于分流孔下面，工作帶長度為7mm。

1.9 平面分流模的強(qiáng)度校核

平面分流模在擠壓時(shí)承受載荷最不利的情況發(fā)生在金屬尚未進(jìn)入分流孔和金屬充滿焊臺室開始流出?？變蓚€(gè)時(shí)候，其破壞形式主要是分流橋被壓彎和分流橋兩端危險(xiǎn)截面B—B、C—C被剪斷（如圖2所示）。對其危險(xiǎn)斷面進(jìn)行抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度校核。

①抗彎強(qiáng)度校核

可按兩端固定且受均布載荷的簡支梁計(jì)算，校核分流橋的最小高度

式中：Hmin為分流橋的最小高度；L為分流橋兩個(gè)危險(xiǎn)斷面的長度，在CAD中測得L＝38.8mm；P為作用在擠壓墊片上的單位壓力；[σb]為模具材料在溫度下的許用應(yīng)力，在450～500°C下，對于H13鋼取[σb]＝1000MPa，代入數(shù)據(jù)得：

由于上模厚度H上＝100mm，大于計(jì)算的20.93mm，故符合要求。

②分流孔道抗剪強(qiáng)度的校核

式中： Qq為分流橋面上的總壓力；Fq為分流橋受剪應(yīng)力的總面積，在CAD中查詢得Fq＝6295.34mm2；[τ]為許用剪應(yīng)力，在τ＝(0.5～0.6)[σb]、450～500℃下，對于H13鋼取[σb] =1000MPa代入公式得:

τ=(1630×9.8×1000/27451)×6295.34/(2426.4×4)＝377.5MPa，顯然小于H13鋼的剪切強(qiáng)度500MPa，故強(qiáng)度符合要求。

2 數(shù)值模擬

在設(shè)計(jì)好模具的參數(shù)之后，Pro/E中畫出分流模的上模和下模，如圖3所示。

圖2 在Pro/E中建立的分流模模型

2.1 擠壓分析模型創(chuàng)建和求解

在擠壓過程中，材料流經(jīng)擠壓筒-分流孔-焊合室-?？?，最后成形為型材，因此，需要從模具中抽取表面，創(chuàng)建這些區(qū)域的材料模型。首先建立三維幾何實(shí)體，抽取實(shí)體間的共享面，進(jìn)行修剪，最后將體刪除留下面。進(jìn)行幾何清理之后，就要劃分網(wǎng)格。在對鋁型材擠壓模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，必須遵循由下到上(即從工作帶-焊合室-分流孔-鑄棒)、由內(nèi)到外、由小到大的原則，首先成面網(wǎng)格，再生成體網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分好之后，啟動擠壓分析向?qū)А?chuàng)建擠壓分析模型。該步驟包括設(shè)置擠壓參數(shù)（如表2所示），設(shè)置邊界類型等。最后提交運(yùn)算。

表2 鋁型材擠壓過程數(shù)值模擬初始條件

2.2 模擬結(jié)果及分析

圖4為型材出口流速分布圖，結(jié)果顯示整體流速不太均勻，偏差較大，最快流速為175mm/s，最慢流速為137mm/s，兩者相差38mm/s。加上型材臂壁型材抵抗變形的能力較差，這樣擠壓出來的型材臂有可能會向一側(cè)歪曲，容易變形，尺寸不易保證。理想的材料流動結(jié)果應(yīng)該是在工作帶出口處斷面上各質(zhì)點(diǎn)的速度均勻分布，進(jìn)而獲得端面平齊的擠壓件。在修模時(shí)，可以適當(dāng)減小對應(yīng)型材臂的分流孔入口處的面積，或者增加型材臂邊緣處工作帶的長度以降低金屬的流速。

圖4 型材出口流速分布

圖5為變形程度分布圖，金屬由焊合腔被擠入工作帶時(shí)，形狀發(fā)生劇烈變化，所以此處型材的變形程度較大。特別是型材臂和空心部分壁厚較薄處，金屬與模具之間的摩擦更為劇烈，導(dǎo)致此處的形變量最大。但是結(jié)果顯示型材各部分的變形仍然較為均勻。變形量的最大值為0.9mm，在允許的范圍之內(nèi)。

3 結(jié)論

圖5 型材變形程度分布

本文針對復(fù)雜截面鋁型材進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，建立了有限元三維模型，在三維模型的基礎(chǔ)上利用HyperXtrude有限元分析軟件對所設(shè)計(jì)出的模具進(jìn)行擠壓仿真模擬。得出如下結(jié)論：

(1) 詳盡分析了該復(fù)雜截面型材的擠壓工藝特點(diǎn)，選定了擠壓設(shè)備，確定了鑄棒直徑等工藝參數(shù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了擠壓模具并對模具進(jìn)行了強(qiáng)度校核。運(yùn)用Pro/E繪圖軟件，建立了模具的三維仿真模型。

(2) 基于HyperXtrude有限元分析軟件平臺，對該型材的擠壓過程以及所設(shè)計(jì)的擠壓模進(jìn)行了模擬仿真分析，獲得了擠壓過程中型材的流速和變形分布以及模具變形程度分布。通過對模擬結(jié)果的分析，預(yù)測了擠壓時(shí)可能產(chǎn)生的彎曲、翹曲等缺陷。最后對分流孔和工作帶提出了優(yōu)化意見，從而使擠壓時(shí)金屬流動更加均勻。

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