基于Altair HyperXtrude的空心鋁型材擠壓成型仿真模擬

鐘建華, 袁志燕, 劉艷霞

(江西理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 江西 贛州　341000)

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基于Altair HyperXtrude的空心鋁型材擠壓成型仿真模擬

鐘建華, 袁志燕, 劉艷霞

(江西理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 江西 贛州341000)

摘要：以6063工業(yè)鋁型材為研究對(duì)象,將建立好的三維模型導(dǎo)入有限元Altair HyperXtrude分析軟件進(jìn)行仿真模擬,獲得金屬流動(dòng)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及型材的形變場(chǎng),研究其金屬流動(dòng)規(guī)律,預(yù)測(cè)實(shí)際擠壓過程中可能出現(xiàn)的擠壓型材缺陷.結(jié)果表明:當(dāng)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí),型材會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的扭擰、波浪、彎曲和裂紋等缺陷;HyperXtrude可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)擠壓模具初始設(shè)計(jì)方案中潛在的缺陷,實(shí)時(shí)跟蹤描述金屬的流動(dòng)行為,揭示金屬的真實(shí)流動(dòng)規(guī)律,獲得金屬試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)難以測(cè)量的物理量,及時(shí)對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),縮短實(shí)際模具制造周期.

關(guān)鍵詞：Altair HyperXtrude; 擠壓過程; 仿真模擬; 金屬流動(dòng); 型材缺陷

0引言

我國擁有極其豐富的鋁礦資源,很多部門如航空航天工業(yè)、交通運(yùn)輸、建筑、石油、電力和化工等對(duì)鋁型材的需求量越來越大.鋁合金型材有著一般金屬?zèng)]有的綜合性能,例如其比強(qiáng)度高、質(zhì)輕及耐腐蝕性能好等.憑借以上優(yōu)良的性能,鋁合金型材已經(jīng)向復(fù)雜化、大型化、精密化、多規(guī)格和多用途等方面發(fā)展[1].型材質(zhì)量的好壞決定于模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與擠壓工藝參數(shù),如何選擇好的擠壓工藝參數(shù)和延長(zhǎng)擠壓模具的壽命已成為各行業(yè)亟待解決的問題.

鋁合金型材生產(chǎn)過程中最主導(dǎo)的技術(shù)以及關(guān)鍵的核心環(huán)節(jié)是擠壓成型,而擠壓成型過程最主要的裝備是擠壓機(jī)和擠壓模具.在鋁合金型材擠壓加工過程中,型材表面質(zhì)量的好壞與模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣有直接關(guān)系.通過優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)可以控制型材表面質(zhì)量、優(yōu)化型材形狀、提高型材尺寸精度,可避免型材因模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)而導(dǎo)致的型材成型和出現(xiàn)的潛在缺陷問題.同時(shí)優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、改善擠壓工藝參數(shù)，可以延長(zhǎng)模具壽命,減少成本投入.

以往對(duì)模具的優(yōu)化都是通過經(jīng)驗(yàn)以及反復(fù)的試模來完成的,本文主要通過對(duì)型材擠壓過程進(jìn)行仿真模擬,在試模擠壓前利用仿真模擬技術(shù)對(duì)模具進(jìn)行擠壓模擬,經(jīng)計(jì)算獲得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)無法獲得的型材物理性能:如型材擠出時(shí)經(jīng)過各部分的流速、溫度以及模具變形等情況.通過對(duì)各分布云圖的分析,判斷模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否會(huì)對(duì)后續(xù)擠壓加工帶來缺陷,進(jìn)而對(duì)模具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理修改,最終達(dá)到減少模具試模次數(shù),提高生產(chǎn)效率的目的.

針對(duì)鋁型材熱擠壓工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),建立鋁合金型材穩(wěn)態(tài)擠壓過程的有限元模擬模型,研究了棒料擠壓過程中在擠壓模具型腔內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律及其型材的變形機(jī)理,從而得到模具結(jié)構(gòu)對(duì)制品成型流動(dòng)、溫度分布、焊縫質(zhì)量和應(yīng)力應(yīng)變等的大致規(guī)律,有效預(yù)測(cè)制品可能出現(xiàn)的缺陷,為擠壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠的建議.針對(duì)擠壓過程的仿真模擬,國內(nèi)外有很多類似的研究[2-9].本研究是以6063空心鋁型材擠壓加工為研究對(duì)象,以Altair HyperXtrude軟件為仿真模擬載體,通過Hyperview分析流程,獲得了鋁型材制品在穩(wěn)態(tài)擠壓成型加工過程中的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和形變場(chǎng)等物理性能.通過以上分布信息,分析了可能導(dǎo)致擠壓型材在擠壓過程中存在的潛在缺陷，例如波浪、扭擰、彎曲和裂紋等.從而對(duì)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒,以達(dá)到對(duì)模具的優(yōu)化.

1試驗(yàn)方法

1.1Altair HyperXtrude軟件簡(jiǎn)介

鋁型材擠壓成型在鋁型材加工領(lǐng)域是一個(gè)高壓高溫以及復(fù)雜的非線性、大變形的熱-力耦合的塑性成型加工過程[1].尤其是當(dāng)制品屬于不規(guī)則不對(duì)稱的形狀時(shí),傳統(tǒng)的有限元模擬方法較難準(zhǔn)確地模擬擠壓型材成型變化狀況.Altair HyperXtrude是目前全球唯一專業(yè)的鋁型材擠壓仿真模擬軟件,同時(shí)可以對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的軟件,可以進(jìn)行正向擠壓和反向擠壓分析,求解類型有瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩種.HyperXtrude采用了ALE算法,它擁有有限元中常見的拉格朗日和歐拉描述的優(yōu)點(diǎn)，又避免了兩者模擬過程中存在的潛在缺陷,網(wǎng)格劃分精確,以合適的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)形式來描述型材的移動(dòng)界面,且保持了單元格的合理形狀,因此ALE算法也適用于帶自由液面的流動(dòng).它不但克服了拉格朗日方法的缺陷(如在模擬運(yùn)行過程中網(wǎng)格因過度畸變?cè)谥匦聞澐謺r(shí)出現(xiàn)失敗，使得模擬無法完成),也克服了歐拉方法只能處理不含時(shí)間的穩(wěn)態(tài)問題這一缺陷.另外,HyperXtrude是由廣義極小殘差(generalized minimum residual)隱式算法來計(jì)算非線性控制方程的.

ALE算法是以非線性的納維葉-斯托克斯方程作為控制方程,有連續(xù)性、動(dòng)量守恒和能量守恒3個(gè)基本方程控制[10-11].

連續(xù)性方程:

(1)

動(dòng)量守恒方程:

(2)

能量守恒方程:

(3)

式(1)~式(3)中:v為材料的位移;ρ為材料密度;τ為柯西應(yīng)力;T為熱力學(xué)溫度;E為內(nèi)能;Kij為熱傳導(dǎo)系數(shù);K0為單位體積的熱源;t為時(shí)間;pi為作用于物體上單位質(zhì)量的力;ci為物質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于網(wǎng)格點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度,即為對(duì)流速度.

1.2Altair HyperXtrude軟件運(yùn)行概況

Altair HyperXtrude是一項(xiàng)用于虛擬開發(fā)和驗(yàn)證擠壓模具和工藝的創(chuàng)新技術(shù),可大幅提升產(chǎn)品質(zhì)量和工廠效率.它主要研究金屬流動(dòng)規(guī)律以及模具受力狀況;可以模擬擠壓加工過程中溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及其變化規(guī)律;可以預(yù)測(cè)鋁型材實(shí)際擠壓加工過程中出現(xiàn)的潛在缺陷,針對(duì)潛在缺陷及早提出優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)方案、重新確定擠壓工藝參數(shù),并且有針對(duì)性地指明解決方案,其運(yùn)行過程如圖1所示.

圖1　運(yùn)行流程

2空心鋁型材的外形及模具結(jié)構(gòu)

以華南某廠生產(chǎn)的工業(yè)鋁型材為主體設(shè)計(jì)模具,該廠生產(chǎn)的鋁型材制品主要參數(shù)平面圖如圖2所示.

圖2　型材產(chǎn)品平面圖

該空心型材為鋁6063系,采用分流組合模具正向擠壓,處在高溫、高壓環(huán)境下擠壓成型的,由坯料擠壓成符合要求的型材,屬于大變形加工.并且在加工過程中可視為完全的塑性形變,因此計(jì)算過程可以忽略金屬的彈性變形.該6063鋁合金型材采用的材料模型為雙曲正弦的流變應(yīng)力模型，其本構(gòu)方程如下[13]:

(4)

式中:σf為流動(dòng)應(yīng)力;R為氣體常數(shù);T為溫度;α為應(yīng)力常數(shù);A為應(yīng)變因子的倒數(shù);Q為激活能;m為應(yīng)力系數(shù);ko(T)為初始應(yīng)變速率,其值取決于溫度場(chǎng)的給定.

分流組合模具的三維模具結(jié)構(gòu)如圖3所示:圖3(a)和(b)分別為擠壓該工業(yè)鋁型材的上模具和下模具.

圖3　擠壓型材模具

3鋁型材的擠壓成型數(shù)值模擬過程

3.1模具的有限元分析模型

擠壓鋁型材的模具用Pro/E進(jìn)行三維建模,將建好的模型以CAD格式導(dǎo)入HyperXtrude軟件中進(jìn)行模擬,然后進(jìn)行前處理,包括幾何處理和網(wǎng)格劃分等.在對(duì)網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)注意以下3點(diǎn):(1) 型材最薄截面處至少劃分6層單元網(wǎng)格;(2) 對(duì)工作帶區(qū)域劃分時(shí),沿?cái)D壓正方向至少劃分9層單元網(wǎng)格;(3) 自由面和工作帶上以三菱柱單元網(wǎng)格形式劃分,網(wǎng)格劃分的順序?yàn)楣ぷ鲙?焊合室-坯料,其他部分網(wǎng)格以離工作帶越遠(yuǎn)網(wǎng)格單元尺寸越大的規(guī)則劃分.

3.2擠壓工藝參數(shù)設(shè)置

工藝參數(shù)的選擇是擠壓成型最為核心的步驟,參數(shù)選擇的合理與否直接關(guān)系到型材的質(zhì)量,同時(shí)擠壓參數(shù)可以影響到模具的壽命.該6063鋁型材屬于正向擠壓,模擬類型為穩(wěn)態(tài)模擬,為了得到真實(shí)的仿真數(shù)據(jù),選擇與該廠吻合的擠壓工藝參數(shù)見表1.

表1　Altair HyperXtrude擠壓分析參數(shù)

3.3模擬邊界參數(shù)設(shè)置

擠壓模擬邊界參數(shù)主要以接觸面摩擦為主,型材擠壓時(shí),會(huì)與模具表面產(chǎn)生劇烈摩擦,同時(shí)發(fā)生塑性變形,棒料與模具接觸如圖4所示.

圖4中的1、2、3處分別是棒料與擠壓墊、擠壓筒、模具間邊界接觸,正應(yīng)力較大.擠壓時(shí)棒料與模具處于高度摩擦狀態(tài),邊界溫度因摩擦劇烈而升高,模具與棒料之間可認(rèn)為沒有相對(duì)移動(dòng),采用剪切摩擦類型.當(dāng)棒料進(jìn)入模具后(如4處),棒料依次與分流孔、焊合室、工作帶等接觸,其中與分流孔、焊合室可視為沒有相對(duì)移動(dòng),屬于完全黏著,因正向應(yīng)力較大采用剪切摩擦,而與工作帶接觸時(shí)接觸應(yīng)力減小且棒料獲得一定的流動(dòng)速度采用庫倫摩擦,摩擦因數(shù)為0.4.

1—棒料與擠壓墊間的邊界; 2—棒料與擠壓筒的邊界; 3—棒料與模具間的邊界; 4—工作帶與模具間的邊界; 5—型材的自由面; 6—型材出口; 7—模具、擠壓筒與外界環(huán)境間的邊界.

圖4擠壓簡(jiǎn)圖

Fig.4Extrusion diagram

3.4Altair HyperXtrude擠壓模擬結(jié)果

圖5為擠壓型材各部分的流速以及流經(jīng)各處的速度.理論上,坯料在工作帶上的流速越均勻,擠壓制品端面越平齊,型材質(zhì)量越好.從圖5(a)中可以看到,在平模部分明顯快于分流部分,并在壁厚小的地方流速更快,這是因?yàn)樵谄侥Ｌ幙状蠊┝峡?而在分流部分相對(duì)供料較慢.圖5(b)可以明顯反映供料速度.圖5(c)是坯料通過分流孔的速度,也就是分流孔的供料速度.從圖5(c)中可以看出，在坯料流經(jīng)各分流孔時(shí)的相對(duì)速度,通過合理對(duì)比,在分流孔分配上起到主導(dǎo)作用,在流速快的地方可以適當(dāng)減少分流孔面積.圖5(d)反映的是坯料流經(jīng)工作帶時(shí)的流速,可以看出，在平模處的流速要稍高于分流部分的速度.

圖5　擠壓型材各處流速

圖6為型材溫度分布圖,通過溫度可以反映出各接觸的摩擦情況,同時(shí)可以勘測(cè)可能因?yàn)闇囟纫鸬纳?對(duì)比型材流速圖5(a)和型材溫度圖6(a),可以明顯看出，型材流速越快的地方溫度升高越快,這是由于擠壓變形過程中棒料與模具摩擦劇烈,產(chǎn)生塑性變形熱,從而導(dǎo)致溫度升高.由圖6(b)可以看出,棒料擠壓過程中表面溫升不明顯,甚至有些位置溫度有所減低,那是由于棒料沿?cái)D壓軸向擠壓時(shí),棒料與擠壓筒和模具的劇烈剪切摩擦,內(nèi)腔由于摩擦作用也會(huì)產(chǎn)生熱量,而模具溫度低于棒料預(yù)熱溫度,所以棒料與模具之間發(fā)生熱量傳遞使得型材表面溫度降低.

圖6　擠壓型材溫度分布及xy合向溫度分布

4模擬云圖結(jié)果分析

從以上型材流速圖可以提前判斷擠壓型材時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)的型材缺陷,通過擠壓仿真模擬試驗(yàn)分析，建議進(jìn)行以下修改(如圖7):

(1) 根據(jù)圖7中位置1和2處金屬流速情況可知,平模直沖位,孔大,相對(duì)供料面少,流速較快,建議在平模部分適當(dāng)加擋料塊控制速度.

(2) 根據(jù)圖7中位置3處金屬流速情況可知,平模與分流部分速度差為10 mm/s.模具設(shè)計(jì)時(shí),在平模處加了擋塊,但在高速擠壓時(shí)仍難免有末端平模起浪現(xiàn)象,所以建議在外擋塊到分流過渡區(qū)減高3 mm來平衡流速.另外,平模起始位的工作帶過渡，建議為圓弧型過渡,可有效提高工作帶的實(shí)際長(zhǎng)度,減慢金屬流速,防止末端起浪.

(3) 根據(jù)圖7中位置4處金屬流速情況可知,相對(duì)供料不足,情況嚴(yán)重時(shí),內(nèi)凹明顯,建議供料口提前,適當(dāng)減少工作帶長(zhǎng)度.

圖7　型材易產(chǎn)生缺陷部分

5結(jié)論

(1) 通過模擬可以獲得現(xiàn)場(chǎng)無法獲得的物理性能分布云圖,得到可能出現(xiàn)的制品變形缺陷,并與該廠試模出的制品變形趨勢(shì)非常吻合.從而證明 Altair HyperXtrude可以準(zhǔn)確指出初始擠壓模具設(shè)計(jì)方案的不足,預(yù)測(cè)模具中潛在的缺陷.

(2) 在平模與分流部分速度差相差大的地方可以適當(dāng)增加擋塊,以控制流速,減少型材形變的不均勻性.

(3) 在型材變形較小的分流部分,由于供料不足,可以適當(dāng)?shù)販p少工作帶長(zhǎng)度,提前供料口;也可以適當(dāng)增加平模部分的工作帶長(zhǎng)度,工作帶的增加使得平模處的金屬流動(dòng)靜壓力也相應(yīng)增大,迫使金屬向阻力小的分流部位流動(dòng),從而使型材整個(gè)端面上金屬流量趨于均勻.

(4) 在實(shí)際生產(chǎn)擠壓試模時(shí),通過HyperXtrude對(duì)擠壓模具的仿真模擬,可以提前對(duì)型材缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè),從而減少試模次數(shù),縮短模具制造周期.

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The Numerical Simulation of Solid Aluminum Profile Extrusion Based on Altair HyperXtrudeZHONG Jianhua, YUAN Zhiyan, LIU Yanxia

(School of Material Science and Engineering, Jiangxi University of

Science and Technology, Ganzhou 341000, China)

Abstract：The extrusion of 6063 industrial aluminum was simulated through introducing 3D model into finite element analysis software “HyperXtrude”.In the process the temperature field,the velocity field,stress and strain profiles of the deformation field of the metal flow were obtained to predict the actual profile defects.The results show that serious twisting,waves,bending and crack defects are mainly attributed to the improper structural design of the model.With the help of the hyperxtrude,the potential defects in the initial design of extrusion model are predicted through describing the flowed metal and metal deformation,so as to improve the model design and shorten the cycle of model manufacturing.

Keywords：Altair HyperXtrude; extrusion process; simulation; metal flow; profile defects

中圖分類號(hào)：TG 375+.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：鐘建華(1956—),男,教授,主要從事高效散熱管的理論與實(shí)踐方面的研究. E-mail:1204754044@qq.com

基金項(xiàng)目：江西省重大專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(贛科發(fā)計(jì)字[2003]23號(hào))

收稿日期：2014-09-24