鋁型材擠壓過程仿真模擬基礎(chǔ)介紹

劉曉飛

（江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院 江西省 贛州市 341000）

摘 要：鋁合金型材在日常生活中到處可見， 已成為了人們現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域中不可或缺的生產(chǎn)原材料，建筑鋁型材和工業(yè)鋁型材產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為了衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的重大指標(biāo)。鋁合金型材一般常用的生產(chǎn)方式是擠壓成形，擠壓加工方法已成為了人們的研究對(duì)象，在擠壓加工過程中擠壓工藝參數(shù)的選擇是核心要領(lǐng)。

關(guān)鍵詞：鋁合金型材；擠壓模具；仿真模擬

銅、鋁等有色金屬是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料，2004 年以來，我國(guó)銅鋁生產(chǎn)量和消費(fèi)量一直穩(wěn)居世界第一。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速穩(wěn)步發(fā)展，帶動(dòng)各行業(yè)輕工業(yè)的迅速發(fā)展，建筑鋁型材和工業(yè)鋁型材在各個(gè)領(lǐng)域得到了高度的重視和廣泛的應(yīng)用。擠壓技術(shù)從 18 世紀(jì)開始發(fā)展跨度到 20 世紀(jì)，相對(duì)于其他加工方法，擠壓法在金屬塑性加工領(lǐng)域里發(fā)展的比較晚。經(jīng)過兩百多年的發(fā)展，金屬擠壓成形發(fā)生了質(zhì)的飛越，已成為金屬成形工藝中一個(gè)重要的分支，在技術(shù)、工藝與裝備方面均取得了巨大進(jìn)步。

擠壓產(chǎn)品憑借其優(yōu)良的性能已廣泛用于很多重要領(lǐng)域如民用、航空航天、艦船、電子、交通運(yùn)輸、能源、冶金化工及國(guó)防軍工等重要領(lǐng)域。作為生產(chǎn)管、棒、型材以及線坯，擠壓成型無非是最具有優(yōu)勢(shì)的。擠壓成型技術(shù)具有理論性強(qiáng)、加工工藝技術(shù)含量極高等特點(diǎn)。但從另外一方面來看，擠壓法同時(shí)也存在諸多不利因素，優(yōu)點(diǎn)越多，缺點(diǎn)也越明顯，擠壓的歷史就是不斷克服這些缺點(diǎn)，它的加工過程是一個(gè)復(fù)雜非線性的過程，加工后型材發(fā)生了很多復(fù)雜變形，伴隨著大壓力下產(chǎn)生的設(shè)備高負(fù)荷、高能耗、高摩擦、大變形熱有關(guān)，又與材料跟工具長(zhǎng)時(shí)間緊密接觸而產(chǎn)生的工具溫升有關(guān)，而且還和密閉的工具內(nèi)加材料和取出殘料而中斷操作不利因素有關(guān)。

擠壓模具作為擠壓成型工藝的核心部分，它的設(shè)計(jì)以及使用壽命已經(jīng)成為人們研究的主要領(lǐng)域。中國(guó)鋁型材模具本身材質(zhì)以及模具結(jié)構(gòu)方面如結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定和壽命的預(yù)測(cè)上都得到了很大的提升。鋁合金型材擠壓模具是具有強(qiáng)高度的特征和穩(wěn)定流速場(chǎng)模具所要求的雙重身份的統(tǒng)一體。所以，人們?cè)谡J(rèn)識(shí)擠壓模具的過程中更多得是感性認(rèn)識(shí)，而缺乏理性認(rèn)識(shí)，在全球鋁加工行業(yè)中，人們對(duì)擠壓模具的設(shè)計(jì)與制造更多依靠的是經(jīng)驗(yàn)以及反復(fù)的試模，理論上的東西仍處于初級(jí)階段，實(shí)際生產(chǎn)模具方面更多的是依靠工程實(shí)踐，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋁合金型材擠壓加工模具的理論設(shè)計(jì)研究。

空腹鋁合金型材擠壓成形是一個(gè)很復(fù)雜大變形的過程，成形的過程受材料性質(zhì)、變形機(jī)理、模具設(shè)計(jì)狀況等的影響，在設(shè)計(jì)工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)時(shí)我們都應(yīng)該考慮這些因素。擠壓過程分兩個(gè)階段穩(wěn)態(tài)階段和非穩(wěn)態(tài)階段，非穩(wěn)態(tài)是開始擠壓階段和末尾擠壓階段，穩(wěn)態(tài)階段是中間擠壓階段，該階段場(chǎng)變量的分布不在隨時(shí)間變化占了大部分?jǐn)D壓時(shí)間。將整個(gè)過程看成為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

鋁合金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，尤其是當(dāng)制品屬于那種不規(guī)則不對(duì)稱的形狀時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)分析處理研究方法似乎已經(jīng)不能解決一些棘手的問題。

隨著研究的困難，各種仿真模擬已經(jīng)開始進(jìn)入人們的焦點(diǎn)，更多的是借助于計(jì)算機(jī)的高速自動(dòng)和仿真模擬智能。通過對(duì)擠壓制品虛擬設(shè)計(jì)然后進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模擬獲得現(xiàn)場(chǎng)無法獲得的物理性能參數(shù)， 然后對(duì)不佳之處進(jìn)行優(yōu)化， 直到獲得性能達(dá)標(biāo)的樣品，再提交實(shí)際擠壓生產(chǎn)。數(shù)值模擬計(jì)算就是通過形象的離散點(diǎn)把空間與時(shí)間中現(xiàn)場(chǎng)無法獲得的物理量（速度、變形程度、應(yīng)力應(yīng)變）集合起來，離散點(diǎn)之間通過一定線性關(guān)系，建立相關(guān)的代數(shù)方程（離散方程），通過模擬求解分析獲得變量的近似值?；静襟E如上圖。

在數(shù)值計(jì)算這塊，不斷的出現(xiàn)了不同的計(jì)算方法，但總體的路線是不變的，各方法之間的區(qū)別主要在于劃分子區(qū)域方式、不同的離散方程以及代數(shù)方程不同的求解方法。

1 有限單元法基本思想

有限單元法也稱有限元法，其基本思想是：將所需要求解的連續(xù)區(qū)域用離散法劃分成有限的微小單元體，各個(gè)微小的單元體之間通過有限的節(jié)點(diǎn)連接，通過某種原則關(guān)系求解，將原本復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化。它與其他求解法主要的差別在與它所求解的近似值有約束的，只可以在相對(duì)小的子區(qū)域運(yùn)用。它最大的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用的區(qū)域廣闊。有些不規(guī)則區(qū)域如本次研究的大變形區(qū)，有限元法在求解過程中也有一定優(yōu)勢(shì)，它適應(yīng)性好。

有限元主要的難點(diǎn)是通過何種渠道來構(gòu)造一個(gè)與原本研究有關(guān)的離散型方程使它接近求解值， 并且在計(jì)算的過程中數(shù)值必須保持穩(wěn)定性。 數(shù)值處理領(lǐng)域已經(jīng)涌現(xiàn)了很多方法， 在這些方法當(dāng)中有利也有弊。 有限元數(shù)值模擬適用于很多范圍如可變的固體、精確度變化區(qū)域、缺少光滑性的區(qū)域，這些復(fù)雜區(qū)域利用解偏微分方程是很好的選擇。

2 基本假設(shè)和基本方程

1）剛塑性材料的基本假設(shè)

鋁合金型材擠壓過程發(fā)生了復(fù)雜的塑性變形， 且該擠壓過程十分復(fù)雜， 為便于研究，在數(shù)學(xué)上進(jìn)行處理時(shí)必須作出一些適當(dāng)?shù)募僭O(shè)，即將擠壓變形中的一些過程理想化。對(duì)于剛塑性/剛粘塑性材料，可作以下基本假設(shè)：

（1）忽略材料的彈性變形；

（2）不討論體積力和慣性力的影響；

（3）材料是均質(zhì)且各向同性；

（4）材料的變形流動(dòng)服從 Levy—Mises 流動(dòng)理論；

（5）材料體積不變；

（6）材料存在應(yīng)變硬化。

仿真模擬的研究對(duì)象是空腹鋁合金型材，通過對(duì)型材分流擠壓過程的仿真數(shù)值模擬，通過特定的模具多次改變擠壓工藝參數(shù)，從而探索并獲得最佳生產(chǎn)空腹鋁合金型材的擠壓加工參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)提供合理建議，提高實(shí)際生產(chǎn)效益。

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