HyperXtrude大懸臂鋁擠壓模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計

王先鵬

摘 要：大懸臂鋁擠壓模具具有強度大、耐腐蝕性強的優(yōu)勢，將其應用到工業(yè)生產(chǎn)中，可有效提高生產(chǎn)效率。本文簡要分析了鋁擠壓模具傳統(tǒng)設計方案的缺陷，強調(diào)了基于HyperXtrude的大懸臂鋁擠壓模具結(jié)構(gòu)設計的需求?；诖?，重點從數(shù)據(jù)建模、參數(shù)計算、擠壓模擬等方面，探討了模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計流程，通過對設計效果的觀察，證實了優(yōu)化設計方案在提高模具結(jié)構(gòu)合理性方面的價值。

關鍵詞：HyperXtrude軟件；大懸臂；擠壓模具；優(yōu)化設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.044

0 前言

工業(yè)生產(chǎn)過程中，“擠壓成型”為重要流程之一，該流程需利用擠壓工具而完成。受材質(zhì)問題的影響，傳統(tǒng)的擠壓工具，強度較低，使用壽命較短。利用該類型模具加工產(chǎn)品，成本往往較高?；贖yperXtrude所設計的大懸臂鋁擠壓模具的出現(xiàn)，有效解決了上述問題，使得模具的使用性能得到了明顯的提升?？梢?，為提高工業(yè)生產(chǎn)水平，對大懸臂鋁擠壓模具結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計是關鍵。

1 基于HyperXtrude的大懸臂鋁擠壓模具結(jié)構(gòu)的設計需求

以HyperXtrude軟件為基礎的，大懸臂鋁擠壓模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設計以及空刀設計需求如下：

1.1 參數(shù)需求

大懸臂鋁擠壓模具中，影響其結(jié)構(gòu)合理性的因素，以外輪廓尺寸及導流室的高度為主。傳統(tǒng)模具的外輪廓尺寸一般為125mm×58mm，導流室的高度則為14mm。本課題所設計的模具尺寸，相對于傳統(tǒng)模具尺寸而言，長與寬數(shù)值均有所提升?，F(xiàn)有的以HyperXtrude為基礎所設計的大懸臂鋁擠壓模具，外輪廓尺寸為310mm×220mm，導流室高度為15mm，導流板厚度為80mm[1]。

1.2 空刀設計需求

為提高模具的性能，保證型材能夠被有效擠出。將模具的橫面，設計為三級空刀形式，使各級空刀，分別用于支撐工作帶、懸臂以及型材是關鍵。用于支撐工作帶的空刀，可有效減小擠壓所帶來的沖擊力，避免待擠壓的型材被損壞[2]。用于支撐懸臂的空刀，可避免型材與擠壓模具內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦刮痕，以免對型材的生產(chǎn)質(zhì)量產(chǎn)生影響。

2 HyperXtrude大懸臂鋁擠壓模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計方案

基于HyperXtrude的大懸臂鋁擠壓模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計方案如下：

2.1 數(shù)據(jù)建模

為優(yōu)化大懸臂鋁擠壓模具結(jié)構(gòu)，可將HyperXtrude軟件，應用到數(shù)據(jù)建模過程中，使模具模型，能夠以三維的形式體現(xiàn)在計算機當中。對此，設計人員應首先確定型材通過模具的流程。在此基礎上，采用網(wǎng)格劃分的方式，確定邊界條件，得到最終的三棱柱網(wǎng)絡。型材擠壓的過程，即材料逐漸變形的過程。材料的變形區(qū)域，受力往往較高。因此，單元劃分過程中，需提高變形區(qū)域網(wǎng)格的密度，以符合實踐特點。反之，受力較小區(qū)域的網(wǎng)格密度，則應適當降低，以降低計算難度，提高設計效率。

2.2 參數(shù)計算

為提高大懸臂鋁擠壓模具結(jié)構(gòu)的合理性，本課題采用HyperXtrude軟件對模具結(jié)構(gòu)進行計算，得到了材料參數(shù)、模具邊界參數(shù)及擠壓工藝參數(shù)如下：（1）材料參數(shù)：本課題中，工件材料與模具材料型號，分別為AA6063以及H13。其中，AA6063的彈性模量為4.0×1010Pa、密度為2700kg/m3，比熱容為900J/（kg·K）。H13彈性模量為2.1×1010Pa、密度為7870kg/m3，比熱容為460J/（kg·K）。（2）模具邊界參數(shù)：擠壓速度為1mm/s、初始溫度450℃、傳熱系數(shù)3000W/（m2·K）。（3）擠壓工藝：型號為AA6063的工件，直徑為90mm、擠壓比43.77。擠壓過程重，材料的溫度及擠壓速度，與模具邊界條件參數(shù)一致。

2.3 擠壓模擬

目前，市場中常見的型材，主要包括空心與實心兩種。前者需采用分流組合模具進行擠壓，擠壓過程相對復雜，且影響擠壓效果的因素較多。后者需采用導流模及平模進行擠壓，與空心型材相比，擠壓流程更加簡單。實心型材擠壓過程中，導流模中所含的模芯，可分擔懸臂梁的受力，使模具受力的平衡性得以提升。以實心型材導流模具中偽分流模具結(jié)構(gòu)的設計為例，設計人員可采用不同方式，分別設計其下模及上模結(jié)構(gòu)。本課題所設計的模具中，上模主要由分流孔及模芯等部分構(gòu)成。擠壓過程中，各部分功能能夠共同發(fā)揮。使金屬得以均勻流動，使型材能夠逐漸成型。通過對模型的計算發(fā)現(xiàn)，大懸臂鋁擠壓模具中，導流板與模面的最大變形位移，分別為0.688mm及0.615mm，屈服強度為1020N/mm2。

2.4 設計方法及效果

經(jīng)擠壓模具數(shù)據(jù)建模及參數(shù)計算所得到的設計方案，需被應用到實踐中，才可了解方案是否合理：（1）設計方法：通過對模型及參數(shù)的分析，本課題考慮將分流模應用到擠壓模具的設計過程中。通過改變分流孔數(shù)目、參數(shù)、形狀等方式，使金屬流動速度的平衡性得以提升。為避免位移參數(shù)不合理的風險發(fā)生，可將防偏結(jié)構(gòu)，應用到偽分流模中，提高擠壓過程的穩(wěn)定性。（2）設計效果：設計完成后，本課題通過實驗的方式，評估了模具的性能。評估結(jié)果顯示，采用偽分流模擠壓型材，模具及型材，均無明顯變形現(xiàn)象。且型材的彎曲程度較小，質(zhì)量較高。表明，以HyperXtrude為基礎所設計的大懸臂鋁擠壓模具結(jié)構(gòu)，應用價值更高。

3 結(jié)論

本課題采用數(shù)據(jù)建模以及參數(shù)優(yōu)化計算等方式，對以HyperXtrude為基礎的大懸臂鋁擠壓模具結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計，取得了良好的效果。工業(yè)設備生產(chǎn)領域，可考慮以本課題所提供的經(jīng)驗為參考。將模具的尺寸、厚度，以及導流板數(shù)據(jù)等，均納入到建模過程中。通過運行模型的途徑，確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設計方案。以使擠壓模具結(jié)構(gòu)的合理性，及其使用性能，能夠得到進一步的提升。

參考文獻：

[1]孫憲萍，楊兵，劉強強.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡與遺傳算法的溫擠壓模具優(yōu)化設計[J].潤滑與密封，2017，42（04）：84-88.

[2]潘衛(wèi)國.建筑幕墻立柱鋁型材擠壓過程數(shù)值模擬分析和擠壓模具工作帶優(yōu)化設計的研究[J].鋁加工，2016（02）：20-26.