基于Deform的3C產(chǎn)品鋁型材擠壓過程的數(shù)值模擬*

徐廣晨

(1.營口理工學(xué)院，遼寧 營口 115014；2.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870)

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基于Deform的3C產(chǎn)品鋁型材擠壓過程的數(shù)值模擬*

徐廣晨1,2

(1.營口理工學(xué)院，遼寧 營口 115014；2.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870)

摘要：3C 產(chǎn)品的外形尺寸小，對尺寸公差要求嚴(yán)格，擠壓時初胚的溫度分布、模具的彈性變形及設(shè)計等都會影響最后產(chǎn)品的尺寸與精度。針對3C 產(chǎn)品的型材擠壓成型過程，設(shè)計了3種焊合室結(jié)構(gòu)，基于有限元軟件Deform-3D，進(jìn)行了模穴內(nèi)初胚的塑流形態(tài)分析，基于Die Stress Analysis 模塊，進(jìn)行了模具在擠制過程中的變形、應(yīng)力和應(yīng)變等參數(shù)的模擬。由模擬結(jié)果分析可知，擴(kuò)模型模具的位移量最大。另外，還對對應(yīng)模具的設(shè)計準(zhǔn)則，以及應(yīng)力、位移分布進(jìn)行了研究。

1)對陶瓷彈丸噴丸強(qiáng)化機(jī)理做更詳細(xì)的研究對比，如噴丸強(qiáng)化對試驗件表面殘余應(yīng)力、疲勞壽命關(guān)系做系統(tǒng)的研究，為設(shè)計、噴丸工藝提供指導(dǎo)性資料。

2)由于陶瓷彈丸尺寸可以做得更小，可以對某些螺紋根部圓角進(jìn)行噴丸強(qiáng)化，因此，研究陶瓷彈丸對螺紋進(jìn)行噴丸強(qiáng)化與螺紋滾壓強(qiáng)化對比，將為螺紋強(qiáng)化工藝提供更多選擇方式。

3)應(yīng)進(jìn)一步完善“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測”六方面的要求，加強(qiáng)陶瓷彈丸噴丸強(qiáng)化工藝的質(zhì)量控制。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯鄭練

關(guān)鍵詞：擠壓加工；有限元分析；3C產(chǎn)品

鋁型材產(chǎn)品在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，包括CPU 散熱片、3C 產(chǎn)品外殼、運動器材、醫(yī)療器材和機(jī)械方面相關(guān)的零部件等。隨著用途的多樣化及產(chǎn)品需求的增加，鋁型材產(chǎn)業(yè)正朝向薄殼化、復(fù)雜化、微小化、高精度化、高效率化和多種類化等方向發(fā)展。經(jīng)過鋁型材擠壓的一體成形，可大幅減少焊接等后續(xù)處理，節(jié)約成本。

在擠型加工中，大部分的模具設(shè)計技術(shù)完全依靠模具工人的經(jīng)驗，以試模的方式完成，尚無有效的公式或準(zhǔn)則可供參考。目前，與擠壓模具應(yīng)力分析相關(guān)的文獻(xiàn)有：H. G.Mooi等[1]利用有限元法模擬擠壓時型材的流動和模具的變形；Y. Imamura 等[2]以試驗的手法，針對型材寬度比初胚直徑大的擴(kuò)大擠壓問題，提出了導(dǎo)流板的簡單設(shè)計方法，以確保模具出口處塑流速度的均一性；H.H.Jo等[3]針對有數(shù)個孔穴模具的管件擠壓，研究了不同的焊合長度對于擠壓力的影響，并研究了擠壓力和溫度變化之間的關(guān)系；P. Ulysse等[4]提出了用數(shù)學(xué)公式來預(yù)測擠壓模具出口處的流速變化等塑性流動特性，以此進(jìn)行改善產(chǎn)品擠壓的狀況。上述研究大多偏重于初胚在模具內(nèi)的流塑分析，較少探討模具的彈性變形對產(chǎn)品尺寸的影響[5-8]。本文針對3C 產(chǎn)品零件外框進(jìn)行擠壓加工時初胚在模具內(nèi)的塑流分析，利用Deform-3D軟件中的Die Stress Analysis 模塊來模擬模具所受的應(yīng)力、應(yīng)變及位移等。

1擠壓加工過程模擬

1.1擠壓模具的設(shè)計

產(chǎn)品為1個中間對稱的矩形加2個半圓的薄管(見圖1)，初胚直徑為110 mm，模具的擠壓比為64。

圖1　擠壓產(chǎn)品尺寸圖

擠壓分流模具主要由上模與下模所組成，上模包含分流孔與型芯，下模則為焊合室和模型口。為了簡化建模，將上、下模合并為一?？招墓懿臄D壓時，分流孔越多，高型芯的強(qiáng)度越高；但因分流孔的面積縮小，使得擠壓力提高，且產(chǎn)品的焊合線增加，可導(dǎo)致產(chǎn)品的強(qiáng)度降低。

本文選用兩孔的模具進(jìn)行設(shè)計，模具分流孔的尺寸圖如圖2所示。此外，焊合室對焊合強(qiáng)度的影響相當(dāng)顯著，因此，本文設(shè)計了3種不同的焊合室(見圖3) 。

圖2　模具分流孔尺寸圖

圖3　焊合室尺寸圖

1.2擠壓參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行擠壓過程模擬時，胚料的網(wǎng)格密度有疏密之分，越接近模具出口處網(wǎng)格密度越密。由于產(chǎn)品的形狀為1/4對稱，故采用1/4對稱進(jìn)行模擬[9-10]。模擬參數(shù)見表1。

表1　擠壓模擬參數(shù)的設(shè)定

3種焊合室的擠壓過程如圖4所示，模具焊合室內(nèi)垂直于合流面的壓力分布如圖5所示。由壓力分布可知焊合壓力大小，以此判斷模具設(shè)計的焊合壓力是否滿足其需求。由圖5可知，縮模型、直模型和擴(kuò)模型模具的焊合室內(nèi)的最高焊合壓力分別為266、262和236 MPa，其中擴(kuò)模型模具的焊合室內(nèi)的最高焊合壓力為三者中最小。

圖4　擠壓過程圖

圖5　焊合室壓力分布圖

2擠壓模具的應(yīng)力及變形分析

利用 Deform-3D軟件中的Die Stress Analysis模塊進(jìn)行模具的應(yīng)力、變形的模擬分析。模具的等效應(yīng)力分布圖如圖6所示。由圖6可知，縮模型、直模型和擴(kuò)模型模具的最大等效應(yīng)力分別為654、721和778 MPa，其中，縮模型模具為強(qiáng)度最高，擴(kuò)模型模具的強(qiáng)度最低。3種模具所受到的最大應(yīng)力都在模具邊緣轉(zhuǎn)角處、型芯與桁架連結(jié)的轉(zhuǎn)角處，且皆未超過材料的屈服強(qiáng)度。

圖6　模具的等效應(yīng)力分布圖

模具及型芯在承受擠壓力的情況下會產(chǎn)生彈性變形，造成產(chǎn)品尺寸的變化。模具及型芯的位移分布如圖7 所示，為模具的X、Y和Z等3個方向的總位移分布。其中圖7a為縮模型模具的位移分布，最大變形量為0.153 mm，位于型芯頂部的中心區(qū)域，而圍繞模具品出口處的位移量為0.043 7 mm，此區(qū)域的變形會嚴(yán)重影響出口成品的尺寸變化；圖7b為直模型模具的位移分布，最大變形量為0.140 mm，位于型芯頂部區(qū)域及焊合室的區(qū)域，而圍繞在模具品出口周圍的位移量為0.039 9 mm；圖7c為擴(kuò)模型模具的位移分布，最大變形量為0.157 mm，位于型芯的頂部的中心區(qū)域，圍繞在成品出口周圍的位移量為0.044 9 mm。

圖7　模具的位移分布圖

3結(jié)語

本文應(yīng)用Deform-3D軟件進(jìn)行3C產(chǎn)品的擠壓成型模擬，并針對模具的幾何條件進(jìn)行設(shè)計分析，以獲得擠制成品的較佳加工條件，此外也進(jìn)行模具變形分析，獲得具體結(jié)論如下。

1)分流孔與型芯長度的設(shè)計可使胚料在下模出口處的流速差距減小。

2)由于模具受到擠壓力的影響，成品尺寸會受到壓縮而比原先設(shè)計的尺寸小，此外熱傳導(dǎo)效應(yīng)所引起的熱漲冷縮現(xiàn)象也會使成品尺寸產(chǎn)生變化；但其尺寸變化量相較于模具變形的影響小。

3)所設(shè)計模具的應(yīng)力(最大為778 MPa)小于本身的屈服強(qiáng)度。

4)產(chǎn)品受到模具變形影響下的位移變化量為：擴(kuò)模型模具>直模型模具>縮模型模具。

[1] Mooi H G, Koenis P T G, Huetink J.An effective split of flow and die deformation calculations of aluminum extrusion[J].Journal of Materials Processing Technology, 1999(88): 67-76.

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責(zé)任編輯馬彤

Numerical Simulation of Aluminum Extrusion of 3C Products based on Deform

XU Guangchen1,2

(1.Yingkou Institute of Technology，Yingkou 115014, China;2.Shenyang University of Technology， Shenyang 110870, China)

Abstract：The tolerance for 3C product with small size is strictly required. The temperature distribution of the billet, the elastic deformation of the die, and the design of the flow guide all affect the final dimension of the product. with 3C products for profile extrusion molding process, design three kinds of welding chamber structure, and use the finite element code Deform-3D to simulate the plastic flow of the billet inside the die cavity. Base on Die Stress Analysis module, simulate die in extruding process of deformation, stress, strain and other parameters. The simulation results show the amount of displacement of the largest expansion of the model mold. Finally, a die design guide is proposed and the stress, strain distributions are discussed systematically.

Key words:extrusion process, finite element analysis, 3C products

中圖分類號：TG 376.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-10-27 2015-10-27

作者簡介：周亮(1976-)，男，工程師，主要從事飛機(jī)起落架產(chǎn)品質(zhì)量控制等方面的研究。 徐廣晨(1984-)，男，講師，博士研究生，主要從事機(jī)械加工等方面的研究。

* 營口理工學(xué)院青年自然科學(xué)基金資助項目(QN-L-201402)