空心型材擠壓模具工作帶優(yōu)化設(shè)計(jì)

唐妍

摘要：目前企業(yè)中空心鋁材的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率很大程度上取決于平面分流組合模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。本文構(gòu)建某方管型材成型擠壓模具，以其下模?？坠ぷ鲙У脑O(shè)計(jì)為研究對(duì)象，采用拉格朗日有限元法數(shù)值模擬熱擠壓過程。結(jié)合模擬結(jié)果中的金屬流速情況，優(yōu)化工作帶尺寸，最終使得金屬流速均滿足流速判據(jù)，保證了型材質(zhì)量，可有效減少模具開發(fā)周期和成本，達(dá)到試模修模的快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了空心型材熱擠壓模具的準(zhǔn)確快速有效的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：空心型材;有限元法;數(shù)值模擬

0 ?引言

鋁型材由于其質(zhì)量輕、延展性好、可塑性強(qiáng)、加工精度高和較強(qiáng)的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域特別是航空航天、汽車、建筑等行業(yè)。鋁型材一般分為空心和實(shí)心兩種，其中空心鋁材成型所需模具即為本文討論的平面分流組合模，其模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，企業(yè)在設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)往往耗時(shí)較長(zhǎng)，同時(shí)試模修模階段也具有較高難度[1-3]。平面分流組合模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，分流帶的長(zhǎng)度是決定金屬流速均勻性的重要因素，本文利用有限元法數(shù)值模擬空心鋁材的熱擠壓過程，能夠快速調(diào)整工作帶長(zhǎng)度，成為快速優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本，縮短模具開發(fā)周期的有效手段。

1 ?建立型材成型模具模型

1.1 平面分流組合模設(shè)計(jì)

產(chǎn)品為26mm×26mm，壁厚2mm的Al6063鋁質(zhì)方管，其四角較難成形，因此取下模?？姿慕?mm內(nèi)工作帶尺寸為計(jì)算基準(zhǔn)值，取值4mm（圖1）;而模芯工作帶長(zhǎng)度要不小于?？鬃畲蠊ぷ鲙чL(zhǎng)度，故取值8mm，利用pro/e軟件建立模具模型裝配圖，整個(gè)熱擠壓過程的擠壓比？姿=53.62。

1.2 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

設(shè)置初始擠壓速度3mm/s;局部細(xì)化網(wǎng)格，最小網(wǎng)格長(zhǎng)約為0.6mm，時(shí)間步長(zhǎng)增量為0.1s;擠壓模具材料選擇具有高淬透性和抗熱裂能力的H13，初始溫度設(shè)置為450℃;擠壓坯料選擇Al6063，初始溫度設(shè)置為480℃;熱成型狀態(tài)下坯料與模具間摩擦因子取m=0.33;機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能系數(shù)為0.9。

1.3 金屬流速判據(jù)的設(shè)定

2 ?模擬結(jié)果分析

從模擬結(jié)果可見，擠壓一段時(shí)間后方管型材出現(xiàn)明顯外擴(kuò)缺陷（見圖2），可從其下模出口某XY截面處速度等高線圖3所分析，造成外擴(kuò)缺陷主要是由于流速不均導(dǎo)致，具體為內(nèi)層金屬流速比外層金屬速度大，同時(shí)靠近四角的地方由于局部流速較慢而出現(xiàn)變形材料填充不完整，因此需要對(duì)調(diào)節(jié)金屬流動(dòng)平衡的主要因素即下模工作帶的長(zhǎng)度的進(jìn)行優(yōu)化[5，6]。

3 ?工作帶的優(yōu)化

選擇在下模出口處位置對(duì)流動(dòng)金屬做一個(gè)XY平面的橫截面，以0.5mm為距，在方管型材內(nèi)、外表面和中性面上分別追蹤24個(gè)點(diǎn)。根據(jù)體積守恒原則，型材流出下?？谒俣葀0=？姿v，本文擠壓初始速度v設(shè)為3mm/s，擠壓比？姿=53.62，故，但后處理顯示流出模口所有點(diǎn)速度平均值在136.8mm/s左右，占理論值的85%，這是由于模擬焊合階段時(shí)網(wǎng)格不斷重新劃分導(dǎo)致體積丟失所引起的。

從表1追蹤點(diǎn)金屬流速分布可見，中性面上各點(diǎn)均滿足金屬流速判據(jù)，流速較均勻;內(nèi)層金屬流速比外層金屬速度大很多，且均有幾個(gè)點(diǎn)不滿足流速判據(jù)，需加大相應(yīng)位置的模芯工作帶長(zhǎng)度;另外靠近四角的金屬流速又較慢，需要對(duì)局部?？坠ぷ鲙нM(jìn)行調(diào)整。

調(diào)整后的工作帶長(zhǎng)度如圖4所示，且模芯工作帶相應(yīng)改至10mm。由表2可見優(yōu)化?？住⒛Ｐ竟ぷ鲙Ш螅粉欬c(diǎn)均滿足金屬流速判據(jù)，Z方向金屬出口速度均較為理想，方管型材擠出情況良好，模具的設(shè)計(jì)已達(dá)到要求。

4 ?總結(jié)

本文利用基于拉格朗日有限元分析法的DEFORM軟件，構(gòu)建了方管鋁材的成型模型，數(shù)值模擬其熱擠壓過程。提出金屬流速判據(jù)，根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化了擠壓模具中工作帶長(zhǎng)度，提高了型材截面各部分的流速均勻性，可知正確運(yùn)用CAE分析技術(shù)，可有助于快速準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)平面分流模具，顯著提高企業(yè)模具開發(fā)效率，節(jié)省企業(yè)成本，提高生產(chǎn)效益。

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