论文部分内容阅读
摘要：目前企业中空心铝材的生产质量和生产效率很大程度上取决于平面分流组合模的结构设计是否合理。本文构建某方管型材成型挤压模具，以其下模模孔工作带的设计为研究对象，采用拉格朗日有限元法数值模拟热挤压过程。结合模拟结果中的金属流速情况，优化工作带尺寸，最终使得金属流速均满足流速判据，保证了型材质量，可有效减少模具开发周期和成本，达到试模修模的快速响应，实现了空心型材热挤压模具的准确快速有效的设计。
关键词：空心型材;有限元法;数值模拟
0 引言
铝型材由于其质量轻、延展性好、可塑性强、加工精度高和较强的耐腐蚀性等优点，被广泛应用于工业领域特别是航空航天、汽车、建筑等行业。铝型材一般分为空心和实心两种，其中空心铝材成型所需模具即为本文讨论的平面分流组合模，其模具结构复杂，企业在设计、制造环节往往耗时较长，同时试模修模阶段也具有较高难度[1-3]。平面分流组合模结构设计中，分流带的长度是决定金属流速均匀性的重要因素，本文利用有限元法数值模拟空心铝材的热挤压过程，能够快速调整工作带长度，成为快速优化模具结构，降低生产成本，缩短模具开发周期的有效手段。
1 建立型材成型模具模型
1.1 平面分流组合模设计
产品为26mm×26mm，壁厚2mm的Al6063铝质方管，其四角较难成形，因此取下模模孔四角3mm内工作带尺寸为计算基准值，取值4mm（图1）;而模芯工作带长度要不小于模孔最大工作带长度，故取值8mm，利用pro/e软件建立模具模型装配图，整个热挤压过程的挤压比？姿=53.62。
1.2 数值模拟参数设置
设置初始挤压速度3mm/s;局部细化网格，最小网格长约为0.6mm，时间步长增量为0.1s;挤压模具材料选择具有高淬透性和抗热裂能力的H13，初始温度设置为450℃;挤压坯料选择Al6063，初始温度设置为480℃;热成型状态下坯料与模具间摩擦因子取m=0.33;机械能转化为热能系数为0.9。
1.3 金属流速判据的设定
2 模拟结果分析
从模拟结果可见，挤压一段时间后方管型材出现明显外扩缺陷（见图2），可从其下模出口某XY截面处速度等高线图3所分析，造成外扩缺陷主要是由于流速不均导致，具体为内层金属流速比外层金属速度大，同时靠近四角的地方由于局部流速较慢而出现变形材料填充不完整，因此需要对调节金属流动平衡的主要因素即下模工作带的长度的进行优化[5，6]。
3 工作带的优化
选择在下模出口处位置对流动金属做一个XY平面的横截面，以0.5mm为距，在方管型材内、外表面和中性面上分别追踪24个点。根据体积守恒原则，型材流出下模口速度v0=？姿v，本文挤压初始速度v设为3mm/s，挤压比？姿=53.62，故，但后处理显示流出模口所有点速度平均值在136.8mm/s左右，占理论值的85%，这是由于模拟焊合阶段时网格不断重新划分导致体积丢失所引起的。
从表1追踪点金属流速分布可见，中性面上各点均满足金属流速判据，流速较均匀;内层金属流速比外层金属速度大很多，且均有几个点不满足流速判据，需加大相应位置的模芯工作带长度;另外靠近四角的金属流速又较慢，需要对局部模孔工作带进行调整。
调整后的工作带长度如图4所示，且模芯工作带相应改至10mm。由表2可见优化模孔、模芯工作带后，追踪点均满足金属流速判据，Z方向金属出口速度均较为理想，方管型材挤出情况良好，模具的设计已达到要求。
4 总结
本文利用基于拉格朗日有限元分析法的DEFORM软件，构建了方管铝材的成型模型，数值模拟其热挤压过程。提出金属流速判据，根据模拟结果优化了挤压模具中工作带长度，提高了型材截面各部分的流速均匀性，可知正确运用CAE分析技术，可有助于快速准确地设计平面分流模具，显著提高企业模具开发效率，节省企业成本，提高生产效益。
参考文献：
[1]刘静安.铝合金挤压工模具技术的现况与趋向[J].中国金属通报，2011，47：19-21.
[2]刘静安.铝合金挤压及其新材料的研发概况与应用前景[J]. 铝加工，2014 （6）：12-18.
[3]潘卫国，刘静.带拐角大尺寸悬臂空心铝型材挤压数值模拟与模具设计[J].模具工业，2016，42（9）：51-58.
[4]吉宏选.复杂多空腔铝型材挤压过程数值模拟与模具设计优化的实践应用[J].铝加工，2020，1（252）：61-64.
[5]孙伟.基于有限元的铝合金管材挤压成形数值模拟[D].燕山大学，2015，5.
[6]劉伟，高锦张.铝型材挤压过程数值模拟及模具参数优化[D].南京：东南大学材料科学与工程学院，2006，3.
关键词：空心型材;有限元法;数值模拟
0 引言
铝型材由于其质量轻、延展性好、可塑性强、加工精度高和较强的耐腐蚀性等优点，被广泛应用于工业领域特别是航空航天、汽车、建筑等行业。铝型材一般分为空心和实心两种，其中空心铝材成型所需模具即为本文讨论的平面分流组合模，其模具结构复杂，企业在设计、制造环节往往耗时较长，同时试模修模阶段也具有较高难度[1-3]。平面分流组合模结构设计中，分流带的长度是决定金属流速均匀性的重要因素，本文利用有限元法数值模拟空心铝材的热挤压过程，能够快速调整工作带长度，成为快速优化模具结构，降低生产成本，缩短模具开发周期的有效手段。
1 建立型材成型模具模型
1.1 平面分流组合模设计
产品为26mm×26mm，壁厚2mm的Al6063铝质方管，其四角较难成形，因此取下模模孔四角3mm内工作带尺寸为计算基准值，取值4mm（图1）;而模芯工作带长度要不小于模孔最大工作带长度，故取值8mm，利用pro/e软件建立模具模型装配图，整个热挤压过程的挤压比？姿=53.62。
1.2 数值模拟参数设置
设置初始挤压速度3mm/s;局部细化网格，最小网格长约为0.6mm，时间步长增量为0.1s;挤压模具材料选择具有高淬透性和抗热裂能力的H13，初始温度设置为450℃;挤压坯料选择Al6063，初始温度设置为480℃;热成型状态下坯料与模具间摩擦因子取m=0.33;机械能转化为热能系数为0.9。
1.3 金属流速判据的设定
2 模拟结果分析
从模拟结果可见，挤压一段时间后方管型材出现明显外扩缺陷（见图2），可从其下模出口某XY截面处速度等高线图3所分析，造成外扩缺陷主要是由于流速不均导致，具体为内层金属流速比外层金属速度大，同时靠近四角的地方由于局部流速较慢而出现变形材料填充不完整，因此需要对调节金属流动平衡的主要因素即下模工作带的长度的进行优化[5，6]。
3 工作带的优化
选择在下模出口处位置对流动金属做一个XY平面的横截面，以0.5mm为距，在方管型材内、外表面和中性面上分别追踪24个点。根据体积守恒原则，型材流出下模口速度v0=？姿v，本文挤压初始速度v设为3mm/s，挤压比？姿=53.62，故，但后处理显示流出模口所有点速度平均值在136.8mm/s左右，占理论值的85%，这是由于模拟焊合阶段时网格不断重新划分导致体积丢失所引起的。
从表1追踪点金属流速分布可见，中性面上各点均满足金属流速判据，流速较均匀;内层金属流速比外层金属速度大很多，且均有几个点不满足流速判据，需加大相应位置的模芯工作带长度;另外靠近四角的金属流速又较慢，需要对局部模孔工作带进行调整。
调整后的工作带长度如图4所示，且模芯工作带相应改至10mm。由表2可见优化模孔、模芯工作带后，追踪点均满足金属流速判据，Z方向金属出口速度均较为理想，方管型材挤出情况良好，模具的设计已达到要求。
4 总结
本文利用基于拉格朗日有限元分析法的DEFORM软件，构建了方管铝材的成型模型，数值模拟其热挤压过程。提出金属流速判据，根据模拟结果优化了挤压模具中工作带长度，提高了型材截面各部分的流速均匀性，可知正确运用CAE分析技术，可有助于快速准确地设计平面分流模具，显著提高企业模具开发效率，节省企业成本，提高生产效益。
参考文献：
[1]刘静安.铝合金挤压工模具技术的现况与趋向[J].中国金属通报，2011，47：19-21.
[2]刘静安.铝合金挤压及其新材料的研发概况与应用前景[J]. 铝加工，2014 （6）：12-18.
[3]潘卫国，刘静.带拐角大尺寸悬臂空心铝型材挤压数值模拟与模具设计[J].模具工业，2016，42（9）：51-58.
[4]吉宏选.复杂多空腔铝型材挤压过程数值模拟与模具设计优化的实践应用[J].铝加工，2020，1（252）：61-64.
[5]孙伟.基于有限元的铝合金管材挤压成形数值模拟[D].燕山大学，2015，5.
[6]劉伟，高锦张.铝型材挤压过程数值模拟及模具参数优化[D].南京：东南大学材料科学与工程学院，2006，3.