使用仿真軟件有限元優(yōu)化模具設(shè)計手藝 切磋

1 媒介

鋁型材因具有質(zhì)量輕、比強度高、儲藏 量年夜 、外形美不雅 、耐侵蝕 性、耐候性好等特點，被建筑、交通、航天、通信 裝備 、活動 器械、家居裝潢 等行業(yè)普遍 采取 。同時鋁合金家產(chǎn)是世界列國 的重點成長 范疇 ，其成長 速度僅次于鋼鐵且遠(yuǎn)高于其他金屬材料。鋁型材成品 質(zhì)量的凹凸 取決于擠壓裝備 、擠壓模具的質(zhì)量。模具設(shè)計制做作 為鋁型材臨盆 的主要 環(huán)節(jié)，它的好壞 直接影響擠壓型材的機能 、外不雅 乃至 臨盆 的成敗。但是 ，傳統(tǒng)的擠壓模具設(shè)計主要依托 經(jīng)驗和類比設(shè)計的方式 ，其參數(shù)的采取 常常 與模具設(shè)計者的工作經(jīng)驗和 手藝 程度 緊密親密聯(lián)系關(guān)系 。同時，鋁型材截面復(fù)雜多樣，難以包管 設(shè)計的模具能平均 擠出坯料。常常 臨盆 出來的坯料泛起 扭曲、海浪 、裂紋等現(xiàn)象，致使 模具頻頻 返工，試模。傳統(tǒng)設(shè)計流程一般依照 “設(shè)計、制造、試模、頻頻 修模、改模、調(diào)劑 擠壓工藝參數(shù)”的流程反復(fù) 進(jìn)行才能到達(dá) 抱負(fù)的結(jié)果 。如許 不但 嚴(yán)重影響了臨盆 效力 ，并且 會造成人員、物料的年夜 量揮霍。

計較機手藝 的運用 ，可有用 削減 試模次數(shù)，縮短設(shè)計開辟 周期。跟著 有限元數(shù)值摹擬 手藝 在擠壓鋁型材制造的運用 ，將把擠壓模具的設(shè)計制造領(lǐng)進(jìn)了一個新的成長 階段。這類 基于有限元摹擬 手藝 的根蒂根基 上的手藝 ，具有多方面的優(yōu)勢：在模具初始設(shè)計后，可以在計較機長進(jìn) 行仿真試模取代 現(xiàn)實試模，下降 模具設(shè)計開辟 本錢 ；年夜 幅度縮短設(shè)計開辟 周期；為設(shè)計人員供應(yīng) 靠得住 的數(shù)據(jù)成果，給設(shè)計者優(yōu)化設(shè)計模具供應(yīng) 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)根據(jù) ；更有益 于設(shè)計常識 的堆集。最近幾年來，很多 國度 都對鋁型材擠壓力學(xué)理論和數(shù)值摹擬 手藝 進(jìn)行了研究，在設(shè)計模具供應(yīng) 科學(xué)性根據(jù) 和指導(dǎo)模具臨盆 方面，獲得 了必然 的功效 。

2 國表里 擠壓模具仿真摹擬 的環(huán)境

對鋁型材擠壓進(jìn)行仿真摹擬 ，可以預(yù)先得出擠壓模具現(xiàn)實 擠壓進(jìn)程 中泛起 的問題，盡早 優(yōu)化設(shè)計擠壓模具布局，調(diào)劑 有關(guān)工藝參數(shù)等解決方案。國表里 學(xué)者都在此方面做了很多研究，獲得 了顯著的功效 。韓國粹 者HyunWooShin等早在1993年對非軸對稱擠壓進(jìn)行了有限元闡發(fā)，行使 二維剛塑性有限元方式 連系 厚板理論將三維問題進(jìn)行了簡化，對全部 擠壓進(jìn)程 進(jìn)行了不掉 精確的數(shù)值摹擬 ，同時也削減 了計較勁 [1]。

在二次開辟 方面，國內(nèi)的一些研究也值得存眷 。深圳年夜 學(xué)的李積彬[2]用C說話 編寫了鋁型材擠壓模具參數(shù)設(shè)計的法式 ，以流程圖的情勢 指導(dǎo) 擠壓模具的設(shè)計進(jìn)程 ；以人機交互的情勢 實現(xiàn)擠壓模具參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。江蘇戚墅堰機車車輛工藝研究所的盛偉[3]等用Ansys軟件進(jìn)行金屬塑性成形進(jìn)程 摹擬 軟件的二次開辟 ，并運用 該軟件對鍛件塑性成形進(jìn)程 進(jìn)行了摹擬 ，為提高鍛件質(zhì)量、展望金屬成形中的缺點 、擬定公道 工藝供應(yīng) 了理論根據(jù) 。

對 變形摹擬 的研究，國內(nèi)專家獲得 了很多 的功效 。于滬平、彭穎紅[4]等在《平流分流焊合模成型進(jìn)程 的數(shù)值摹擬 》一文中采取 塑性摹擬 軟件Deform，對平面分流模具進(jìn)行了仿真闡發(fā)，從而得出應(yīng)力、溫度和流速的散布 和轉(zhuǎn)變 。劉漢武、于樺[5]等在《鋁型材擠壓分流組合模有限元闡發(fā)和計較》中行使 Ansys有限元闡發(fā)軟件進(jìn)行有限元闡發(fā)計較，得出原模具設(shè)計中不容易 發(fā)現(xiàn)的布局缺點 。

最近幾年來，愈來愈 多企業(yè)投身于擠壓模具數(shù)字摹擬 手藝 的研究運用 。采取 HyperXtrude等的仿真摹擬 軟件進(jìn)行模具仿真摹擬 。HyperXtrude作為專業(yè)的鋁型材仿真軟件，是Altair公司旗下Hyperworks下的一個模塊。HyperXtrude可以或許 實現(xiàn)鋁型材擠壓進(jìn)程 中的穩(wěn)態(tài)變形闡發(fā)、瞬態(tài)變形闡發(fā)、壓余長度展望、焊合長度展望、正反向擠壓摹擬 、擠壓模具優(yōu)化等多種闡發(fā)。

3 行使 有限元仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的進(jìn)程

進(jìn)行有限元仿真摹擬 是行使 基于流體力學(xué)和布局力學(xué)的有限元闡發(fā)軟件，對設(shè)計出來的模具三維模子 進(jìn)行有限元闡發(fā)，研究金屬活動 紀(jì)律 和 模具和擠壓加工進(jìn)程 中各質(zhì)點各時刻的應(yīng)力場、應(yīng)變場、流變速度場等的動態(tài)數(shù)據(jù)，并且 可對擠壓模具的受力和溫度轉(zhuǎn)變 提高 履態(tài)闡發(fā)，由此可為擠壓工藝的擬定和擠壓模具布局進(jìn)行有用 優(yōu)化。以下將以HyperXtrude軟件為例介紹有限元仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的進(jìn)程 。

3.1 闡發(fā)成果

按照模具初步設(shè)計方案，模具設(shè)計二維圖如圖1所示，在三維建模軟件Solidworks中豎立 三維模子 。將其導(dǎo)入有限元闡發(fā)軟件HyperXtrude中，如圖2所示，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并插手具體的擠壓工藝參數(shù)：材料為6061鋁合金圓棒；擠壓筒直徑258mm；鋁錠預(yù)熱溫度490℃；擠壓筒溫度35℃；模具溫度490℃；擠壓機推頭流速10mm/s，提交計較，可獲得 以下 成果，成果顯示：

圖1 模具設(shè)計二維圖

圖2 擠壓模具三維幾何模子

（1）型材速度和變形摹擬 闡發(fā)：整體流速不屈 衡，相差較年夜 ，圖3顯示, 型材左側(cè)的流速慢，右側(cè)流速較快 ，最快速度為圖3中 。且最快與最慢二者 相差177.3 mm/s，所以料頭向左側(cè)曲折 。

圖3 鋁型材擠出圖

（2）工作帶位置型材流速和變形闡發(fā)：圖4是工作帶位置的型材流速環(huán)境。成果顯示, 型材右側(cè) 比左側(cè) 快，且差距較年夜 ，上邊比下邊稍稍快。這將致使 料頭擠出時，劃分向慢的兩個偏向 曲折 。

圖4 工作帶部門材料流速闡發(fā)圖

（3）分流孔流速闡發(fā)：如圖5所示上、下兩個分流孔流速較快。個中 ，上面分流孔流速最快，中心橋位處流速很是慢。圖6所示的料頭顯示，上下分流孔對應(yīng)的部門流速較快，兩個分流孔之間的橋位流速較慢。摹擬 闡發(fā)布局與料頭布局一致。

圖5 分流孔部門材料流速闡發(fā)圖

圖6 料頭示意圖

（4）型材流速和現(xiàn)實 變形闡發(fā)對比 ：圖8試模料頭顯示型材向左側(cè)曲折 ，其曲折 變形趨向 與摹擬 成果圖7一致。

圖7 A-A偏向 料頭流速散布 和變形圖(向左側(cè) 曲折 ,且幅度較年夜 )

圖8 從A-A視圖偏向 看曩昔 的料頭(向左側(cè) 曲折 ,且幅度較年夜 )

（5）鋁型材流速和現(xiàn)實 變形闡發(fā)對比 ：

圖10試模成果，C-C視圖顯示，從C-C偏向 看曩昔 ，型材向右側(cè) 曲折 ;

圖9摹擬 成果，B-B視圖顯示，從B-B偏向 看曩昔 ，型材向左側(cè) 曲折 ;

C-C 視圖和B-B視圖偏向 恰好 相反，顯示的曲折 偏向 也相反。表白摹擬 成果和試模成果是一致的。

圖9 B-B 料頭流速散布 和變形圖 (向左側(cè) 略微 曲折 )

圖10 從C-C 視圖偏向 看曩昔 的料頭(向右側(cè) 略微 曲折 )

3.2 按照摹擬 成果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計

按照以上成果進(jìn)行綜合闡發(fā)成果對初始設(shè)計方案進(jìn)行點竄 。對二級導(dǎo)流（二級導(dǎo)流二維圖以下 圖11所示）進(jìn)行優(yōu)化點竄 ，以下 圖12所示：

圖11 模具二級二維圖

圖12 鋁型材擠壓模具優(yōu)化設(shè)計示意圖

3.3 優(yōu)化成果闡發(fā)

按照優(yōu)化好的設(shè)計加工模具，并上機試模，經(jīng)由過程 跟蹤發(fā)現(xiàn)，按照后續(xù)跟進(jìn)，優(yōu)化后模具臨盆 出的型材獲得 優(yōu)化，料頭較為平整。

從現(xiàn)實 臨盆 中可以找到很多型材，未優(yōu)化的時，年夜 多泛起 料頭不屈 ，單孔中快慢相差年夜 、多孔出料速度差距較年夜 等缺點 ，如圖13所示。因而可知 利用 有限元軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計是有有需要 的。

圖13 未經(jīng)優(yōu)化產(chǎn)出的料頭

4 結(jié)論

會商了國表里 鋁型材擠壓模具仿真摹擬 設(shè)計的環(huán)境，并以HyperXtrude軟件為例子臚陳 行使 有限元仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的進(jìn)程 ，同時驗證了有限元闡發(fā)在擠壓模具優(yōu)化設(shè)計中的運用 的需要 性。為擠壓模具設(shè)計及工藝優(yōu)化供應(yīng) 根據(jù) 。

（1）行使 HyperXtrude平臺可以或許 有用 地對擠壓進(jìn)程 進(jìn)行仿真摹擬 ，可節(jié)流年夜 量設(shè)計時候 ，摹擬 成果對現(xiàn)實 臨盆 具有很高的參考價值。

（2）運用有限元闡發(fā)軟件對擠壓進(jìn)程 進(jìn)行摹擬 ，可有用 削減 試模次數(shù)，發(fā)現(xiàn)憑仗 經(jīng)驗難以發(fā)現(xiàn)的布局缺點 ，從而下降 企業(yè)本錢 ，提高型材質(zhì)量。