使用HyperXtrude對鋁型材擠壓模具數(shù)值摹擬 設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)

在鋁型材的擠壓進(jìn)程 中，模具是包管 產(chǎn)物 質(zhì)量的樞紐東西，會(huì)直接影響鋁型材的外形 、尺寸精度和皮相質(zhì)量。當(dāng)前鋁型材擠壓工藝和模具的開辟 根基 上是依托 工程類比和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的擠壓模具必需 經(jīng)由過程 頻頻 的試模和修模才能到達(dá) 公道 狀況 ?；ㄙM(fèi)了年夜 量的人力物力且模具設(shè)計(jì)周期較長，晦氣 于提高臨盆 效力 [3-4]。使用計(jì)較機(jī)仿真手藝 可以在試模前對設(shè)計(jì)出的模具進(jìn)行擠壓摹擬 ，經(jīng)由過程 計(jì)較獲得 鋁型材擠出時(shí)金屬各部份 的流速和 模具的變形情形 ，從而判定 所設(shè)計(jì)的模具是不是 公道 ，進(jìn)而對模具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行點(diǎn)竄 ，從而到達(dá) 零試模的目標(biāo) 。

HyperXtrude是今朝 全球獨(dú)一 專業(yè)的鋁型材擠壓工藝和模具設(shè)計(jì)的仿真優(yōu)化軟件，既撐持正向/反向擠壓闡明，又撐持穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)求解。軟件采取 ALE算法，它接收 了今朝 有限元中經(jīng)常使用 的拉格朗日（Lagrange）描寫 和歐拉（Euler）描寫 的長處 ，同時(shí)降服了各自的缺點(diǎn) 。經(jīng)由過程 劃定 適合 的網(wǎng)格活動(dòng) 情勢 來描寫 物體的移動(dòng)界面，并保持 單位 的公道 外形 ，是以 ALE算法可運(yùn)用 于帶自由液面的活動(dòng) 。它降服了Lagrange方式 中網(wǎng)格因過度畸變在重劃分時(shí)呈現(xiàn)失敗使得摹擬 沒法 完成的問題，也降服了Euler方式 只能處置不含時(shí)候 的穩(wěn)態(tài)問題這一缺點(diǎn) 。

本文使用HyperXtrude對某壁厚不均的工業(yè)鋁型材擠壓進(jìn)程 進(jìn)行仿真摹擬 ，闡明金屬的流速和變形情形 ，猜測 鋁型材因流速不均使鋁型材在出口處產(chǎn)生 的變形。最后將仿真成果與試模成果進(jìn)行對照 闡明，進(jìn)而對模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 模子 設(shè)立建設(shè)

1.1 幾何模子 設(shè)立建設(shè)

圖1 6063鋁型材截面圖

Fig.1 Aluminum profile sectional drawing

摹擬 所采取 的鋁型材是某公司臨盆 的6063-T5壁厚不均的工業(yè)鋁型材，其截面尺寸如圖1所示，各部份 壁厚相差較年夜 ，最小壁厚為1.3mm，最年夜 壁厚為6.3mm。

模具采取 導(dǎo)流板加平模的組合方式，在鋁型材壁厚較年夜 的部位設(shè)置了阻流塊以限制該部份 的金屬流速。模具外徑φ198，其三維幾何模子 如圖2所示。

（a）導(dǎo)流板 （b）平模 （c）?？滋幾枇鲏K

Fig.2 Geometric model of the die (a) the guide plate (b) flat die (c) choke block

將繪制幾何模子 導(dǎo)入到HyperMesh中。在擠壓進(jìn)程 中，金屬材料流經(jīng)了擠壓筒（container）—導(dǎo)流室（pocket）—模孔（die hole），最后成為鋁型材，而各部份 鴻溝前提 網(wǎng)格尺寸都分歧 ，所以仿真模子 需要對這幾個(gè)區(qū)域的材料都進(jìn)行網(wǎng)格劃分。是以 導(dǎo)入幾何模子 后的第一個(gè)工作，就是從模具中抽取各部份 的皮相。抽取各部份 皮相后，為提高運(yùn)算效力 ，應(yīng)盡可能 削減 尖角、堆疊 、間隙等細(xì)微缺點(diǎn) ，所以在劃分網(wǎng)格前對導(dǎo)流室、工作帶等部份 進(jìn)行幾何清算 ，消弭 不需要 的細(xì)節(jié)，改善幾何模子 的拓?fù)潢P(guān)系[2]。最后繪制各部份 的網(wǎng)格并生成皮相模子 ，使用皮相模子 生成體模子 ，成果如圖3所示。

圖3 有限元模子

（a）金屬坯料的有限元模子 （b）包括 模具的整體模子

Fig.3 The finite element model

（a）The finite element model of the metallic materials （b）The overall model including the die

1.2 鋁型材擠壓參數(shù)設(shè)置

鋁棒直徑為120mm，長度250mm。鋁型材長度為40mm，擠壓速度為4mm/s。

鋁棒材料為6063，模具材料為H13鋼，均從軟件供給的材料庫中拔取 。擠壓工藝參數(shù)如表1示。

表1 擠壓摹擬 參數(shù)

Table 1 Process parameters used in extrusion simulation and experiments

2 摹擬 成果及闡明

使用HyperXtrude中擠壓材料活動(dòng) 闡明功能，獲得 的擠壓進(jìn)程 中金屬材料的速度場、位移場的散布 如圖4所示。由圖中可以看出：鋁型材出口處最年夜 變形量為38mm，最小為17mm，相差19mm，在出口階段產(chǎn)生 了形變；最年夜 流速為253mm/s,最小流速為169mm/s，兩者相差84mm/s，金屬流速不平均 ；圖4(c)是導(dǎo)流室金屬的流速散布 圖，右側(cè) 鋁型材出口處紅色部份 流速為338mm/s，左側(cè) 流速較慢的部份 為211mm/s。在模具設(shè)計(jì)中，金屬流速平均 、鋁型材出口速度一致是模具設(shè)計(jì)的終究 目標(biāo) ，工作帶出口流速的平均 水平 對鋁型材成形質(zhì)量相當(dāng) 主要 ，流速越平均 ，鋁型材產(chǎn)生 扭擰、曲折 等缺點(diǎn) 的可能性就越小，鋁型材平直度就越好[8]。而在本次的摹擬 成果中，鋁型材出口處流速相差較年夜 且變形水平 不均，致使 鋁型材在擠出時(shí)呈現(xiàn)曲折 乃至 起浪。

圖4變形及流速散布 圖

（a）鋁型材出口形變情形 （b）鋁型材出口流速散布 （c）導(dǎo)流室金屬流速散布

Fig.4 Distribution of displacement and velocity（a）displacement distribution of the profile（b）Velocity distribution of metal flow at bearing exit（c）Velocity distribution of metal flow in pocket

3 臨盆 試模

在1000T的擠壓機(jī)長進(jìn) 行擠壓實(shí)驗(yàn) ，實(shí)驗(yàn) 參數(shù)和摹擬 中一致，獲得的料頭如圖5所示。比較 數(shù)值摹擬 闡明成果可以看出，兩者 都是鋁型材右半部較薄部份 （A區(qū)）流速較快，變形趨向 吻合，證實(shí) 使用基于HyperXtrude的數(shù)值摹擬 可以或許 精確地猜測 擠壓模具初始設(shè)計(jì)方案的潛伏 缺點(diǎn) ，從而進(jìn)一步提出改善 方案。鋁型材右半部較薄部份 金屬流速過快而左半部份 過慢致使 料頭向左曲折 且有“起浪”現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng) 對模具構(gòu)造 進(jìn)行批改 ，削減 鋁型材右半部的材料供給 從而下降 該部份 的金屬速度，使整體金屬流速平均 。

圖5 第一次上機(jī)試模料頭

Fig.5 Nose-end of the profile for the first extrusion test

4 模具的優(yōu)化

為了消弭 鋁型材的“起浪”現(xiàn)象，使產(chǎn)物 尺寸不變，必需 力圖 使產(chǎn)物 橫斷面上各部份 的流出速度一致，這是模具設(shè)計(jì)者應(yīng)遵守 的基來源根基 則。金屬出?？椎幕顒?dòng) 速度受磨擦 阻力影響，?？滋幾枇鲏K的存在使坯料與模具的接觸面積增年夜 ，致使 磨擦 力阻力增年夜 ，而在模具出口處磨擦 力對坯料流出起阻礙感化 [15]，故該部份 流速較小。一般情形 下，鋁型材較薄部份 因接觸面歷年 夜 從而阻力年夜 ，流速較慢，而在圖4(c)中較薄部份 流速較快，比阻流塊四周 金屬流速快127mm/s，緣由 是?？滋幍淖枇鲏K限制了坯料流速，所以在修模進(jìn)程 中應(yīng)當(dāng) 將阻流塊（圖2c）去失落 。同時(shí)對 該鋁型材限制右半部份 金屬的出?？姿俣?。修模時(shí)，在模子工作端面上右端需要阻礙的?？姿闹?恰當(dāng) 的位置用電焊堆起一段凸臺(tái)（見圖6B），使金屬材料在進(jìn)入?？滋幠ゲ?阻力增年夜 ，從而下降 該部份 的金屬流速。

圖6 批改 后的模具

A去失落 阻流塊的部份 B 新焊合的阻流塊

Fig.6 The optimal die A the part where the choke block has been removed

B the choke block welded on

將模具焊上阻流塊后再次上機(jī)試模，獲得 的料頭如圖7所示。從圖中可以看出，本來 流速較快處金屬的活動(dòng) 速度獲得 了按捺 ，而流速較慢活動(dòng) 速度提到顯著高。在試模進(jìn)程 中初始階段材料向右略有曲折 ，但水平 較之前獲得 顯著改善，繼續(xù)擠壓獲得 及格 鋁型材（圖8）。

圖7 再次試模獲得 的料頭

Fig.7 Nose-end of the profile for the second extrusion test

圖8 上機(jī)試模及格 鋁型材

Fig.8 The qualified extrudate through the optimal design die

5 結(jié)論

運(yùn)用HyperXtrude對某壁厚不均的工業(yè)鋁型材擠壓進(jìn)程 進(jìn)行仿真摹擬 ，獲得了金屬活動(dòng) 的速度場，闡明晰鋁型材擠壓時(shí)的變形情形 。按照鋁型材的活動(dòng) 變形情形 對模具構(gòu)造 進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)由過程 焊合阻流塊以下降 鋁型材流速快的部位的活動(dòng) 速度，鋁型材的“起浪”現(xiàn)象獲得 顯著改善。上機(jī)試模成果注解 ，試模情形 與摹擬 成果根基 一致，基于HyperXtrude的數(shù)值摹擬 ，猜測 現(xiàn)實(shí) 擠壓進(jìn)程 中可能呈現(xiàn)的變形缺點(diǎn) ，對擠壓模具設(shè)計(jì)和優(yōu)化有很主要 的指點(diǎn) 意義。

1、使用鋁合金擠壓軟件HyperXtrude，對某壁厚不均的工業(yè)鋁型材進(jìn)行了數(shù)值摹擬 ，獲得了鋁型材擠壓進(jìn)程 的金屬活動(dòng) 速度場，出口處鋁型材流速最快處和最慢處相差84mm/s，最年夜 變形量和最小變形量相差19mm，猜測 了在擠壓時(shí)可能呈現(xiàn)“起浪”的情形 。

2、經(jīng)由過程 上機(jī)試模進(jìn)行驗(yàn)證，試模情形 與摹擬 成果根基 一致。申明 數(shù)值摹擬 對模具設(shè)計(jì)有指點(diǎn) 感化 。

3、經(jīng)由過程 焊合阻流塊下降 流速，并再次進(jìn)行上機(jī)試模，“起浪”現(xiàn)象獲得 顯著改善，終究 獲得 及格 鋁型材。