復(fù)雜空心鋁型材擠壓進(jìn)程 金屬活動 數(shù)值摹擬 實戰(zhàn)

引言

鋁合金擠壓進(jìn)程 是一個處在高溫、高壓、復(fù)雜磨擦 狀況 等復(fù)雜條件下的金屬活動 成形進(jìn)程 。鋁合金型材擠壓成形工藝中幻想 的材料活動 后果應(yīng)當(dāng) 是在工作帶出口處斷面上各質(zhì)點的速度平均 散布 ，進(jìn)而獲得端面平齊、壁厚平均 、產(chǎn)物 機(jī)能 可以或許 知足 需要的擠壓件。

金屬的活動 狀況 對產(chǎn)物 尺寸有很年夜 影響，一般環(huán)境下，金屬活動 快的部位材料供給 足夠 ，型材壁厚是增年夜 的，而金屬活動 慢的部位材料供給 不足，型材壁厚是減小的[1]。是以 ，在模具設(shè)計中，金屬活動 狀況 對產(chǎn)物 尺寸的影響也是必需 斟酌 的。在組合分流模中，因為 分流孔的外形 、安頓和 分流橋的構(gòu)造 是影響材料分派 的主要 身分 ，是以 ，分流模中各個位置金屬的活動 狀況 所引發(fā) 的產(chǎn)物 尺寸不及格 的環(huán)境尤其 常見。其解決方式 是：想法 改良 金屬在模腔內(nèi)的活動 狀況 ，例如改變分流孔的年夜 小和安頓、橋的構(gòu)造 情勢 都有助于改良 金屬在模腔內(nèi)的分派 ，盡量使空心部份 的幾何中心與模具中心一致，壁厚較年夜 的實心部份 盡量 放置 在橋底；別的 ，在公道 安頓分流孔的條件 下，工作帶的選擇也能夠 有用 調(diào)劑 金屬流速[1-4]。

本文使用HyperMesh對一復(fù)雜空心型材劃分網(wǎng)格，并采取 MSC.Marc對擠壓成形進(jìn)程 進(jìn)行數(shù)值摹擬 ，在摹擬 進(jìn)程 中采取 了一種既可以免 網(wǎng)格畸變和重劃分，又能包管 闡發(fā)正確 性的有限元摹擬 方式 ，經(jīng)由過程 摹擬 后果研究了金屬在模腔內(nèi)的活動 紀(jì)律 ，揭露 了金屬的活動 速度對產(chǎn)物 外形 及尺寸的影響，并將摹擬 后果與試模后果進(jìn)行對照 闡發(fā)。

1 采取 的根基 理論和方式

鋁合金型材擠壓成形進(jìn)程 是一個極度復(fù)雜的熱-機(jī)耦合的彈塑性變形進(jìn)程 ，但塑性變形遠(yuǎn)年夜 于彈性變形，是以 疏忽 材料的彈性變形，而將其看做 剛塑性材料來處置。剛塑性材料在塑性成形進(jìn)程 中應(yīng)知足 平衡方程、幾何方程、本構(gòu)方程、屈就 準(zhǔn)則、體積弗成 緊縮 條件及力和速度鴻溝條件。而用有限元法摹擬 非線性的鋁型材擠壓進(jìn)程 時，因為 變形量年夜 ，會接續(xù)產(chǎn)生 網(wǎng)格畸變，需要進(jìn)行網(wǎng)格重劃分，如許 不只 耗時，損掉 較量爭論 精度，而且過度畸變的網(wǎng)格在重劃分時常常 泛起 掉 敗，使得摹擬 沒法 完成[5-7]。

為解決拉格朗日有限元法在較量爭論 年夜 變形擠壓成形進(jìn)程 中產(chǎn)生 的網(wǎng)格畸變和重劃分問題，本文設(shè)定很小擠壓時候 和較量爭論 步長，將全部 較量爭論 進(jìn)程 節(jié)制 在網(wǎng)格因為 過度畸變而需要網(wǎng)格重劃分之前，年夜 年夜 提高了較量爭論 精度。

2 模子 建樹

2.1實行 描寫

本文以一復(fù)雜型材為例，型材截面尺寸如圖1所示，該斷面型材截面面積為390.4 mm2，最小壁厚為1.5 mm，最年夜 壁厚為4 mm，各部份 壁厚相差較年夜 ，且型材包括 三個關(guān)閉 內(nèi)腔，模具要求在800 T擠壓機(jī)上使用，擠壓鋁棒直徑為120 mm，較量爭論 獲得 擠壓比系數(shù)為29.0，摹擬 擠壓速度為10 mm/s。

圖1 復(fù)雜空心鋁型材截面圖

2.2幾何模子 和有限元模子 的建樹

2.2.1 幾何模子

憑據(jù) 模具設(shè)計根基 準(zhǔn)則，該組合分流模具尺寸肯定 為：上模為Φ178×89 mm，下模為Φ178 mm×60 mm。因為 型材截面的內(nèi)腔被兩條增強(qiáng) 筋分為三個關(guān)閉 的空心部份 ，該模具的設(shè)計一方面要知足 型材雙方 離中心較遠(yuǎn)處邊角的供料要求，另外一 方面又要包管 有足夠的材料流向增強(qiáng) 筋的出口位置。圖2為模具三維幾何模子 和現(xiàn)實 加工出的模具，圖3為工作帶高度的設(shè)計方案。

（a）復(fù)雜空心鋁材擠壓模具幾何模子 設(shè)計上、下模幾何模子

(a) Geometrical model of upper and lower die

（b）加工的上、下模

(b) manufactured upper and lower die

圖2復(fù)雜空心鋁材擠壓模具上、下模模子

Figure 2 model of Upper die and lower die

圖3 復(fù)雜空心鋁材擠壓模具工作帶高度散布

Figure 3 Land length distribution

2.2.2 有限元模子

擠壓進(jìn)程 可分為初始、中心和末尾三個階段，各階段的金屬活動 狀況 是分歧 的，此中，入手下手?jǐn)D壓階段和末尾擠壓階段為非穩(wěn)態(tài)階段，中心階段擠出所需的型材產(chǎn)物 ，金屬在模腔內(nèi)為穩(wěn)態(tài)活動 狀況 ，該階段一般占用90%以上的擠壓時候 ，也是臨盆 出及格 型材最主要 的階段，故本文疏忽 了前后兩個非穩(wěn)態(tài)階段，只研究此中心階段的金屬活動 環(huán)境，所以將闡發(fā)模子 中的毛坯設(shè)計成已 填充了模腔部份 的擠出型材的外形 [2]。斟酌 到型材截面為對稱構(gòu)造 ，是以 只取其1/2建樹幾何模子 ，然后，采取 HyperMesh對三維幾何模子 劃分有限元網(wǎng)格。

本文彩 取 的鋁合金材料AA6063的本構(gòu)模子 （modified Sellers-Tegart law）以下 [8]：

(1)

式中：—活動 應(yīng)力；

—等效塑性應(yīng)變速度 ；

R—氣體常數(shù)，取R =8.314 J/(mol·K)；

T—溫度；

B0、A、Q和n別離是用來將活動 應(yīng)力順應(yīng) 于實驗 數(shù)據(jù)的參數(shù)，此中B025 MPa，A= 5.91×109(1/s)，Q = 141550 (J/mol) 和n=5.385。

材料的彈性模量為3.681×104MPa，密度為2.72ⅹ103(kg/m3)，泊松比為0.333，熱傳導(dǎo)率為198 W/(m·K)，比熱為900 J/(Kg·K)，坯料加熱溫度為750 K，模具和擠壓筒預(yù)熱溫度為700 K。數(shù)值摹擬 的磨擦 模子 采取 庫侖模子 ，磨擦 系數(shù)取0.4。

3 摹擬 后果與闡發(fā)

因為 穩(wěn)態(tài)擠壓階段擠壓速度恒定，各質(zhì)點速度vi與位移Si成正比，即viSi/t,t為擠壓時候 ，所以金屬速度場散布 與位移場溝通 ，圖4為工作帶出口位置和分流孔金屬沿擠壓標(biāo)的目的（-z軸）的位移場散布 圖，由圖可以看出，因為 材料在分流孔內(nèi)的分派 很不平均 （右邊 分流孔材料活動 最快，中心分流孔最慢），致使 出口截面的材料活動 也很不平均 。

圖4 復(fù)雜空心鋁材工作帶出口和分流孔的軸向位移散布

Figure 4 displacement distribution along the axis direction at bearing exit and pothole

產(chǎn)物 斷面上的各質(zhì)點流出模孔工作帶的速度平衡 ，這也是模具設(shè)計和維修遵守 的基來源根基 則。而擠壓中常見的缺點 如海浪 、扭擰、側(cè)彎、面鼓或面凹等，都是因為 模具設(shè)計沒能知足 金屬擠出模孔速度平均 的要求。是以 若何 定量的評價活動 速度的平均 水平 ，和 其對擠壓進(jìn)程 可否 獲得及格 產(chǎn)物 的影響，對擠壓模具的設(shè)計與使用有側(cè)重 要的意義。本文提取型材出口處各質(zhì)點的流速，進(jìn)而求得模具出口處的尺度 速度場誤差 ——SDV值，并以此作為權(quán)衡 金屬活動 是不是 平均 的判定 根據(jù) ，

(2)

式中：N—拔取 的節(jié)點數(shù)量 ；

vi—出口截面上節(jié)點軸向流速；

vave—出口截面上所選節(jié)點平均軸向流速。

較量爭論 獲得 SDV的數(shù)值越小，申明 材料的活動 越平均 ；SDV的數(shù)值越年夜 ，材料活動 越不平均 。

將型材截面劃分為32個區(qū)域，如圖5(a)所示，而且 取每一個 區(qū)域中心處節(jié)點的軸向位移代表該區(qū)域所有節(jié)點的平均軸向位移。圖5(b)為拔取 節(jié)點的軸向流速，并以此作為各區(qū)域的平均軸向速度，全部 截面的軸向平均速度vave為301 mm/s，而憑據(jù) 擠壓比較量爭論 獲得 的理論擠出速度v為290 mm/s，兩者 僅相差3.8%，吻合極度好，進(jìn)而較量爭論 獲得 軸向速度的SDV值為43.0，可以顯明看出，截面出口的速度場散布 很不平均 ，此中平行于增強(qiáng) 筋的邊的中心位置速度最快，到達(dá) 375 mm/s，增強(qiáng) 筋的中心位置速度最慢，僅為219 mm/s。增強(qiáng) 筋壁厚小，速度慢，可能會泛起 因為 供料不足而致使 擠出堅苦或尺寸偏小的缺點 。而且 認(rèn)為當(dāng)型材材料出口速度波動在這一規(guī)模以內(nèi) 時，即SDV值小于某一特定值時，能包管 模具制品 不會泛起 因為 設(shè)計環(huán)節(jié)釀成的 不及格 產(chǎn)物 。

(a) (b)

圖5 復(fù)雜空心鋁型材截面分區(qū)及其出口速度散布

Figure 5 Profile sectional subarea and velocity distribution at the exit

4 實行 后果對照與闡發(fā)

工作帶出口流速的平均 水平 對型材成型質(zhì)量相當(dāng) 主要 ，流速越平均 ，型材產(chǎn)生 缺點 的可能性越小。憑據(jù) 該模具設(shè)計方案設(shè)計出的模具，經(jīng)由 試模獲得料頭如圖6所示。與增強(qiáng) 筋平行的雙方 擠出最快，兩條增強(qiáng) 筋擠出最慢，而且增強(qiáng) 筋尺寸變薄，不克不及 到達(dá) 要求壁厚，對照有限元摹擬 闡發(fā)后果可以看出，兩者 變形趨向 極度吻合。

圖6 試模后復(fù)雜鋁型材料頭

Figure 6 Profile remnant

結(jié)論

應(yīng)用 基于有限元法的摹擬 軟件MSC.Marc對一復(fù)雜空心鋁合金型材擠壓進(jìn)程 進(jìn)行數(shù)值摹擬 ，在摹擬 進(jìn)程 中采取 了一種既可以免 網(wǎng)格畸變和重劃分，又能包管 闡發(fā)正確 性的有限元摹擬 方式 ，研究了金屬在模腔內(nèi)的活動 紀(jì)律 ，使用出口質(zhì)點軸向流速的SDV值定量的剖斷 截面出口速度散布 的平均 水平 ，揭露 了金屬的活動 速度對產(chǎn)物 外形 及尺寸的影響，并將摹擬 仿真后果與試模后果進(jìn)行對照 闡發(fā)，證實 該方式 可以成功地猜測 現(xiàn)實 擠壓進(jìn)程 中可能泛起 的潛伏 缺點 。

（1）使用MSC.Marc對鋁合金型材擠壓進(jìn)程 進(jìn)行數(shù)值摹擬 ，而且 提出了一種既可以免 網(wǎng)格畸變和重劃分，又能包管 闡發(fā)正確 性的有限元摹擬 方式 ，可以有用 地摹擬 出擠壓進(jìn)程 中材料的活動 狀況 。

（2）使用出口質(zhì)點流速的SDV值可以定量地剖斷 截面出口速度散布 的平均 水平 ，對照現(xiàn)實 試模環(huán)境，認(rèn)為當(dāng)型材材料出口速度波動在這一個規(guī)模以內(nèi) 時，即SDV值小于某一特定值時，能包管 臨盆 出及格 的型材。