QForm-Extrusion摹擬 優(yōu)化鋁型材模具設(shè)計(jì)的利用

介紹

QForm-Extrusion是由QuantorForm公司開辟 的專業(yè)鋁型材擠壓工藝摹擬 軟件。它雖然與QForm的其它模塊共用一個(gè)后處置懲罰 界面，然則 是一個(gè)自力 的運(yùn)用 模塊。擠壓模子 基于拉格朗日-歐拉方式 [1]。模子 假定在摹擬 之前金屬已 布滿 模腔，金屬經(jīng)由過程 工作帶后長(zhǎng)度很快增添 。由于型材擠出的速度紛歧 致可能會(huì)發(fā)生曲折 ，改變 或變形。利用 摹擬 的方式 可以展望這些變形并找到方式 節(jié)制 使變形最小。對(duì) 展望載荷，金屬活動(dòng) 流線，型材溫度和模具變形都利用 專門的模子 實(shí)驗(yàn) 和許多 工業(yè)零件進(jìn)行了驗(yàn)證[2]。軟件的正確 性在2007、2009、2021（參考[3,4]）國(guó)際擠壓算例測(cè)試會(huì)議長(zhǎng)進(jìn) 行了綜合剖析 ，主要經(jīng)由過程 比力摹擬 了局與正確 的實(shí)驗(yàn) 丈量 數(shù)據(jù)。法式 的數(shù)學(xué)模子 與求解耦合問題的方式 在[5-7]中有具體 的描寫 。

模子 的實(shí)行 驗(yàn)證

為了不雅 察模具變形對(duì)材料活動(dòng) 的影響，對(duì)上面描寫 的數(shù)學(xué)模子 進(jìn)行了測(cè)試。模具變形很難丈量 ，是以 希奇采取 專門的實(shí)行 測(cè)試。作為ICEB2009一個(gè)擠壓會(huì)議和算例測(cè)試的專題研究，做了這個(gè)實(shí)行 ，在呈文[8]中可以找到數(shù)據(jù)一覽和實(shí)行 了局。利用 這些數(shù)據(jù)我們用剛性模具和斟酌 模具變形兩種方式 摹擬 了這個(gè)案例。型材和模具草圖見下圖1.

a. b.

圖1 測(cè)試用型材(a)和模具截面圖(b)模具舌頭位置的支持 前提 分歧 ,本圖片可以在 [8]找到圖中可以看到兩個(gè)型材完全溝通 而且 扭轉(zhuǎn) 對(duì)稱。是以 除 模具變形沒有其他身分 致使 金屬活動(dòng) 分歧 。模具舌頭的支持 分歧 會(huì)致使 模具的變形分歧 。在圖1b中兩型材模具舌頭位置標(biāo)志為很少的支持 和完全支持 。實(shí)行 顯示兩模具舌頭位置的變形差距為0.5mm，這可能會(huì)致使 材料活動(dòng) 分歧 。利用 QForm-Extrusion的模子 進(jìn)行模具變形較量爭(zhēng)論 的了局顯示見圖2，可以清楚 的看到模具變形分歧 。乃至 每一個(gè) 模具舌頭長(zhǎng)進(jìn) 出口兩真?zhèn)€ 變形也紛歧 樣，實(shí)行 的丈量 是在出口端。同時(shí)模具的全部 變形沒有工作帶位置的變形對(duì)材料活動(dòng) 影響年夜 （圖2c）。

a b.

c.

圖2 從擠壓筒角度看模具的軸向變形，單元 mm（a），從出口看模具變形（b），工作帶位置的變形（c）

變形的數(shù)值用色標(biāo)顯示，在（c）中工作帶變形后的外形 被放年夜 用粉紅色顯示工作帶的兩面有分歧 的變形彼此有一個(gè)輕細(xì)的位移。變形了局致使 工作帶的角度及有用 的工作帶長(zhǎng)度改變。工作帶外形 的這類 轉(zhuǎn)變 可能影響兩個(gè)分歧 支持 舌頭長(zhǎng)度模具內(nèi)的金屬活動(dòng) 。

為了搜檢 耦合模具變形數(shù)學(xué)模子 是不是 會(huì)發(fā)現(xiàn)模具變形對(duì)材料的影響，我們對(duì)上述模子 摹擬 了兩次，例如，一次模具利用 剛性模子 ，第二次利用 彈性模子 并耦合剖析 。在第一種情形 下兩個(gè)型材活動(dòng) 溝通 ，僅向彼此標(biāo)的目的稍微 曲折 ?？梢宰⒅氐皆谶@類 情形 下對(duì)稱面上沒有曲折 圖3a。

當(dāng)摹擬 第二種情形 時(shí)，支持 很少的型材會(huì)向橋標(biāo)的目的發(fā)生曲折 圖3b。在作者呈文中的實(shí)行 了局也是如斯 ，見圖3c[8]，即便 沒有具體的相干 曲折 數(shù)值。雖然 如斯 我們可以得出結(jié)論，模具變形會(huì)影響金屬活動(dòng) ，在摹擬 中耦合斟酌 模具的變形可以供給更加 正確 的摹擬 了局。

a b c.

圖3 摹擬 了局：模具為剛性模子 （a）耦合模具變形剖析 （b）現(xiàn)實(shí) 照片一個(gè)型材曲折 （c）

模具變形與材料活動(dòng) 在工業(yè)中的運(yùn)用 研究

模具變形對(duì)材料活動(dòng) 的影響可能其實(shí)不 是一向 都十分較著，現(xiàn)實(shí) 上可能在許多 摹擬 案例中假定模具為剛性便可 以供給足夠正確 的了局。當(dāng)模具上有很長(zhǎng)的舌頭或 是設(shè)計(jì)的十分復(fù)雜的空心型材而且 模具被相對(duì)易曲折 的窄的分流橋支持 的時(shí)刻 ，模具變形的影響是十分顯著的。鄙人 面這類 情形 下若是不耦合斟酌 模具變形就不行能給出正確 的了局。

下面例子模具見下圖（圖4，康柏斯授權(quán)），這個(gè)型材有一個(gè)矩形中間 孔和兩個(gè)開放的邊。

a. b.

圖4 鋁型材的模具顯示。從擠壓筒端看（a），從出口看（b）

摹擬 中的模子 在QForm-Extrusion中顯示見圖5。包括金屬域和完全 的模具裝配體。

圖5 摹擬 模子 顯示（包括模具組合體，未顯示擠壓筒）

金屬域包括 341405個(gè)節(jié)點(diǎn)，模具包括 241071個(gè)節(jié)點(diǎn)，利用 兩種方式 進(jìn)行摹擬 ，第一種利用 模具材料為剛性模子 ，第二種模具材料為彈性，耦合斟酌 模具變形對(duì)金屬活動(dòng) 的影響。擠壓材料為AA6060，壓力機(jī)擠壓速度為8mm/s，初始坯料溫度為480oC, 模具預(yù)熱溫度為400oC。第一種方式 金屬活動(dòng) 見圖6。中央 筋活動(dòng) 速度比開放邊慢。這類 材料活動(dòng) 引發(fā) 十分年夜 的材料曲折 見圖6c。

a b c

圖6 模具為剛性時(shí)金屬活動(dòng) 了局，最先 (a), 進(jìn)程 中(b) ，料頭變形 (c).

實(shí)行 不雅 察的了局與上述了局紛歧 致。主要緣由 極可能 是未斟酌 模具變形的影響。摹擬 剖析 模具中央 位置在擠壓標(biāo)的目的的變形。在擠壓標(biāo)的目的模芯的變形接近0.575mm（圖7），模芯在Y和Z軸標(biāo)的目的的變形是工作帶傾斜的緣由 。所以在工作帶上一些位置構(gòu)成 阻流角，一些位置構(gòu)成 促流角（圖8）。在中間 筋位置工作帶變成 促流角引發(fā) 擠壓進(jìn)程 中型材中間 位置出口速度增添 。

a b.

圖7 軸向變形散布 （a）側(cè)面變形（b），模具組合體截面上的變形

圖8 初始直的工作帶由于模具彈性變形引發(fā) 的傾斜，鋁型材中央 位置獲得 促流角

在耦合斟酌 模具變形摹擬 中模具的變形對(duì)金屬活動(dòng) 的影響十分年夜 。（圖9）顯示了料頭外形 ，材料活動(dòng) 與上面的摹擬 了局是十分較著的。

a b c.

圖9 耦合斟酌 模具變形的金屬活動(dòng) 摹擬 了局。最先 (a), 進(jìn)程 中 (b) 料頭外形 (c).

耦合模具彈性變形的材料活動(dòng) 摹擬 了局顯示型材中央 部份 與其它部份 速度一樣快，出口速度變成 一致?；顒?dòng) 情形 與現(xiàn)實(shí) 十分一致。在圖10中顯示了用耦合方式 摹擬 的型材料頭與現(xiàn)實(shí) 的比力。

a b.

圖10 料頭外形 ，摹擬 了局（a），現(xiàn)實(shí) 照片（b）

另外一 個(gè)比來 的工業(yè)運(yùn)用 研究（美國(guó)Thumb Tool & Engineering Co.授權(quán)）是一個(gè)帶有24個(gè)筋的散熱片的型材，網(wǎng)格模子 包括 年夜 約100萬節(jié)點(diǎn)（圖11）。模具為剛性時(shí)摹擬 不行能獲得 現(xiàn)實(shí) 的驗(yàn)證出口速度的料頭外形 。

耦合模具變形摹擬 方式 獲得 正確的材料活動(dòng) 情形 是可能的，有以下 特點(diǎn)：

?薄壁筋流速比型材厚的部份 快

?筋的擠出速度沿著型材寬度標(biāo)的目的紛歧 致然則 有兩個(gè)最年夜 的海浪 ，可以從摹擬 了局與現(xiàn)實(shí) 照片中清楚 的看到。

?擠出速度最快的筋是年夜 約1/4型材總寬的位置，最慢的筋是在尾端，速度次慢的筋是在中央

?摹擬 了局中筋的外形 小于照片，這是由于 摹擬 是從金屬材料布滿 模具最先 摹擬 的，真是情形 下料頭外形 也遭到 型腔內(nèi)部材料活動(dòng) 的影響。

a b c.

圖11 鋁型材料頭外形 （a）和（b）采取 兩個(gè)分歧 的視角，現(xiàn)實(shí) 照片（c）

下一個(gè)工業(yè)案例顯示當(dāng)優(yōu)化工作帶設(shè)計(jì)時(shí)耦合模具變形摹擬 的主要 性。最先 利用 一致的工作帶長(zhǎng)度進(jìn)行摹擬 ，速度散布 了局與料頭外形 見圖12。一致的工作帶長(zhǎng)度獲得 非平均 的活動(dòng) 速度，沿著工作帶睜開 線的速度散布 見圖13。在工作帶長(zhǎng)度一致的情形 下，圖13a中了局顯示速度的差別 為Vmax/Vmin= 0.43/0.23=1.87 。優(yōu)化后速度變的平均 了，速度差別 削減 到Vmax/Vmin= 0.36/0.30 = 1.2。這類 適度的速度差別 在金屬流出工作帶區(qū)域后對(duì)料頭的影響乃至 會(huì)變得更?。▓D14）。

a b

圖12 速度散布 （a），料頭外形 （b），利用 一致的工作帶長(zhǎng)度的摹擬 了局

a) b)

圖13 工作帶長(zhǎng)度和沿著工作帶睜開 線的速度散布 ：(a)一致的工作帶長(zhǎng)度，(b)優(yōu)化的工作帶長(zhǎng)度

a b

圖14 速度散布 （a），料頭外形 （b），工作帶長(zhǎng)度二次優(yōu)化后的摹擬 了局

模具和坯料溫度場(chǎng)耦合摹擬

QForm除 模具組合體-金屬材料應(yīng)力場(chǎng)耦合外，進(jìn)一步的開辟 增添 了溫度場(chǎng)耦合摹擬 。金屬域的熱與應(yīng)力問題與模具利用 接觸面上的現(xiàn)實(shí) 鴻溝前提 的熱及應(yīng)力問題挨次求解。得益于QForm-Extrusion的網(wǎng)格生成模塊，兩種網(wǎng)格（模具和金屬域）可以在它們的接觸面上同享 溝通 的節(jié)點(diǎn)和四面體網(wǎng)格。這有助于在兩個(gè)別 上以最有用 力 的方式利用 耦合的方式 。

模具組合體溫度場(chǎng)耦合剖析 的道理 見圖15。軟件許可沿著模具側(cè)面指定分歧 的鴻溝前提 ，如分歧 的熱傳導(dǎo)系數(shù)K和溫度T。這可能會(huì)在模具相反的面上發(fā)生 分歧 的溫度散布 ，坯料的溫度梯度分歧 可能引發(fā) 金屬活動(dòng) 分歧 ，即便 是幾何對(duì)稱的模具。

圖15 設(shè)置模具概況的溫度鴻溝前提

下面是為博洛尼亞會(huì)議上一個(gè)算例[3]模具溫度散布 ，模具初始溫度假定一致并等于435℃，坯料溫度為520℃?？偟墓に嚂r(shí)候 包括初始模具填充時(shí)候 為5s，以后 45s準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)擠壓工藝進(jìn)程 。模具在側(cè)邊上有橫向支持 ，其它的側(cè)面直接在空氣中。模座下為后環(huán)恒溫50℃。

a b

圖16 模具截面上的溫度散布 （a），型材概況的溫度散布 （b），擠壓工藝50s后摹擬 了局

溫度摹擬 了局與實(shí)行 測(cè)得的溫度比力一致，即便 采取 的溫度場(chǎng)鴻溝前提 并不是 完全一致。分歧 點(diǎn)的摹擬 了局與實(shí)行 丈量 數(shù)據(jù)的溫度差距在5-10℃。不久的未來 將會(huì)做進(jìn)一步的研究，斟酌 更加 正確 的前提 設(shè)置，包括金屬?gòu)臄D壓機(jī)到模具組合體中的時(shí)候 消耗 。

結(jié)論

本文介紹了利用 QForm-Extrusion摹擬 鋁型材擠壓工藝的現(xiàn)實(shí) 運(yùn)用 。由于金屬材料活動(dòng) 不平均 ，鋁合金在擠出后可能會(huì)發(fā)生的改變 和曲折 現(xiàn)象。摹擬 的目的就是展望這類 不公道 的變形并找到方式 使不公道 的變形最小。軟件對(duì) 型材擠壓有專門的操作界面，能快速導(dǎo)入幾何模子 ，還可以主動(dòng) 辨認(rèn) 工作帶且把他們參數(shù)化，易于點(diǎn)竄 調(diào)劑 ，不需要返回到原始的CAD模子 。經(jīng)由過程 工作帶編纂 器對(duì)工作帶區(qū)域長(zhǎng)度進(jìn)行點(diǎn)竄 和優(yōu)化，可以獲得 平均 一致的擠出速度和法則外形 的型材。經(jīng)由過程 QForm-Extrusion還可以斟酌 全部 模具裝配體的影響來剖析 模具裝備 的應(yīng)力和變形。軟件有應(yīng)力耦合摹擬 功能，可以剖析 模具變形對(duì)金屬活動(dòng) 的影響并賠償 它。為了剖析 全部 工藝進(jìn)程 上下模的溫度轉(zhuǎn)變 梯度，在QForm-Extrusion根本上開辟 了溫度-應(yīng)力模子 。今朝 在許多 模具廠和鋁型材公司利用 QForm-Extrusion顯示了它的高經(jīng)濟(jì)效益。

1.QForm-Extrusion中的數(shù)學(xué)模子 獲得 了加強(qiáng) ，包括坯料金屬與模具變形耦合剖析 。

2.而今QForm-Extrusion可以斟酌 熱與應(yīng)力耦合模子 ，更好的較量爭(zhēng)論 型材擠出進(jìn)程 。

3.模具變形引發(fā) 工作帶區(qū)域的幾何改變，同時(shí)意味著影響材料活動(dòng) 。

4.QForm-Extrusion顛最后 模具變形和型材外形 的實(shí)行 驗(yàn)證，得出數(shù)值摹擬 了局十分正確 。

5.利用 工業(yè)案例研究顯示材料活動(dòng) 與料頭外形 現(xiàn)實(shí) 了局與耦合模具變形摹擬 了局十分一致，同時(shí)當(dāng)不斟酌 模具變形時(shí)，摹擬 了局有時(shí)是毛病 的。