模具非對稱多模芯對鋁型材截面彈性變形的摹擬 設(shè)計(jì)

鋁合金型材擠壓手藝 是一種金屬近凈成形手藝 ，擠壓成形獲得 的型材產(chǎn)物 ，僅需少許 加工或不再加工，便可 到達(dá) 產(chǎn)物 的利用 要求，具有切確的外形、較高的尺寸精度、形位精度和較好的外面 粗拙 度。鋁合金型材擠壓成形屬于金屬熱塑性成形，成形進(jìn)程 受成形速度、成形溫度、變形水平 等多種身分 的影響。因?yàn)?金屬熱膨脹、模具彈性變形、金屬活動(dòng) 快慢等緣由 ，模具成形部位的尺寸和產(chǎn)物 終究 要求獲得的尺寸其實(shí)不 完全溝通 。在現(xiàn)實(shí) 設(shè)計(jì)臨盆 制造中，模具的成形尺寸常常 是由設(shè)計(jì)人員依照 常規(guī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)肯定 。但跟著 鋁工業(yè)和擠壓手藝 的成長 ，對擠壓產(chǎn)物 尺寸精度的要求愈來愈 高，對產(chǎn)物 的公役 規(guī)模、平面度、垂直度等幾何尺寸要求限制愈來愈 嚴(yán)酷。是以 ，因?yàn)?尺寸精度超差，外面 質(zhì)量等身分 造成模具不及格 的比例在接續(xù)增添 ，已 成為鋁合金擠壓模具設(shè)計(jì)制造中急需解決的問題。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方式 經(jīng)由過程 以往的經(jīng)驗(yàn)，“年夜 致”切實(shí)其實(shí) 定模具的預(yù)變形量，加工制造出模具后再經(jīng)由過程 試模、丈量 的手段，搜檢 型材產(chǎn)物 是不是 到達(dá) 尺寸要求，未能到達(dá) 要求的模具再對尺寸進(jìn)行批改 調(diào)劑 ，直至模具到達(dá) 設(shè)計(jì)要求。全部 進(jìn)程 屬于一個(gè)試錯(cuò)的設(shè)計(jì)進(jìn)程 。

如許 的設(shè)計(jì)方式常常 會(huì)致使 模具臨盆 維修本錢 的增添 ，有時(shí)乃至 會(huì)因?yàn)?尺寸預(yù)留的不到位，致使 模具報(bào)廢。本文經(jīng)由過程 數(shù)值摹擬 的手段，對復(fù)雜的型材模具在工作前提 下的彈性變形進(jìn)行定量的闡明。經(jīng)由過程 數(shù)值闡明手段，可以或許 對模具的彈性變形定量的作出判定 和設(shè)計(jì)，從而年夜 年夜 的提高設(shè)計(jì)的成功率，下降 臨盆 本錢 。

1. 模具設(shè)計(jì)方案

圖1(a)所示是一個(gè)具有多空心構(gòu)造 的復(fù)雜的型材產(chǎn)物 。產(chǎn)物 未標(biāo)注位置的壁厚要求為2.0mm。磨練 以上下公役 mm以內(nèi)為及格 產(chǎn)物 。

圖1(b)為模具設(shè)計(jì)方案首要 構(gòu)造 示意圖。模具整體外形尺寸為Φ220×140mm，此中上模總高為97mm，上模厚度為70mm；下?？偢邽?7mm，裝配外形尺寸為70mm，焊合室深度為15mm，模具工作帶高度散布 如圖1(c)所示。

因?yàn)?鋁合金擠壓成形是在4、 五百多攝氏度的高溫下進(jìn)行，而成形后的型材產(chǎn)物 通常為 在常溫下利用 。是以 ，產(chǎn)物 的尺寸在磨練 時(shí)需要在常溫下知足 尺寸要求。在肯定 模具尺寸時(shí)，起首 要對金屬擠出后的冷卻縮短 預(yù)留余量。又因?yàn)?在工業(yè)臨盆 中，型材壁面尺寸超負(fù)差只需要對尺寸要求超差的模具進(jìn)行打磨或切割將模孔出口的尺寸加年夜 ，補(bǔ)綴 或調(diào)劑 較為簡單；而若尺寸超正差，進(jìn)行尺寸調(diào)劑 時(shí)則需要在模具上補(bǔ)焊上金屬材料，再從新 進(jìn)行線切割、打磨等工序，修整費(fèi)時(shí)較多。所以在預(yù)留尺寸余量時(shí)，盡可能 接近 尺寸要求的負(fù)公役 尺寸進(jìn)行預(yù)變形。在本次實(shí)驗(yàn) 中，起首 在產(chǎn)物 要求尺寸各壁面上，按原產(chǎn)物 圖紙要求，先對型材整體作比例為1.01的放年夜 ，再對型材各個(gè)壁面的壁厚增添 0.05mm作為實(shí)驗(yàn) 模具的尺寸。擠壓進(jìn)程 中鋁合金坯料的預(yù)熱溫度為480°C，模具的預(yù)熱溫度為430°C。擠壓速度設(shè)定為3mm/s。

2. 模子 的設(shè)立建設(shè)

2.1幾何模子

計(jì)較模子 按照材料的分歧 分為兩個(gè)部門，變形體部門和模具部門。而變形體又按照金屬活動(dòng) 的分歧 區(qū)域，可分為擠壓棒料區(qū)，模腔區(qū)，工作帶區(qū)和型材區(qū)四個(gè)區(qū)域。此中前兩個(gè)區(qū)域采取 四面體四節(jié)點(diǎn)單位 ，后兩個(gè)區(qū)域采取 三棱柱六節(jié)點(diǎn)單位 。而對模具部門，模具與變形體接觸部門的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與變形體的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)重合，模具部門采取 四面體四節(jié)點(diǎn)單位 。裝配后的有限元網(wǎng)格模子 如圖2所示，模子 的網(wǎng)格單位 總數(shù)為1315812個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為403389。

2.2 數(shù)值摹擬 的根基 理論

對 鋁合金在擠壓進(jìn)程 中的金屬活動(dòng) 進(jìn)程 ，采取 隨意率性 拉格朗日歐拉法（ALE）對其進(jìn)行描寫 。隨意率性 拉格朗日歐拉法[1-2]的思惟 是將計(jì)較網(wǎng)格界說 為自力 于物資 構(gòu)形和空間構(gòu)形的參考構(gòu)形，和 響應(yīng) 地將計(jì)較網(wǎng)格點(diǎn)界說 為自力 于物資 點(diǎn)和空間點(diǎn)的參考點(diǎn)，即在ALE描寫 下計(jì)較網(wǎng)格的活動(dòng) 是自力 且自由的，如圖3所示。

在常規(guī)的Lagrange方式 中，材料的活動(dòng) 可用下式給出：

x ＝ Φ (X, t)（1）

式中，X是物資 坐標(biāo)，函數(shù)Φ (X, t)將物體從初始構(gòu)形V０映照 到現(xiàn)時(shí)構(gòu)形或空間構(gòu)形V。在ALE描寫 中，將其稱為材料活動(dòng) 。

在Lagrange描寫 中，參考構(gòu)形是某個(gè)時(shí)刻的真實(shí)構(gòu)形；而在ALE描寫 中，采取 的是另外一 類用戶設(shè)計(jì)的參考域 ，如圖1所示。這個(gè)域稱為ALE域。在這個(gè)域中點(diǎn)的位置用χ默示，χ也稱為參考坐標(biāo)或ALE坐標(biāo)。它與物資 坐標(biāo)的關(guān)系是：

χ ＝ Ψ (X, t)（2）

參考域的初始值為初始構(gòu)形時(shí)，即

χ ＝ Ψ (X, 0) = x = Φ (X, 0)（3）

用參考域描寫 網(wǎng)格的活動(dòng) ，自力 于材料活動(dòng) 。在ALE描寫 中，網(wǎng)格的活動(dòng) 可以默示為

（4）

即ALE域 內(nèi)點(diǎn)χ到空間域V中的點(diǎn)x的映照 。

2.3 材料模子

本文的研究中，對 6063鋁合金，采取 雙曲正弦流變應(yīng)力模子 [3-4]，如式（5）所示，各參數(shù)的取值如表1所示。

（5）

此中，R是氣體常數(shù)，T是溫度，B0為應(yīng)力常數(shù)，A為應(yīng)變因子的倒數(shù)、Q為激活能，m為應(yīng)力系數(shù)。 是初始應(yīng)變速度 ，其取值取決于溫度場的給定。

對 模具材料，采取 利用 最遍及 的是熱作模具鋼4Cr5MoSiV1，也稱H13鋼。鋁合金型材擠壓模具在工作時(shí)，在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的感化 下，主如果 發(fā)生彈性變形，當(dāng)模具的設(shè)計(jì)方案不公道 或 因?yàn)?其它緣由 ，負(fù)載較為卑劣 時(shí)，模具局部位置或 會(huì)發(fā)生塑性變形，致使 模具掉 效。模具材料在彈性變形規(guī)模內(nèi)時(shí)，其應(yīng)力份量 與應(yīng)變份量 之間知足 廣義虎克定律。材料的各機(jī)能 參數(shù)以下 ：

彈性模量 E = 210 GPa；

材料密度 ρ =7.870 × 103 kg?m-3；

泊松比 ν = 0.35；

比熱 C = 460 J/kg?°C；

熱傳導(dǎo)系數(shù) k = 24.3 W/m?°C。

2.4 實(shí)驗(yàn) 方案

本次實(shí)驗(yàn) 模具外形裝配尺寸為Φ220×140mm。按照擠壓裝備 的利用 規(guī)范和 實(shí)驗(yàn) 前提 ，擠壓實(shí)驗(yàn) 選擇在1300T的擠壓機(jī)長進(jìn) 行，如圖4(a)所示。擠壓坯料采取 棒徑為Φ150mm的6063-T5鋁合金鑄棒。擠壓實(shí)驗(yàn) 擠壓桿行進(jìn)速度設(shè)定為5mm/s，坯料的預(yù)熱溫度為480°C，模具預(yù)熱溫度為430°C。圖4進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 后模具什物 圖。

3. 成效與計(jì)議

3.1擠出速度成效

將型材按如圖5(a)劃分為53個(gè)分歧 的區(qū)域，別離截取各個(gè)區(qū)域的中心位置單位 節(jié)點(diǎn)的金屬擠出速度數(shù)據(jù)，速度場云圖與獲得 數(shù)據(jù)曲線列于圖5(b)。型材整體的擠出平均速度為97.4mm/s，計(jì)較獲得 的RSDV值為28.2%。出口的速度場差別 偏年夜 。而再對型材各壁面的擠出速度進(jìn)行闡明，發(fā)現(xiàn)FG，EN和AG邊的擠出速度偏年夜 ，而CK，JL，BJ，DM邊的擠出速度偏小。

從圖5(b)可以看到，型材在模芯中心部位B到F邊的擠出速度轉(zhuǎn)變 最年夜 ，而其它壁面的速度差別 其實(shí)不 年夜 。從圖5(c)可以獲得 ，型材整體左側(cè) 部門的擠出速度比右側(cè) 部門快，底邊部門比頂部快。

圖5(d)為擠壓實(shí)驗(yàn) 的獲得的料頭樣板。擠壓料頭的左側(cè) 壁面臨 應(yīng)的圖5(c)左側(cè) G-F-E-N的壁面，實(shí)驗(yàn) 成效該處位置的金屬擠出速度最快，使料頭發(fā)生 從左往右的偏轉(zhuǎn)。中心位置對應(yīng)的是圖5(c)右上方的模芯部位，實(shí)驗(yàn) 成效該部位的金屬擠出的速度最慢。嘗試解釋，數(shù)值摹擬 成效與嘗試成效有很好的吻合。

3.2 鋁型材尺寸成效

圖6(a)所示為擠壓嘗試截取的型材樣板截面，圖6(b)所示為數(shù)值摹擬 的模具的變構(gòu)成 效。從擠壓實(shí)驗(yàn) 的樣品成效可以發(fā)現(xiàn)，鋁型材可以或許 不變成形，各型材壁面的平直度均可以或許 到達(dá) 臨盆 的要求。因?yàn)?本次實(shí)驗(yàn) 型材的壁厚在1.2mm到2mm之間，而型材截面最寬的壁面為AG邊的壁面，為44mm，而且在AG邊中心別離有兩處裝配卡腳，全部 型材沒有很寬的平直壁面，是以 鋁型材構(gòu)造 的出材不變機(jī)能 較好，輕易 獲得平整的鋁型材產(chǎn)物 。所以固然 計(jì)較的速度場平均 性較差，但現(xiàn)實(shí) 的擠壓成效仍能獲得平整的型材產(chǎn)物 。

在圖6(a)中，以左側(cè) 平模位置的壁面為基準(zhǔn)，將該壁面放置在正90°的位置，圖6(a)中的深色實(shí)線為經(jīng)由過程 基準(zhǔn)線偏移或 垂直獲得的參考線。從圖中可以看出，左上方的空心截面有顯著 的逆時(shí)針標(biāo)的目的的偏轉(zhuǎn)；右上方的空心截面則有細(xì)小 的順時(shí)針標(biāo)的目的的偏轉(zhuǎn)；下方的空心截面有細(xì)小 的逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，并向左側(cè)偏移。比較 圖6(b)的模具模芯變形情形 的摹擬 成效，可以發(fā)現(xiàn)摹擬 成效的變形趨向 與嘗試成效溝通 。

再一樣 依照 圖6(a)對型材各邊的劃分，對各條邊的壁厚的嘗試成效和摹擬 成效進(jìn)行丈量 ，獲得 表2、圖7成效。圖7(a)為分歧 位置的壁厚嘗試成效和摹擬 成效的比較 ，此中，橫軸對應(yīng)為表2的編號(hào)，縱軸為型材壁厚。從圖7(a)可以看到，嘗試成效和摹擬 成效吻合優(yōu)秀。又因?yàn)?鋁合金型材產(chǎn)物 對壁厚的公役 要求在 mm之間，而型材的壁厚在1.2mm到2.0mm之間，二者 之間數(shù)目 級(jí)相差較年夜 ，為了更精確的對照 嘗試的丈量 成效與數(shù)值摹擬 成效。將最后的型材產(chǎn)物 的壁厚減去對應(yīng)位置模具的壁厚間隙，獲得 圖7(b)的曲線，一樣 的橫軸坐標(biāo)為表2給定的編號(hào)，縱軸為出材尺寸和模具尺寸的差值。圖7(c)所示為嘗試成效與摹擬 成效之間的誤差 量，對照表2，誤差 最年夜 的位置發(fā)生在CD邊上，為0.09mm。其它位置的嘗試成效與摹擬 成效的誤差 都在0.05mm規(guī)模以內(nèi)。可見，數(shù)值摹擬 成效可以較好的反應(yīng) 模具現(xiàn)實(shí) 的彈性變形情形 ，與嘗試成效相吻合。

3.3 模具負(fù)載

計(jì)較獲得的平均擠壓力為9.10MN。模具最年夜 應(yīng)力負(fù)載為757.4MPa。而4Cr5MoSiV1熱作模具鋼在400°C到550°C前提 下的屈就 應(yīng)力年夜 約為1000MPa，是以 ，模具在擠壓利用 中處在平安 的規(guī)模以內(nèi)。圖8(a)所示為距離入料口65mm截面模具的應(yīng)力散布 情形 ，圖8(b)為與AG邊平行的中心截面的應(yīng)力散布 情形 。從成效可以看到，在型材頂角A對應(yīng)的分流橋根處承受的應(yīng)力最年夜 ，角J和角G對應(yīng)的分流橋根處次之。三個(gè)部位屬于模具可能掉 效的最危險(xiǎn)位置。這與擠壓根基 理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相吻合。

4. 結(jié)論

將隨意率性 拉格朗日歐拉法（ALE）和彈塑性有限元理論運(yùn)用 于鋁合金擠壓成形及模具的數(shù)值摹擬 研究，對一款典型的非對稱多模芯的鋁型材截面的模具彈性變形對鋁型材壁厚的影響，和 金屬的活動(dòng) 和模具的應(yīng)力負(fù)載進(jìn)行了具體 的闡明，摹擬 和嘗試成效吻合優(yōu)秀。從闡明可見，經(jīng)由過程 數(shù)值摹擬 連系 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對復(fù)雜鋁型材模具的壁厚定量的猜測 變形的設(shè)計(jì)方式 ，可以或許 有用 的提高鋁型材產(chǎn)物 的設(shè)計(jì)精度和成功率。而且 對特定的鋁型材外形 ，其出口的速度波動(dòng)在一個(gè)對應(yīng)的規(guī)模以內(nèi)時(shí)，鋁型材可以或許 不變成形。

（1）提出了一種以數(shù)值摹擬 方式 對模具在工作前提 下的彈性變形，經(jīng)由過程 精確的數(shù)值闡明，可以或許 對模具的彈性變形定量的作出判定 和設(shè)計(jì)，從而年夜 年夜 的提高設(shè)計(jì)的成功率，下降 臨盆 本錢 。

（2）對一款典型的非對稱多模芯的型材截面的模具彈性變形對型材壁厚的影響進(jìn)行了具體 的闡明，有限元摹擬 和嘗試計(jì)較成效比較 ，誤差在0.09mm規(guī)模以內(nèi)，證清楚明了 該種方式 在復(fù)雜模具的彈性變形猜測 設(shè)計(jì)上的可行性和精確性。

（3）從本文金屬活動(dòng) 速度場的闡明可以發(fā)現(xiàn)，金屬擠出模孔速度的平均 性不是型材成形的獨(dú)一 前提 。固然 擠出?？椎牧项^試件速度不平均 ，但型材終究 仍能不變出材，可見對特定的型材外形 ，其出口的速度波動(dòng)在一個(gè)對應(yīng)的規(guī)模以內(nèi)時(shí)，型材可以或許 不變成形。