Simufact軟件在鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)數(shù)值摹擬 的運(yùn)用

1 引言

我國具有 極為 雄厚 的鋁礦資本 。跟著 國平易近 經(jīng)濟(jì)的成長 和人平易近 生涯 水平的不息提高，除航空航天工業(yè)外，建筑、交通運(yùn)輸、電力電器、化工、石油、農(nóng)機(jī)和日經(jīng)常使用 品等部門對鋁的需求量也愈來愈 年夜 。用擠壓的方式 臨盆 鋁型材，既勤儉 金屬，臨盆 效力 又高[1]。

分流組合模普遍 地利用于臨盆 各類 規(guī)格和外形 的管材和空心鋁型材的擠壓模具布局類型。該類模具不但 可以臨盆 復(fù)雜內(nèi)腔的鋁型材，并且 可拆換、加工輕易 、本錢 較低[2]。今朝 該類模具的設(shè)計(jì)很年夜 水平 上取決于經(jīng)驗(yàn)和頻頻 試模，在頻頻 試模的進(jìn)程 中鋪張年夜 量的人力物力和財(cái)力。

本文彩 取 Simufact有限元軟件對我公司設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行擠壓進(jìn)程 的數(shù)值摹擬 ，揭露 金屬的真實(shí)活動(dòng) 紀(jì)律 和各類 物理場的散布 ，猜測 現(xiàn)實(shí) 臨盆 中可能發(fā)生 的各類 缺點(diǎn) ，從而在設(shè)計(jì)階段對模具進(jìn)行優(yōu)化，以提高模具的質(zhì)量。

2 Simufact軟件介紹

在傳統(tǒng)有限元摹擬 中，多采取 Lagrange法[3-6]，但鋁型材擠壓進(jìn)程 屬于非線性年夜 變形，擠壓比十分年夜 ，金屬變形猛烈 ，這就不成避免地碰到 網(wǎng)格再劃分的問題。而因?yàn)?鋁型材壁厚一般很薄，這給網(wǎng)格劃分帶來極年夜 的艱巨，從而使得金屬塑性成形的有限元摹擬 沒法 進(jìn)行下去[7]。

有限體積法之前 多用于摹擬 流體的活動(dòng) 進(jìn)程 。最近幾年來，部門學(xué)者也逐步 將有限體積法用于摹擬 金屬的塑性成形問題?；贓uler的有限體積法是將網(wǎng)格固定在空間，材料在活動(dòng) 進(jìn)程 中Euler網(wǎng)格不發(fā)生轉(zhuǎn)變 。是以 ，用有限體積法摹擬 年夜 變形塑性成形問題可以很好地避免網(wǎng)格再劃分問題。

Simufact軟件是基于MSC.SuperForm和MSC.SuperForge開辟 的材料加工工藝仿真優(yōu)化平臺[8]。同時(shí)具有 MARC（有限元法）和Dytran（有限體積法）求解器。在鋁型材的摹擬 進(jìn)程 中，一般采取 Dytran有限體積法。

Simufact使用專業(yè)化說話 ，便于專業(yè)人士使用；供給專業(yè)的材料數(shù)據(jù)庫，并可以由用戶本身 輸入數(shù)據(jù)或點(diǎn)竄 數(shù)據(jù)；供給各類 壓力加工裝備 ；具有 IGES、UG、Pro/E、CATIA、Parasolid和Solidworks等各類 主流CAD接口；闡明較量爭論 的主動(dòng) 化水平 高，用戶不需要輸入許多 較量爭論 節(jié)制 參數(shù)；界面設(shè)計(jì)簡單易懂。

3 數(shù)值摹擬 方案

3.1 幾何模子 的創(chuàng)立

本文以一幕墻鋁型材為例，鋁型材截面及初始工作帶設(shè)計(jì)如圖1所示。

鋁型材底邊壁厚是3.5mm，其余壁厚為3mm。因?yàn)?此鋁型材為對稱布局，故取鋁型材的1/2進(jìn)行摹擬 。憑據(jù) 模具設(shè)計(jì)圖紙創(chuàng)立其三維模子 ，并以STL花樣 導(dǎo)入Simufact軟件，獲得 上、下模具的三維幾何模子 圖如圖2和圖3所示。

圖2 上模示意圖

圖3 下模示意圖

3.2 鴻溝前提 的設(shè)定

數(shù)值摹擬 所設(shè)定的鴻溝前提 以下 ：擠壓坯料選用直徑為230mm的鋁棒，長度為170mm。在Simufact軟件自帶的材料庫當(dāng)選 擇模具材料為H13，鋁棒材料為6063；模具預(yù)熱溫度為480℃，鋁棒預(yù)熱溫度為450℃，情況 溫度設(shè)定為50℃；鋁棒與模具工作帶處的磨擦 類型選為庫倫磨擦 類型，磨擦 因子為0.3，與其它模具之間的磨擦 選塑性剪切磨擦 類型，磨擦 因子為0.6；擠壓速度為10mm/s。鋁棒與模具的材料機(jī)能 如表1所示。

表1 鋁棒與模具的材料機(jī)能

機(jī)能

6063

H13

密度（Kg/m3）

2700

7800

楊氏模量（GPa）

40

210

泊松比

0.35

0.3

比熱（J/Kg.K）

900

460

熱導(dǎo)率(W/m.K)

198

24.6

4 摹擬 后果及闡明

4.1 應(yīng)力應(yīng)變場闡明

圖4與圖5劃分是坯料等效應(yīng)力場及等效應(yīng)變場云圖。

圖4 應(yīng)力場云圖

從圖4中可知最年夜 等效應(yīng)力發(fā)生在坯料與工作帶接觸的部位，跨越 了200MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)年夜 于6063的屈就 應(yīng)力。

圖5 應(yīng)變場云圖

從圖5中可知等效應(yīng)變與等效應(yīng)力的散布 紀(jì)律 類似 。因?yàn)?坯料與工模具接觸面之間存在著磨擦 力，特別 是在工作帶部位金屬流向發(fā)生改變，變形猛烈 ，所以坯料的最年夜 等效應(yīng)變是在工作帶部位；而在擠壓筒中部和分流孔中部做近似的剛體活動(dòng) ，是以 ，此處的等效應(yīng)變較小。

4.2 溫度場闡明

溫度是影響鋁型材質(zhì)量的主要 身分 。鋁型材熱擠壓是一個(gè)高溫高壓下年夜 變形的進(jìn)程 。擠壓力、焊合質(zhì)量、鋁型材皮相質(zhì)量與機(jī)械機(jī)能 都與溫度有關(guān)。圖6所示是坯料的溫度場散布 云圖，從圖6中可知坯料在與工模具接觸處固然 有磨擦 熱的發(fā)生 ，但因?yàn)?模具的溫度比坯料的低，且較易向空氣中散熱，所以溫度升高幅度不年夜 ，乃至 溫度下降 。擠壓筒中部和分流孔中部因?yàn)?猛烈 變形而發(fā)生 的塑性變形熱難以分散，所以溫度升高幅度較年夜 。在工作帶處變形最為猛烈 ，溫度最高?，F(xiàn)實(shí) 臨盆 中溫渡過 低，坯料塑性欠好 ，會(huì)下降 擠壓速度；溫渡過 高，會(huì)使鋁材過燒，皮相質(zhì)量欠好 。

圖6 溫度場云圖

4.3 速度場闡明

在現(xiàn)實(shí) 臨盆 中，金屬的活動(dòng) 速度是決議鋁型材質(zhì)量的主要 身分 。流速不均會(huì)造成鋁型材不成型、扭擰、海浪 等缺點(diǎn) 。為了評價(jià)擠壓進(jìn)程 中金屬流速的平均 水平 ，本文以擠壓模出口處流速場尺度 誤差 SDV（Stantard Deviation of the Velocity field）值來權(quán)衡 [9]，其較量爭論 式的情勢 以下 ：

式中，N為拔取 節(jié)點(diǎn)的數(shù)目 ，在本文中N為模具出口處統(tǒng)一 平面上節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；為位于待研究平面上第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的z向速度；為待研究平面上各節(jié)點(diǎn)的z向平均速遞。

SDV值回響反映 了擠壓進(jìn)程 的不亂 性，是以 該值越小默示流速越平均 。

圖7為金屬流出模具后到達(dá) 不亂 的某個(gè)平面的流速圖，在鋁型材截面平均 拔取 20個(gè)節(jié)點(diǎn)，各點(diǎn)的流速值如表2所示。

圖7 速度場云圖

表2 鋁型材截面拔取 節(jié)點(diǎn)的速度值（單元 ：mm/s）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

78.25

77.55

75.09

74.21

73.97

71.22

71.28

72.07

72.90

74.24

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

72.82

76.06

77.08

77.91

82.51

89.95

88.70

88.52

88.90

89.85

憑據(jù) 圖7可知因?yàn)?鋁型材底邊比其余邊厚，速度較年夜 ，而中央 筋處較難供料，速度較小，速度的差距輕易 使鋁型材變形。憑據(jù) 表2，可以較量爭論 出78.65 mm/s，由此較量爭論 處SDV=6.62。鋁型材出口流速不平均 。為了優(yōu)化模具的布局，使鋁型材削減 因流速發(fā)生 的缺點(diǎn) 問題，現(xiàn)將鋁型材流速年夜 于平均速度處的工作帶適當(dāng) 加長，將流速小于平均速度處的工作帶適當(dāng) 減短。優(yōu)化后的工作帶如圖8所示。

其他前提 不變，從頭摹擬 后的鋁型材出口流速如圖9所示。

圖8 優(yōu)化后的工作帶示意圖

圖9 工作帶優(yōu)化后鋁型材的速度場云圖

在鋁型材上平均 地取20個(gè)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)的z向速度如表3所示。

表3 工作帶優(yōu)化后鋁型材截面拔取 節(jié)點(diǎn)的速度值（單元 ：mm/s）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

75.21

75.15

70.41

70.60

71.13

69.84

70.58

68.65

69.20

69.84

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

69.92

71.58

72.32

72.98

73.20

73.71

76.22

76.83

78.07

78.42

憑據(jù) 表3，可以較量爭論 出72.68 mm/s，由此較量爭論 處SDV=2.93。與點(diǎn)竄 前SDV值較著減小，即鋁型材截面速度更加 平均 ，現(xiàn)實(shí) 試模后果顯示點(diǎn)竄 后的模具擠壓出的鋁型材無缺點(diǎn) ，知足 臨盆 精度要求。

5 結(jié)語

基于Simufact有限元摹擬 軟件，創(chuàng)立了空心鋁型材分流模擠壓進(jìn)程 的較量爭論 模子 ，并以一幕墻鋁型材為研究對象，對擠壓進(jìn)程 中的應(yīng)力場、應(yīng)變場、溫度場及速度場進(jìn)行了闡明，根據(jù) 闡明后果對模具進(jìn)行批改 ，最后獲得 及格 的產(chǎn)物 。 應(yīng)用 Simufact軟件可以或許 快速地獲得擠壓進(jìn)程 的應(yīng)力場、應(yīng)變場、溫度場、速度場，求解后果能準(zhǔn)確 地回響反映 現(xiàn)實(shí) 情況。公道 、科學(xué)的利用Simufac可以或許 有用 地指點(diǎn) 鋁型材擠壓工藝和模具設(shè)計(jì)，削減 試模次數(shù)，對提高設(shè)計(jì)效力 和質(zhì)量、節(jié)流本錢 、提高經(jīng)濟(jì)效益具有主要 價(jià)值意義。