铝型材挤压模具优化设计现状和趋势

铝型材挤压模具优化设计现状和趋势

郑军,傅建,李冬

(四川工业学院材料工程与科学系,四川成都610039)

[摘要]简要叙述了铝型材挤压模具设计现状和趋势,说明了数值模拟在铝型材挤压模具设计优化中的意义,并针对国内外对此所做的工作,提出了一些看法。

[关键词]铝型材;挤压模具;优化设计;数值模拟

中图分类号:TG379文献标识码:B文章编号:1000-8446(2002)06-0057-03

Status and Trend on Optimizing Design of Aluminum Profile Extrusion Die

Z HENG Jun,FU Jian,LI Dong

(Sichuan University of Science and Technology,Chendu610039,China)

Abstract:The present research and development trend on the op timizi ng design of aluminum extrusion die are discussed.The significance of the nu merical simulation in op timizing design is presented.The some efforts of

op timizing design based on nu merical simulation are pointed out.

Key words:aluminum profile;extrusion die;optimizing design;numerical si mulation

铝型材挤压,是指将铝合金高温铸坯置于专用

模具(机头)内,在挤压机提供的强大压力作用下,按给定的速度,将铝合金从模腔中挤出,从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的铝合金挤压型材。铝型材挤压成形过程非常复杂,除了圆形截面铝型材的挤压属于二维轴对称问题外,一般而言,其它形状的铝型材挤压属于三维流动大变形问题。因此,挤压模具的设计制作质量和其使用寿命就成了挤压过程是否经济可行的关键之一。合理的设计与制造能大大延长模具寿命,对于提高生产效率、降低成本和能耗具有重要意义。目前,我国型材挤压模具设计基本上还停留在传统的依靠工程类比和设计经验的积累上,所设计制作的模具需经反复试模和调整才能保证其成功地投入使用,从而造成企业不时停工待模,影响正常生产;同时也导致挤压产品质量不高,模具使用寿命较短等诸多缺陷。因此,随着铝型材产品不断向大型化、扁宽化、薄壁化、高精化、复杂化和多用途、多功能、多品种、长寿命方向发展,改进传统的模具设计方法已成为当前铝型材工业发展的迫切需求。1挤压模具优化设计现状

由于要设计出结构合理且经济实用的挤压模具是一件十分复杂而困难的工作,因此,世界各国的挤压工作者对模具设计理论和方法(特别对优化理论和方法)进行了大量的研究工作。随着弹塑性理论和挤压理论的发展,许多新型的实验理论和方法、计算理论和方法已开始用于挤压模具设计制作领域。如工程计算法、金属流动坐标网格法、光弹光塑法、密栅纹云法、滑移线法、上限元理论和有限元理论等被广泛用于模具应变场的确定和各种强度的校核,进而优化其结构和工艺要素。随着计算机技术的发展,挤压模具的C AD/C AM技术在最近20~30年中得到迅速发展,且很大一部分技术集中在模具设计的优化方面。何德林等人[1]利用IDEF0方法开发出能对平面模和分流模进行优化设计的CAD/C AM系统;王孟君等人[2]以AUTOC AD12.0为图形支撑环境,VISUAL BASIC4.0为开发工具,开发的CAD系统,可以有效地从事挤压平模的各项计算,从而对设

收稿日期:2002-03-04

作者简介:郑军(1974-),女,四川德阳人,在读研究生,助工,主要研究方向:计算机在模具成形中的应用。57

郑军等铝型材挤压模具优化设计现状和趋势

计结果进行优化;闫洪等人[3]将CAE概念引入模具设计过程,指出了优化设计的方向;刘汉武等人[4]提出智能CAD概念,为模具设计智能化提供了一些思路。此外,国内外科研人员运用理论解析、物理模拟和数值模拟等方法,对铝型材挤压的变形过程、应力场和温度场分布及变化、摩擦与润滑等问题进行了大量的分析和实验,并根据其研究成果对挤压模具进行了优化。例如,赵云路和刘静安[5]对各类挤压模具的优化设计进行了系统论述。国内还有部分科研人员用有限元法结合实验方法对挤压模具最佳轮廓前线及模具结构进行了分析和优化。但是,我国由于模具技术底子薄,起步晚,在综合水平上与国外同行业相比仍有一定差距见表1[6]。

表1国内外模具设计的主要差距

指标国际先进水平国内目前水平

设计理论和方法普遍采用动态热

分析有限元和计

算机模拟成形过

程。

基本采用传统方

法,开始研究和开

发新理论新方法。

近几年来,有限元

等技术已进入实

用阶段。

CAD/CAM技术普遍推广应用

CAD/CAM技术从

二维向三维发展,

开发了大量的平

面模和组合模及

其它结构模具的

应用软件,且商品

化。

已开发出平面模

和平面分流模的

二维实用软件及

导流模应用软件,

正向三维推进。

但适用性和实用

程度不高。

2数值模拟在挤压模具设计中的作用和国内外对此所做的工作

铝型材截面形状越复杂,其挤压过程中变形的不均匀性就越显著,加之截面上各部分的金属在挤出模孔时流速不同,故容易造成型材的扭拧、波浪、弯曲及裂纹等缺陷出现,既影响产品质量,也影响模具寿命。对铝型材的挤压过程进行数值模拟(即在计算机上仿真整个挤压成形过程,获得变形体内的应力、应变、温度、流速等物理量分布,以及挤压各阶段的压力、温度、速度等工艺参数变化情况)可以预测实际挤压过程中可能出现的缺陷,尽快优化模具结构设计、调整挤出工艺参数和有针对性指明技术解决方案。数值模拟还可以部分替代模具设计制造过程中费时费事的试模工作,减少材料浪费,降低生产成本,提高产品质量和市场竞争力。以有限元分析为代表的数值模拟方法主要用于铝型材挤压变形的过程模拟和温度场、压力场、速度场模拟,以及摩擦润滑分析等。国内外研究者们对此已做了许多工作。韩国的Hyun_W oo Shin等[7]在1993年对非轴对称挤压过程进行了有限元分析,他们利用二维刚塑性有限元方法结合厚板理论将三维问题进行了简化,对整个挤压过程进行了准确的数值模拟,同时也减少了计算量。对于变形模拟,于沪平等[8]采用塑性成型模拟软件DEFORM,结合刚粘塑性有限元罚函数法对平面分流模的挤压变形过程进行了二维模拟,得出了挤压过程中铝合金的应力、应变、温度以及流动速度等的分布和变化。刘汉武等[9]利用AN-SYS软件对分流组合模挤压铝型材进行了有限元分析和计算,找出了原模具设计中不易发现的结构缺陷。周飞等[10]采用三维刚-粘塑性有限元方法,对一典型铝型材非等温成形过程进行了数值模拟,分析了铝型材挤压的三个不同成形阶段,给出了成形各阶段的应力、应变和温度场分布情况以及整个成形过程中模具载荷随成形时间的变化情况。对于压力场,闫洪等[11]在2000年利用ANSYS软件作为平台,对壁板型材挤压过程进行了三维有限元模拟和分析,获得了型材挤压过程的位移场、应变场、应力场。对实际型材挤压中工艺参数选择和模具结构尺寸的修正起到了重要指导作用.对于摩擦与润滑的分析, 1997年,俄罗斯的Vadim L.Berezhnoy等[12]对摩擦辅助在直接和间接挤压成形硬质铝合金中的技术进行了研究。该技术的发展和应用使生产效率和质量都得到了大大提高。美国的Pradip K.Saha[13]在1998年对铝型材挤压成形中热动力学和摩擦学进行了研究。他采用热力学数值模拟法构造了3种不同的实验模型,分析了模具工作带和流动金属接触面上的摩擦特性,还对坯料温度和挤压过程中产生的热量对模具工作带所产生的温升的影响、并进行了实际测量验证;研究表明,挤压过程中的摩擦对型材的精度和表面质量有直接影响,模具工作带的磨损过程取决于挤压过程中的热动力学性能,而挤压热动力学性能又与挤压变量有关。上述研究者所做的工作说明,数值模拟技术正在成为铝型材挤压模具设计优化的重要手段之一。

58金属成形工艺ME TAL FORMING T EC HNOLOGY Vol.20l.62002