在 模具制造早期如何預測和分析各種潛在的 模具設計缺陷，對于提高 模具制造質量和縮短模具制造周期至關重要。使用HyperXtrude有限元擠壓成形軟件對模具設計進行驗證，可以指導和解決擠壓模具設計和制造中出現的多種問題。
鋁擠壓模具在設計和制造的早期對于技術人員的經驗要求較高，傳統的設計方法存在設計周期長、成本高和質量不易保證等缺點。隨著有限元數值模擬技術（即 CAE技術）在鋁擠壓制造業的成功應用，為擠壓模具的設計和制造帶來了革命性的飛躍，將擠壓模具的設計和制造帶進了一個嶄新的發展階段。這種基于數值模擬技術的設計和制造理念，具有多方面優勢：在模具初始設計后，在計算機上以虛擬試模代替物理試模，降低模具設計成本；大幅縮短模具設計和制造周期，確保交付時間；為設計人員提供精確的計算結果，分析、評價和優化模具設計方案，從而提高了模具設計質量；有利于設計知識和經驗的積累。
HyperXtrude是Altair工程軟件公司的一款專業的針對擠壓生產過程中分析材料流動和傳熱的有限元應用軟件。HyperXtrude采用穩健的求解算法，功能強大、計算精度高，已在鋁型材擠壓模具設計和制造中得到了成功應用。
創建擠壓模具有限元模型
以一個實際的擠壓空心分流模為例，詳細介紹HyperXtrude軟件實現材料流動 有限元分析的模型創建過程，圖1所示為模具圖和型材截面形狀。

圖1 空心分流模具圖和型材形狀

1.擠壓模具的材料流動有限元模型
為了分析和研究材料沿擠壓模具的流動性能，首先將材料流經的模具和擠壓筒的內表面幾何抽取出來，然后分別創建如圖2所示的有限元模型。主要包括四個部分：棒料、分流孔和焊合腔、工作帶和型材。根據材料在擠壓過程中變形程度及其對流動結果的影響，各部分網格單元的大小和密度要求不同，比如在模具出口附近，材料變形最劇烈，因此該區域的單元較密，而對于棒料中的單元尺寸應盡量大。這種網格單元的分配，一方面確保計算精度，另一方面可以盡量減少整個模型的大小，提高計算效率。

圖2 流經模具內的材料有限元網格模型

2.邊界條件的創建
圖3所示為擠壓工藝示意圖，包括工具中的不同部分和材料。根據材料在擠壓過程中流經工具的不同區域及其相互接觸情況，分別創建各自的邊界條件及其參數。主要包括：

圖3 擠壓模具和材料的邊界條件定義

（1）擠壓塊與棒料之間的接口；
（2）擠壓筒和棒料之間的接口；
（3）模具與棒料之間的接口；
（4）工作帶表面的邊界條件；
（5）型材表面的邊界條件；
（6）型材出口邊界條件；
（7）擠壓筒和模具外部。
3.材料的選擇和創建
HyperXtrude軟件支持多種材料和材料的結構關系模型，內置的材料庫中包含有5大類和70余種材料數據。分析人員可以根據需要選擇相應的材料，并分配給相應的模型。同時軟件包含一個易用的材料編輯器，可以根據需要對材料性能數據進行修改或創建新的材料，并將其保存在材料庫中，易于以后使用。圖4所示為AA6061材料性能參數。

圖4 材料性能參數

4.擠壓工藝參數的輸入和求解控制
根據實際擠壓工藝條件來定義擠壓工藝參數，主要包括：棒料預熱溫度、模具的初始溫度、擠壓筒的初始溫度，擠壓筒的內徑、棒料的長度和擠壓塊速度等。求解控制主要包括：分析類型、擠壓類型、計算類型、收斂誤差、迭代次數、時間步長及作業提交類型等。根據該例需要，主要對模具設計進行驗證，分析材料流動并預測型材變形。如圖5所示選擇相應的參數和求解控制。

圖5 擠壓工藝參數和求解控制的選擇

結果分析和評價
圖6為壓力場和溫度場分布圖，圖7示意潛在的焊合問題將會導致型材上局部溫度分布不均，并引起型材的局部變薄。

圖6 壓力場和溫度場分布

圖7 潛在的焊合問題引起局部溫度分布不均勻及型材變薄

圖8所示速度場分布，左圖為型材的速度分布，可以看出材料流速很不均勻，導致材料流動的不平衡，并引起型材的變形。右圖為分流孔內的材料沿擠壓方向的流速分布，材料在分流孔內速度不均將會影響型材的變形。

圖8 速度不均勻導致材料流動不平衡和變形

根據上述計算結果與分析評價，并與實際擠壓結果相比較，HyperXtrude能夠準確地預測擠壓模具初始設計方案的潛在缺陷，從而進一步提出改進方案，成功地驗證和解決了實際擠壓生產中的問題。
結束語
通過使用HyperXtrude擠壓成形模擬軟件，成功地預測了擠壓模具設計的潛在不足，真正能夠幫助模具設計人員解決了現存的實際難題。實踐證明，HyperXtrude軟件將給鋁擠壓制造商帶來極大的收益：通過穩健的、可靠的和快速的擠壓成形數值模擬，最大限度地減少模具設計時間和降低設計成本；對新設計的模具進行驗證和確認；計算和優化工作帶及其長度；減少因反復的試模引起的昂貴生產成本。