鋁型材擠壓模具
關注創建者：匿名 創建時間：2021-09-22
鋁型材擠壓模具的實例教程
摘要：本文對一工業用鋁合金型材擠壓模具進行設計，采用了導流板保護結構，上模短分流橋結構和下模三級焊合室結構；并運用基于任意拉格朗日—歐拉（ALE）有限元法的專用模塊HyperXtrude，成功模擬了坯料在模具中的穩態擠壓過程，并對成形中型材的擠出速度、模具的形變與應力情況進行分析，驗證了其設計方案的合理性。最后探討了模具優化方案，通過調整工作帶長度和芯部壁厚，實現了對金屬流動的控制，最終獲得合格的型材產品。
關鍵詞：鋁合金擠壓；任意拉格朗日—歐拉法（ALE）；數值模擬；模具優化
鋁型材在生活、建筑、航空航天中應用日益廣泛[1]。擠壓成形是鋁型材生產的主導技術和核心環節，而擠壓模具是鋁型材擠壓成形的關鍵裝備。在鋁型材擠壓過程中，模具結構不良容易導致型材扭擰、波浪、彎曲以及裂紋等缺陷問題。
目前鋁型材擠壓模具的設計還停留在依靠工程類比和設計經驗階段，所設計的模具必須經過反復試模和修模來調整工藝參數，這嚴重影響了企業的模具開發周期和生產效率，影響模具質量和模具壽命，增加了經濟成本和時間成本，因此改進傳統的模具設計方法已經成為鋁型材及其模具廠家的當務之急[2]。
鋁型材擠壓是一個處在高溫、高壓、復雜摩擦狀態等復雜條件下的成形過程，屬于三維流動、非線性、大變形問題。將數值模擬技術引入擠壓模具設計中，通過在計算機上模擬試模，能夠得到鋁合金在模腔內的變形信息，如速度、溫度、應力應變、壓力等物理場量的分布，從而評價工藝及模具結構設計是否合理，修改模具結構，提高模具使用壽命。
Huetink[3]最早采用解耦ALE方法對杯—桿復合擠壓過程進行了數值模擬，通過網格運動，可有效控制網格的畸變情況，但由于流出部分網格尺寸不夠細密，模擬所得的幾何形狀與真實情況有所偏差。
展開 摘 要：通過對懸臂類鋁型材的有限元模擬，研究懸臂類鋁型材擠壓模具的總體高度、鋁型材的厚度和鋁型材的寬度對模具強度的影響。通過正交試驗方法研究這三種影響因素對懸臂類鋁型材擠壓模具強度影響的主次性并尋找最優組合的懸臂類鋁型材擠壓模具。結果表明，鋁型材擠壓模具的高度對下模具最大應變值影響顯著，影響主次順序為鋁型材擠壓模具的高度、擠壓型材的厚度、鋁型材的寬度。
關鍵詞：懸臂;擠壓模;有限元;HyperWorks;
0 引 言
鋁型材擠壓生產是在高溫、高壓的環境中進行，因而很難預測其生產過程中存在的不足，繼而很難對后面的設計進行優化。在鋁型材擠壓生產過程中，有一個非常復雜的變形過程，包含有彈塑性、剛塑性、黏塑性等綜合復雜變形過程；鋁型材擠壓模具是既具有強度模具的特性又具有穩定流速場模具要求的雙重身份的統一體。由以上特征，人們對鋁型材的變形過程的感性認識成分要多于理性認識成分，即在設計過程中理論指導相對較少。目前，國內行業的普遍現狀仍是通過經驗類比的方法設計模具，模具一次試模的成功率不高，大概只有50%～60%。隨著計算機技術和有限元分析軟件的發展，數值模擬方法在擠壓模具設計應用中有一定的成熟度和實用性，這在模具修正設計中起著重要的作用。通過有限元軟件的求解分析，可以準確地預測擠壓生產過程中的情況。通過這樣的數值模擬手段對設計進行驗證和反饋，在模具設計中大大提高模具壽命和減少模具出廠的試模和修模次數，對提高設計的成功率、降低生產成本和能耗具有重要意義。
鋁合金型材生產中的核心問題是型材模具的設計制造和使用的問題，一個鋁合金型材產品的成形與模具的結構是否合理、各種尺寸因素是否恰當有著直接的關系。擠壓模具強度是影響鋁型材成型的關鍵，而影響模具強度的因素有很多，工程設計者一般都是從影響因素中分析，通過平衡各作用使模具的強度達到最佳狀況。
展開 為了優化模具的結構，使鋁型材減少因流速產生的缺陷問題，現將鋁型材流速大于平均速度處的工作帶適量加長，將流速小于平均速度處的工作帶適量減短。優化后的工作帶如圖8所示。
其他條件不變，重新模擬后的鋁型材出口流速如圖9所示。
圖8 優化后的工作帶示意圖
圖9 工作帶優化后鋁型材的速度場云圖
在鋁型材上均勻地取20個節點，各節點的z向速度如表3所示。
表3 工作帶優化后鋁型材截面選取節點的速度值（單位：mm/s）
根據表3，可以計算出72.68 mm/s，由此計算處SDV=2.93。與修改前SDV值明顯減小，即鋁型材截面速度更為均勻，實際試模結果顯示修改后的模具擠壓出的鋁型材無缺陷，滿足生產精度要求。
5 結語
基于Simufact有限元模擬軟件，建立了空心鋁型材分流模擠壓過程的計算模型，并以一幕墻鋁型材為研究對象，對擠壓過程中的應力場、應變場、溫度場及速度場進行了分析，依據分析結果對模具進行修正，最后得到合格的產品。 運用Simufact軟件能夠快速地獲得擠壓過程的應力場、應變場、溫度場、速度場，求解結果能正確地反應實際情況。合理、科學的應用Simufac能夠有效地指導鋁型材擠壓工藝和模具設計，減少試模次數，對提高設計效率和質量、節省成本、提高經濟效益具有重要價值意義。
來源：鋁加工
展開 隨著國民經濟的發展和人民生活水平的不斷提高，除航空航天工業外，建筑、交通運輸、電力電器、化工、石油、農機和日常用品等部門對鋁的需求量也越來越大。用擠壓的方法生產鋁型材，既節約金屬，生產效率又高[1]。
分流組合模廣泛地應用于生產各種規格和形狀的管材和空心鋁型材的擠壓模具結構類型。該類模具不僅可以生產復雜內腔的鋁型材，而且可拆換、加工容易、成本較低[2]。目前該類模具的設計很大程度上取決于經驗和反復試模，在反復試模的過程中浪費大量的人力物力和財力。
本文采用Simufact有限元軟件對我公司設計的模具進行擠壓過程的數值模擬，揭示金屬的真實流動規律和各種物理場的分布，預測實際生產中可能產生的各種缺陷，從而在設計階段對模具進行優化，以提高模具的質量。
2
Simufact軟件介紹
在傳統有限元模擬中，多采用Lagrange法[3-6]，但鋁型材擠壓過程屬于非線性大變形，擠壓比非常大，金屬變形劇烈，這就不可避免地遇到網格再劃分的問題。而由于鋁型材壁厚一般很薄，這給網格劃分帶來極大的困難，從而使得金屬塑性成形的有限元模擬無法進行下去[7]。
有限體積法以前多用于模擬流體的流動過程。近年來，部分學者也逐漸將有限體積法用于模擬金屬的塑性成形問題。
展開 行業：鋁型材擠壓
挑戰：結構復雜，難于擠壓
Altair 解決方案：利用 Altair HyperXtrude 擠 壓仿真軟件對實際型材模 具進行虛擬試模，并與實際 結果進行對比。實際使用經 驗表明使用 HyperXtrude 接合實際經驗，可以有效減 少試模次數，降低成本。
優點：減少試模次數 ; 降低生產成本
背景介紹
近年來，隨著我國鋁加工技術的發展，鋁型材的應用越來越廣泛，但工業鋁型 材具有斷面結構復雜，難于擠壓等特點，因此合理設計鋁型材擠壓模具是大型鋁型 材的關鍵。叢林集團在使用 HyperXtrude 模擬分析軟件的過程中，經過不斷探索， 將設計人員的設計理念、經驗與有限元模擬分析軟件 HyperXtrude 有機結合起來， 最大限度的減少了試模次數，降低了成本。
挑戰
一般來說，一套好的擠壓模具，在擠壓條件已經基本確定的情況下，主要滿足 兩方面的要求：一是金屬流出模口時的速度均勻控制在一定的范圍內，二是模具強 度（這里主要分析模具變形、失效）應符合要求。金屬流出模口時的速度應在一定 的范圍內是為了保證擠出型材不出現扭擰、波浪、彎曲和供料不足等現象；模具強 度應符合要求主要是為了減少模具彈性變形、預防模具塑性變形導致模具報廢。彈 性變形導致擠出型材產生“偏壁現象”，對一些難以避免的“偏壁現象”，在設計時 經常加入：“預變形量”。
圖 1 所示為一實際型材截面圖。此鋁型材結構較為特殊，考慮到模具強度，決 定采用三模芯假分流。難點是模芯一旦內外受力不均，容易偏心。如何設計模具保 證型材成型是面臨的挑戰。
“ HyperXtrude 軟件的模擬結果與實際試模結果的接近程度很高，基本能夠反 映出設計問題及缺陷。
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鋁型材擠壓模具的最新內容
圖6 下模的應力分布
圖7 下模Mag方向的應變
表4 組合型懸臂類鋁型材擠壓模具的下模具最大應變值
擠型材擠壓模具的高度對下模具最大應變值影響顯著，主次影響為鋁型材擠壓模具的高度，其次擠壓型材的厚度，最小的是鋁型材的寬度。
摘 要：通過對懸臂類鋁型材的有限元模擬，研究懸臂類鋁型材擠壓模具的總體高度、鋁型材的厚度和鋁型材的寬度對模具強度的影響。通過正交試驗方法研究這三種影響因素對懸臂類鋁型材擠壓模具強度影響的主次性并尋找最優組合的懸臂類鋁型材擠壓模具。結果表明，鋁型材擠壓模具的高度對下模具最大應變值影響顯著，影響主次順序為鋁型材擠壓模具的高度、擠壓型材的厚度、鋁型材的寬度。
1 模具結構初始設計方案及分析
1.1 模具結構初始設計方案
圖1所示為某電動自行車電池外殼用的矩形框鋁型材橫截面。該型材屬于矩形空心件，矩形長寬比接近2，矩形框上有8個圓形凸臺。在保證模具零件強度的前提下，為了使金屬流動更均勻，根據型材擠壓形狀的實際需要，模具初始設計采用蝶形、4分流孔結構，分流孔前端設置15 mm的入料口位置下沉
擠壓鋁型材6061T6材料，帶Gissmo失效，已標定已加密。售短期或長期使用期限。
合理、科學的應用Simufac能夠有效地指導鋁型材擠壓工藝和模具設計，減少試模次數，對提高設計效率和質量、節省成本、提高經濟效益具有重要價值意義。
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鋁擠壓型材，在鋁合金型材平面厚度發生變化的交接處或鋁型材分流模與平模的交接處會出現凸凹不平的現象，一般肉眼可能無法分辨，但通過表面處理，特別是進行鋁型材噴涂表面處理時，表面會形成在暗影或骨影。
一 分析生產原因：
1、鋁型材模具分流孔設計比例不當
提高鋁合金型材成品率是降低企業生產成本最直接和有效的方法。成品率每提高1個百分點，鋁材的生產費用將降低23元～30元，以一個年產1萬t鋁型材的企業來說，若每噸鋁型材的成品率提高5個百分點，每年可節約125萬元，而這125萬元是純利潤。成品率的提高是建立在產品質量的基礎之上，與產量又是同比關系。提高成品率是一個系統工程，通過單一工藝方法很難大幅提高成品率，必須是多環節的累積提高。提高成品率又是一個細致的工作
優點：較少試模次數 ;有效提高了模具質量
背景介紹
鋁合金擠壓模具是控制鋁型材的成型、尺寸精度及表面質量的關鍵因素，因而模具是型材生產關鍵。然而由于設計不當、加工和生產過程操作不當而造成模具過早失 效導致生產效率下降和成本劇增等問題，成為阻礙企業生產效益提高的瓶頸，因而通過模具優化設計提高模具使用壽命是企業亟待解決問題。
優點：減少試模次數 ; 降低生產成本
背景介紹
近年來，隨著我國鋁加工技術的發展，鋁型材的應用越來越廣泛，但工業鋁型 材具有斷面結構復雜，難于擠壓等特點，因此合理設計鋁型材擠壓模具是大型鋁型 材的關鍵。
陳亮 謝國文 田永生 陳曉紅 尤彬波 吳雄偉
廣汽研究院工藝工程部 廣州
摘要：本文借助于基于任意拉格朗日-歐拉（ALE）有限元法的 Altair 擠壓仿真分析模塊 Inspire Extrude
