鋁型材擠壓模具的案例
ALE有限元法在鋁型材擠壓模具優化設計中的應用
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 基于HyperWorks的一種懸臂類鋁型材的有限元模擬研究1
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 Simufact軟件在鋁型材擠壓模具設計數值模擬的應用
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
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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 
HyperXtrude 在鋁型材模具設計中的作用
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。
展開 HyperXtrude在鋁型材模具設計中 的作用
HyperXtrude在鋁型材模具設計中 的作用
作者：Simwe 來源：Altair
簡介
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。
叢林集團對幾種工業鋁型材（包括車體型材）的實際試模結果與基于HyperXtrude軟件模擬結果的分析對比，從金屬流出模口時的速度和是模具彈性變形兩個方面進行了比較。圖2為根據三維設計建立的擠壓仿真分析模型。
使用HyperXtrude進行仿真分析后得到的結果如圖3~7所示。分別為型材出口速度及變形，模具變形云圖。
展開 HyperXtrude在鋁型材模具設計中的作用
簡介
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。模擬結果對于模具設計具有非常重要指導意義，可以作為模具設計的強有力工具。”
解決方案
叢林集團對幾種工業鋁型材（包括車體型材）的實際試模結果與基于HyperXtrude軟件模擬結果的分析對比，從金屬流出模口時的速度和是模具彈性變形兩個方面進行了比較。圖2為根據三維設計建立的擠壓仿真分析模型。
展開 基于HyperWorks的一種懸臂類鋁型材的有限元模擬研究2
表4所示的數據為組合型懸臂類鋁型材擠壓模具的下模具最大應變數值。
通過觀察下模的應力分布情況，可以預測模具結構哪個部位最容易受到破壞，接著對相應的部位采取相應的措施。下模具的應變情況是影響擠壓生產出來的型材質量的關鍵因素之一，尤其是在工作帶附近的部位，它會直接影響其型材的精度或形狀。
圖6所示的是擠壓模具下模的應力分布圖，通過觀察可以得出，模具中間部位受到應力最大，最大值為391.5 Mpa，其他部位相對較小。因此在設計模具是，應力大的部位需要對其添加材料加強或對該部位的材料進行處理以達到加強目的。圖7是擠壓模具下模Mag方向的應變分布圖，從圖中可以中間紅色部位的應變是最大的，最大值為0.005 248 mm。因此在后面的設計優化過程中要對這里進行優化，降低其應變值。
圖5 Bearing-Die1邊條件設置
應變情況是影響擠壓生產出來的型材質量的關鍵因素，尤其是在工作帶附近的部位，它會直接影響其型材的精度或形狀。用SPSS軟件進行數據分析，通過對下模具最大應變值數據進行分析來預知其影響程度。
下模具的最大應變值的數據分析如圖8所示。
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。下模具的所受最大應變值越小越好，對擠壓模具的高度進行分析，最優高度為120 mm，同理選出，擠壓型材的最優厚度為2 mm，擠壓型材的最優寬度為25 mm。
文章來源：現代信息科技
展開 淺談鋁型材擠壓模具減輕暗影的有效解決方法
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；
2、擠壓模具工作帶設計、過渡不當；
3、冷卻過程不均勻，交叉或厚薄區冷熱不均造成收縮不同，拉伸變形；
二 分流模改良設計方法（PKC7003示例）：
a、調整擠壓模具分流孔大小和芯頭空刀尺寸以及模橋的位置；b、調整工作帶過渡；見原設計圖A、C；調整后設計圖B、D。
展開 基于HyperXtrude的鋁型材擠壓模具優化
行業：鋁型材擠壓
挑戰：大型模具受力復雜，容易導致早期報廢
Altair 解決方案：利用AltairHyperXtrude擠壓仿真軟件對模具結構強度進行了仿真計算，并以此 結果指導模具的創新設計。
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。
挑戰
大型方管型材由于其模具受力大，往往容易導致模具變形嚴重，甚至出現裂橋而導致早期報廢，因而其模具設計一直是困擾鋁型材模具行業的難題。另外，模具材料、加工、試模等費用昂貴也是制約模具設計創新的重要因素。鋁型材擠壓是一個處在高 溫、高壓、復雜的摩擦狀態等復雜條件下的成形過程，采用傳統的物理實驗和現有的測量儀器與手段基本上無法準確得到模具變形受力。
以下為實際型材的截面圖和擠壓工藝參數：
“整個設計過程中使用AltairHyperXtrude進行模擬分析，研究其對模具受力的影響，很好地指導了模具創新設計，通過模擬擠壓可以減少試模次數，校核大型模具的強度，對模具的安全性預測具有明顯效果。模擬結果對于模具設計具有非 常重要指導意義，可以作為模具設計的強有力工具。”
展開 基于 Inspire Extrude 的白車身門檻梁用鋁型材擠壓仿真模擬與模具結構優化
車身鋁型材多以中大型、復雜的分流模寬展模為主，前期的產品截面和擠壓模具結構設計將直接影響擠出型材模具的壽命、型材表面質量和尺寸精度。傳統的鋁擠壓模具以工程師經驗為主導進行設計，并未經仿真分析而直接進行開模，后期在生產線上進行多輪試錯調試，其中不可避免地耗費大量的調試時間和成本[2,3]。
近些年在鋁擠壓行業和汽車研發單位開始逐漸引入擠壓仿真分析軟件對型材產品進行出口流速、應力應變情況及擠出產品形狀和模具壽命進行模擬，從而使產品、工藝及模具設計在最優狀態下進行制作生產，縮短開發周期、降低開發成本和提升產品質量[4]。
本文將以廣汽傳祺某電動車型的中大型復雜多腔體截面門檻梁型材為例， 采用基于任意拉格朗日-歐拉（ALE）有限元法[5-7]的 Inspire Extrude 擠壓仿真分析軟件，對初始模具結構進行擠出過程中分流體和型材出口流速、截面各區域相對出口速度差異百分比、型材擠出變形位移云圖進行仿真模擬和分析。初步分析結果顯示型材擠出流速嚴重不均衡，模具和工藝若不優化，將使后期的調試周期和成本大幅增加。為了在產品開發階段將模具結構調整至最優狀態，本文中基于鋁擠壓熱狀態下的金屬流動分配的最小阻力定律原則，通過分流孔優化、供流槽體大小及工作帶長度等的優化，再次導入優化后的模具進行仿真分析，直至獲取型材截面各區域出口流速趨于均勻的新的優化模具結構。隨后，優化后的模具結構進行生產驗證，結果表明仿真分析結果與實際生產匹配度基本一致，獲得了良好的擠出產品，大大縮短了產品開發周期，降低了模具調試開發成本。
2 產品、模具設計與有限元模型的建立
2.1 產品及其初步模具結構設計
圖 1 所示為某電動車型用門檻梁鋁型材產品信息。圖 1(a)為型材三維視圖，圖 1(b)為型材截面尺寸。
展開 
云南省機械研究設計院省院省校項目通過科技廳驗收
云南省機械研究設計院、中南大學、云南鋁業股份有限公司于2003年11月共同承擔的科技廳下達的省院省校科技合作項目"型材擠壓模具CAE技術的開發與應用及提高模具質量和使用壽命的研究"，經過兩年多的努力，達到科技廳《計劃項目任務書》相關指標要求，經過現場查定，于2006年1月12日順利通過科技廳組織的驗收。
本項目主要選取當前鋁型材廠中成模前試模次數較多、擠壓成形較困難的模具作為研究對象，利用數值成形技術反復進行虛擬工藝仿真及相應的擠壓工藝參數（如模具的構造形式、擠壓的速度等）優化分析，用分析結果指導模具設計，進行實際生產驗證。改變傳統經驗設計反復試模、修模造成成本高、周期長等缺陷。經項目研究,實現了CAE技術在型材擠壓模具設計與優化中的應用，并利用DEFORM-3D和MSC.SuperForge分析軟件，在國內首次實現了薄壁、大擠壓比鋁型材的擠壓過程數值模擬，型材最小壁厚為1㎜，擠壓比最大達127。項目組完成了基于DEFORM和MSC.SuperForge平臺的數值模擬分析；基于AutoCAD軟件平臺，開發了型材擠壓模具設計系統--"鋁型材擠壓模具設計及數據庫管理系統"和"基于VBA和AutoCAD的型材擠壓模具 CAD綜合查詢與設計系統"，對提高模具設計質量及速度具有重要作用；并應用CAD/CAE系統，進行了擠壓模具設計及優化，實際設計了21套模具，制作的8套擠壓模具可用于工廠的正常生產，根據模具使用方提供的證明材料，一次試模成功率達87.5%。數值模擬得到的擠壓力，與實際上機擠壓測試得到的擠壓力誤差在15％以內。通過結構設計與工藝的優化及模具材料性能的改進，使擠壓模具的使用壽命得到提高，項目組制作的擠壓模具現仍正常使用于生產當中，模具壽命有待繼續統計，其中有一套模具（XY2004-06）已經擠壓7噸多仍能使用，壽命已超過考核指標規定的6噸要求。
展開 LS-DYNA 擠壓鋁型材軸向壓潰分析 ￥5
基于LS-DYNA，分析擠壓鋁型材的軸向壓潰特性，動畫如下圖。
提高鋁型材擠壓生產成品率的工藝方法
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，不僅需要技術工藝做支撐，更需要嚴謹、務實、科學的管理。
1 影響成品率的因素
影響成品率的因素是多方面的，就擠壓生產而言主要有以下幾個方面：
（1）鋁鑄錠的質量直接決定擠壓制品的成品率。
（2）模具、擠壓工具對成品率有很大影響，它們直接關系到擠壓制品的質量，制品合格率高則成品率就高。
（3）生產管理中生產計劃下達的合理性以及生產報表原始數據的準確性也是提高成品率的前提。各種生產報表的原始數據是鋁型材擠壓前計算鑄錠長度的重要依據。
（4)擠壓工藝包括根據擠壓比選定擠壓設備、確定工藝溫度及張力矯直工藝等，每步工藝是否科學、細致、合理也對成品率影響很大。
（5）操作人員的熟練程度和責任心是提高擠壓成品率所必備的。
2 提高擠壓鋁型材成品率的工藝方法
2.1 提高鑄錠質量是保證擠壓成品率的前提
鑄錠對擠壓生產來說是原材料。鑄錠組織均勻，晶粒細小，無夾渣、氣孔、偏析、裂紋等缺陷時，不僅可以降低擠壓力、提高擠壓速度，提高產品的內在質量，而且可以減少擠壓制品表面氣泡、氣孔、劃傷、開裂、麻點等表面缺陷。比如較小的夾渣可以通過模具工作帶的狹縫排出，但會造成型材表面犁痕，產生一定長度的幾何廢料；較大的夾渣將被卡在工作帶狹縫中不能被排出，引起塞模或擠壓制品開裂而被迫更換模具，這樣就會嚴重影響成品率。
展開 擠壓鋁型材6061T6的Gissmo材料卡 ￥100
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。
