鋁合金擠壓；擠壓模具設計；Deform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 Simufact軟件在鋁型材擠壓模具設計數值模擬的應用
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。基于Euler的有限體積法是將網格固定在空間，材料在流動過程中Euler網格不發生變化。因此，用有限體積法模擬大變形塑性成形問題可以很好地避免網格再劃分問題。
Simufact軟件是基于MSC.SuperForm和MSC.SuperForge開發的材料加工工藝仿真優化平臺[8]。同時擁有MARC（有限元法）和Dytran（有限體積法）求解器。在鋁型材的模擬過程中，一般采用Dytran有限體積法。
展開 Simufact軟件在鋁型材擠壓模具設計數值模擬的應用 附simufact.additive 3下載
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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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 
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 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 電動自行車電池外殼鋁型材擠壓模結構優化設計
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，上模結構如圖2所示。
圖1 型材截面
圖2 初始上模結構
1.2 初始方案分析
模擬分析采用專用鋁型材熱擠壓模擬分析軟件Inspire，模擬分析和試模的工藝參數如表1所示。
表1 擠壓模擬參數
圖3（a）所示為初始模具方案的型材出口流速模擬云圖，長短邊擠出速度相差較大，各邊中點位置均比相鄰部位流速快，流速均方差為7.91。這樣的流速分布會導致擠壓加工過程中，型材的長邊和短邊出現波浪起伏。圖3（b）所示為實際試模的料頭，型材短邊波浪變形較明顯，與模擬分析結果一致，因為短邊的材料流入補給的流動阻力較小，因此流速較快。
圖3 初始方案型材出口流速分布和實際試模料頭
圖4（a）所示為模具應力分析云圖，模具最大應力在分流橋的根部，為1 466.42 MPa，超出了材料屈服強度1 000 MPa。蝶形分流模的分流橋在工作過程中受較大的應力
[6,7]，當其所受的應力值超出了模具零件材料在工作溫度下的屈服強度時，該位置容易發生變形積累，最后出現裂紋損傷，導致模具失效。
展開 結構CAE技術在冷擠壓模具設計中的應用
【摘 要】近年來CAE(Computer Aided Engineering)技術得到了快速發展，為模具工業提供了更強大的技術支持。在冷擠壓模具設計中，模具強度的校核設計是其中的關鍵，在很多情況下要靠經驗來進行設計。應用結構CAE技術能方便準確地進行復雜模具成型零件及模具裝配部件的強度、剛性的校核計算。筆者結合近年來的實際工作經驗，談談應用 UG軟件的結構CAE技術在冷擠壓模具設計中的應用。
【關鍵詞】結構CAE 冷擠壓模具設計 強度 校核
1 結構CAE 技術概述
結構CAE技術主要是應用有限元方法，通過給定條件如材料屬性、負載條件、邊界條件、裝配連接設定等，對結構進行力學、熱學的分析及診斷，提供給用戶具體、形象的數據表達形式，以便進行結構設計校核數據。
目前，開發對象的自動離散及有限元分析結果的計算機可視化顯示技術“瓶頸”現象已逐步解決，對象的離散從手工、半自動到全自動，從簡單對象的單維單一網格到復雜對象的多維多種網格單元，從單材料到多種材料，從單純的離散到自適應離散，從對象的性能校核到自動自適應動態設計、分析，計算結果的可視化顯示可對應力、應變和溫度等場的靜動態顯示、彩色調色顯示，也可對受載對象可能出現缺陷（裂紋等）的位置、形狀、大小及其可能波及區域等進行顯示。
2 結構CAE技術在模具設計中的應用
模具常常工作在高壓、高溫的狀況下，如冷擠壓模具工作在高壓狀態下，熱鍛模具工作在高壓高溫狀態下，強度與穩態校核顯得很重要；壓鑄模、塑料成型模工作在高壓高溫狀態下，模具結構的剛性與熱力性校核顯得很重要。有必要清楚模具的工作狀況并進行模具的強度、剛性等校核，使模具能安全、長壽命的工作，保證產品的質量。
傳統的模具設計主要是根據設計資料和設計人員的經驗來進行，校核計算往往進行得粗略且不全面，不能精確反應模具的實際狀況。
展開 一種車用攝像頭殼體冷擠壓成形工藝與模具設計
圖10 500t油壓機
試模過程中，雖然成形噸位較小，但由于成形走料、導向間隙和模具的彈性變形，會導致一定的偏載，使導向間隙不均勻，間隙大的地方有毛刺產生；同時產品外壁沒有設計拔模角度；在脫模頂出時，產品會產生變形，尺寸超差。試模后，觀察殼體內腔表面狀況相對良好，無明顯破損和拉毛痕跡。后續外壁會增加0.5°的拔模斜度和整形模進行改善。圖11為此產品側面裁切后的成品與U盤的比較圖，圖12為此系列產品與圓珠筆的比較圖。
圖11 裁切側邊后的產品與U盤大小比較
圖12 該系列產品與圓珠筆的比較
結束語
在依靠經驗進行工藝和模具設計的過程中，當無法定性判斷缺陷且計算難度較高時，可以借助Deform-3D對此進行模擬分析，有助于對沒有把握的風險進行判斷，從而來提升試模的成功率和模具設計的可靠性。
展開 Altair HyperXtrude有鋁材擠壓模具及工藝的設計和分析限元模擬工具
Altair HyperXtrude是一種有限元模擬工具，用于鋁材擠壓模具及工藝的設計和分析， HyperXtrude能精確模擬出材料在擠壓過程中的流動和熱傳導，使得用戶可以減少模具設計時間和模具試制耗費。HyperXtrude用來滿足從事擠壓工藝/產品設計工程師的需要，它也能夠求解金屬和聚合體的擠壓問題。
HyperXtrude通過以下幾個方面提高了設計工程師的生產力：
◇ 通過初始準確可靠和快速的分析可以使模具設計時間和耗費得到最小。
◇ 幫助檢修現有的模具。
◇ 鑒定新的模具設計。
◇ 幫助計算最優的模具中支撐和附著長度。
展開 ADSTEFAN成功應用于發動機鋁合金壓鑄缸體模具設計
寧波市北侖輝旺鑄模實業有限公司在V6汽車發動機鋁合金壓鑄缸體模具設計中一次試模成功，打破了國外對于這一領域的技術壟斷,給我國壓鑄界帶來了振奮，猶如一束溫暖的陽光，給處于寒冬中的同行企業帶來了發展的希望。
寧波市北侖輝旺鑄模實業有限公司地處東海之濱寧波市北侖區大矸鎮，是中國壓鑄模骨干企業聯合體成員單位，亦是“模具之鄉”重點骨干私營企業之一。 在2003年就引進了日本的模流分析軟件ADSTEFAN， 長期以來在設計模具時都是先把設計方案確定后，用ADSTEFAN軟件對方案進行模擬分析論證，然后與用戶一起商討，充分做好前期論證工作，在有充分把握的前提下進行制模，所以輝旺公司設計的大部分模具試模都是一次成功。
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