型材擠壓的案例
QForm型材擠壓模擬計算工作站配置探討
（一）QForm軟件簡介及功能
型材擠壓模擬是在實際產品生產加工前，通過三維建模和有限元分析技術，模擬、評價和優化型材擠壓模具以及工藝參數而開發的專業CAE系統。它可以精確模擬材料的溫度、應力，變形，流動，焊合等幾個方面性能的變化過程和結果，從而獲得整個鍛造加工過程中的溫度變化、材料流動、焊合情況、應力場、形狀變化等各種信息，利用這些信息，優化模具工作帶長度及分流孔大小位置等參數，提高現有的模具設計手段及減少模具設計時間。
QForm軟件是俄羅斯針對鍛造與擠壓工藝開發的有限元模擬軟件，QForm模塊包括：擠壓，模鍛，輥鍛，楔橫軋，環軋，自由鍛，型材擠出以及熱處理，同時提供了大量的材料數據以及設備和潤滑劑數據。
使用QForm軟件擠壓模塊，可以模擬由于材料流動不均勻，鋁合金在擠出后可能會發生的扭轉和彎曲現象。還可以精確計算材料流動的其它方面，例如空心型材焊合線的位置等。軟件對于型材擠壓有專門的操作界面，能快速導入幾何模型，自動生成有限元模型，還可以自動識別工作帶且把他們參數化，易于修改調整。通過工作帶編輯器對工作帶區域進行修改和優化，可以得到均勻一致的擠出速度和規則形狀的型材。另外通過耦合模擬技術還可以考慮擠壓模具實時變形，使計算更為精確。
QForm-Extrusion 是QForm 軟件中專門用于型材擠壓成形模擬并優化工藝設計的模塊。QForm擠壓模擬模塊有以下特點：
? 擠出過程分析 使用QForm型材擠壓模塊，可以在計算機上把整個的型材擠出的過程再現，目前可以模擬鋁、鎂、銅合金的實心，空心，半空心型材。
? 擠出速度分析 考慮擠出時的粘性摩擦，溫度，形狀，厚度，模具角度，內部形狀等，分析計算型材各位置的擠出速度，分析擠出工藝合理性。
? 擠出形狀分析 模擬擠壓型材尖端形狀是否合理，分析查找出現不一致的原因。
展開 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 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
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
擠壓力、焊合質量、鋁型材表面質量與機械性能都與溫度有關。圖6所示是坯料的溫度場分布云圖，從圖6中可知坯料在與工模具接觸處雖然有摩擦熱的產生，但由于模具的溫度比坯料的低，且較易向空氣中散熱，所以溫度升高幅度不大，甚至溫度降低。擠壓筒中部和分流孔中部由于劇烈變形而產生的塑性變形熱難以擴散，所以溫度升高幅度較大。在工作帶處變形最為劇烈，溫度最高。實際生產中溫度過低，坯料塑性不好，會降低擠壓速度；溫度過高，會使鋁材過燒，表面質量不好。
圖6 溫度場云圖
4.3 速度場分析
在實際生產中，金屬的流動速度是決定鋁型材質量的重要因素。流速不均會造成鋁型材不成型、扭擰、波浪等缺陷。為了評價擠壓過程中金屬流速的均勻程度，本文以擠壓模出口處流速場標準偏差SDV（Stantard Deviation of the Velocity field）值來衡量[9]，其計算式的形式如下：
式中，N為選取節點的數量，在本文中N為模具出口處同一平面上節點的個數；為位于待研究平面上第i個節點的z向速度；為待研究平面上各節點的z向平均速遞，SDV值反應了擠壓過程的穩定性，因此該值越小表示流速越均勻。
圖7為金屬流出模具后達到穩定的某個平面的流速圖，在鋁型材截面均勻選取20個節點，各點的流速值如表2所示。
圖7 速度場云圖
表2 鋁型材截面選取節點的速度值（單位：mm/s）
根據圖7可知由于鋁型材底邊比其余邊厚，速度較大，而中間筋處較難供料，速度較小，速度的差距容易使鋁型材變形。根據表2，可以計算出78.65 mm/s，由此計算處SDV=6.62。鋁型材出口流速不均勻。
展開 提高鋁型材擠壓生產成品率的工藝方法
正確的做法是根據上機模具的上次擠壓單支重量記錄，查一下線密度—鑄棒長（L-m1）圖，稍微加長一點剪切鑄錠長度（不至于產生接近6m的廢料），根據擠壓型材的總長，第二次剪切長度可作微量修正，就可以進入正常擠壓。把熱剪切鑄棒爐剪切長度調整靈活的優點和生產管理上準確記錄模具動態在擠壓過程中每根型材重量、查看型材線密度-鑄棒長（L-m1）關系圖結合起來，才能提高生產率和成品率。有文獻說使用熱剪鑄棒爐成品率可以提高4個百分點，根據其他企業的實際經驗提高2個百分點是沒有問題的。
2.6加強模具管理，準確記錄動態單根型材重量
原始生產記錄在管理工作中的重要性是不言而喻的，在鋁型材的擠壓生產中，準確記錄每套模具擠出型材的線密度（或單根型材重量）是做好成品率、成本核算及模具管理的一項重要工作，它為下次本套模具上機能準確找到合適的鑄錠長度提供依據。所以對每條擠壓生產線應提供一臺準確度較高的電子稱，定期校驗、監督復驗，督促操作工或工藝員在模具生產卡片上填寫型材單根型材重量，準確的記錄模具在擠壓過程中每根型材重量，為下次生產做好準備。
有的企業已使用計算機進行管理，擠壓工在擠壓機旁的計算機終端錄入每套模具的名稱、編號和上機擠壓的型材根數、長度、單根重量等參數，由服務器對數據統一處理，實現了數據采集實時化、車間無紙化、統計自動化、信息公開化。
2.7使用無壓余擠壓，減少幾何廢料
固定墊無壓余擠壓是將擠壓墊固定在擠壓桿上，并對二者作一定的改造，擠壓結束時擠壓筒不后退也能較容易地將鋁錠脫離，然后直接將第二根鑄錠推入擠壓筒，與上次剩余的鑄錠壓合在一起，完成擠壓。這種方法避免了每擠壓一根鑄錠剪切一次壓余，可根據質量要求和訂貨數量來決定擠多少根剪切一次，一般民用型材可40—50根剪切一次壓余。
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 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 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
產品共計 6 個空腔，產品長寬最大尺寸達 220mm*181mm，產品斷面積約為 3087.7mm2, 交貨長度約 2m，屬于大型鋁型材產品。同時該型材模芯數量多且呈現非對稱狀態（最大尺寸約 70*80mm, 最小尺寸為50*50mm），這對擠壓過程中金屬的均勻分配和模具均勻受力帶來了很大的挑戰。
該擠壓型材材料牌號為 6005A, 截面壁厚在 2.0,2.5,3.0mm 之間分布，規劃在 28MN擠壓機上進行正向擠壓生產，棒料直徑為 262mm。如表 1 設計詳細的擠壓工藝參數[8]. 根據公式計算得到該型材產品的擠壓比系數：λ=F0/F1=(π*2622)/(4*3087.7)≈17.5，其中 F0, F1分別表示棒料直徑和單根產品的斷面積。λ 符合 6005A 鋁合金合理擠壓比 12-40 范圍。
圖 1 型材產品信息 (a) 3D 立體圖，(b) 截面尺寸圖
表 1 擠壓工藝參數
圖 2(a)為該型材的初始模具設計三維圖，受擠壓機棒料噸位限制，采取分流寬展設計，共計 8 個分流橋和 8 個分流孔（如圖 2(b)）。模具總體裝配尺寸為 φ500mm*250mm，如圖2(c)所示下模按單級焊合室進行設計，高度為 30mm。
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 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 
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 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。
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。
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 