使用仿真软件有限元优化模具设计手艺 切磋

1 媒介

铝型材因具有质量轻、比强度高、储藏 量年夜 、外形美不雅 、耐侵蚀 性、耐候性好等特点，被建筑、交通、航天、通信 装备 、活动 器械、家居装潢 等行业普遍 采取 。同时铝合金家产是世界列国 的重点成长 范畴 ，其成长 速度仅次于钢铁且远高于其他金属材料。铝型材成品 质量的凹凸 取决于挤压装备 、挤压模具的质量。模具设计制做作 为铝型材临盆 的主要 环节，它的好坏 直接影响挤压型材的机能 、外不雅 乃至 临盆 的成败。但是 ，传统的挤压模具设计主要依托 经验和类比设计的方式 ，其参数的采取 常常 与模具设计者的工作经验和 手艺 程度 紧密亲密联系关系 。同时，铝型材截面复杂多样，难以包管 设计的模具能平均 挤出坯料。常常 临盆 出来的坯料泛起 扭曲、海浪 、裂纹等现象，致使 模具频频 返工，试模。传统设计流程一般依照 “设计、制造、试模、频频 修模、改模、调剂 挤压工艺参数”的流程反复 进行才能到达 抱负的结果 。如许 不但 严重影响了临盆 效力 ，并且 会造成人员、物料的年夜 量挥霍。

计较机手艺 的运用 ，可有用 削减 试模次数，缩短设计开辟 周期。跟着 有限元数值摹拟 手艺 在挤压铝型材制造的运用 ，将把挤压模具的设计制造领进了一个新的成长 阶段。这类 基于有限元摹拟 手艺 的根蒂根基 上的手艺 ，具有多方面的优势：在模具初始设计后，可以在计较机长进 行仿真试模取代 现实试模，下降 模具设计开辟 本钱 ；年夜 幅度缩短设计开辟 周期；为设计人员供应 靠得住 的数据成果，给设计者优化设计模具供应 系统的数据根据 ；更有益 于设计常识 的堆集。最近几年来，很多 国度 都对铝型材挤压力学理论和数值摹拟 手艺 进行了研究，在设计模具供应 科学性根据 和指导模具临盆 方面，获得 了必然 的功效 。

2 国表里 挤压模具仿真摹拟 的环境

对铝型材挤压进行仿真摹拟 ，可以预先得出挤压模具现实 挤压进程 中泛起 的问题，尽早 优化设计挤压模具布局，调剂 有关工艺参数等解决方案。国表里 学者都在此方面做了很多研究，获得 了显著的功效 。韩国粹 者HyunWooShin等早在1993年对非轴对称挤压进行了有限元阐发，行使 二维刚塑性有限元方式 连系 厚板理论将三维问题进行了简化，对全部 挤压进程 进行了不掉 精确的数值摹拟 ，同时也削减 了计较劲 [1]。

在二次开辟 方面，国内的一些研究也值得存眷 。深圳年夜 学的李积彬[2]用C说话 编写了铝型材挤压模具参数设计的法式 ，以流程图的情势 指导 挤压模具的设计进程 ；以人机交互的情势 实现挤压模具参数优化设计。江苏戚墅堰机车车辆工艺研究所的盛伟[3]等用Ansys软件进行金属塑性成形进程 摹拟 软件的二次开辟 ，并运用 该软件对锻件塑性成形进程 进行了摹拟 ，为提高锻件质量、展望金属成形中的缺点 、拟定公道 工艺供应 了理论根据 。

对 变形摹拟 的研究，国内专家获得 了很多 的功效 。于沪平、彭颖红[4]等在《平流分流焊合模成型进程 的数值摹拟 》一文中采取 塑性摹拟 软件Deform，对平面分流模具进行了仿真阐发，从而得出应力、温度和流速的散布 和转变 。刘汉武、于桦[5]等在《铝型材挤压分流组合模有限元阐发和计较》中行使 Ansys有限元阐发软件进行有限元阐发计较，得出原模具设计中不容易 发现的布局缺点 。

最近几年来，愈来愈 多企业投身于挤压模具数字摹拟 手艺 的研究运用 。采取 HyperXtrude等的仿真摹拟 软件进行模具仿真摹拟 。HyperXtrude作为专业的铝型材仿真软件，是Altair公司旗下Hyperworks下的一个模块。HyperXtrude可以或许 实现铝型材挤压进程 中的稳态变形阐发、瞬态变形阐发、压余长度展望、焊合长度展望、正反向挤压摹拟 、挤压模具优化等多种阐发。

3 行使 有限元仿真软件进行优化设计的进程

进行有限元仿真摹拟 是行使 基于流体力学和布局力学的有限元阐发软件，对设计出来的模具三维模子 进行有限元阐发，研究金属活动 纪律 和 模具和挤压加工进程 中各质点各时刻的应力场、应变场、流变速度场等的动态数据，并且 可对挤压模具的受力和温度转变 提高 履态阐发，由此可为挤压工艺的拟定和挤压模具布局进行有用 优化。以下将以HyperXtrude软件为例介绍有限元仿真软件进行优化设计的进程 。

3.1 阐发成果

按照模具初步设计方案，模具设计二维图如图1所示，在三维建模软件Solidworks中竖立 三维模子 。将其导入有限元阐发软件HyperXtrude中，如图2所示，进行网格划分，并插手具体的挤压工艺参数：材料为6061铝合金圆棒；挤压筒直径258mm；铝锭预热温度490℃；挤压筒温度35℃；模具温度490℃；挤压机推头流速10mm/s，提交计较，可获得 以下 成果，成果显示：

图1 模具设计二维图

图2 挤压模具三维几何模子

（1）型材速度和变形摹拟 阐发：整体流速不屈 衡，相差较年夜 ，图3显示, 型材左侧的流速慢，右侧流速较快 ，最快速度为图3中 。且最快与最慢二者 相差177.3 mm/s，所以料头向左侧曲折 。

图3 铝型材挤出图

（2）工作带位置型材流速和变形阐发：图4是工作带位置的型材流速环境。成果显示, 型材右侧 比左侧 快，且差距较年夜 ，上边比下边稍稍快。这将致使 料头挤出时，划分向慢的两个偏向 曲折 。

图4 工作带部门材料流速阐发图

（3）分流孔流速阐发：如图5所示上、下两个分流孔流速较快。个中 ，上面分流孔流速最快，中心桥位处流速很是慢。图6所示的料头显示，上下分流孔对应的部门流速较快，两个分流孔之间的桥位流速较慢。摹拟 阐发布局与料头布局一致。

图5 分流孔部门材料流速阐发图

图6 料头示意图

（4）型材流速和现实 变形阐发对比 ：图8试模料头显示型材向左侧曲折 ，其曲折 变形趋向 与摹拟 成果图7一致。

图7 A-A偏向 料头流速散布 和变形图(向左侧 曲折 ,且幅度较年夜 )

图8 从A-A视图偏向 看曩昔 的料头(向左侧 曲折 ,且幅度较年夜 )

（5）铝型材流速和现实 变形阐发对比 ：

图10试模成果，C-C视图显示，从C-C偏向 看曩昔 ，型材向右侧 曲折 ;

图9摹拟 成果，B-B视图显示，从B-B偏向 看曩昔 ，型材向左侧 曲折 ;

C-C 视图和B-B视图偏向 恰好 相反，显示的曲折 偏向 也相反。表白摹拟 成果和试模成果是一致的。

图9 B-B 料头流速散布 和变形图 (向左侧 略微 曲折 )

图10 从C-C 视图偏向 看曩昔 的料头(向右侧 略微 曲折 )

3.2 按照摹拟 成果进行优化设计

按照以上成果进行综合阐发成果对初始设计方案进行点窜 。对二级导流（二级导流二维图以下 图11所示）进行优化点窜 ，以下 图12所示：

图11 模具二级二维图

图12 铝型材挤压模具优化设计示意图

3.3 优化成果阐发

按照优化好的设计加工模具，并上机试模，经由过程 跟踪发现，按照后续跟进，优化后模具临盆 出的型材获得 优化，料头较为平整。

从现实 临盆 中可以找到很多型材，未优化的时，年夜 多泛起 料头不屈 ，单孔中快慢相差年夜 、多孔出料速度差距较年夜 等缺点 ，如图13所示。因而可知 利用 有限元软件进行优化设计是有有需要 的。

图13 未经优化产出的料头

4 结论

会商了国表里 铝型材挤压模具仿真摹拟 设计的环境，并以HyperXtrude软件为例子胪陈 行使 有限元仿真软件进行优化设计的进程 ，同时验证了有限元阐发在挤压模具优化设计中的运用 的需要 性。为挤压模具设计及工艺优化供应 根据 。

（1）行使 HyperXtrude平台可以或许 有用 地对挤压进程 进行仿真摹拟 ，可节流年夜 量设计时候 ，摹拟 成果对现实 临盆 具有很高的参考价值。

（2）运用有限元阐发软件对挤压进程 进行摹拟 ，可有用 削减 试模次数，发现凭仗 经验难以发现的布局缺点 ，从而下降 企业本钱 ，提高型材质量。