使用HyperXtrude对铝型材挤压模具数值摹拟 设计实战

在铝型材的挤压进程 中，模具是包管 产物 质量的枢纽东西，会直接影响铝型材的外形 、尺寸精度和皮相质量。当前铝型材挤压工艺和模具的开辟 根基 上是依托 工程类比和设计经验，所设计的挤压模具必需 经由过程 频频 的试模和修模才能到达 公道 状况 。花费了年夜 量的人力物力且模具设计周期较长，晦气 于提高临盆 效力 [3-4]。使用计较机仿真手艺 可以在试模前对设计出的模具进行挤压摹拟 ，经由过程 计较获得 铝型材挤出时金属各部份 的流速和 模具的变形情形 ，从而判定 所设计的模具是不是 公道 ，进而对模具设计方案进行点窜 ，从而到达 零试模的目标 。

HyperXtrude是今朝 全球独一 专业的铝型材挤压工艺和模具设计的仿真优化软件，既撑持正向/反向挤压阐明，又撑持稳态/瞬态求解。软件采取 ALE算法，它接收 了今朝 有限元中经常使用 的拉格朗日（Lagrange）描写 和欧拉（Euler）描写 的长处 ，同时降服了各自的缺点 。经由过程 划定 适合 的网格活动 情势 来描写 物体的移动界面，并保持 单位 的公道 外形 ，是以 ALE算法可运用 于带自由液面的活动 。它降服了Lagrange方式 中网格因过度畸变在重划分时呈现失败使得摹拟 没法 完成的问题，也降服了Euler方式 只能处置不含时候 的稳态问题这一缺点 。

本文使用HyperXtrude对某壁厚不均的工业铝型材挤压进程 进行仿真摹拟 ，阐明金属的流速和变形情形 ，猜测 铝型材因流速不均使铝型材在出口处产生 的变形。最后将仿真成果与试模成果进行对照 阐明，进而对模具进行优化设计。

1 模子 设立建设

1.1 几何模子 设立建设

图1 6063铝型材截面图

Fig.1 Aluminum profile sectional drawing

摹拟 所采取 的铝型材是某公司临盆 的6063-T5壁厚不均的工业铝型材，其截面尺寸如图1所示，各部份 壁厚相差较年夜 ，最小壁厚为1.3mm，最年夜 壁厚为6.3mm。

模具采取 导流板加平模的组合方式，在铝型材壁厚较年夜 的部位设置了阻流块以限制该部份 的金属流速。模具外径φ198，其三维几何模子 如图2所示。

（a）导流板 （b）平模 （c）模孔处阻流块

Fig.2 Geometric model of the die (a) the guide plate (b) flat die (c) choke block

将绘制几何模子 导入到HyperMesh中。在挤压进程 中，金属材料流经了挤压筒（container）—导流室（pocket）—模孔（die hole），最后成为铝型材，而各部份 鸿沟前提 网格尺寸都分歧 ，所以仿真模子 需要对这几个区域的材料都进行网格划分。是以 导入几何模子 后的第一个工作，就是从模具中抽取各部份 的皮相。抽取各部份 皮相后，为提高运算效力 ，应尽可能 削减 尖角、堆叠 、间隙等细微缺点 ，所以在划分网格前对导流室、工作带等部份 进行几何清算 ，消弭 不需要 的细节，改善几何模子 的拓扑关系[2]。最后绘制各部份 的网格并生成皮相模子 ，使用皮相模子 生成体模子 ，成果如图3所示。

图3 有限元模子

（a）金属坯料的有限元模子 （b）包括 模具的整体模子

Fig.3 The finite element model

（a）The finite element model of the metallic materials （b）The overall model including the die

1.2 铝型材挤压参数设置

铝棒直径为120mm，长度250mm。铝型材长度为40mm，挤压速度为4mm/s。

铝棒材料为6063，模具材料为H13钢，均从软件供给的材料库中拔取 。挤压工艺参数如表1示。

表1 挤压摹拟 参数

Table 1 Process parameters used in extrusion simulation and experiments

2 摹拟 成果及阐明

使用HyperXtrude中挤压材料活动 阐明功能，获得 的挤压进程 中金属材料的速度场、位移场的散布 如图4所示。由图中可以看出：铝型材出口处最年夜 变形量为38mm，最小为17mm，相差19mm，在出口阶段产生 了形变；最年夜 流速为253mm/s,最小流速为169mm/s，两者相差84mm/s，金属流速不平均 ；图4(c)是导流室金属的流速散布 图，右侧 铝型材出口处红色部份 流速为338mm/s，左侧 流速较慢的部份 为211mm/s。在模具设计中，金属流速平均 、铝型材出口速度一致是模具设计的终究 目标 ，工作带出口流速的平均 水平 对铝型材成形质量相当 主要 ，流速越平均 ，铝型材产生 扭拧、曲折 等缺点 的可能性就越小，铝型材平直度就越好[8]。而在本次的摹拟 成果中，铝型材出口处流速相差较年夜 且变形水平 不均，致使 铝型材在挤出时呈现曲折 乃至 起浪。

图4变形及流速散布 图

（a）铝型材出口形变情形 （b）铝型材出口流速散布 （c）导流室金属流速散布

Fig.4 Distribution of displacement and velocity（a）displacement distribution of the profile（b）Velocity distribution of metal flow at bearing exit（c）Velocity distribution of metal flow in pocket

3 临盆 试模

在1000T的挤压机长进 行挤压实验 ，实验 参数和摹拟 中一致，获得的料头如图5所示。比较 数值摹拟 阐明成果可以看出，两者 都是铝型材右半部较薄部份 （A区）流速较快，变形趋向 吻合，证实 使用基于HyperXtrude的数值摹拟 可以或许 精确地猜测 挤压模具初始设计方案的潜伏 缺点 ，从而进一步提出改善 方案。铝型材右半部较薄部份 金属流速过快而左半部份 过慢致使 料头向左曲折 且有“起浪”现象，应当 对模具构造 进行批改 ，削减 铝型材右半部的材料供给 从而下降 该部份 的金属速度，使整体金属流速平均 。

图5 第一次上机试模料头

Fig.5 Nose-end of the profile for the first extrusion test

4 模具的优化

为了消弭 铝型材的“起浪”现象，使产物 尺寸不变，必需 力图 使产物 横断面上各部份 的流出速度一致，这是模具设计者应遵守 的基来源根基 则。金属出模孔的活动 速度受磨擦 阻力影响，模孔处阻流块的存在使坯料与模具的接触面积增年夜 ，致使 磨擦 力阻力增年夜 ，而在模具出口处磨擦 力对坯料流出起阻碍感化 [15]，故该部份 流速较小。一般情形 下，铝型材较薄部份 因接触面历年 夜 从而阻力年夜 ，流速较慢，而在图4(c)中较薄部份 流速较快，比阻流块四周 金属流速快127mm/s，缘由 是模孔处的阻流块限制了坯料流速，所以在修模进程 中应当 将阻流块（图2c）去失落 。同时对 该铝型材限制右半部份 金属的出模孔速度。修模时，在模子工作端面上右端需要阻碍的模孔四周 恰当 的位置用电焊堆起一段凸台（见图6B），使金属材料在进入模孔处磨擦 阻力增年夜 ，从而下降 该部份 的金属流速。

图6 批改 后的模具

A去失落 阻流块的部份 B 新焊合的阻流块

Fig.6 The optimal die A the part where the choke block has been removed

B the choke block welded on

将模具焊上阻流块后再次上机试模，获得 的料头如图7所示。从图中可以看出，本来 流速较快处金属的活动 速度获得 了按捺 ，而流速较慢活动 速度提到显著高。在试模进程 中初始阶段材料向右略有曲折 ，但水平 较之前获得 显著改善，继续挤压获得 及格 铝型材（图8）。

图7 再次试模获得 的料头

Fig.7 Nose-end of the profile for the second extrusion test

图8 上机试模及格 铝型材

Fig.8 The qualified extrudate through the optimal design die

5 结论

运用HyperXtrude对某壁厚不均的工业铝型材挤压进程 进行仿真摹拟 ，获得了金属活动 的速度场，阐明晰铝型材挤压时的变形情形 。按照铝型材的活动 变形情形 对模具构造 进行了优化，经由过程 焊合阻流块以下降 铝型材流速快的部位的活动 速度，铝型材的“起浪”现象获得 显著改善。上机试模成果注解 ，试模情形 与摹拟 成果根基 一致，基于HyperXtrude的数值摹拟 ，猜测 现实 挤压进程 中可能呈现的变形缺点 ，对挤压模具设计和优化有很主要 的指点 意义。

1、使用铝合金挤压软件HyperXtrude，对某壁厚不均的工业铝型材进行了数值摹拟 ，获得了铝型材挤压进程 的金属活动 速度场，出口处铝型材流速最快处和最慢处相差84mm/s，最年夜 变形量和最小变形量相差19mm，猜测 了在挤压时可能呈现“起浪”的情形 。

2、经由过程 上机试模进行验证，试模情形 与摹拟 成果根基 一致。申明 数值摹拟 对模具设计有指点 感化 。

3、经由过程 焊合阻流块下降 流速，并再次进行上机试模，“起浪”现象获得 显著改善，终究 获得 及格 铝型材。