HyperXtrude有限元法在铝材模具设计中的运用

铝型材在糊口、建筑、航空航天中利用日趋 普遍 。挤压成形是铝型材出产的主导手艺 和焦点 环节，而挤压模具是铝型材挤压成形的关头设备 。在铝型材挤压进程 中，模具布局不良轻易 致使 型材扭拧、海浪 、曲折 和 裂纹等缺点 问题。今朝 铝型材挤压模具的设计还逗留 在依托 工程类比和设计经验阶段，所设计的模具必需 颠末频频 试模和修模来调剂 工艺参数，这严重影响了企业的模具开辟 周期和出产效力 ，影响模具质量和模具寿命，增添 了经济本钱 和时候 本钱 ，是以 改善 传统的模具设计方式 已 成为铝型材及其模具厂家确当 务之急。

HyperXtrude供应 挤压模设计的虚拟测试、验证、批改 和优化的剖析 东西。削减 模具设计时候 和本钱 ；稳健靠得住 和有用 的计较机摹拟 为在模具加工和挤压成立之条件 供设计导向；设计稳健的模具正确 猜测 模具的变形和应力，优化模具设计；可视化和预感 挤压材料活动 ，温度，挤压力削减 焊合废物 ；计较焊合长度，削减 废物 ；经由过程 虚拟试模削减 本钱 和试模时候 ；极年夜 地削减 全部 产物 开辟 周期。

铝型材挤压是一个处在高温、高压、复杂磨擦 状况 等复杂条件下的成形进程 ，属于三维活动 、非线性、年夜 变形问题。将数值摹拟 手艺 引入挤压模具设计中，经由过程 在计较机上摹拟 试模，可以或许 获得 铝合金在模腔内的变形信息，如速度、温度、应力应变、压力等物理场量的散布 ，从而评价工艺及模具布局设计是不是 公道 ，点窜 模具布局，提高模具使用寿命。

Huetink[3]最早采取 解耦ALE方式 对杯—杆复合挤压进程 进行了数值摹拟 ，经由过程 网格活动 ，可有用 节制 网格的畸变环境，但因为 流出部份 网格尺寸不敷 精密 ，摹拟 所得的几何外形 与真实环境有所误差 。Ghosh[4]将ALE方式 与自顺应 网格活动 算法及多极堆叠 网格方式 连系 ，用于捕获 反挤压进程 中的局部应变效应。Gadala和Wang成立了完全耦合ALE列式，经由过程 在单位 上成立物资 点和网格点的活动 关系，随后在单位 刚度集成前消弭 离散方程中网格速度项的方式来求解全部 有限元列式，并与UL方式 所得摹拟 效果 比力可知，ALE方式 具有 正确 描写 活动 鸿沟、削减 网格单位 畸变的优势，所得摹拟 效果 也较为靠得住 。

本文彩 取 HyperXtrude有限元挤压成形软件对模具设计进行验证，以国内某铝材挤压模具出产厂家出产的胡蝶 型工业型材挤压模具为例，对铝合金型材挤压进程 进行了数值摹拟 ，并对成形中模具的负载效果 进行了对照剖析 ，完成对新设计模具的验证和确认，削减 了因频频 试模引发 的昂贵出产本钱 。

1 模具设计与模子 成立

1.1 模具设计

图1为某型材厂出产的具有“胡蝶 型”横截面布局的工业用铝合金型材产物 。最小壁厚为5.7 mm，其截面积为4882.6 mm2，模具的使用要求是在2200 t挤压机上，选用直径为216.0 mm的铝棒进行挤压，挤压铝合金材料是AA6063-T5，挤压速度为3.0 mm?s-1。

因为 型材断面的外接圆直径到达 Φ246.9 mm，比挤压棒料的直径尺寸年夜 了约14.3%，是以 需要对材料进行比力年夜 的宽展成形。而经宽展成形的铝锭再次颠末度 流孔、工作带挤压成形，型材面积突然 减小，挤压力剧增，发生 了8.3的挤压比。为减轻模具上模分流桥部位的压力，和 尽可能 削减 上模的宽展角度，需要做一块导流板以回护上模和指导 金属向双方 活动 。

型材截面具有两个空心年夜 断面，中心部位需设有一条增强 筋，因为 截面中心的这一增强 筋较长，为知足 材料活动 供料要求，需要在增强 筋响应 上模的位置开设一个分流孔，以包管 有足够的材料流向增强 筋的出口位置。同时因为 模具上模存在两个年夜 截面积的模芯，材料进口 正面受压面积较年夜 ，是以 在上模中心位置增添 了一个分流孔，以疏通沟通 材料的活动 ，削减 模具正面承受的压力。

本文彩 取 了导流板前置式的分流组合模具设计方式 ，经由过程 引入导流板，有用 均衡 了金属活动 状况 ，分管 了上模部份 压力，有益 于回护模具；同时，上模的设计采取 了短分流桥布局，下模的设计采取 了三级焊合室布局，前者增添 了分流桥抵御金属直接冲击的强度，可提高模具使用寿命，后者深化了金属焊合水平 ，可提高金属焊合质量，使型材具有优秀的轮廓质量。

对分流孔和宽展等布局的安顿，需要知足 型材截面双方 离中心较远边角的供料要求，尽可能 使有足够多的金属能流向双方 ，均衡 其与近中心位置金属活动 的速度误差 。

导流板、上下模的设计方案如图2、3所示，工作带高度的设计方案见图4。

1.2 成立有限元模子

采取 的铝合金材料AA6063-T5的本构模子 [5,7]为：

此中，R是气体常数，R=8.314 J?(mol?K)-1，T是温度，B0为应力常数，A为应变因子的倒数、Q为激活能，m为应力系数。 是初始应变速度 。

式中，B0=25 MPa，A=5.91×109 s-1，Q=141550 J?mol-1，m=5.385， 是依靠 于温度的参数。

材料弹性模量为3.681×1010 Pa，密度为2.64×103 kg/m3，泊松比为0.333，坯料加热温度为480℃。模具与挤压筒预热温度为430℃。剖析 计较在Hyperxtrude挤压专用有限元剖析 模块进行，磨擦 采取 库仑模子 ，磨擦 系数取0.4[6-7]。

图5所示为依照 设计方案对模具进行三维CAD建模和划分的有限元网格。

2 摹拟 效果 与剖析

2.1 铝型材速度剖析

抱负的材料活动 效果 应当 是在工作带出口处断面上各质点的速度平均 散布 ，进而获得端面平齐的铝型材产物 。由挤压件流速散布 图6可见，速度场散布 很不平均 ，外侧悬臂梁金属活动 速度显着 年夜 于增强 筋中部和 平行双方 ，此中悬臂梁端部份 流孔内金属活动 最快，出材最快，速度最年夜 到达 56.1 mm?s-1，增强 筋中部出材最慢，速度最小只有14.2 mm?s-1，而按照理论计较，型材挤出的平均速度为：Vave=λ?Vin=25.0 mm?s-1。

图7是当前挤压条件下的型材活动 环境，此中黑色椭圆部位的速度转变 梯度最年夜 ，此处最可能发生变形。

2.2 模具形变剖析

图8为挤压进程 中，上模沿x偏向 和y偏向 的变形环境。由图可知，在型材稳态挤压进程 中，模具最年夜 弹性形变发生在模芯位置，同时陪伴随 分流孔必然 水平 向外扩大 。模具的形变几近 均沿着径向由中心向外缘递减，距模孔越远，变形量越小。

金属颠末三级焊合室，在焊合腔内充实焊合后被挤入工作带，外形 发生猛烈 转变 ，此时模具遭到 最年夜 等效应力和最年夜 弹性形变，体目下当今模芯沿x轴偏向 发生 了0.01-0.02 mm的位移，而沿y轴偏向 发生 了0.07-0.08 mm的位移。

可见因为 胡蝶 型材的不合错误称性散布 ，对应胡蝶 悬臂处的分流孔中的金属流度远远年夜 于其它分流孔中的金属流速，使得本侧金属静水压力削弱 ，即对模芯挤压感化 相对削弱 ；金属在焊合室内速度差散布 进一步加重 ，右边 金属因为 流速迟缓 ，与模芯接触时候 耽误 ，切向磨擦 力与法向挤压力都显著增年夜 ，终究 发生 图8（a）所示的模芯位置偏移环境。

同时，因为 增强 筋部份 金属活动 最慢，速度仅为14.2 mm?s-1，是出材最难题 的位置。年夜 量金属经焊合室在模芯中部聚集 ，遭到 模芯直接阻碍感化 ，静水压力年夜 于其它部位的金属感化 力，从而使模芯发生 了沿y轴偏向 的显着 的弹性形变，如图8（b）所示。

2.3 模具应力剖析

由图9(a)可知，导流板的最年夜 等效应力发生在右边 分流桥，约为630 MPa；而左边 分流桥的等效应力略小，约为540 MPa。图9(b)、(c)是上模沿分歧 截面的等效应力散布 图，此中最年夜 等效应力约为640 MPa。图(d)是下模等效应力散布 图，比拟 上模和导流板而言，下模承载的等效应力较小，最年夜 应力约为252 MPa。

由图9可知，等效应力的散布 纪律 和模具形变纪律 类似 ，在全部 稳态挤压进程 里，模具内最年夜 应力发生在坯料和分流桥正向冲击的部位，并跟着 挤压的深切 而增添 ，等效应力最年夜 值发生在模具分流桥底端。可见，模孔散布 的平均 水平 对模具内应力的散布 有着直接影响，对应胡蝶 悬臂处的分流桥内部等效应力到达 最年夜 值。

而经摹拟 剖析 获得 的效果 ，模具内最年夜 应力值为640 MPa，在模具设计的应力许可局限 以内。是以 ，经由过程 设计短分流桥布局和 导流板的导流减压感化 ，有用 节制 了模具内部最年夜 应力的发生，并改善了应力散布 的平均 性，可包管 模具优秀的使用寿命。

3 设计批改

从上述摹拟 效果 可以获得以下信息：因为 分流桥直接管 到金属正向冲击，所以遭到 的等效应力最年夜 ，发生 较年夜 形变。摹拟 效果 也解释，挤压进程 中金属活动 遵守 活动 阻力最小定律，在图7中，型材中心“十”字处呈凸起 的小山坡外形 ，这主如果 该部份 对应着型材的两个环扣，面积比其他部份 的要年夜 ，接近 该部份 的金属活动 所受的阻力最小，速度比其它处年夜 。

按照以上信息对模具的工作带长度进行调剂 ：悬臂处工作带长度增添 5 mm，同时芯部实体位置的工作带长度减小1-2 mm，以减小材料与模具之间的磨擦 。工作带出口流速的平均 水平 对型材成形质量相当 主要 ，流速越平均 ，型材发生扭拧、曲折 等缺点 的可能性就越小，型材平直度就越好。

从图9和图10可知，上模芯部壁厚可减小0.10-0.15 mm，同时上下两侧壁厚可以恰当 增添 0.05-0.08 mm，以赔偿 模具发生 的弹性形变。改善两侧翼内凹部份 的分流孔布局，以增添 内凹部份 的材料供给 ，从而增年夜 两侧短边的金属活动 速度。

同时，为了改善金属焊合水平 及型材轮廓质量，进一步不乱 出材速度，下模采取 的三级焊合室布局也有较好的增进 感化 。

经由过程 恰当 设计批改 ，前置导流板可有用 均衡 金属活动 状况 ，分管 上模部份 压力，有益 于回护模具；同时短分流桥布局提高了分流桥抵御金属直接冲击的强度，可耽误 模具的使用寿命；而三级焊合室的布局则增进 了金属深切 焊合与平均 活动 ，进一步改善了型材的轮廓质量。

4 结论

本文对一工业用铝合金型材挤压模具进行设计，采取 了导流板回护布局，上模短分流桥布局和下模三级焊合室布局；并应用 基于肆意拉格朗日—欧拉（ALE）有限元法的专用模块HyperXtrude，成功摹拟 了坯料在模具中的稳态挤压进程 ，并对成形中型材的挤出速度、模具的形变与应力环境进行剖析 ，验证了其设计方案的公道 性。最后商量 了模具优化方案，经由过程 调剂 工作带长度和芯部壁厚，实现了对金属活动 的节制 ，终究 获得及格 的型材产物 。

（1）使用基于ALE的有限元法对铝型材挤压进程 进行数值摹拟 剖析 ，可以定量的研究模具布局参数对挤压进程 的影响，经由过程 对各场量进行数值剖析 ，完成对新设计模具的验证和确认，削减 因频频 试模引发 的昂贵出产本钱 。

（2）因为 分流孔散布 不平均 ，金属活动 速度快的区域，对模具挤压感化 相对削弱 ，轻易 造成模芯向流速快一侧发生变形，而增强 筋区域金属对模芯挤压感化 最为显着 。是以 需要恰当 减小金属流速较快一侧的芯部壁厚，以赔偿 模具发生 的弹性形变。

（3）经由过程 导流板的导流回护感化 ，有益 于减小宽展成形中模具遭到 的直接冲击；而短分流桥布局提高了分流桥强度，使模具可以或许 承载更年夜 挤压负荷；同时三级焊合室布局，对 型材轮廓质量有着显著改善。