带筋宽幅铝型材挤压模具仿真与设计优化

模具是铝合金挤压成型的主要 设备 之一[1]，模具质量是影响铝型材产物 质量的关头身分 。当前，铝型材模具开辟 中遍及 存在开辟 周期长、修模试模次数多、模具质量不不乱 等手艺 问题[2]。提高铝型材模具的设计质量和效力 已成为铝型材行业成长 的手艺 瓶颈，为冲破 此手艺 瓶颈，利用模具仿真与优化手艺 开辟 高效、公道 的模具布局是最有用 的路子 之一。铝型材模具仿真进程 是一个虚拟的试模进程 ，它可以最年夜 限度的削减 现实 出产中的频频 试模进程 。经由过程 仿真，可以剖析 模具布局对金属的分流质量、焊合质量、挤出型材质量的影响，判定 挤压进程 中可能呈现的变形、裂桥、磨损等缺点 及其位置，可以对所设计的模具布局的公道 性做出评判，从而肯定 优化策略，进而改良模具布局参数，经由过程 频频 的优化和仿真，终究 取得 最优化的模具设计方案。

1 带筋宽幅铝型材挤压模具及仿真建模

1.1 模具设计方案肯定

带筋宽幅铝型材的尺寸图如图1所示，型材根基 参数如表1所示，凭据 型材的尺寸及根基 参数设计如图2所示的挤压模具，挤压机吨位为3600T。

表1 带筋宽幅铝型材根基 参数

型材线密度

Ix

Iy

Wx

Wy

材质

机台

4.08kg/m

45.8cm4

936.7cm4

10.6cm3

68cm3

5A30

3600T

图1 带筋宽幅铝型材尺寸图

(a)模面 (b)导流模

图2 带筋宽幅铝型材挤压模具图

1.2 模具三维与CAE建模

完成模具CAD设计后，对模具进行仿真建模，仿真建模进程 包罗：模具三维建模、型材CAE建模、定径带CAE建模、焊合室和导流孔CAE建模、棒料CAE建模、导流模CAE建模、模面CAE建模。带筋宽幅铝型材挤压模具三维造型如图3所示，其仿真建模图如图4所示。

(a)模面三维造型 (b)导流模三维造型

图3 带筋宽幅铝型材挤压模具三维造型

(a)模面CAE建模 (b)导流模CAE建模

(c)铝型材CAE建模

图4 带筋宽幅铝型材挤压模具仿真建模

2 仿真后果剖析

完成模具CAE建模后，设定仿真剖析 所需的各项界限 前提 ，界限 前提 的各项参数以公司现实 出产数据为准。CAE仿真摹拟 了全部 挤压进程 ，经由过程 对模子 较量争论 剖析 取得 挤压变形体内的应力、变形和流速等物理量散布 ，和 挤压各阶段的压力、变形和速度等工艺参数转变 环境，肯定 挤压模工作带断面和导流流孔、焊合室等模具布局对成形铝材活动 的影响，提出剖析 呈报并向设计人员保举 合适的挤压前提 ，设计人员再凭据 CAE剖析 后果批改 模具设计方案。经由 数次频频 ，直到模具设计方案知足 产物 设计要乞降 产物 质量要求为止。

2.1 导流孔与焊合室的金属流速散布

导流孔与焊合室的金属流速散布 云图如图5所示，图平分 歧 的色彩 代表流速的快慢环境，红色代表流速最快的区域，蓝色代表流速最慢的区域，图5(a)、5(b)、5(c)、5(d)为分歧 时候 段的导流孔与焊合室的金属流速散布 云图。由图5(a)、5(b)可以看出，铝金属在导流孔的流速较慢，当铝金属经由 导流孔进入焊合室后流速散布 产生 转变 ，由图5(c)、5(d)可以看出，铝金属在中央 的流速最快，双方 的流速最慢，流速很不平均 ，轻易 引发 铝型材偏壁和变形。

图5 导流孔与焊合室的金属流速散布 云图

2.2 铝型材出口金属流速散布

凭据 挤压出产经验，对 硬质合金，型材在出口速度比力慢，所以型材出口速度设为2m/min（相当于37.3mm/s），模具挤压比为37.3（以3600T挤压机挤压），较量争论 得出挤压杆速度为1mm/s。型材分歧 部位的流速散布 如图6所示，可以看出，型材分歧 部位的流速值相差比力年夜 ，红色圆圈所指的位置流速最快，最年夜 流速到达 78mm/s，型材双方 位置的流速最慢，最慢流速为22.5mm/s。最年夜 流速与最小流速之间的差别 与模具自己 布局有关，最年夜 流速地方 需要的铝金属较多，流速应快于其它位置才可以或许 包管 供料，但最年夜 流速是最小流速3倍，流速比值相差太年夜 ，流速不平均 。并且 最年夜 流速是现实 设定流速的2倍，所以需要点窜 模具，下降 最年夜 流速值，增添 最小流速值，使它们之间的流速不克不及 相差太差异 。别的 ，流速相差太年夜 会引发 型材变形，如图7所示。黑色箭头所指的轮廓线为没有变形的型材，从图中两个绿色圆圈所示位置可以看出型材在中央 和双方 位置都拱起，使得型材尺寸达不到设计要求。

图6 带筋宽幅铝型材出口流速散布 云图

图7 带筋宽幅铝型材变形散布 云图

2.3 模具强度剖析

模具强度散布 如图8所示，可以看出，导流模最年夜 应力散布 在模面外面 位置，如图中黑色圆圈所指位置，最年夜 应力为939Mpa，模面最年夜 应力散布 在悬臂位置处，悬臂位置最年夜 的应力为1314Mpa(悬臂处如图中红色箭头所指位置)，因为 5A30合金强度较高，所需挤压力较年夜 ，挤压应力也会响应 的增年夜 ，从仿真剖析 可知，模面所受的挤压应力比力年夜 ，对模具利用 寿命有影响。

(a)模面 (b)导流模

图8 带筋宽幅铝型材挤压模具强度散布 云图

3 带筋宽幅铝型材挤压模具布局优化

从仿真摹拟 的流速剖析 可以看出，在棒料进入增强 筋底部的导流和模面时，流速显明比型材其余部位快，以致 难以到达 平衡 流速的结果 。相对 增强 筋顶部和型材双方 的流速，增强 筋底部流速无疑过快，造成增强 筋顶部拱起，影响型材的平整度。是以 ，要到达 平衡 流速的结果 ，必需 改变棒料进入增强 筋底部导流和模面的金属流量，和 改变定径带的长短等方式，以到达 平衡 流速的幻想 结果 。导流模尺寸与定径带尺寸的点窜 如图9所示。

模具点窜 后再进行仿真剖析 ，挤压速度改成 1.5m/min(27.9mm/s)，仿真剖析 后的型材流速散布 如图10所示，可以看出，型材最年夜 流速与最小流速别离为33.6mm/s和23.7mm/s，最年夜 流速与最小流速之间的差值减小了许多 ，型材各个位置的流速都比力平衡 了，所以经由过程 仿真剖析 后对模具布局进行点窜 到达 了平衡 流速的目标 。流速平衡 了，型材的变形也响应 的减小了，如图11所示，所以在开模出产时，只要赐与 型材必然 的预变形余量便可 以包管 型材的尺寸要求。

(a)模具导流模尺寸点窜 图

(b)定径带尺寸点窜 图

图9 带筋宽幅铝型材模具布局优化图

图10 带筋宽幅铝型材出口流速散布 云图(点窜 后)

图11 带筋宽幅铝型材变形散布 云图(点窜 后)

模具布局参数优化后，进行模具的开模制造，在3600t挤压机长进 行试挤压，试模料头如图12(a)所示，现实 试模的料头拱起，但变形不是很年夜 ，试模料头的变形与仿真剖析 一致，经由过程 料头变形偏向 也能够 看出试模料头流速快慢与仿真剖析 后果一致。试模料身如图12(b)所示，料身的各项质量数据及格 ，合适设计要求。

(a)试模料头 (b)试模料身

图12 带筋宽幅铝型材试模图

4 结论

针对带筋宽幅铝型材挤压模具，采取 HyperXtrude有限元仿真剖析 方式 ，经由过程 仿真建模与较量争论 ，剖析 了铝型材流速、铝型材变形和模具应力散布 环境，并对模具布局参数进行优化设计。后果讲明，布局优化后的带筋宽幅铝型材挤压模具合适出产要求。仿真与优化手艺 的利用极年夜 地缩短了模具开辟 周期，提高了模具设计程度 。

1．铝金属在导流孔的流速较慢，当铝金属经由 导流孔进入焊合室后流速散布 不平衡 ，致使 型材流速不平均 ，轻易 引发 型材偏壁和变形。

2．导流模最年夜 应力散布 在模面外面 位置，最年夜 应力为939Mpa，模面最年夜 应力散布 在悬臂位置处，悬臂位置最年夜 的应力为1314Mpa。

3．导流模与定径带布局尺寸优化后，型材流速平衡 、变形减小；试模料头变形与仿真剖析 一致，试模料身的各项质量数据及格 ，合适设计要求。