复杂空心铝型材挤压进程 金属活动 数值摹拟 实战

引言

铝合金挤压进程 是一个处在高温、高压、复杂磨擦 状况 等复杂条件下的金属活动 成形进程 。铝合金型材挤压成形工艺中幻想 的材料活动 后果应当 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、壁厚平均 、产物 机能 可以或许 知足 需要的挤压件。

金属的活动 状况 对产物 尺寸有很年夜 影响，一般环境下，金属活动 快的部位材料供给 足够 ，型材壁厚是增年夜 的，而金属活动 慢的部位材料供给 不足，型材壁厚是减小的[1]。是以 ，在模具设计中，金属活动 状况 对产物 尺寸的影响也是必需 斟酌 的。在组合分流模中，因为 分流孔的外形 、安顿和 分流桥的构造 是影响材料分派 的主要 身分 ，是以 ，分流模中各个位置金属的活动 状况 所引发 的产物 尺寸不及格 的环境尤其 常见。其解决方式 是：想法 改良 金属在模腔内的活动 状况 ，例如改变分流孔的年夜 小和安顿、桥的构造 情势 都有助于改良 金属在模腔内的分派 ，尽量使空心部份 的几何中心与模具中心一致，壁厚较年夜 的实心部份 尽量 放置 在桥底；别的 ，在公道 安顿分流孔的条件 下，工作带的选择也能够 有用 调剂 金属流速[1-4]。

本文使用HyperMesh对一复杂空心型材划分网格，并采取 MSC.Marc对挤压成形进程 进行数值摹拟 ，在摹拟 进程 中采取 了一种既可以免 网格畸变和重划分，又能包管 阐发正确 性的有限元摹拟 方式 ，经由过程 摹拟 后果研究了金属在模腔内的活动 纪律 ，揭露 了金属的活动 速度对产物 外形 及尺寸的影响，并将摹拟 后果与试模后果进行对照 阐发。

1 采取 的根基 理论和方式

铝合金型材挤压成形进程 是一个极度复杂的热-机耦合的弹塑性变形进程 ，但塑性变形远年夜 于弹性变形，是以 疏忽 材料的弹性变形，而将其看做 刚塑性材料来处置。刚塑性材料在塑性成形进程 中应知足 平衡方程、几何方程、本构方程、屈就 准则、体积弗成 紧缩 条件及力和速度鸿沟条件。而用有限元法摹拟 非线性的铝型材挤压进程 时，因为 变形量年夜 ，会接续产生 网格畸变，需要进行网格重划分，如许 不只 耗时，损掉 较量争论 精度，而且过度畸变的网格在重划分时常常 泛起 掉 败，使得摹拟 没法 完成[5-7]。

为解决拉格朗日有限元法在较量争论 年夜 变形挤压成形进程 中产生 的网格畸变和重划分问题，本文设定很小挤压时候 和较量争论 步长，将全部 较量争论 进程 节制 在网格因为 过度畸变而需要网格重划分之前，年夜 年夜 提高了较量争论 精度。

2 模子 建树

2.1实行 描写

本文以一复杂型材为例，型材截面尺寸如图1所示，该断面型材截面面积为390.4 mm2，最小壁厚为1.5 mm，最年夜 壁厚为4 mm，各部份 壁厚相差较年夜 ，且型材包括 三个关闭 内腔，模具要求在800 T挤压机上使用，挤压铝棒直径为120 mm，较量争论 获得 挤压比系数为29.0，摹拟 挤压速度为10 mm/s。

图1 复杂空心铝型材截面图

2.2几何模子 和有限元模子 的建树

2.2.1 几何模子

凭据 模具设计根基 准则，该组合分流模具尺寸肯定 为：上模为Φ178×89 mm，下模为Φ178 mm×60 mm。因为 型材截面的内腔被两条增强 筋分为三个关闭 的空心部份 ，该模具的设计一方面要知足 型材双方 离中心较远处边角的供料要求，另外一 方面又要包管 有足够的材料流向增强 筋的出口位置。图2为模具三维几何模子 和现实 加工出的模具，图3为工作带高度的设计方案。

（a）复杂空心铝材挤压模具几何模子 设计上、下模几何模子

(a) Geometrical model of upper and lower die

（b）加工的上、下模

(b) manufactured upper and lower die

图2复杂空心铝材挤压模具上、下模模子

Figure 2 model of Upper die and lower die

图3 复杂空心铝材挤压模具工作带高度散布

Figure 3 Land length distribution

2.2.2 有限元模子

挤压进程 可分为初始、中心和末尾三个阶段，各阶段的金属活动 状况 是分歧 的，此中，入手下手挤压阶段和末尾挤压阶段为非稳态阶段，中心阶段挤出所需的型材产物 ，金属在模腔内为稳态活动 状况 ，该阶段一般占用90%以上的挤压时候 ，也是临盆 出及格 型材最主要 的阶段，故本文疏忽 了前后两个非稳态阶段，只研究此中心阶段的金属活动 环境，所以将阐发模子 中的毛坯设计成已 填充了模腔部份 的挤出型材的外形 [2]。斟酌 到型材截面为对称构造 ，是以 只取其1/2建树几何模子 ，然后，采取 HyperMesh对三维几何模子 划分有限元网格。

本文彩 取 的铝合金材料AA6063的本构模子 （modified Sellers-Tegart law）以下 [8]：

(1)

式中：—活动 应力；

—等效塑性应变速度 ；

R—气体常数，取R =8.314 J/(mol·K)；

T—温度；

B0、A、Q和n别离是用来将活动 应力顺应 于实验 数据的参数，此中B025 MPa，A= 5.91×109(1/s)，Q = 141550 (J/mol) 和n=5.385。

材料的弹性模量为3.681×104MPa，密度为2.72ⅹ103(kg/m3)，泊松比为0.333，热传导率为198 W/(m·K)，比热为900 J/(Kg·K)，坯料加热温度为750 K，模具和挤压筒预热温度为700 K。数值摹拟 的磨擦 模子 采取 库仑模子 ，磨擦 系数取0.4。

3 摹拟 后果与阐发

因为 稳态挤压阶段挤压速度恒定，各质点速度vi与位移Si成正比，即viSi/t,t为挤压时候 ，所以金属速度场散布 与位移场沟通 ，图4为工作带出口位置和分流孔金属沿挤压标的目的（-z轴）的位移场散布 图，由图可以看出，因为 材料在分流孔内的分派 很不平均 （右边 分流孔材料活动 最快，中心分流孔最慢），致使 出口截面的材料活动 也很不平均 。

图4 复杂空心铝材工作带出口和分流孔的轴向位移散布

Figure 4 displacement distribution along the axis direction at bearing exit and pothole

产物 断面上的各质点流出模孔工作带的速度平衡 ，这也是模具设计和维修遵守 的基来源根基 则。而挤压中常见的缺点 如海浪 、扭拧、侧弯、面鼓或面凹等，都是因为 模具设计没能知足 金属挤出模孔速度平均 的要求。是以 若何 定量的评价活动 速度的平均 水平 ，和 其对挤压进程 可否 获得及格 产物 的影响，对挤压模具的设计与使用有侧重 要的意义。本文提取型材出口处各质点的流速，进而求得模具出口处的尺度 速度场误差 ——SDV值，并以此作为权衡 金属活动 是不是 平均 的判定 根据 ，

(2)

式中：N—拔取 的节点数量 ；

vi—出口截面上节点轴向流速；

vave—出口截面上所选节点平均轴向流速。

较量争论 获得 SDV的数值越小，申明 材料的活动 越平均 ；SDV的数值越年夜 ，材料活动 越不平均 。

将型材截面划分为32个区域，如图5(a)所示，而且 取每一个 区域中心处节点的轴向位移代表该区域所有节点的平均轴向位移。图5(b)为拔取 节点的轴向流速，并以此作为各区域的平均轴向速度，全部 截面的轴向平均速度vave为301 mm/s，而凭据 挤压比较量争论 获得 的理论挤出速度v为290 mm/s，两者 仅相差3.8%，吻合极度好，进而较量争论 获得 轴向速度的SDV值为43.0，可以显明看出，截面出口的速度场散布 很不平均 ，此中平行于增强 筋的边的中心位置速度最快，到达 375 mm/s，增强 筋的中心位置速度最慢，仅为219 mm/s。增强 筋壁厚小，速度慢，可能会泛起 因为 供料不足而致使 挤出坚苦或尺寸偏小的缺点 。而且 认为当型材材料出口速度波动在这一规模以内 时，即SDV值小于某一特定值时，能包管 模具制品 不会泛起 因为 设计环节酿成的 不及格 产物 。

(a) (b)

图5 复杂空心铝型材截面分区及其出口速度散布

Figure 5 Profile sectional subarea and velocity distribution at the exit

4 实行 后果对照与阐发

工作带出口流速的平均 水平 对型材成型质量相当 主要 ，流速越平均 ，型材产生 缺点 的可能性越小。凭据 该模具设计方案设计出的模具，经由 试模获得料头如图6所示。与增强 筋平行的双方 挤出最快，两条增强 筋挤出最慢，而且增强 筋尺寸变薄，不克不及 到达 要求壁厚，对照有限元摹拟 阐发后果可以看出，两者 变形趋向 极度吻合。

图6 试模后复杂铝型材料头

Figure 6 Profile remnant

结论

应用 基于有限元法的摹拟 软件MSC.Marc对一复杂空心铝合金型材挤压进程 进行数值摹拟 ，在摹拟 进程 中采取 了一种既可以免 网格畸变和重划分，又能包管 阐发正确 性的有限元摹拟 方式 ，研究了金属在模腔内的活动 纪律 ，使用出口质点轴向流速的SDV值定量的剖断 截面出口速度散布 的平均 水平 ，揭露 了金属的活动 速度对产物 外形 及尺寸的影响，并将摹拟 仿真后果与试模后果进行对照 阐发，证实 该方式 可以成功地猜测 现实 挤压进程 中可能泛起 的潜伏 缺点 。

（1）使用MSC.Marc对铝合金型材挤压进程 进行数值摹拟 ，而且 提出了一种既可以免 网格畸变和重划分，又能包管 阐发正确 性的有限元摹拟 方式 ，可以有用 地摹拟 出挤压进程 中材料的活动 状况 。

（2）使用出口质点流速的SDV值可以定量地剖断 截面出口速度散布 的平均 水平 ，对照现实 试模环境，认为当型材材料出口速度波动在这一个规模以内 时，即SDV值小于某一特定值时，能包管 临盆 出及格 的型材。