QForm-Extrusion摹拟 优化铝型材模具设计的利用

介绍

QForm-Extrusion是由QuantorForm公司开辟 的专业铝型材挤压工艺摹拟 软件。它虽然与QForm的其它模块共用一个后处置惩罚 界面，然则 是一个自力 的运用 模块。挤压模子 基于拉格朗日-欧拉方式 [1]。模子 假定在摹拟 之前金属已 布满 模腔，金属经由过程 工作带后长度很快增添 。由于型材挤出的速度纷歧 致可能会发生曲折 ，改变 或变形。利用 摹拟 的方式 可以展望这些变形并找到方式 节制 使变形最小。对 展望载荷，金属活动 流线，型材温度和模具变形都利用 专门的模子 实验 和许多 工业零件进行了验证[2]。软件的正确 性在2007、2009、2021（参考[3,4]）国际挤压算例测试会议长进 行了综合剖析 ，主要经由过程 比力摹拟 了局与正确 的实验 丈量 数据。法式 的数学模子 与求解耦合问题的方式 在[5-7]中有具体 的描写 。

模子 的实行 验证

为了不雅 察模具变形对材料活动 的影响，对上面描写 的数学模子 进行了测试。模具变形很难丈量 ，是以 希奇采取 专门的实行 测试。作为ICEB2009一个挤压会议和算例测试的专题研究，做了这个实行 ，在呈文[8]中可以找到数据一览和实行 了局。利用 这些数据我们用刚性模具和斟酌 模具变形两种方式 摹拟 了这个案例。型材和模具草图见下图1.

a. b.

图1 测试用型材(a)和模具截面图(b)模具舌头位置的支持 前提 分歧 ,本图片可以在 [8]找到图中可以看到两个型材完全沟通 而且 扭转 对称。是以 除 模具变形没有其他身分 致使 金属活动 分歧 。模具舌头的支持 分歧 会致使 模具的变形分歧 。在图1b中两型材模具舌头位置标志为很少的支持 和完全支持 。实行 显示两模具舌头位置的变形差距为0.5mm，这可能会致使 材料活动 分歧 。利用 QForm-Extrusion的模子 进行模具变形较量争论 的了局显示见图2，可以清楚 的看到模具变形分歧 。乃至 每一个 模具舌头长进 出口两真个 变形也纷歧 样，实行 的丈量 是在出口端。同时模具的全部 变形没有工作带位置的变形对材料活动 影响年夜 （图2c）。

a b.

c.

图2 从挤压筒角度看模具的轴向变形，单元 mm（a），从出口看模具变形（b），工作带位置的变形（c）

变形的数值用色标显示，在（c）中工作带变形后的外形 被放年夜 用粉红色显示工作带的两面有分歧 的变形彼此有一个轻细的位移。变形了局致使 工作带的角度及有用 的工作带长度改变。工作带外形 的这类 转变 可能影响两个分歧 支持 舌头长度模具内的金属活动 。

为了搜检 耦合模具变形数学模子 是不是 会发现模具变形对材料的影响，我们对上述模子 摹拟 了两次，例如，一次模具利用 刚性模子 ，第二次利用 弹性模子 并耦合剖析 。在第一种情形 下两个型材活动 沟通 ，仅向彼此标的目的稍微 曲折 。可以注重到在这类 情形 下对称面上没有曲折 图3a。

当摹拟 第二种情形 时，支持 很少的型材会向桥标的目的发生曲折 图3b。在作者呈文中的实行 了局也是如斯 ，见图3c[8]，即便 没有具体的相干 曲折 数值。虽然 如斯 我们可以得出结论，模具变形会影响金属活动 ，在摹拟 中耦合斟酌 模具的变形可以供给更加 正确 的摹拟 了局。

a b c.

图3 摹拟 了局：模具为刚性模子 （a）耦合模具变形剖析 （b）现实 照片一个型材曲折 （c）

模具变形与材料活动 在工业中的运用 研究

模具变形对材料活动 的影响可能其实不 是一向 都十分较着，现实 上可能在许多 摹拟 案例中假定模具为刚性便可 以供给足够正确 的了局。当模具上有很长的舌头或 是设计的十分复杂的空心型材而且 模具被相对易曲折 的窄的分流桥支持 的时刻 ，模具变形的影响是十分显著的。鄙人 面这类 情形 下若是不耦合斟酌 模具变形就不行能给出正确 的了局。

下面例子模具见下图（图4，康柏斯授权），这个型材有一个矩形中间 孔和两个开放的边。

a. b.

图4 铝型材的模具显示。从挤压筒端看（a），从出口看（b）

摹拟 中的模子 在QForm-Extrusion中显示见图5。包括金属域和完全 的模具装配体。

图5 摹拟 模子 显示（包括模具组合体，未显示挤压筒）

金属域包括 341405个节点，模具包括 241071个节点，利用 两种方式 进行摹拟 ，第一种利用 模具材料为刚性模子 ，第二种模具材料为弹性，耦合斟酌 模具变形对金属活动 的影响。挤压材料为AA6060，压力机挤压速度为8mm/s，初始坯料温度为480oC, 模具预热温度为400oC。第一种方式 金属活动 见图6。中央 筋活动 速度比开放边慢。这类 材料活动 引发 十分年夜 的材料曲折 见图6c。

a b c

图6 模具为刚性时金属活动 了局，最先 (a), 进程 中(b) ，料头变形 (c).

实行 不雅 察的了局与上述了局纷歧 致。主要缘由 极可能 是未斟酌 模具变形的影响。摹拟 剖析 模具中央 位置在挤压标的目的的变形。在挤压标的目的模芯的变形接近0.575mm（图7），模芯在Y和Z轴标的目的的变形是工作带倾斜的缘由 。所以在工作带上一些位置构成 阻流角，一些位置构成 促流角（图8）。在中间 筋位置工作带变成 促流角引发 挤压进程 中型材中间 位置出口速度增添 。

a b.

图7 轴向变形散布 （a）侧面变形（b），模具组合体截面上的变形

图8 初始直的工作带由于模具弹性变形引发 的倾斜，铝型材中央 位置获得 促流角

在耦合斟酌 模具变形摹拟 中模具的变形对金属活动 的影响十分年夜 。（图9）显示了料头外形 ，材料活动 与上面的摹拟 了局是十分较着的。

a b c.

图9 耦合斟酌 模具变形的金属活动 摹拟 了局。最先 (a), 进程 中 (b) 料头外形 (c).

耦合模具弹性变形的材料活动 摹拟 了局显示型材中央 部份 与其它部份 速度一样快，出口速度变成 一致。活动 情形 与现实 十分一致。在图10中显示了用耦合方式 摹拟 的型材料头与现实 的比力。

a b.

图10 料头外形 ，摹拟 了局（a），现实 照片（b）

另外一 个比来 的工业运用 研究（美国Thumb Tool & Engineering Co.授权）是一个带有24个筋的散热片的型材，网格模子 包括 年夜 约100万节点（图11）。模具为刚性时摹拟 不行能获得 现实 的验证出口速度的料头外形 。

耦合模具变形摹拟 方式 获得 正确的材料活动 情形 是可能的，有以下 特点：

?薄壁筋流速比型材厚的部份 快

?筋的挤出速度沿着型材宽度标的目的纷歧 致然则 有两个最年夜 的海浪 ，可以从摹拟 了局与现实 照片中清楚 的看到。

?挤出速度最快的筋是年夜 约1/4型材总宽的位置，最慢的筋是在尾端，速度次慢的筋是在中央

?摹拟 了局中筋的外形 小于照片，这是由于 摹拟 是从金属材料布满 模具最先 摹拟 的，真是情形 下料头外形 也遭到 型腔内部材料活动 的影响。

a b c.

图11 铝型材料头外形 （a）和（b）采取 两个分歧 的视角，现实 照片（c）

下一个工业案例显示当优化工作带设计时耦合模具变形摹拟 的主要 性。最先 利用 一致的工作带长度进行摹拟 ，速度散布 了局与料头外形 见图12。一致的工作带长度获得 非平均 的活动 速度，沿着工作带睁开 线的速度散布 见图13。在工作带长度一致的情形 下，图13a中了局显示速度的差别 为Vmax/Vmin= 0.43/0.23=1.87 。优化后速度变的平均 了，速度差别 削减 到Vmax/Vmin= 0.36/0.30 = 1.2。这类 适度的速度差别 在金属流出工作带区域后对料头的影响乃至 会变得更小（图14）。

a b

图12 速度散布 （a），料头外形 （b），利用 一致的工作带长度的摹拟 了局

a) b)

图13 工作带长度和沿着工作带睁开 线的速度散布 ：(a)一致的工作带长度，(b)优化的工作带长度

a b

图14 速度散布 （a），料头外形 （b），工作带长度二次优化后的摹拟 了局

模具和坯料温度场耦合摹拟

QForm除 模具组合体-金属材料应力场耦合外，进一步的开辟 增添 了温度场耦合摹拟 。金属域的热与应力问题与模具利用 接触面上的现实 鸿沟前提 的热及应力问题挨次求解。得益于QForm-Extrusion的网格生成模块，两种网格（模具和金属域）可以在它们的接触面上同享 沟通 的节点和四面体网格。这有助于在两个别 上以最有用 力 的方式利用 耦合的方式 。

模具组合体温度场耦合剖析 的道理 见图15。软件许可沿着模具侧面指定分歧 的鸿沟前提 ，如分歧 的热传导系数K和温度T。这可能会在模具相反的面上发生 分歧 的温度散布 ，坯料的温度梯度分歧 可能引发 金属活动 分歧 ，即便 是几何对称的模具。

图15 设置模具概况的温度鸿沟前提

下面是为博洛尼亚会议上一个算例[3]模具温度散布 ，模具初始温度假定一致并等于435℃，坯料温度为520℃。总的工艺时候 包括初始模具填充时候 为5s，以后 45s准稳态挤压工艺进程 。模具在侧边上有横向支持 ，其它的侧面直接在空气中。模座下为后环恒温50℃。

a b

图16 模具截面上的温度散布 （a），型材概况的温度散布 （b），挤压工艺50s后摹拟 了局

温度摹拟 了局与实行 测得的温度比力一致，即便 采取 的温度场鸿沟前提 并不是 完全一致。分歧 点的摹拟 了局与实行 丈量 数据的温度差距在5-10℃。不久的未来 将会做进一步的研究，斟酌 更加 正确 的前提 设置，包括金属从挤压机到模具组合体中的时候 消耗 。

结论

本文介绍了利用 QForm-Extrusion摹拟 铝型材挤压工艺的现实 运用 。由于金属材料活动 不平均 ，铝合金在挤出后可能会发生的改变 和曲折 现象。摹拟 的目的就是展望这类 不公道 的变形并找到方式 使不公道 的变形最小。软件对 型材挤压有专门的操作界面，能快速导入几何模子 ，还可以主动 辨认 工作带且把他们参数化，易于点窜 调剂 ，不需要返回到原始的CAD模子 。经由过程 工作带编纂 器对工作带区域长度进行点窜 和优化，可以获得 平均 一致的挤出速度和法则外形 的型材。经由过程 QForm-Extrusion还可以斟酌 全部 模具装配体的影响来剖析 模具装备 的应力和变形。软件有应力耦合摹拟 功能，可以剖析 模具变形对金属活动 的影响并赔偿 它。为了剖析 全部 工艺进程 上下模的温度转变 梯度，在QForm-Extrusion根本上开辟 了温度-应力模子 。今朝 在许多 模具厂和铝型材公司利用 QForm-Extrusion显示了它的高经济效益。

1.QForm-Extrusion中的数学模子 获得 了加强 ，包括坯料金属与模具变形耦合剖析 。

2.而今QForm-Extrusion可以斟酌 热与应力耦合模子 ，更好的较量争论 型材挤出进程 。

3.模具变形引发 工作带区域的几何改变，同时意味着影响材料活动 。

4.QForm-Extrusion颠最后 模具变形和型材外形 的实行 验证，得出数值摹拟 了局十分正确 。

5.利用 工业案例研究显示材料活动 与料头外形 现实 了局与耦合模具变形摹拟 了局十分一致，同时当不斟酌 模具变形时，摹拟 了局有时是毛病 的。