模具非对称多模芯对铝型材截面弹性变形的摹拟 设计

铝合金型材挤压手艺 是一种金属近净成形手艺 ，挤压成形获得 的型材产物 ，仅需少许 加工或不再加工，便可 到达 产物 的利用 要求，具有切确的外形、较高的尺寸精度、形位精度和较好的外面 粗拙 度。铝合金型材挤压成形属于金属热塑性成形，成形进程 受成形速度、成形温度、变形水平 等多种身分 的影响。因为 金属热膨胀、模具弹性变形、金属活动 快慢等缘由 ，模具成形部位的尺寸和产物 终究 要求获得的尺寸其实不 完全沟通 。在现实 设计临盆 制造中，模具的成形尺寸常常 是由设计人员依照 常规设计经验肯定 。但跟着 铝工业和挤压手艺 的成长 ，对挤压产物 尺寸精度的要求愈来愈 高，对产物 的公役 规模、平面度、垂直度等几何尺寸要求限制愈来愈 严酷。是以 ，因为 尺寸精度超差，外面 质量等身分 造成模具不及格 的比例在接续增添 ，已 成为铝合金挤压模具设计制造中急需解决的问题。传统的经验设计方式 经由过程 以往的经验，“年夜 致”切实其实 定模具的预变形量，加工制造出模具后再经由过程 试模、丈量 的手段，搜检 型材产物 是不是 到达 尺寸要求，未能到达 要求的模具再对尺寸进行批改 调剂 ，直至模具到达 设计要求。全部 进程 属于一个试错的设计进程 。

如许 的设计方式常常 会致使 模具临盆 维修本钱 的增添 ，有时乃至 会因为 尺寸预留的不到位，致使 模具报废。本文经由过程 数值摹拟 的手段，对复杂的型材模具在工作前提 下的弹性变形进行定量的阐明。经由过程 数值阐明手段，可以或许 对模具的弹性变形定量的作出判定 和设计，从而年夜 年夜 的提高设计的成功率，下降 临盆 本钱 。

1. 模具设计方案

图1(a)所示是一个具有多空心构造 的复杂的型材产物 。产物 未标注位置的壁厚要求为2.0mm。磨练 以上下公役 mm以内为及格 产物 。

图1(b)为模具设计方案首要 构造 示意图。模具整体外形尺寸为Φ220×140mm，此中上模总高为97mm，上模厚度为70mm；下模总高为77mm，装配外形尺寸为70mm，焊合室深度为15mm，模具工作带高度散布 如图1(c)所示。

因为 铝合金挤压成形是在4、 五百多摄氏度的高温下进行，而成形后的型材产物 通常为 在常温下利用 。是以 ，产物 的尺寸在磨练 时需要在常温下知足 尺寸要求。在肯定 模具尺寸时，起首 要对金属挤出后的冷却缩短 预留余量。又因为 在工业临盆 中，型材壁面尺寸超负差只需要对尺寸要求超差的模具进行打磨或切割将模孔出口的尺寸加年夜 ，补缀 或调剂 较为简单；而若尺寸超正差，进行尺寸调剂 时则需要在模具上补焊上金属材料，再从新 进行线切割、打磨等工序，修整费时较多。所以在预留尺寸余量时，尽可能 接近 尺寸要求的负公役 尺寸进行预变形。在本次实验 中，起首 在产物 要求尺寸各壁面上，按原产物 图纸要求，先对型材整体作比例为1.01的放年夜 ，再对型材各个壁面的壁厚增添 0.05mm作为实验 模具的尺寸。挤压进程 中铝合金坯料的预热温度为480°C，模具的预热温度为430°C。挤压速度设定为3mm/s。

2. 模子 的设立建设

2.1几何模子

计较模子 按照材料的分歧 分为两个部门，变形体部门和模具部门。而变形体又按照金属活动 的分歧 区域，可分为挤压棒料区，模腔区，工作带区和型材区四个区域。此中前两个区域采取 四面体四节点单位 ，后两个区域采取 三棱柱六节点单位 。而对模具部门，模具与变形体接触部门的网格节点与变形体的网格节点重合，模具部门采取 四面体四节点单位 。装配后的有限元网格模子 如图2所示，模子 的网格单位 总数为1315812个，节点总数为403389。

2.2 数值摹拟 的根基 理论

对 铝合金在挤压进程 中的金属活动 进程 ，采取 随意率性 拉格朗日欧拉法（ALE）对其进行描写 。随意率性 拉格朗日欧拉法[1-2]的思惟 是将计较网格界说 为自力 于物资 构形和空间构形的参考构形，和 响应 地将计较网格点界说 为自力 于物资 点和空间点的参考点，即在ALE描写 下计较网格的活动 是自力 且自由的，如图3所示。

在常规的Lagrange方式 中，材料的活动 可用下式给出：

x ＝ Φ (X, t)（1）

式中，X是物资 坐标，函数Φ (X, t)将物体从初始构形V０映照 到现时构形或空间构形V。在ALE描写 中，将其称为材料活动 。

在Lagrange描写 中，参考构形是某个时刻的真实构形；而在ALE描写 中，采取 的是另外一 类用户设计的参考域 ，如图1所示。这个域称为ALE域。在这个域中点的位置用χ默示，χ也称为参考坐标或ALE坐标。它与物资 坐标的关系是：

χ ＝ Ψ (X, t)（2）

参考域的初始值为初始构形时，即

χ ＝ Ψ (X, 0) = x = Φ (X, 0)（3）

用参考域描写 网格的活动 ，自力 于材料活动 。在ALE描写 中，网格的活动 可以默示为

（4）

即ALE域 内点χ到空间域V中的点x的映照 。

2.3 材料模子

本文的研究中，对 6063铝合金，采取 双曲正弦流变应力模子 [3-4]，如式（5）所示，各参数的取值如表1所示。

（5）

此中，R是气体常数，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 ，其取值取决于温度场的给定。

对 模具材料，采取 利用 最遍及 的是热作模具钢4Cr5MoSiV1，也称H13钢。铝合金型材挤压模具在工作时，在热应力和机械应力的感化 下，主如果 发生弹性变形，当模具的设计方案不公道 或 因为 其它缘由 ，负载较为卑劣 时，模具局部位置或 会发生塑性变形，致使 模具掉 效。模具材料在弹性变形规模内时，其应力份量 与应变份量 之间知足 广义虎克定律。材料的各机能 参数以下 ：

弹性模量 E = 210 GPa；

材料密度 ρ =7.870 × 103 kg?m-3；

泊松比 ν = 0.35；

比热 C = 460 J/kg?°C；

热传导系数 k = 24.3 W/m?°C。

2.4 实验 方案

本次实验 模具外形装配尺寸为Φ220×140mm。按照挤压装备 的利用 规范和 实验 前提 ，挤压实验 选择在1300T的挤压机长进 行，如图4(a)所示。挤压坯料采取 棒径为Φ150mm的6063-T5铝合金铸棒。挤压实验 挤压杆行进速度设定为5mm/s，坯料的预热温度为480°C，模具预热温度为430°C。图4进行实验 后模具什物 图。

3. 成效与计议

3.1挤出速度成效

将型材按如图5(a)划分为53个分歧 的区域，别离截取各个区域的中心位置单位 节点的金属挤出速度数据，速度场云图与获得 数据曲线列于图5(b)。型材整体的挤出平均速度为97.4mm/s，计较获得 的RSDV值为28.2%。出口的速度场差别 偏年夜 。而再对型材各壁面的挤出速度进行阐明，发现FG，EN和AG边的挤出速度偏年夜 ，而CK，JL，BJ，DM边的挤出速度偏小。

从图5(b)可以看到，型材在模芯中心部位B到F边的挤出速度转变 最年夜 ，而其它壁面的速度差别 其实不 年夜 。从图5(c)可以获得 ，型材整体左侧 部门的挤出速度比右侧 部门快，底边部门比顶部快。

图5(d)为挤压实验 的获得的料头样板。挤压料头的左侧 壁面临 应的图5(c)左侧 G-F-E-N的壁面，实验 成效该处位置的金属挤出速度最快，使料头发生 从左往右的偏转。中心位置对应的是图5(c)右上方的模芯部位，实验 成效该部位的金属挤出的速度最慢。尝试解释，数值摹拟 成效与尝试成效有很好的吻合。

3.2 铝型材尺寸成效

图6(a)所示为挤压尝试截取的型材样板截面，图6(b)所示为数值摹拟 的模具的变构成 效。从挤压实验 的样品成效可以发现，铝型材可以或许 不变成形，各型材壁面的平直度均可以或许 到达 临盆 的要求。因为 本次实验 型材的壁厚在1.2mm到2mm之间，而型材截面最宽的壁面为AG边的壁面，为44mm，而且在AG边中心别离有两处装配卡脚，全部 型材没有很宽的平直壁面，是以 铝型材构造 的出材不变机能 较好，轻易 获得平整的铝型材产物 。所以固然 计较的速度场平均 性较差，但现实 的挤压成效仍能获得平整的型材产物 。

在图6(a)中，以左侧 平模位置的壁面为基准，将该壁面放置在正90°的位置，图6(a)中的深色实线为经由过程 基准线偏移或 垂直获得的参考线。从图中可以看出，左上方的空心截面有显着 的逆时针标的目的的偏转；右上方的空心截面则有细小 的顺时针标的目的的偏转；下方的空心截面有细小 的逆时针偏转，并向左侧偏移。比较 图6(b)的模具模芯变形情形 的摹拟 成效，可以发现摹拟 成效的变形趋向 与尝试成效沟通 。

再一样 依照 图6(a)对型材各边的划分，对各条边的壁厚的尝试成效和摹拟 成效进行丈量 ，获得 表2、图7成效。图7(a)为分歧 位置的壁厚尝试成效和摹拟 成效的比较 ，此中，横轴对应为表2的编号，纵轴为型材壁厚。从图7(a)可以看到，尝试成效和摹拟 成效吻合优秀。又因为 铝合金型材产物 对壁厚的公役 要求在 mm之间，而型材的壁厚在1.2mm到2.0mm之间，二者 之间数目 级相差较年夜 ，为了更精确的对照 尝试的丈量 成效与数值摹拟 成效。将最后的型材产物 的壁厚减去对应位置模具的壁厚间隙，获得 图7(b)的曲线，一样 的横轴坐标为表2给定的编号，纵轴为出材尺寸和模具尺寸的差值。图7(c)所示为尝试成效与摹拟 成效之间的误差 量，对照表2，误差 最年夜 的位置发生在CD边上，为0.09mm。其它位置的尝试成效与摹拟 成效的误差 都在0.05mm规模以内。可见，数值摹拟 成效可以较好的反应 模具现实 的弹性变形情形 ，与尝试成效相吻合。

3.3 模具负载

计较获得的平均挤压力为9.10MN。模具最年夜 应力负载为757.4MPa。而4Cr5MoSiV1热作模具钢在400°C到550°C前提 下的屈就 应力年夜 约为1000MPa，是以 ，模具在挤压利用 中处在平安 的规模以内。图8(a)所示为距离入料口65mm截面模具的应力散布 情形 ，图8(b)为与AG边平行的中心截面的应力散布 情形 。从成效可以看到，在型材顶角A对应的分流桥根处承受的应力最年夜 ，角J和角G对应的分流桥根处次之。三个部位属于模具可能掉 效的最危险位置。这与挤压根基 理论和实践经验相吻合。

4. 结论

将随意率性 拉格朗日欧拉法（ALE）和弹塑性有限元理论运用 于铝合金挤压成形及模具的数值摹拟 研究，对一款典型的非对称多模芯的铝型材截面的模具弹性变形对铝型材壁厚的影响，和 金属的活动 和模具的应力负载进行了具体 的阐明，摹拟 和尝试成效吻合优秀。从阐明可见，经由过程 数值摹拟 连系 经验设计，对复杂铝型材模具的壁厚定量的猜测 变形的设计方式 ，可以或许 有用 的提高铝型材产物 的设计精度和成功率。而且 对特定的铝型材外形 ，其出口的速度波动在一个对应的规模以内时，铝型材可以或许 不变成形。

（1）提出了一种以数值摹拟 方式 对模具在工作前提 下的弹性变形，经由过程 精确的数值阐明，可以或许 对模具的弹性变形定量的作出判定 和设计，从而年夜 年夜 的提高设计的成功率，下降 临盆 本钱 。

（2）对一款典型的非对称多模芯的型材截面的模具弹性变形对型材壁厚的影响进行了具体 的阐明，有限元摹拟 和尝试计较成效比较 ，误差在0.09mm规模以内，证清楚明了 该种方式 在复杂模具的弹性变形猜测 设计上的可行性和精确性。

（3）从本文金属活动 速度场的阐明可以发现，金属挤出模孔速度的平均 性不是型材成形的独一 前提 。固然 挤出模孔的料头试件速度不平均 ，但型材终究 仍能不变出材，可见对特定的型材外形 ，其出口的速度波动在一个对应的规模以内时，型材可以或许 不变成形。