Simufact软件在铝型材挤压模具设计数值摹拟 的运用

1 引言

我国具有 极为 雄厚 的铝矿资本 。跟着 国平易近 经济的成长 和人平易近 生涯 水平的不息提高，除航空航天工业外，建筑、交通运输、电力电器、化工、石油、农机和日经常使用 品等部门对铝的需求量也愈来愈 年夜 。用挤压的方式 临盆 铝型材，既勤俭 金属，临盆 效力 又高[1]。

分流组合模普遍 地利用于临盆 各类 规格和外形 的管材和空心铝型材的挤压模具布局类型。该类模具不但 可以临盆 复杂内腔的铝型材，并且 可拆换、加工轻易 、本钱 较低[2]。今朝 该类模具的设计很年夜 水平 上取决于经验和频频 试模，在频频 试模的进程 中铺张年夜 量的人力物力和财力。

本文彩 取 Simufact有限元软件对我公司设计的模具进行挤压进程 的数值摹拟 ，揭露 金属的真实活动 纪律 和各类 物理场的散布 ，猜测 现实 临盆 中可能发生 的各类 缺点 ，从而在设计阶段对模具进行优化，以提高模具的质量。

2 Simufact软件介绍

在传统有限元摹拟 中，多采取 Lagrange法[3-6]，但铝型材挤压进程 属于非线性年夜 变形，挤压比十分年夜 ，金属变形猛烈 ，这就不成避免地碰到 网格再划分的问题。而因为 铝型材壁厚一般很薄，这给网格划分带来极年夜 的艰巨，从而使得金属塑性成形的有限元摹拟 没法 进行下去[7]。

有限体积法之前 多用于摹拟 流体的活动 进程 。最近几年来，部门学者也逐步 将有限体积法用于摹拟 金属的塑性成形问题。基于Euler的有限体积法是将网格固定在空间，材料在活动 进程 中Euler网格不发生转变 。是以 ，用有限体积法摹拟 年夜 变形塑性成形问题可以很好地避免网格再划分问题。

Simufact软件是基于MSC.SuperForm和MSC.SuperForge开辟 的材料加工工艺仿真优化平台[8]。同时具有 MARC（有限元法）和Dytran（有限体积法）求解器。在铝型材的摹拟 进程 中，一般采取 Dytran有限体积法。

Simufact使用专业化说话 ，便于专业人士使用；供给专业的材料数据库，并可以由用户本身 输入数据或点窜 数据；供给各类 压力加工装备 ；具有 IGES、UG、Pro/E、CATIA、Parasolid和Solidworks等各类 主流CAD接口；阐明较量争论 的主动 化水平 高，用户不需要输入许多 较量争论 节制 参数；界面设计简单易懂。

3 数值摹拟 方案

3.1 几何模子 的创立

本文以一幕墙铝型材为例，铝型材截面及初始工作带设计如图1所示。

铝型材底边壁厚是3.5mm，其余壁厚为3mm。因为 此铝型材为对称布局，故取铝型材的1/2进行摹拟 。凭据 模具设计图纸创立其三维模子 ，并以STL花样 导入Simufact软件，获得 上、下模具的三维几何模子 图如图2和图3所示。

图2 上模示意图

图3 下模示意图

3.2 鸿沟前提 的设定

数值摹拟 所设定的鸿沟前提 以下 ：挤压坯料选用直径为230mm的铝棒，长度为170mm。在Simufact软件自带的材料库当选 择模具材料为H13，铝棒材料为6063；模具预热温度为480℃，铝棒预热温度为450℃，情况 温度设定为50℃；铝棒与模具工作带处的磨擦 类型选为库伦磨擦 类型，磨擦 因子为0.3，与其它模具之间的磨擦 选塑性剪切磨擦 类型，磨擦 因子为0.6；挤压速度为10mm/s。铝棒与模具的材料机能 如表1所示。

表1 铝棒与模具的材料机能

机能

6063

H13

密度（Kg/m3）

2700

7800

杨氏模量（GPa）

40

210

泊松比

0.35

0.3

比热（J/Kg.K）

900

460

热导率(W/m.K)

198

24.6

4 摹拟 后果及阐明

4.1 应力应变场阐明

图4与图5划分是坯料等效应力场及等效应变场云图。

图4 应力场云图

从图4中可知最年夜 等效应力发生在坯料与工作带接触的部位，跨越 了200MPa，远远年夜 于6063的屈就 应力。

图5 应变场云图

从图5中可知等效应变与等效应力的散布 纪律 类似 。因为 坯料与工模具接触面之间存在着磨擦 力，特别 是在工作带部位金属流向发生改变，变形猛烈 ，所以坯料的最年夜 等效应变是在工作带部位；而在挤压筒中部和分流孔中部做近似的刚体活动 ，是以 ，此处的等效应变较小。

4.2 温度场阐明

温度是影响铝型材质量的主要 身分 。铝型材热挤压是一个高温高压下年夜 变形的进程 。挤压力、焊合质量、铝型材皮相质量与机械机能 都与温度有关。图6所示是坯料的温度场散布 云图，从图6中可知坯料在与工模具接触处固然 有磨擦 热的发生 ，但因为 模具的温度比坯料的低，且较易向空气中散热，所以温度升高幅度不年夜 ，乃至 温度下降 。挤压筒中部和分流孔中部因为 猛烈 变形而发生 的塑性变形热难以分散，所以温度升高幅度较年夜 。在工作带处变形最为猛烈 ，温度最高。现实 临盆 中温渡过 低，坯料塑性欠好 ，会下降 挤压速度；温渡过 高，会使铝材过烧，皮相质量欠好 。

图6 温度场云图

4.3 速度场阐明

在现实 临盆 中，金属的活动 速度是决议铝型材质量的主要 身分 。流速不均会造成铝型材不成型、扭拧、海浪 等缺点 。为了评价挤压进程 中金属流速的平均 水平 ，本文以挤压模出口处流速场尺度 误差 SDV（Stantard Deviation of the Velocity field）值来权衡 [9]，其较量争论 式的情势 以下 ：

式中，N为拔取 节点的数目 ，在本文中N为模具出口处统一 平面上节点的个数；为位于待研究平面上第i个节点的z向速度；为待研究平面上各节点的z向平均速递。

SDV值回响反映 了挤压进程 的不乱 性，是以 该值越小默示流速越平均 。

图7为金属流出模具后到达 不乱 的某个平面的流速图，在铝型材截面平均 拔取 20个节点，各点的流速值如表2所示。

图7 速度场云图

表2 铝型材截面拔取 节点的速度值（单元 ：mm/s）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

78.25

77.55

75.09

74.21

73.97

71.22

71.28

72.07

72.90

74.24

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

72.82

76.06

77.08

77.91

82.51

89.95

88.70

88.52

88.90

89.85

凭据 图7可知因为 铝型材底边比其余边厚，速度较年夜 ，而中央 筋处较难供料，速度较小，速度的差距轻易 使铝型材变形。凭据 表2，可以较量争论 出78.65 mm/s，由此较量争论 处SDV=6.62。铝型材出口流速不平均 。为了优化模具的布局，使铝型材削减 因流速发生 的缺点 问题，现将铝型材流速年夜 于平均速度处的工作带适当 加长，将流速小于平均速度处的工作带适当 减短。优化后的工作带如图8所示。

其他前提 不变，从头摹拟 后的铝型材出口流速如图9所示。

图8 优化后的工作带示意图

图9 工作带优化后铝型材的速度场云图

在铝型材上平均 地取20个节点，各节点的z向速度如表3所示。

表3 工作带优化后铝型材截面拔取 节点的速度值（单元 ：mm/s）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

75.21

75.15

70.41

70.60

71.13

69.84

70.58

68.65

69.20

69.84

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

69.92

71.58

72.32

72.98

73.20

73.71

76.22

76.83

78.07

78.42

凭据 表3，可以较量争论 出72.68 mm/s，由此较量争论 处SDV=2.93。与点窜 前SDV值较着减小，即铝型材截面速度更加 平均 ，现实 试模后果显示点窜 后的模具挤压出的铝型材无缺点 ，知足 临盆 精度要求。

5 结语

基于Simufact有限元摹拟 软件，创立了空心铝型材分流模挤压进程 的较量争论 模子 ，并以一幕墙铝型材为研究对象，对挤压进程 中的应力场、应变场、温度场及速度场进行了阐明，根据 阐明后果对模具进行批改 ，最后获得 及格 的产物 。 应用 Simufact软件可以或许 快速地获得挤压进程 的应力场、应变场、温度场、速度场，求解后果能准确 地回响反映 现实 情况。公道 、科学的利用Simufac可以或许 有用 地指点 铝型材挤压工艺和模具设计，削减 试模次数，对提高设计效力 和质量、节流本钱 、提高经济效益具有主要 价值意义。