CAE在铝型材挤压模具优化设计的运用 与成长

铝型材挤压是指将铝合金高温铸坯通入专用模具内，在挤压机供给的强年夜 压力感化 下，按给定的速度，将铝合金从模腔中挤出，从而获得所需外形 、尺寸和 具有必然 力学机能 的铝合金挤压型材。铝型材挤压成型进程 十分复杂，除 圆形和圆环形截面铝型材的挤压属于二维轴对称问题外，一般而言，其它外形 的铝型材挤压属于三维活动 年夜 变形问题。是以 ，挤压模具的设计建造 质量和其利用 寿命就成了挤压进程 是不是 经济可行的枢纽之一。公道 的设计与制造能年夜 年夜 耽误 模具寿命，对 提高1出产效力 、下降 本钱 和能耗具有主要 意义。

今朝 ，我国型材挤压模具设计根基 上还逗留 在传统的依托 工程类比和设计经验的堆集上。而现实 上，型材断面越复杂，其挤压变形的不平均 性就越明显 ，从而造成新设计的模具很难包管 坯料一次性的平均 流出，致使 型材因扭拧、海浪 、曲折 及裂纹等缺点 而报废，模具也极易毁伤 ，必需 颠末频频 试模、修模才能投入正常利用 ，造成资金、人力、时候 、资本 等方面的铺张[1]。是以 ，跟着 铝型材产物 不息向年夜 型化、扁宽化、薄壁化、高精化、复杂化和多用处 、多功能、多品种、长命 命偏向 成长 ，改良传统的模具设计方式 已成为当前铝型材工业成长 的急迫 需求。

1铝型材挤压模CAE研究的意义

铝型材挤压模CAE手艺 是行使 CAD中建树的挤压产物 模子 、连系 挤压工艺与节制 参数、完成其成形进程 阐发和响应 模具优化设计的一种数值手艺 。

具体做法为:在挤压模初步设计的根本上，按照事前 拟定的工艺实验 方案，行使 较量争论 机仿真全部 挤压成形进程 ，获得挤压变形体内的应力、应变、温度、流速等物理量散布 ，和 挤压各阶段的压力、温度、速度等工艺参数转变 情况；肯定 挤压模工作带断面和分流孔、焊合腔、导流槽等模具布局对成形铝材活动 的影响，模具利用 进程 中可能泛起 的变形、塌陷、崩刃、裂口、磨损、”粘着”和委靡等缺点 及其位置；提出阐发陈说并向设计人员保举 适合 的挤压前提 ，设计人员再按照CAE阐发了局批改 模具设计方案。颠末数次频频 ，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]。这现实 上是将出产现场的”试模-修模-试模”进程 转移到较量争论 机上完成，以部份 替换 模具设计制造进程 中费时费事的试模工作，从而削减 该阶段的材料和能源消费 ，下降 出产本钱 ，并据此设计出高质量的铝型材挤压模具。

固然 CAE手艺 已在铝型材挤压模具设计制造范畴 获得 了某些成功的运用 ，但真正面向模具工程师的运用 却很少。这主如果 因为 今朝 国表里 还没有专门针对铝型材挤压模开辟 的CAE软件，所以，当模具工程师借助一些通用或专用CAE软件(如ANSYS/LSDYNA、MARC/AutoForge、Deform等)进行模具设计方案和模具布局阐发时，除要求利用 者具有 扎实的挤压工艺和挤压模设计制造专业常识 、熟习 挤压模各零部件在耦合场情况 中的工作状态 外，还要求他对数值摹拟 手艺 及响应 有限元阐发方式 必需 有较深切 的认识 ，这对 工作在出产第一线的工程手艺 人员而言是比力难的，这也是CAE手艺 在挤压模具行业中得不到普遍 运用 的主要 缘由 之一。

铝型材挤压模CAE的运用 可以缩短模具的设计制造周期，提高模具的质量，加强 企业市场竞争力。但是 ，只有解决了上述问题，才能使CAE手艺 真正在挤压模具行业中获得 普遍 运用 。这恰是 铝型材挤压模CAE手艺 研究的意义。

2铝型材挤压模优化设计近况

因为 要设计出布局公道 且经济适用 的挤压模具是一件十分复杂而难题 的工作，是以 ，世界列国 的挤压工作者对模具设计理论和方式 (分外对优化理论和方式 )进行了年夜 量的研究工作。

在挤压手艺 成长 的早期 ，一般按照机械设计道理 ，行使 传统强度理论并连系 设计者的实践经验来进行模具设计。跟着 弹塑性理论和挤压理论的成长 ，很多 新型的尝试理论和方式 、较量争论 理论和方式 已最先 用于挤压模具设计建造 范畴 。如，工程较量争论 法、金属活动 坐标网格法、光弹光塑法、密栅纹云法、滑移线法、上限元理论和有限元理论等被普遍 用于模具应变场简直定和各类 强度的校核，进而优化其布局和工艺要素。跟着 较量争论 机手艺 的成长 ，挤压模具的CAD/CAM手艺 在比来 2030年中获得 敏捷 成长 ，且很年夜 一部份 手艺 集中在模具设计的优化方面。何德林等人[3]行使 IDEF0方式 开辟 出能对平面模和分流模进行优化设计的CAD/CAM系统；王孟君等人[4]以AUTOCAD120为图形支持 情况 ，VISUALBASIC4.0为开辟 东西，开辟 的CAD系统，可以有用 地从事挤压平模的各项较量争论 ，从而对设计了局进行优化；闫洪等人[5]将CAE概念引入模具设计进程 ，指出了优化设计的偏向 ；刘汉武等人[6]提出智能CAD概念，为模具设计智能化供给了一些思绪 。另外 ，国表里 科研人员运用理论解析、物理摹拟 和数值摹拟 等方式 ，对铝型材挤压的变形进程 、应力场和温度场散布 及转变 、磨擦 与润滑等问题进行了年夜 量的阐发和尝试，并按照其研究功效 对挤压模具进行了优化。例如，赵云路和刘静安[7]对各类挤压模具的优化设计进行了系统阐述。国内还有部份 科研人员用有限元法连系 尝试方式 对挤压模具最好 轮廓线及模具布局进行了阐发和优化。

3铝型材挤压模CAE国表里 成长 近况 和趋向

对铝型材的挤压进程 进行数值摹拟 可以展望现实 挤压进程 中可能泛起 的缺点 ，尽早 优化模具布局设计、调剂 挤出工艺参数和有针对性的指明手艺 解决方案。国表里 研究者们对此已做了很多 工作。韩国的HyunWooShin等[8]在1993年对非轴对称挤压进程 进行了有限元阐发，他们行使 二维刚塑性有限元方式 连系 厚板理论将三维问题进行了简化，对全部 挤压进程 进行了不掉 正确 的数值摹拟 ，同时也削减 了较量争论 量。对 变形摹拟 ，于沪同等 [9]采取 塑性成型摹拟 软件DEFORM，连系 刚粘塑性有限元法函数法对平面分流模的挤压变形进程 进行了二维摹拟 ，得出了挤压进程 中铝合金的应力、应变、温度和 活动 速度等的散布 和转变 。刘汉武等[10]行使 ANSYS软件对分流组合模挤压铝型材进行了有限元阐发和较量争论 ，找出了原模具设计中不容易 发现的布局缺点 。周飞等[11]采取 三维刚粘塑性有限元方式 ，对一典型铝型材非等温成型进程 进行了数值摹拟 ，阐发了铝型材挤压的三个分歧 成形阶段，给出了成形各阶段的应力、应变和温度场散布 情况和 全部 成形进程 中模具载荷随成形时候 的转变 情况。对 压力场，闫洪等[12]在2000年行使 ANSYS软件作为平台，对壁板型材挤压进程 进行了三维有限元摹拟 和阐发，获得了型材挤压进程 的位移场、应变场、应力场。对现实 型材挤压中工艺参数选择和模具布局尺寸的批改 起到了主要 指导感化 。对 挤压进程 的磨擦 与润滑阐发，1997年，俄罗斯的VadimL.Bereshnoy等[13]对磨擦 辅助在直接和间接挤压成型硬质铝合金中的手艺 进行了研究。该手艺 的成长 和运用 使出产效力 和质量都获得 了年夜 年夜 提高。美国的PradipK.Saha[14]在1998年对铝型材挤压成型中热动力学和磨擦 学进行了研究。他采取 热力学数值摹拟 法组织 了3种分歧 的尝试模子 ，阐发了模具工作带和活动 金属接触面上的磨擦 特征 ，还对坯料温度和挤压进程 中发生 的热量对模具工作带所发生 的温升的影响、并进行了现实 丈量 验证；研究解释，挤压进程 中的磨擦 对型材的精度和外面 质量有直接影响，模具工作带的磨损进程 取决于挤压进程 中的热动力学机能 ，挤压热动力学机能 又遭到 挤压变量的严重影响。

在二次开辟 方面，国内的一些研究进展也值得存眷 。陈泽中、包忠诩等[15]经由过程 系统集成和二次开辟 ，建树了基于UG和ANSYS的铝型材挤压模CAD/CAE/CAM系统，并对分流组合模进行了CAD/CAE/CAM研究，有用 提高了模具设计制造效力 。深圳年夜 学的李积彬[16]用C说话 编写了铝型材挤压模具参数设计的法式 ，以流程图的情势 具体 指导 铝型材挤压模具的设计进程 ；以人机对话的情势 实现铝型材挤压模具参数的优化设计。兰州铁道学院的段志东[17]经由过程 ANSYS供给的强年夜 的前后处置惩罚 和求解功能平台，经由过程 在ANSYS运用 法式 中添加本身 的铆钉有限元法式 ，介绍并总结了用UIDL对ANSYS进行图形用户界面二次开辟 的一般步调 和纪律 ，为用户在扩充ANSYS功能、建树本身 专用法式 的同时建树起对应的图形驱动界面供给了有益的帮忙。江苏戚墅堰机车车辆工艺研究所的盛伟[18]以ANSYS软件为平台，进行金属塑性成形进程 摹拟 软件的二次开辟 ，并运用 该软件对锻件塑性成形进程 进行了摹拟 ，为提高锻件质量、展望金属成形中的缺点 、拟定公道 工艺供给了理论根据 。

但总的说来，这些研究多偏重 于理论化，一种真正适合通俗 设计制造人员利用 的挤压模有限元阐发软件在国内几近 还没有。有些二次开辟 在具体运用 上也有很年夜 的局限性，所以对现行有限元软件的用户化研究，使之能更好的运用 于挤压模具的设计就成为当务之急。

4结论

提高铝型材挤压模具设计与制造程度 是改良 产物 质量和加强 市场竞争力之枢纽地点 ，而铝型材挤压模CAE手艺 在铝型材挤压模具设计优化中起着十分主要 的感化 。

国表里 同业 借助铝型材挤压模CAE对优化铝型材挤压模具(包罗挤压进程 和挤压工艺)进行了有益测验考试 ，获得 了很多 科研和运用 功效 ，这类 动向值得留意 。

尽快把最新的有限元阐发手艺 运用 到全部 挤压模具设计与制造进程 中，让更多的模具工程师把握 这类 优化设计方式 ，以提高我国铝型材挤压行业及其模具制造业的市场竞争力。

按照经验，CAE各阶段所用的时候 为：40%～45%用于模子 的建树和数据输入，50%～55%用于阐发了局的判读和评定，而真实的 阐发较量争论 时候 只占5%阁下 。CAE采取 CAD手艺 来建树CAE的几何模子 和物理模子 ，完成份 析数据的输入，平常称此进程 为CAE的前处置惩罚 。一样 ，CAE的了局也需要用CAD手艺 生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、温度、压力散布 的等值线图，示意运用 、温度、压力散布 的彩色明暗图，我们称这一进程 为：CAE的后处置惩罚 。