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摘要：针对某一大悬臂铝合金型材, 在分析铝合金型材挤压模具各结构要素的基础上, 设计了带有导流室结构的模具并对其进行了强度校核;运用绘图软件建立了模具的三维仿真模型;基于Hyper Xtrude有限元分析软件平台, 对该型材的挤压过程进行了模拟仿真分析, 获得了挤压过程中模具的应力和变形分布。通过对模拟结果的分析, 预测了挤压时可能产生的模具变形、裂纹等缺陷, 并对模具结构进行了优化设计, 保证了挤压型材的尺寸精度和模具的使用寿命。
关键词：大悬臂铝合金型材; 模拟仿真; 优化设计; 实验验证;
Abstract：With regard to the extrusion die of an aluminum profile with large cantilever, a die structure with diversion chamber is designed and the strength is checked based on the analysis of each structure element of the extrusion die. 3 D simulation model of the die is built with the mapping software. The stress and deformation distribution is obtained through the simulation analysis on the extrusion process based on the Hyper Xtrude finite element analysis software platform. The deformation of die, cracks and other defects in the process of extrusion are predicted through analysis of simulation results. The die structure is optimized, ensuring the life of the die and the size accuracy of the profile in extrusion.
Keyword：aluminum profile with large cantilever; simulation; optimization design; experimental verification;
铝合金型材具有质轻、强度高、美观、耐腐蚀、导电导热性好、易成形、可回收再生等优点, 在诸多行业具有广泛用途。近些年来, 铝型材产品呈现出复杂化、大型化的发展趋势, 大型复杂铝合金型材对挤压加工技术提出了更高要求。挤压模具是铝型材挤压成形的关键工具, 其设计与制造的合理性对型材力学性能及外观质量影响甚大。常规挤压模具设计方法主要依赖于设计者的经验, 存在试模修模次数多、使用寿命较短等问题。数值模拟方法作为辅助挤压模具设计和优化的手段, 在提高模具设计效率和成功率等方面具有明显优势[1-5]。
以一种大悬臂铝型材为例, 针对传统模具结构遇到的型材卷曲、模具变形等问题, 提出了一种新型的伪分流模结构, 并通过挤压生产验证了这种模具结构的优越性。
1、Hyper Xtrude用于模具结构设计的过程
1.1、验证初始设计方案
所研究的大悬臂铝型材断面如图1所示。断面长151.7 mm, 宽101 mm, 最大壁厚为7 mm, 最小壁厚仅为3.7 mm。该型材为半封闭型材, 悬臂较大, 为合理调整材料在模具出口处各个部位的流速, 在模具结构上设置了导流板和导流室, 导流板主要对材料体积进行预分配, 导流室主要用于材料体积的再分配。初始结构设计方案如图2所示, 模具尺寸为Ф310 mm×220 mm, 导流板厚度为80 mm, 模面厚度为140 mm, 模面上的导流室深度为15 mm。为保证型材被顺利挤出模孔, 模面设置三级空刀:一级空刀用于支撑工作带, 防止挤压过程中金属冲击工作带而造成损坏;二级与三级空刀用于支撑悬臂, 增加模面强度, 同时避免因型材与模具接触而引起型材表面划痕和刮擦等缺陷。
图1 型材断面图
1.2、挤压过程数值模型
图3a、b分别表示平模结构的三维几何模型, 将建立的三维几何模型通过数据转换接口导入Hyper Xtrude软件, 在进行适当的几何清理之后, 进行网格划分, 型材及工作带部分划分为三棱柱网格, 其余部分选用四面体网格, 最终建立的挤压过程数值模拟模型如图4所示。
图2 普通平模二维图
图3 三维几何模型
图4 挤压过程数值模拟模型
1.3、模拟结果分析
在铝型材挤压过程中, 模具及坯料加热温度较高, 材料和模具之间存在接触及相互摩擦, 挤压力较大, 这种热力耦合作用使模具所承受的工况条件较为恶劣。图5、6分别为模具的变形位移云图和应力云图。型材悬臂端部处的模具弹性变形较大, 影响挤出型材的壁厚尺寸精度。该结构导流板和模面的最大变形位移分别为0.688 mm和0.615 mm。最大等效应力值达2 380 N/mm2, 超出模具钢材H13的屈服强度 (1 020 N/mm2) , 容易造成模具早期裂纹报废。
图5 挤压模具变形位移云图
图7所示为该结构模具上机挤压所得铝型材料头卷曲和下模下凹缺陷。
1.4、优化设计
根据以上分析和生产验证结果对初始方案进行优化设计。考虑到该型材为大悬臂且在局部区域具有小特征, 而分流模可以挤压悬臂梁很大的半空心型材, 且可以通过改变分流孔的数目、大小、形状与位置用来平衡和调节金属流量和流速, 因此优化设计采用伪分流模结构。考虑型材尺寸和模具位移因素, 在伪分流模上增加了防偏结构, 如图8所示。
优化后的模拟结果如图9、10所示。
图6 挤压模具承受应力云图 (N/mm2)
图7 型材和模具变形情况
图8 伪分流模二维图
图9 优化模具变形位移云图 (mm)
不难看出, 伪分流模的上、下模的最大变形位移分别为0.122 mm和0.044 mm, 最大弹性变形位移远小于普通平模的最大变形位移, 伪分流模具挤压获得的型材壁厚尺寸更接近于要求的尺寸精度。伪分流模的最大等效应力值为392 N/mm2, 仅为普通平模的16%, 远小于模具钢材H13的屈服强度, 满足结构强度要求。因此, 伪分流模的使用寿命远高于普通平模。
图10 优化模具承受应力云图 (N/mm2)
2、实验验证
根据上述研究结果, 加工制造了该型材的伪分流模具, 如图11a所示。在25 MN挤压机上进行了挤压铝型材实验。实际挤压结果表明, 挤压过程平稳, 模具无明显变形, 挤出型材无扭拧和卷曲变形, 弯曲程度极小, 经淬火、矫直、校正和时效处理后, 型材满足使用要求, 型材产品如图11b所示。
图11 加工制造的伪分流模具和挤压的型材产品
3、结论
对于半封闭大悬臂铝型材, 伪分流模的最大弹性变形位移远小于普通平模的最大变形位移, 获得的型材壁厚精度更接近于实际要求的尺寸精度。伪分流模结构可避免半封闭大悬臂铝型材挤压过程中出现的模具应力集中问题, 能显着改善模具的受力状态, 提高模具的使用寿命。
参考文献
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