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摘要 空腹铝型材挤压过程的数值模拟 研究生姓名：唐妍 导师姓名：高锦张副教授 单位：东南大学 摘要 本文以a 1 6 0 6 3 空腹型材为研究对象，通过三维造型软件p r o e 构建空腹铝型材平面分流组合模模 型，利用模拟软件对型材挤压过程进行了模拟分析，实现了对模具参数的优化。 本文分别采用有限元法和有限体积法对两种不同截面矩形空腹型材的挤压过程进行模拟。结果 表明对于大体积变形过程，有限元网格畸变严重，模拟容易失败。而有限体积法避免了有限元法中 的网格频繁重划，可有效获得挤压过程中的挤压力行程曲线、应力应变分布、温度场分布以及各处 的金属流速情况，且模拟精度及运算效率都比有限元法高。 本文从工艺参数、模具结构两方面系统地模拟分析了影响挤压成形过程金属流动、应力应变、 温度分布及模具载荷的因素，探讨了模具设计优化的判别条件。结果表明使用由高到低线性分布的 挤压速度，可有效降低挤压件温升和模具载荷；不同的摩擦因子对挤压件内部温度影响极小，摩擦 热可通过模具完全散失；模具载荷随焊合室高度的增加而减小，存在合适的焊合室高度使得挤压件 出口速度分布均匀；创新性地将流线模型引入平面分流组合模分流孔的设计中，有效降低了型材挤 压过程中挤压力大小。 为进一步提高有限体积模拟精度，降低计算时间，本文还创新性的将分步原则引入到空腹犁材 挤压的模拟中，有效解决了仿真过程中有限体积法对计算机内存要求过高问题。提出了金属流速的 判据并以修正工作带长度的方式来调整金属出口速度，实现了对铝型材矩形管挤压模具准确快速的 设计。 关键词：平面分流组合模；空腹型材；有限元；有限体积；数值模拟 a b s t r a c t n u m e i u c a ls i m u la t i o no nh o l l o wa l u m i n i u m p r o f i l ee x t r u s i o np r o c e s s b y t a n g y a h s u p e r v i s e db yp r o f g a oj i n - z h a n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc a d c a et e c h n i q u ei np r o d u c t i o n , a 1 6 0 6 3a l l o yh o l l o wp i p ep r o f i l ei s a n a l y z e d t h ep o r t h o l ed i e sa r ed e s i g n e db yu s i n gc a ds o f t w a r e - p r o e n g i n e e ra n dt h ep r o c e s s e so f e x t r u s i o na r es i m u l a t e db ys o f t w a r e - s o f t w a r ed e f o r m 3 da n ds u p e r f o r g e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n df i n i t ev o l u m em e t h o d ( f v m ) a r eb o t hu s e dt os i m u l a t et w o d i f f e r e n th o l l o wp r o f i l ee x t r u s i o np r o c e s s e sr e s p e c t i v e l y f e mr e s u l t ss h o wt h a tr e z o n i n gi su n a v o i d a b l e d u r i n gt h e s i m u l a t i o np r o c e s s e s p e c i a l l yi n t h el a r g ed e f o r m i n gp r o c e s s ，w h i c hl e a d st ot h el o n g c o m p u t a t i o nt i m ea n dt h ep r e c i s i o nl o s s 。f v mc a ne f f e c t i v e l ya v o i dt h ef r e q u e n tr e z o n i n ga n ds h o wt h e l o a df o r m a t i o nc u r v e ，s t r e s s ，s t r a i na n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dm e t a lv e l o c i t yc l e a r l y t h e r e f o r ei ti s e a s yt og r a s pt h ef l o wr u l eo fm e t a ls oa st of u r t h e ro p t i m i z et h ed i es t r u c t u r e i ti sa l s os y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e dh o wt e c h n i c sa n dg e o m e t r yf a c t o r si n f l u e n c et h em e t a lf l o w , s t r e s s ， s t r a i na n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n s ，w h i c hc a nb e c o m er e f e r e n c e sf o rd i eo p t i m i z a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t l i n e a rd e c r e a s i n ge x t r u s i o nv e l o c i t yc a ne f f e c t i v e l yd e c r e a s et h ee x t r u d a t e st e m p e r a t u r ei n c r e a s e m e n ta n d d i el o a d ；d i f f e r e n tf r i c t i o nf a c t o r sh a v el i t t l ei n f l u e n c eo ne x t r u d a t e st e m p e r a t u r e ，f r i c t i o nh e a tc a l l c o m p l e t e l yd i s s i p a t ed u r i n gt h ee x t r u s i o np r o c e s s ；t h ei n c r e a s i n go fw e l d i n gc h a m b e rd e p t hc a nd e c r e a s e t h ed i el o a da n dt h e r ei sa na p p r o p r i a t ew e l d i n gc h a m b e rd e p t hu n d e rw h i c ht h em o s tu n i f o r mm a t e r i a lf l o w v e l o c i t yc a nb eg a i n e d ；i tg i v e ss o m ei n n o v a t i o no ft h ep o r t h o l ed i es t r u c t u r ec r e a t i v e l y , a n dp u tf o r w a r d t h ei d e ao ft h es t r e a m l i n ed i e s t r e a m l i n ep o r th o l ed e s i g nc a nr e d u c et h el o a do fe x t r u s i o ne f f e c t i v e l y i no r d e rt oi n c r e a s et h ef v ms i m u l a t i o np r e c i s i o na n ds h o r t e nc o m p u t a t i o nt i m e ，t h ef r a c t i o n a ls t e p p r i n c i p l ei su s e dt os i m u l a t et h eh o l l o wp r o f i l ee x t r u s i o np r o c e s sc r e a t i v e l y t h i sm e t h o dc a ne f f e c t i v e l y r e d u c et h ec o m p u t e rm e m o r yn e e d t h em e t a lf l o wc r i t e r i o ni sp r o p o s e dt oe v a l u a t et h ev e l o c i t yu n i f o r m i t y a tt h es e c t i o no ft h eb e a r i n ge x i t t h em e t a le x i tv e l o c i t yb e c o m e su n i f o r mb ya d j u s t i n gb e a t i n gl a n dw h i c h r e a l i z e st h ep r e c i s ea n dr a p i dd e s i g no fe x t r u s i o nd i ef o rt h ea l u m i n u mp r o f i l e de x t r u s i o nd i ef o rh o l l o w a l u m i n i u mp r o f i l e k e yw o r d s ：p o r t h o l ed i e ；h o l l o wp r o f i l e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ；f i n i t ev o l u m em e t h o d ( f v m ) ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：彳岔疽卜日 期：兰啤生上 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：j 戛虹导师签名：莲牝日期：j 壁萼丛研究生签名：习翕臼翌l 导师签名：翟瑟暨灶日期：j 壁萼二l 二蔓一 i i- 第一章绪论 1 1 铝合金型材挤压概述 第一章绪论 挤压是将金属毛坯放入模具型腔内，在强大压力和一定速度的作用下，迫使金属从模腔中挤出， 从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的制品的工艺。因此，挤压加工是利用模具来控制 金属流动，使金属体积大量转移来形成零件。挤压的成形速度范围很广，它既可在专用挤压机上进 行，也可在一般的机械压力机、液压机、摩擦压力机以及高速空气锤上进行；挤压的成形温度范围 也很广，它既可在常温、中温下进行，也可在高温中进行。根据毛坯的温度不同，挤压可以分为冷 挤压、温挤压以及热挤压；根据毛坯材料种类不同，挤压又可分为有色金属挤压和黑色金属挤压； 根据润滑程度的不同，挤压又可分为润滑挤压和干挤压等工艺。其中，正向卧式非润滑热挤压技术 由于挤压工模具结构相对简单，装配和操作方便，生产效率高，产品规模多、尺寸范围广、表面质 量好，在铝型材挤压中得到了广泛的应用【l j 。 根据制品形状要求，有各种与之相配的模具。挤压模具是挤压生产中最重要的工具，它的结构 形式、各部分尺寸、模具材料、模具的装配形式等，对挤压力、金属流动的均匀性、制品尺寸的稳 定性、制品表面质量以及模具自身的使用寿命等都产生极大的影响。 挤压加工在轻合金工业体系中占有特殊的地位。随着科学技术的不断进步和国民经济的飞速发 展，使用部门对产品的精度、形状、表面光洁度等各种质量指标提出了新的要求，面向用户保证供 应符合各种质量要求的轻合金产品，采用挤压加工技术生产比其它压力加工方法( 如轧制、锻造等) 有更大的优越性和可靠性。归纳起来，挤压加工有下列特点 2 】： ( 1 ) 在挤压过程中，被挤压金属在变形区能获得比轧制、锻造更为强烈和均匀的三向压缩应力 状态，这就可充分发挥被加工金属本身的塑性。因此，用挤压法可加工那些用轧制法或锻造法加工 有凼难甚至无法加工的低塑性难变形金属或合金。对于某些必须用轧制或锻造法进行加工的材料， 如粉末钛材、l f 6 、l c 4 、m b l 5 等合金的锻件等，也常用挤压法对铸锭进行开坯，以改善其组织， 提高其塑性。目前，挤压仍然是可以用铸锭直接生产产品的最优越的方法。 ( 2 ) 挤压法不但可以生产断面形状较简单的管、棒、型、线产品，而且可生产断面变化、形状 极复杂的型材和管材，如阶段变截面型材、带异形加强筋的整体壁板型材、形状极其复杂的空腹型 材和变截面管材、多孔管材等。这类产品用轧制法或其它压力加工方法生产是很困难的，甚至是不 可能的。 ( 3 ) 挤压加工灵活性很大，只需要更换模芯等挤压工具即可在一台挤压设备上生产形状、规格 和品种不同的制品，更换挤压工具的操作简便易行，费时少，功效高。 ( 4 ) 挤压制品的精度比热轧、锻造产品的高，制品表面质量也较好。随着工艺水平的提高和模 具质量的改进，现已能生产超薄、超高精度、高质表面的型材。 i s ) 挤压过程对金属的力学性能也有良好的影响，特别是对某些具有挤压效应的铝合金来说， 其挤压制品在淬火时效后，纵向强度性能( 仃。、吼，) 远比其它方法加工的同类产品要好。这对挖 掘铝合金材料潜力，满足特殊使用要求具有实用价值。 ( 6 ) 工艺流程减短、生产操作方面，一次挤压即可获得比热模锻或成型轧制等方法面积更大的 整体结构部件，而且设备投资少，模具费用低、经济效益高。 ( 7 ) 轻金属及轻合金具有良好的挤压特性，特别适合于挤压加工，如铝及铝合金可以通过多种 挤压工艺和多种模具结构进行加工。 能源、环保、安全是当今关系到人类生存和发展的三大难题，铝型材又具有密度小、比强度和 比刚度高、耐腐蚀、美观耐用、易成形、可表面处理、可回收再生、可节能储能等一系列优良性能， 东南大学硕士学位论文 可见推广应用铝型材是缓解上述三大难题的重要途径。因此，铝型材越来越受到人们的青睐，其应 用己普及到国民经济各部门和人们生活各方面，在很多场合已替代钢铁、铜材、木材和塑料，成为 人类社会的一种重要的基础材料。在结构、装饰和功能方面，铝合金型材是一种永不衰败的材料。 随着科学技术的进步和国民经济的发展，各种大型扁宽、薄壁、高精、复杂的实心和空腹型材应运 而生，成为许多重要领域，如航天航空、交通运输、现代汽车、电子电器、舰船兵器、空调散热器、 电力能源、石油化工、机械制造等部门的首选材料【j j 。 2 0 世纪7 0 年代以来，铝及铝合金的挤压型材和管材的生产能力获得了持续的增长，挤压材在铝 合金加工材中所占的比重增加很快。涉及l 系到8 系的4 0 0 多种铝合金和3 0 多种热处理状 态，绝大部分为中、小型材，主要用于建筑门窗和装饰等民用行业。铝合金大、中型工业用结构型 材年产量约为5 0 0 千吨左右，型材宽度为2 0 0 m m 7 0 0 m m ，最宽达2 5 0 0 m m ；壁厚0 8 m m 2 5 m m ，最 薄达0 3 m m ；高度为2 0 m m 3 0 0 m m ，最高可达5 0 0 m m ；长度为0 5 m 3 0 m 。型材品种多、规格范围 广、形状复杂、技术含量高、具有多种性能和功能、可适于多种用途。在工艺技术方面随着新工艺 新技术的广泛应用，已达到了很高的水平。在设备方面，也正向着大型化、紧凑型、组装式、成套 化、自动化、高效节能环保型方向发展。大批低水平的小挤压机已淘汰，日本已不再生产1 5m n 以 下的挤压机，欧洲不再生产1 2 5m n 以下的挤压机。世界正兴起大挤压机热潮，预计在近几年内2 5 m n 以上的挤压机所占比例会超过2 0 ，5 0 m n 以上的挤压机可达l o o 台以上，8 0 m n 以上的挤压机可 达4 0 台以上。挤压机本体结构更趋紧凑，强度和刚度更高，工模具配置更合理，功能更齐全，全部 使用自给油压传动，其液压系统、电控系统达到了相当高的自动化水平。此外，机前的坯料加热与 剪切装置，机后的在线自动淬火、牵引机、同步热锯和精密定尺锯、自动输出系统和冷却系统、拉 矫、精整系统和热处理系统都配套齐全，达到了相当高的水平，可实现全机乃至全线自动化。 目前我国铝合金挤压产品需求量每年已超过2 5 0 万吨，其用途已从单一的国防军工、建筑业等 扩展到更加广泛的领域。近年来，对铝合金大、中型工业用结构挤压型材提出了越来越高的要求， 不仅结构铝合金品种增多，质量提高，而且需求数量迅速增加，2 0 0 5 年需求量达1 0 0 千吨以上。但 我国目前大、中型挤压机数量少，装机水平低，加之技术开发能力较差，因此远远不能满足我国市 场对铝合金大、中型工业用结构挤压型材的需求，大部分依赖进口。铝合金挤压产品特别是大、中 型工业用结构铝合金型材应用范围十分广泛，市场容量及市场潜力巨大，前景很好。就整个铝挤压 型材而言，我国每年将以1 0 以上的速率增长，估计到2 0 1 0 年我国铝型材的总需求量将达到每年4 兆吨左右，将广泛用于建筑、铁道和城市轨道车辆、汽车、船舶和集装箱、冷冻板及桥梁、电杆灯 杆旗杆以及高压输电的管母线等大径薄肇铝合金管材、海水淡化及其他像机械制造业、电子和家用 电器、空调与散热器、石油化工、矿山能源等领域，所以我国需要不断吸收消化国外先进经验，加 大自主开发创新能力，以满足国内外市场的需求p j 。 1 2 课题相关研究现状 铝型材挤压工艺和模具设计质量是保障产品质量提高模具寿命的重要保证。现代化的市场经济 要求产品、工艺和模具设计过程的高效率、低成本，这是企业生存竞争的关键。铝型材挤压成形过 程十分复杂，除了圆形截面铝型材的挤压属于二维轴对称问题外，一般而言，其他形状的铝型材挤 压都属于三维流动大变形问题。型材断面越复杂，变形的不均匀性越显著，如果模具设计不合理， 截面上各部分的金属在挤出模孔时就越容易以不同的速度流出，从而造成型材的扭拧、波浪、弯曲 以及裂纹等缺陷而报废，模具也极容易损坏。目前国内铝型材生产企业主要还是依赖工程设计人员 的经验和技术人员的试模、返修来保证设计成功率，这不仅对设计人员和技术人员的水平提出较高 要求，而且耗时、耗力、耗材，产品质量和模具寿命也不高。 由于塑性成形理论、材料加工工艺和实验过程分析等方面的发展，特别是计算机硬件及其相关 软件技术的高速发展，金属塑性加工体积成形模拟技术已取得很大进展。目前，针对铝型材挤压工 2 第一章绪论 艺的数值模拟方法主要有有限元法和有限体积法。 1 9 7 3 年l e e 和k o b a y a s h i 【4 】首次提出了刚塑性有限元法，推动了有限元数值模拟技术在金属塑性成 形过程中的应用。k o b a y a s h i l 5 - 1 5 】成功利用刚塑性、刚粘塑性有限元法模拟分析了锻造、挤压、轧制 等体积成形问题和拉伸、弯曲、冲孔等板料成形问题。1 9 7 4 年z i e n k i e w i c z i 1 9 】提出了刚粘塑性材料 的有限元公式并导出了刚粘塑性有限元中的罚函数法，同时分析了拉拔、轧制、挤压等工艺过程， 而且对稳态流动的热力耦合计算提出了耦合方法和解。在此基础上，a l t a n 幂1 1 w u 等人唧圳1 在b r e k e l e y 实验室开发了大型通用化数值模拟软件a l p i d ( a n a l y s i so f l a r g ep l a s t i ci n c r e m e n t a ld e f o r m a t i o n ) 。 m o r i 和o s a k a d a 【2 2 2 4 】提出了刚塑性有限元材料可压缩方法，并成功地对各类轧制和挤压等工艺以及疏 松材料、粉末成形工艺进行模拟。h a r t l e y ；f l l s t u r g e s s l 2 5 , 2 6 对塑性有限元中的摩擦问题进行了研究，并 分析了挤压、轧制等成形问题。2 0 世纪8 0 年代中期，一些学者开始对三维问题的剐塑性、刚粘塑性 有限元进行了研究，并取得很大的进展1 2 7 , 2 8 1 。 针对金属塑性成形分析，有限元法具有以下特点： ( 1 ) 适用于多种类型的金属塑性成形过程的分析，不受具体成形问题的限制； ( 2 ) 能提供丰富的单元类型，从而具有很高的边界拟合精度，同时，也使复杂成形的过程分析成为 可能； ( 3 ) 能够较全面地考虑多种因素对成形过程的影响，如温度、摩擦润滑条件、材料特性、变形速度 以及模具几何形状等： ( 4 ) 能够在假设条件较少的前提条件下提供详尽的变形力学信息，如应力、应变、速度和温度场等 的分布，金属的塑性流动规律，成形载荷等力能参数，这些信息可供进行成形模具参数和工艺过程 的优化与控制。 目前，用来分析铝型材挤压的有限元商品化软件主要有d e f o r m 3 d 、a n s y s 、f o r g e 2 和 f o r g e 3 。 韩国的h y u mw o os h i n 等【2 9 1 在1 9 9 3 年对非轴对称的挤出过程进行了三维有限元分析，他们利用 二维刚塑性有限元方法结合厚板理论将三维问题进行了简化，对整个挤压过程进行了不失准确的数 值模拟，同时也减少了计算量； y a n gdy 【3 0 】开发了刚粘塑性有限元程序，程序中采用任意的拉格朗日欧拉描述，网格局部细分 技术，对铝型材导流模和挤压模具工作带进行了研究。为了对分流组合模挤压时金属在焊合腔的流 动模式有直观的了解。 x i ejx 【3 l 】认为分流组合模具挤压管子时金属的焊合过程与多根坯料挤压的焊合过程类似，因此 将分流组合模挤压过程分为两部分，一部分为多孔分流模，完成分流工作；另一部分为多坯料挤压模， 完成焊合任务。试验材料为工业纯铝a 1 0 5 0 ，把坯料沿轴对称面剖分，刻上网格，变形后观察网格， 获得焊合面上的金属流动模式。 国内方面，于沪平等【3 2 j 采用塑性成形模拟软件d e f o r m 3 d ，结合刚粘塑性有限元罚函数法对 平面分流模的挤压变形过程进行了二维模拟，得出了挤压过程中铝合金的应力、应变、温度以及流 动速度等的分布特点和变化规律。 刘汉武等【3 3 】利用a n s y s 软件对分流组合模挤压铝型材进行了有限元分析和计算，找出了原模具 设计中不易发现的结构缺陷。 周飞等【3 4 】采用三维刚粘塑性有限元方法，对一典型铝型材非等温成型过程进行了数值模拟，分 析了铝型材挤压的三个不同成形阶段，给出了成形各阶段的应力、应变和温度场分布情况以及整个 成形过程中模具载荷随成形时间的变化规律。 阎洪等1 3 5 】在2 0 0 0 年借助a n s y s 软件对壁板型材挤压过程进行了三维有限元模拟和分析，获得了 型材挤压过程的位移场、应变场、应力场之间的联系。 哈尔滨工业大学的郝南海【3 6 】探讨了应用有限元法校核铝型材挤压工作带设计的可能性，提出了 计算方案及相关问题的处理方法。他对工作带设计进行了计算，并得到结论应用有限元法校核模具 3 东南大学硕士学位论文 工作带形状设计是可行的，应用该方法可减少实际试模次数，缩短新产品试制周期。 大连铁道学院机械工程系的马思群，孙彦彬等【3 7 1 应用大型有限元程序m a r c 成功地对金属条挤 进某管道的挤压成形过程进行了数值模拟，模拟结果与试验结果吻合程度较高，说明所建立的有限 元模型及仿真计算方法具有较大的实用价值，对挤压工艺实践具有指导作用。 上海交通大学国家模具c a d t 程研究中心的储灿东、彭颖红等p 8 1 在分析连续挤压技术特点的基 础上，采用刚粘塑性有限元模型，建立了连续挤压的计算机仿真模型：包括几何模型、材料模型、 塑性力学模型、摩擦力学模型的热力耦合模型：组建了一个有关连续挤压的计算机仿真系统，对连 续挤压的成形过程进行了计算机仿真，得出了有关连续挤压全过程的应力场、应变场和温度场。 自2 0 世纪6 0 年代起，计算流体力学( c f d c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 就广泛地应用于航空航 天、汽车、船舶、电子、生物等各个领域，主要用于解决流体流动、传热和化学反应等问题1 3 9 州】。 早期的c f d 采用有限差分法进行数值求解，基本思想是用差商近似控制方程中的微商，结合初始条 件和边界条件，求解封闭的线性方程组，因此有限差分法的计算比较简单。但是在积分方程中若采 用差分方法，就会产生交大误差，降低了数值求解的精度。1 9 8 1 年，j a m e s o n l 4 5 j 在对热能传递有限差 分法的研究过程中，提出了有限体积显示r u n g e k u t t a 多时间步方法，有限体积法从此开始发展起来。 1 9 8 3 年，j a m e s o n 等学者【4 8 】又将有限体积法从二维发展到三维，由于有限体积法既保持了有限差分 法的计算简单性，又兼有有限元法的精确性，因此在计算流体力学中迅速得到了广泛应用。p a t a n k a r 等人1 4 9 , 5 0 首先把有限体积法运用于热传导和流体流动问题的分析研究，b e i l e y 军f l s c h n e i d e r t 5 1 , 5 2 又将有 限体积法运用于解决爆炸、自由表面的流体、多相流动等问题，有限体积法还被k o n 逸等人1 5 3 1 运用于 生物力学的仿真过程中。 近年来，有限体积法开始应用于金属体积成形数值模拟研究中，日本锻造协会在m s c 仍y 1 1 认n 的基础上开发了商品化分析软件m s c s u p e r f o r g e p 引。 美国的b h a v i nv m e h t a a 】用s u p e r f o r g e 对i 一型产品的1 2 种模具形状进行了模拟分析，表明 s u p e r f o r g e 和己被公认的分析软件能取得接近的分析结果，分析时问节省了一般。 黄克坚等用s u p e r f o r g e 【5 6 】对铝型材产品的挤压变形进行了过程模拟，通过工业试验证明：金属 流出速度的模拟结果与实际情况比较相符，利用这种技术指导型材挤压模具设计在生产上是可行的。 英国的w i l l i a m s 5 7 1 用有限体积法模拟挤压和锻造过程，研究结果表明用自由表面边界非牛顿流 体模型来模拟挤压、锻造等体积成形问题是可行的。 罗超等【5 8 j 基于大变形弹塑性有限元理论和有限体积法基本原理，建立了金属塑性成形的弹塑性 有限元列式以及塑性流动中的有限体积控制方程。提出了有限元模拟系统到有限体积模拟系统的数 据传递和信息继承方法，建立了铝型材挤压成形有限元有限体积法复合模拟系统，对铝型材挤压过 程进行了数值模拟，预示金属在成形中的塑性变形行为，从而为模具设计及工艺参数选取提供理论 依据。 上海交大李大永、王洪俊等人【5 9 】建立了铝型材挤压成形有限体积法分步模拟系统，利用该方法 成功模拟了薄壁类铝型材挤压成形过程，研究结果表明，有限体积分步法是模拟薄壁类铝型材挤压 成形过程的有效方法。 山东大学的吴向红 6 0 l 针对m s cs u p e r f o r g e 软件在挤压工艺上应用的不足，开发了专门面向挤压 工艺的基于有限体积法的数值模拟软件，所开发的软件能够对铝型材挤压过程稳态挤压阶段进行模 拟计算，得到应力、应变、温度、速度等场量的分布。对实际算例进行计算的结果与实际生产经验 相符，表明所开发的软件计算结果可靠。使用有限体积法进行挤压过程数值模拟的还有上海交大陈 泽中、周飞等【6 1 , 6 2 】。 1 3 课题研究内容 如前文所述，铝合金型材在生产生活、国防科研等各个领域应用越来越广泛，用挤压的方法生 4 第一章绪论 产铝型材，既节约金属又具有很高的生产效率，因此，型材挤压技术在影响国计民生的诸多领域都 日益受到重视。而其中空腹型材在整个铝型材制品的生产中则占有相当大的比例，其生产一般是采 用无缝挤压和有缝挤压两种工艺，其中有缝挤压采用平面分流组合模来完成，本课题所研究的 a 1 6 0 6 3 空腹铝型材就是采用的平面分流组合模来生产的。 平面分流组合模是目前普遍应用的一种模具，具有加工简便，可连续生产等优点。在铝合金型 材挤压工艺生产中，如果反复地代公式、查表来设计模具并凭借经验反复试模修模来进行优化，将 造成人力、物力与时间的耗费：但随着计算机c a d c a e 技术在实际生产中的广泛应用，这个问题 可以得到一定的解决。 利用模拟软件对铝合金的挤压过程进行模拟仿真，可以得到变形材料在挤压模具内的温度、速 度、应力应变等物理场量的分布及变化情况，以及模具应力及变形状态，根据这些信息，可以判断 型材产品有无翘曲、过热等缺陷，以及模具是否过早破坏，从而分析工艺及模具结构设计是否合理， 及时修改设计参数，代替试模及返修的过程。目前大多数研究者对挤压过程数值模拟采用的是有限 元方法，但是由于有限元采用拉格朗日网格，节点附着在材料质点上，当材料变形时，网格会发生 畸变，对锻造、挤压等大体积变形过程，网格畸变尤其严重，需要非常小的计算步长并且频繁重新 划分网格。因此，针对变形程度特别大的型材挤压，由于模拟精度损失严重以及计算机资源配置不 够等问题，有限元法模拟仿真容易失败。有限体积法最初主要用于流体力学的数值模拟，由于铝型 材挤压产品的质量主要取决于金属在模具型腔内的流动是否平衡，制品前沿的金属流速是否均匀， 即在铝型材挤压过程中，更多关注的是制品端面单位时间内的金属流动量，因此，完全可以采用流 体力学中的e u l e r 方法来描述铝型材挤压过程的金属流动。同时由于该方法采用的是欧拉网格，节 点不随材料移动，避免了有限元法中的频繁网格重划，所以比较适合大体积变形过程的数值模拟分 析。 本课题的研究内容主要是通过数值模拟空腹型材的热挤压过程，找出确定金属均匀流出模口的 判据，并从工艺参数和模具几何参数两方面系统归纳了影响挤压金属流动、应力应变及温度分布的 因素来作为模具优化的参考条件，在这些条件下结合实际经验对型材的分流模具挤压进行相对快速 而准确的设计，之后通过相关模拟软件对模具的可行性进行验证，如果模拟结果理想，即金属流出 模口速度均匀、应力应变温度等分布均匀，则该模具可行；反之，模拟结果不理想，则反馈这些信 息到对模具进行修正，以实现其进一步的优化。这类设计分析方法可以大大节约生产成本，提高生 产效率。 目前针对金属塑性成形数值模拟的方法主要有有限元法和有限体积法，本课题将构建不同截面 尺寸的空腹铝型材的挤压模具，分别利用这两种算法对空腹型材的热挤压过程进行数值模拟，对比 分析两种算法针对空腹型材挤压过程模拟的优缺点及可行性，比较模拟结果的精度误差及运算效率， 探讨有限体积法更适用于空腹型材热挤压的模拟。同时为优化模拟结果，将分步原则引入有限体积 模拟空腹型材挤压中，以期缩短模拟时间提高模拟效率，为平面分流模优化设计工作提供有效的技 术支持。 1 4 课题研究思路 本文以a 1 6 0 6 3 空腹铝型材的热挤压过程为研究对象，利用c a d 软件进行平面分流模具的实体建 模；将构建的模型放进仿真环境进行热力耦合挤压模拟，通过观察是否有应力应变集中、温度分布 不合理或者金属流出模口速度不均等现象来对模具进行有针对性的优化，以期对生产和实践具有指 导意义。 ( 1 ) 型材挤压塑性成形过程影响金属流动因素的归纳 系统地归纳影响型材挤压金属流动的几何、工艺因素，在前人分析的基础上，设计模拟方案利 用m s c s u p e r f o r g e 软件进行数值模拟探讨出挤压速度、摩擦因子等工艺参数对挤压过程中温度和挤 5 东南人学硕士学位论文 压难易程度的影响，焊合室高度、分流孔入口形状等模具几何参数对金属流动过程中的应变和温度 分布的影响，为模具优化提供参考。 ( 2 ) 铝型材矩形管挤压模具设计及几何建模 根据平面分流组合模模具的设计原则及标准化要求，对模具进行结构分析，利用模具设计程序 输入空腹型材长、宽、厚等参数直接得到模具合理的基本结构参数。 ( 3 ) 几何建模 本文将使用三维制图软件p r o e 对由上述模具设计程序得出的模具结构参数进行模型构建，主要 绘制模具零件图和3 d 装配模型。 ( 4 ) 模拟方案 本文主要对空腹铝型材挤压工艺及平面分流组合模挤压过程的数值模拟进行研究，探索并建立 生产用铝型材矩形管模具参数设计模型，为模具的设计及其优化提供理想的途径。 本文在仿真模拟阶段拟有三个步骤： 分别利用有限元法和有限体积法对长宽不等的矩形管铝材的成形过程进行模拟分析，通过 对比发现利用有限元法无法解决变形材料在焊合室内的白接触问题，使得计算失败导致仿真过程中 止。而有限体积法由于不需要网格重划，可模拟出矩形管的成形过程，但由于计算机内存限制，网 格尺寸过大，模拟的制品表面过于粗糙。 分别利用有限元法和有限体积法对长宽相等的矩形管型材即方管型材来验证有限体积法的 模拟精度，因为方管型材截面的几何对称性可以避免矩形管型材挤压中无法解决的焊合问题，所以 能利用有限元方法对其挤压过程进行模拟分析，通过两种算法得出的模拟结果的精度对比，得出有 限体积法更适用于空腹型材挤压过程的模拟的结论。 在空腹型材挤压的有限体积法模拟中引入分步原则，即将整个挤压过程在有限体积系统中 分为两步进行模拟，通过分步过程中数据传递前后的结果对比，验证分步原则的可行性，同时利用 有限体积分步法对中的方管挤压进行数值模拟，比较两次模拟结果的精度及运算效率。 由于针对模具的设计及优化，主要考虑金属在模具内的流动是否均匀，观察是否有应力应变过 大或者集中的现象，温度又是否分布不均等等情况。应用模拟软件对挤压工艺过程进行模拟，然后 对后处理中得到的挤压过程的挤压力行程曲线、等效应力应变、金属流动速度以及温度分布进行分 析，在此基础上对模具设计参数进行验证及进一步的优化。 6 第二章空腹型材挤压工艺分析 第二章空腹型材挤压工艺分析 2 1 空腹型材的特点和应用 目前铝合金挤压型材的品种规格大约有5 万种以上，根据横断面形状的不同，铝型材可以分为 实心型材、半空腹型材和空腹型材三大类，如图2 1 所示。利用空腹型材代替实心型材能够带来明 显的经济效益，同实心型材相比，空腹型材显著的降低了金属消耗，减少了机械加工的劳动量【6 3 】。 ll 几门回口 ( a )( b ) 图2 1型材按截面分类图 ( a ) 实心型材；( b ) 半空腹型材；( c ) 空腹型材 ( c ) 由于具有诸多优点，铝合金空腹型材在石油加工、航空工业、造船行业、冷冻技术、电器工业、 无线电探测和交通运输等行业得到了广泛运用，尤其是进入9 0 年代以来，由于建筑部门利用铝合金 空腹型材制造装潢部件和建筑结构件( 窗户镶玻璃的部件、门的部件、间壁部件、吊项天花板部件、 门框窗框部件、内部窗帘架部件、家具部件等) ，使型材品种显著增加，产量急剧上升。 2 2 空腹型材挤压模具分类及特点 由于使用部门对产品的尺寸和形状精度、表面质量等指标的要求高，结合铝合金延展性好等特 点，工业生产常采用挤压加工法生产铝合金空腹型材，挤压加工法与其他加工方法相比，主要有如 下的特点： ( 1 ) 挤压加工中，金属在变形区处于强烈的三向压应力状态，可充分发挥金属的塑性； ( 2 ) 对于像空腹型材这类断面形状复杂，或断面发生变化的材料来说，用挤压法生产更为简单， 可提高金属的利用率，简化工序，降低成本； ( 3 ) 挤压法生产灵活性大，只需更换模子，就可改变产品的规格，而模具更换较为简单； “) 产品尺寸精度高，表面质量好； ( 5 ) 挤压薄壁空腹犁材时，型材厚度比其他方法生产时更容易控制； ( 6 ) 挤压带筋型材时筋条的高度和形状自由度大。 由此可见，挤压是生产空腹型材较完善的方法。空腹型材的生产分为穿孔法和组合模法两大类， 其中穿孔法只能生产管材和断面形状极为简单的空腹型材，对于一般的空腹型材，由于针的刚性与 强度等原因无法生产，目前主要用各种组合模进行挤压生产。 组合模的种类主要有平面分流模、叉架式分流模和桥式模等。表2 1 列出了三种主要形式的组 合模的特性比较。 7 东南大学硕士学位论文 表2 1三种组合模的特性比较表 模具结构挤压性产品合格率 墓荔翟麦姜雾耋 适用范围 叉架分流模一般 良困难可 适用于空心部分人的型材 桥式模优良 稍低一般 否 用于要求较高较难挤压合金的型材 平面分流模 一般良容易可 应用最普遍 叉架式分流模是将模芯与上模分成模套与模芯两个部分，挤压时模芯受到压力作用可以有少许 变形余量，这就避免了模芯与叉架之间产生应力集中，从而改善模具的使用条件。由于平面分流模 的广泛应用，平面叉架模在挤压一般断面形状的空腹型材和焊合管材应用并不广泛。但是，在用于 小断面空腹型材和焊合管材的多孔挤压与用于挤压比很小的断面空腹型材挤压时，平面叉架模如图 2 2 有它独特的优越性m j ： 燃潮 孔 坞a 图2 - 2 平面叉架模的结构形式 ( a ) 四孔叉架模； ( b ) 单孔叉架模 桥式模结构如图2 - 3 所示，是过去在挤压机上生产各种管材和空腹型材的一种主要模具形式。 从表2 - 1 可知，由于桥式模具固有的缺点，目前基本上已不采用这种模具形式生产空腹型材。 ( a )( b ) 1 支撑柱；2 模桥( 分流器) ；3 组合针( 舌头) ； 4 模子内套；5 模子外套；6 一焊合室 图2 3 桥式舌形模 ( a ) 正视图；( b ) 俯视图 平面分流组合模( 简称分流模) 结构特征如图2 4 ，是在桥式舌形模基础上发展起来的，实质上 8 第二章空腹型材挤压工艺分析 是一种变种，即把凸桥改为平面桥，近年来得到了迅速的发展，并广泛应用于不带穿孔系统的挤压 机上生产各种规格和形状的管材和空腹型材，特别是民用建筑空腹型材。 蓊 鎏鋈 i 羲 惑蕙 历薛 1 模外套；2 - 分流桥；3 模芯；4 焊合室；5 模子； 6 分流桥：7 分流孔；8 挤压制品 图2 - 4 平面分流模结构图 8 平面分流模工作时，实心铸锭在挤压机的作用下，金属在经过分流孔时被劈成几股金属流，汇 集于焊合室，在高温、高压、高真空的模腔内重新被焊合，然后通过模芯与模子之间的间隙流出， 形成符合一定尺寸要求的管材和空腹型材【6 5 】。 分流模挤压法的主要优点是： ( 1 ) 可以挤压双孔或者多孔的内腔十分复杂的空腹型材和管材，也可同时生产多根空腹制品， 所以生产效率高，这一点是桥式很难甚至无法实现的； ( 2 ) 可以挤压悬臂梁很大、平模很难生产的半空腹型材； ( 3 ) 可拆模，易加工，成本较低； ( 4 ) 易分离压余。操作简单，辅助时间短，可在普通的型棒挤压机上用普通的工具完成挤压周 期，同时压余短，成品率高； ( 5 ) 可实现连续挤压，根据需要截取任意长度的制品： ( 6 ) 可改变分流孔的数目、大小和形状，使断面形状比较复杂、壁厚差较大、难以用工作带、 阻碍角和促流角等调节流速的空腹型材容易成型： ( 7 ) 可以用带锥度的分流孔，实现较小的挤压机上挤压外形较大的空腹制品，且能够保证有足 够的变形量。 但分流模挤压也有一些缺点： ( 1 ) 焊缝较多，可能会影响制品的组织和性能： ( 2 ) 要求模子的加工精度高，特别是对于多孔空腹型材，要求上下模严格对中； ( 3 ) 与平面模相比( 实心型材模) 相比，变形阻力大，挤压力一般比平面模高3 0 4 0 ，比桥 式舌形模高1 5 2 0 ，一般只限于生产较软的合金，不过为了用平面分流组合模挤压强度较高的铝 合金，可在阳模上加一个保护模以减少模桥的承压力； ( 4 ) 残料分离不干净，有时会影响产品质量，而且不便于修榭6 3 】。 2 3 平面分流组合模设计要素 平面分流组合模由高强度的钢材制成，一般是由上模、下模、定位销和连接螺钉四部分组成。 在上模上主要有分流孔、分流桥和模芯。分流孔是金属通往型孔的通道，分流桥是模芯支承， 而模芯是用来形成型材内腔的形状和尺寸。在下模上主要有焊合室、模孔、工作带和空刀。焊合室 9 东南大学硕士学位论文 是把分流孔分开的金属重新汇集焊合起来直至挤出模孔，模孔则用来形成型材外腔的形状和尺寸， 其工作带部分用来调节金属的流速，而空刀则是为了减少摩擦，使制品顺利挤出免遭划伤，以保证 表面质量。 2 3 1 模具材料的选择 型材挤压时对模具材料要求如下： ( 1 ) 高的强度和硬度值： ( 2 ) 高的耐热性； ( 3 ) 在常温和高温下具有高的冲击韧性和断裂韧性值； ( 4 ) 高抗氧化稳定性； ( 5 ) 高的耐磨性； ( 6 ) 具有良好的淬透性； ( 7 ) 具有抗激冷、激热的适应能力； ( 8