（材料加工工程专业论文）铝合金型材宽展挤压模具优化研究.pdf

o p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho na l u m i n i u ma l l o yf l a tp r o f i e lw i d e s p r e a d e x t r u s i o nd i e t a nh a i l i n at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i l u o x i n g o c t o b e r , 2 0 10 肿肿咐i洲心 9删6 09m胛y 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 名：谭嘭布 f i 强：抛io 年i | 艮喝目 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“”) r 觌：捌d 年l f f j i 皓f t r 期：加砌年，月，易同 力吖l 易斧 嘞琴 生产铝型 度大于挤 筒，适合 于国内许多中小型铝型材加工厂。目前，宽展挤压模具的设计一般凭借经验和反 复试模来进行，这样会造成大量人力与物力的消耗，同时很难得到满意的效果。 随着计算机技术的发展，c a d c a e 技术在模具设计制造行业得到了广泛应用。 本文针对铝型材挤压工艺及模具设计，分别以f r 0 2 9 铝型材和平板型材宽展挤压 为例，通过对挤压过程进行数值模拟，优化模具结构，找出缺陷存在的原因，为 实际生产工艺和模具设计提供参数依据，解决实际生产中存在的问题。 关于f r 0 2 9 铝型材挤压宽展模具参数优化设计。首先运用p r o e 软件通过改 动需要优化的几何参数建立模具几何模型数据库；采用d e f o r m 3 d 有限元软件进 行挤压过程的数值模拟，并以金属流出宽展模具模口平面上z 向质点流速均方差 作为目标函数值；基于m a t l a b 软件，建立b p 神经网络，将有限元数值模拟结 果作为神经网络的输入样本对网络进行训练并建立网络知识源；采用回归分析的 方法求得设计变量与目标函数值之间的函数表达式，作为遗传算法的适应度函数； 通过遗传算法迭代寻优求得全局最优解，作为f r 0 2 9 铝型材宽展挤压模具设计参 数；最后验证并比较优化所得设计参数的模具与经验法确定的设计变量的模具对 金属流动均匀性的影响。 针对国内某企业生产平板型材产品时出现夹渣、组织条痕等氧化后才可见的 缺陷的问题，采用d e f o r m 3 d 有限元软件分别对平板的三套宽展挤压模挤压过程 的挤压力峰值、挤压速度和挤压金属流动情况进行数值模拟；分析了产生缺陷的 原因，并提出改进方案，即采用增大铸锭直径的方法。最后进行有限元数值模拟 验证，将模拟结果与实际挤压型材进行对比，发现增大铸锭直径的方法能生产出 合格的型材，证明了采用有限元方法可用于型材挤压模具的优化研究，对实际的 型材生产过程有一定的指导意义。同时可以确定三套模具中结构最优的一套模具。 关键词：铝型材；宽展模具；数值模拟；优化 一 高校教师硕十学位论文 a b s t r a c t a l u m i n u ma l l o y sa r ew i d e l yu s e di nt h ed a i l yp r o d u c t i o na n dd a i l yl i f e t h e yc a n b ep r o d u c e db ye x t r u d e dm e t h o d ，w h i c hs a v e sm e t a la n dh a sah i g hp r o d u c t i o n e f f i c i e n c y s p r e a de x t r u s i o ni ss u i t a b l ef o re x t r u s i o nw i d t ho fa l u m i n u ma l l o y sg r e a t e r t h a ne x t r u s i o nd i a m e t e r , a n dt h i sn e we x t r u s i o nm e t h o dp a r t l yr e p l a c e st h ec o m p l e x a n dh i g h c o s tf l a tc o n t a i n e re x t r u s i o nm e t h o d ，s u i t a b l ef o rm a n yd o m e s t i cs m a l la n d m e d i u ms i z e da l u m i n u mp r o c e s s i n gp l a n t s a tp r e s e n t ，t h ed e s i g no fs p r e a de x t r u s i o n d i ei sc a r r i e do u tb ye x p e r i e n c ea n dr e p e a t e dt e s t ，w h i c hw i l lc a u s e al o to fm a n p o w e r a n dm a t e r i a l c o n s u m p t i o n ，w h i l e d i f f i c u l tt o g e ts a t i s f a c t o r yr e s u l t s w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，c a d c a et e c h n o l o g yi nm o l dd e s i g na n d m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yh a v eb e e nw i d e l yu s e d i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rr e s p e c t i v e l y e x t r u d e sf r 0 2 9 ，f l a ts e c t i o n sa n dh o l l o wt h i nw a l la l u m i n u ma l l o y sb ye x t r u s i o n p r o c e s ss i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fd i es t r u c t u r e ，a n d i d e n t i f i e sd e f e c t si n a l u m i n u me x t r u s i o np r o c e s sa n dd i ed e s i g n ，w h i c hc a np r o v i d ep a r a m e t e r sf o rt h e a c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s sa n dd i ed e s i g na n ds o l v ep r o b l e m si nt h er e a lp r o d u c t i o n a b o u tf r 0 2 9a l u m i n u me x t r u s i o nd i ep a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n o f s p r e a d ， f i r s t l y ，u s i n gp r o es o f t w a r et om o d i f yp a r a m e t e r sr e q u i r e do p t i m i z a t i o n e s t a b l i s h i n g t h eg e o m e t r i cm o d e ld a t ab a s e t h r o u g h t h eg e o m e t r i c p a r a m e t e r t h e f e m s o f t w a r e - d e f o r m - 3ds o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h ee x t r u s i o np r o c e s s t h e z v e l o c i t ya tt h ed i el a n de x i ti su s e da st h et a r g e tv a l u eo ft h eo p t i m i z i n gm o d e l t h e b pn e u r a ln e t w o r ki se s t a b l i s h e do nt h eb a s eo fm a t l a bs o f t w a r e ，a n dt h e nt h e n e u r a ln e t w o r ki st r a i n e db yt h ea b o v en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l tt of o r mk n o w l e d g e s o u r c e t h ee q u a t i o no ft h ed e s i g n v a r i a b l e a n dt a r g e tv a l u er e s u l t e df r o mt h e a p p r o a c h i n go ft h er e g r e s s i o na n a l y s i si su s e da st h ef i t n e s sf u n c t i o no ft h eg e n e t i c a l g o r i t h m ，t h e nt h eo p t i m i z e dd a t ao ft h ed i e sa r eo b t a i n e db yu s i n gt h eg e n e t i c a l g o r i t h m f i n a l l y ，t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n i n gv a r i a b l ed a t aa r ev e r i f i e db yu s i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y a sf r 0 2 9a l u m i n u ms p r e a de x t r u s i o nd i ed e s i g n p a r a m e t e r s ；a n dc o m p a r e dw i t ht h ed e s i g n i n gv a r i a b l ed e f i n e db yt h ee x p e r i e n c e m e t h o da b o u tt h e i ri m p a c to nt h em e t a lf l o w i n g u n i f o r m i t y a i m i n ga tv i s i b l ed e f e c t ss u c ha ss l a g ，o r g a n i z a t i o ns t r e a ka f t e ro x i d a t i o nw h e na d o m e s t i cp l a n tp r o d u c e sf l a tp r o f i l e ，w ea d o p td e f o r m 3 df i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et o s i m u l a t ee x t r u s i o nf o r c ep e a k ，e x t r u s i o ns p e e da n de x t r u s i o nm e t a lf l o wo nt h e 1 1 1 铝合金型材宽展挤压模具优化研究 e x t r u s i o np r o c e s st h r e es e t so fw i d e s p r e a de x t r u s i o nd i e ，t h e na n a l y z et h ec a u s e so f d e f e c t s ，a n dp r o p o s es o l u t i o n so ri m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n s ，f i n a l l yu s ef i n i t ee l e m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ov e r i f yt h ep r o p o s e di m p r o v e m e n tp r o g r a m ，a n da tt h es a m e t i m e ，t h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i s ，w ec a nd e t e r m i n et h eo p t i m a ls t r u c t u r eo fam o l d d i ef r o mt h r e es e t s k e yw o r d s ：a l u m i n u mp r o f i l e ；w i d e - s p r e a de x t r u s i o nd i e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； o p t i m i z a t i o n i v 高校教师硕f ：学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i 附表索引v i i i 第1 章绪论1 1 1 铝型材挤压技术应用及其特点l 1 1 1 铝型材挤压技术的应用l 1 1 2 铝型材挤压技术的特点1 1 2 铝合金型材的分类一2 1 3 铝型材挤压工艺与模具c a e 应用的国内外研究概况3 1 4 铝型材宽展挤压简介5 1 4 1 铝型材宽展挤压原理和流动规律5 1 4 2 铝型材宽展挤压特点6 1 4 3 铝型材宽展挤压国内外研究状况6 1 5b p 神经网络、遗传算法及应用软件简介7 1 5 1b p 神经网络简介7 1 5 2 遗传算法简介一9 l - 5 3 m a t l a b 软件简介一10 1 5 4 有限元分析软件简介1 2 1 6 本文研究意义及内容1 4 第2 章f r 0 2 9 铝型材挤压宽展模具结构优化1 6 2 1 预备模块的建立1 6 2 1 1 目标函数的选择1 6 2 1 2 优化变量的选择及其约束范围1 7 2 1 3 几何模型的建立一1 9 2 2 数值模拟模块的建立2 l 2 2 1 有限元模拟中各种参数的准备一2 l 2 2 2d e f o r m 模拟2 2 2 2 3s d v 计算与导入2 4 2 3 神经网络模块的建立2 6 v 铝合金型材宽展挤压模具优化研究 2 3 1b p 人工神经网络的建立与训练2 6 2 4 遗传优化模块2 8 2 4 1 适应度函数的选择一2 8 2 4 2 运用回归分析确定适应度函数的表达式2 8 2 4 3 遗传算法寻优2 9 2 5 有限元模拟验证3 0 第3 章平板型材宽展挤压过程数值模拟及模具结构优化3 3 3 1 平板型材宽展挤压问题的提出3 3 3 2 几何模型的建立3 5 3 3 有限元模拟中各种参数的准备一3 5 3 3 1 物理性能参数3 6 3 3 2 材料模型一3 6 3 3 3 摩擦边界条件一3 7 3 3 4 工艺参数的定义一3 7 3 4 数值模拟结果与分析3 7 3 4 1 挤压力分析3 8 3 4 2 流速分析3 9 3 4 3 金属流动分析4 1 3 5 平板型材宽展模具结构的改进4 3 结论4 8 参考文献4 9 致澍5 2 高校教师硕上学位论文 插图索引 图1 1金属流动示意图5 图1 2 b p 神经网络结构8 图1 3 遗传算法流程图一1 0 图1 4d e f o r m 系统结构图l3 图2 1模具结构示意图1 7 图2 2宽展挤压模设计计算图1 8 图2 3f r 0 2 9 型材产品截面图1 9 图2 4型材宽展模装配图2 0 图2 5 型材宽展模的几何模型一2 0 图2 6 型材挤压有限元模型2 3 图2 7 第二组参数模拟型材挤压挤出结果一2 3 图2 8四组参数挤压模拟时型材出模口时的速度分布2 4 图2 9型材截面样点示意图2 5 图2 10b p 神经网络结构图2 6 图2 1 1 网络训练误差曲线2 7 图2 1 2 遗传算法历代适应度的进行曲线3 0 图2 1 3 优化后模口平面上z 向流速分布一3 1 图2 1 4 经验确定的模口平面上z 向流速分布3 1 图3 16 0 6 3 铝合金平板型材3 3 图3 2 三套宽展挤压模具结构图3 5 图3 3三套挤压模具仿真模型3 5 图3 4模具a 挤压过程流速分布3 9 图3 5 模具b 挤压过程流速分布4 0 图3 6 模具c 挤压过程流速分布4 1 图3 7 模拟挤压工艺进程图4 3 图3 8 模具c 形成的金属补料4 3 图3 9 平板挤压过程模拟4 5 图3 10 模具结构改进后金属沿x 方向流速分布图4 6 图3 1 1 模具改进后生产的合格平板型材4 6 v 铝合金型材宽展挤压模具优化研究 附表索引 表1 1b p 网络的常用函数一1 2 表2 1 挤压宽展模优化变量( m m ) 1 9 表2 2 坯料及其他工模具尺寸参数( m m ) 2 0 表2 3 挤压工件和模具的物理性能参数2 2 表2 4 型材挤压工艺参数和边界条件2 2 表2 54 组参数对应的s d v 值( b p 神经网络训练样本) 2 5 表2 6 网络结构参数与训练参数一2 7 表2 7 网络预测与有限元分析结果的比较2 7 表2 8 遗传算法g u i 参数设置3 0 表2 9 宽展模挤出型材的样点速度对比一3 2 表3 1 材料的物理性能参数3 6 表3 2 宽展挤压数值模拟初始条件3 7 表3 3 模拟过程测得的挤压力3 8 高校教师硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 铝型材挤压技术应用及其特点 1 1 1 铝型材挤压技术的应用 随着科学技术的进步和现代化经济的高速发展，铝合金型材正向着大型化、 整体化、薄壁扁宽化、尺寸高精度化、形状复杂化、外形轮廓美观化的方向发展。 同时铝合金型材品种规格也不断增多，应用范围不断拓展，已由2 0 世纪5 0 - - - 6 0 年代以民用建筑型材为主体，扩展到了航天航空、汽车船舶、交通运输、电力电 子、石油化工、机械制造、家用电器等各行各业和人们日常生活各个方面。特别 是近年来，大型铝合金型材的发展尤其引人注目。 过去大型的整体结构部件一般用数块小型材组装拼接而成，或用轧制板材弯 曲加工而成。由于轻量化是现代航天航空飞行器、铁道车辆、地铁列车、双层客 车、汽车和船舶高速化、重载化的主要途径，因而向大型整体铝合金型材提出了“更 大型化、更扁宽化、更薄壁化”的要求。用整体结构部件代替之后，为了达到轻量 化的要求，必须保证大型整体型材的壁厚与小型材或轧制板材的厚度相同。 大型铝合金型材断面形状复杂，长度可达3 0 m ，是多功能的集合体，往往在 不进行机械加工的情况下进行拼接组焊。因此，对断面尺寸公差和定尺寸长度内 的扭拧度、平直度、弯曲度、波浪度等形位公差的要求十分严格。有时要求达到 一般机械加工精度或与冷拔加工产品同等的精度。这对于用热挤压加工成形的断 面复杂、长定尺的大型铝合金扁宽薄壁型材来说，技术难度很大【1 1 。 1 1 2 铝型材挤压技术的特点 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、表面粗糙度等各种质量指 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： ( 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，这就可以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困难甚至无法加工的低塑性难变形金属或 合金。目前，挤压法仍然是可以用铸锭直接生产产品的最优越的方法。 ( 2 ) 阶段变截面型材、带异形加强筋的整体壁板型材、形状极其复杂的空心 铝含金型材宽展挤压模具优化研究 型材和变截面管材、多孔管材等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，用挤压法可以方便生产。对于减少设备投资、节能、提高金属利 用率、降低产品的总成本具有重大的社会经济效益。 ( 3 ) 挤压加工灵活性很大，只需要更换模具等挤压工具即可在一台挤压设备上 生产形状、规格和品种不同的型材制品，更换挤压工具的操作简便易行，费时少， 功效高。这种加工方法对订货批量小、品种规格多的轻合金材料加工生产厂最为 经济适用。 ( 4 ) 挤压制品的表面质量较好，精度高于热轧和锻造产品。随着工艺水平的提 高和模具质量的改进，现己能生产超薄、超高精度、优质表面质量型材。这不仅 减少了总工作量和简化了工序，同时也提高了被挤压金属材料的综合利用率和成 品率。 ( 5 ) 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，挤压制品在淬火时效后，纵向强度性能( o rb 、盯o 2 ) 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 ) 挤压工艺流程减短、生产操作方便，与热模锻或成形轧制等方法比相比， 一次挤压即可获得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。尽管用挤压法生产铝合金制 品仍存在几何废料损失较大，挤压速度远低于轧制速度，生产效率低，组织和性 能的不均匀程度较大，挤压力大，工模具消耗量较大等尚待改进的缺点，但随现 代科技迅猛发展、新挤压工艺、设备和新结构模具的出现，上述缺点也正在被迅 速克服之中，尤其对轻合金来说，挤压加工方法仍不失为一种确保产品质量、综 合效益最好的先进加工方法【2 。引。 1 2 铝合金型材的分类 目前，铝合金挤压型材的品种规格大约有5 万种以上，对铝型材进行科学的 分类，有利于合理地选择生产工艺和设备，正确地设计与制造工模具，迅速地处 理挤压车间的生产技术问题和管理问题。可以根据以下3 个基本特征进行分类【4 j ： ( 1 ) 挤压型材的使用性质； ( 2 ) 挤压型材横截面的形状和尺寸； ( 3 ) 挤压型材纵截面的形状。 根据第一个特征，铝合金型材分为通用型材和专用型材。 根据第二个特征，通用型材一般可分为4 组：直角型材、斜角型材、带圆角 2 高校教师硕上学位论文 和圆弧的型材、圆头型材。 考虑到第二个和第三个特征，专用型材可分为4 组：空心型材、变断面型材、 壁板型材和建筑型材。空心型材可分为4 小组：具有一个圆形孔的；具有一个方 形孔或矩形孔的；具有一个异形孔的；具有两个或多个异形孔的空心型材。民用 建筑型材在铝型材中所占比重最大，应用最为广泛，具有壁薄、形状复杂、精度 高、表面质量要求严等特点，故宜单独分为一类，按其形状可分为空心型材和实 心型材。此外，按型材的合金状态与力学性能不同，还可分为一般强度型材和高 强度型材。 1 3 铝型材挤压工艺与模具c a e 应用的国内外研究概况 挤压工艺是于2 0 0 年前随着第一台简单铅挤压机的发明而发展起来的【5 l 。中 国的铝型材挤压工业始于1 9 5 6 年的东北轻合金加工厂建成投产【6 l ，经历了1 9 5 2 1 9 7 9 年的奠基发展阶段、1 9 8 0 - - 1 9 9 1 年的调整发展阶段和1 9 9 2 年至今的高速发 展阶段。截止1 9 9 8 年底，中国有铝型材挤压企业1 1 4 2 家，拥有挤压机2 8 0 0 余台， 挤压力范围为3 1 2 5 m n ，成为世界上挤压厂数量和挤压机台数最多的国家【6 】。 经过近几年的结构调整与市场调节作用，中国铝挤压工业已发生了明显的结构性 变化，挤压厂家从1 1 4 2 家减少到目前的6 5 0 家左右，拥有2 5 0 0 台挤压机、6 0 0 余条表面处理生产线，可以生产2 0 0 0 0 多种规格、3 0 0 多种颜色的型材，年耗模 量超过3 0 万套。1 9 9 1 年到2 0 0 2 年，铝型材产量连续1 1 年以2 4 2 的速度增长， 2 0 0 2 年达到1 7 6 万吨，己超过美国( 1 5 4 万吨) 而居世界产量第一位。进入2 l 世纪 后，中国铝型材出口量连年大幅攀升，中国铝型材工业正以雄厚的实力、坚实的 步伐，稳步健康地走出国门，走向世界【7 j 。 在铝型材产品方面，除各种复杂实心、半实心型材外，还生产出各种异型空 心型材，如变断面管、螺旋管、翅片管等。型材最大宽度可达2 5 0 0 m m ，最大断 面积可达1 5 0 0 c m 2 ，最大重量可达2 吨。超薄、超精度、高表面质量的型材，最 薄壁厚仅为0 1 0 0 5 4 m m ，最精公差可达士0 0 1 2 7 m m ，表面粗糙度达r a l 6 r a 0 8 。薄壁异型材的宽厚比可达l5 0 - - - 3 0 0 以上，带孔空心异型材孔数可达数十 个之多。随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，目前世界上型材产量 的一半以上是软铝合金型材，主要用于建筑门窗、玻璃幕墙骨架构件、装演饰件 等民用产业，而军用硬铝合金挤压型材所占比例已下降到l5 以下1 8 - 9 】。 当前，国外挤压技术现状表现在以下几个方面： ( 1 ) 挤压设备迅速发展。具体地说，挤压机台数急剧增加，吨位不断扩大，结 构形式不断更新，自动化程度不断提高，油压挤压机得到广泛应用。挤压设备是 反映技术水平的重要指标。 ( 2 ) 挤压工模具面貌一新。从设计计算、结构选择、装卸方法、制模技术、新 铝合金型材宽展挤压模具优化研究 材料研制到提高模具寿命等方面都有很大发展。为了促进挤压技术的发展，提高 模具寿命，各国对模具结构进行了广泛的研究，成功研制了多种新型结构的挤压 模具，如舌型模、平面分流组合模、叉架模、导流模、可卸模、宽展模等，同时 出现了多种形式的活动模架和工具自动装卸机构，大大简化了工模具装卸操作。 ( 3 ) 工艺得到了不断改进和完善，近年来，除了改进和完善了正反挤压方法及 其工艺外，出现了许多强化挤压过程的新工艺和新方法，对冷挤压、润滑挤压、 等温挤压、连续挤压、快速挤压、静液挤压等新的挤压技术进行了广泛的研究， 并获得了实际的应用。2 0 世纪6 0 年代发展起来的静液挤压技术和2 0 世纪7 0 年 代发展起来的有效摩擦挤压法，由于具有很多的优点，获得了突破性的发展。此 外，像舌形模挤压、平面组合模挤压、变截面挤压、宽展挤压、辊挤、冲挤、盘 管挤压、粉末挤压等新的挤压工艺也广泛应用于轻合金加工技术。这些先进的挤 压方法和新的挤压工艺对于扩大轻合金材料的品种，提高挤压速度和总的生产效 率，提高产品质量，发掘轻合金的潜力，减少挤压力、节能节资、降低成本等方 面都有积极的意义。 ( 4 ) 轻合金挤压产品的结构发生了根本变化，2 0 世纪6 0 年代以来，轻合金挤 压型材的增长速度每年高达9 5 ，不仅超过了轻合金的其他加工材料( 如为轧制 材的2 倍) ，而且大大超过了钢铁材料的增长速度。由于轻合金挤压材的产量、品 种和规格不断扩大，其应用范围也越来越广泛了，在国民经济和人民生活中的地 位与日俱增。 对铝型材的挤压过程进行数值模拟可以预测实际挤压过程中可能出现的缺 陷，及早优化模具结构设计、调整挤出工艺参数和有针对性的指明技术解决方案。 国内外研究者们对此已做了许多工作。韩国的h y u n w o o s h i n 等在1 9 9 3 年对非轴 对称挤压过程进行了有限元分析，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。对于变形模拟，于沪平等采用塑性成型模拟软件d e f o r m ，结合刚 粘塑性有限元法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和变化。刘汉武等利 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 随成形时间的变化情况。对于压力场，闰洪等在2 0 0 0 年利用a n s y s 软件作为平 台，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。江苏戚墅堰机车车辆工艺研究所的盛伟以a n s y s 软 件为平台，进行金属塑性成形过程模拟软件的二次开发，并应用该软件对锻件塑 4 高校教师硕十学位论文 性成形过程进行了模拟，为提高锻件质量、预测金属成形中的缺陷、制定合理工 艺提供了理论依据。对实际型材挤压中工艺参数选择和模具结构尺寸的修正起到 了重要指导作用。 目前大型复杂截面铝合金带筋整体壁板型材在航空航天、船舶、汽车、交通 运输、建筑等工业部门作为比强度高的结构材料使用已经越来越广。它的特点是 腹板较宽，甚至大于挤压筒的直径且较薄，如果由圆铝锭直接挤压，各处的变形 程度相差悬殊，变形难度相当大。生产中采用扁挤压筒挤压法，使坯料接近于壁 板外形，金属流动较均匀，但扁挤压筒加工难度大、容易开裂、寿命不稳定、成 本高，并且不能直接挤压宽度大于挤压筒宽度的型材，于是宽展挤压法应运而生。 应用有限元软件对宽展挤压过程进行了模拟，为提高制品质量、预测金属成形中 的缺陷和实际挤压中工艺参数选择和模具结构尺寸的修正具有重要的意义。 1 4 铝型材宽展挤压简介 1 4 1 铝型材宽展挤压原理和流动规律 宽展挤压是一种新型的挤压方法，其实质是在圆挤压筒工作端加设一个宽展 模。使圆锭产生预变形，厚度变薄，宽度逐渐增加到大于圆挤压筒直径，起到扁 挤压作用的一种方法。因此用此法可部分代替扁挤压筒生产薄壁铝合金实心壁板 或空心壁板1 4 1 。用宽展模挤压法可生产比圆挤压筒直径宽1o 3 0 的薄壁型材， 宽展率以15 3 0 为宜，宽展角一般取3 0 0 左右。 1 1 3 i i 己6 l 一挤压筒2 宽展模3 卜模 图1 1 金属流动示意图 铝合金型材宽展挤压模具优化研究 宽展挤压时金属的流动规律为：铸锭在圆挤压筒中经镦粗后，进入宽展挤压 模，金属在宽展模中被减薄、展宽，如图1 1 所示。整个变形可分为三个阶段【i o l 。 第一阶段：一次挤压阶段。圆挤压筒中的材料流经挤压筒l 与宽展模2 的交 界面，产生截面积减小的挤压变形，坯料由圆形截面( a a 截面) 变形为矩形截 面( b b 截面) 。因热挤压的摩擦特点，会产生一个明显的死区i ，该死区对铸 锭表面的流动起阻碍作用，但同时，死区的存在使铝锭表层的缺陷滞留在模内， 对改善铝型材表面质量是有利的。 第二阶段：镦粗阶段。流入宽展模中的金属中心部分首先接触型材模孔，由 于型材模孔的尺寸与宽展模孔腔尺寸相比很小，挤出模孔的压力远远大于镦粗压 力，金属流动遵循阻力最小定律，此时在宽展模腔内产生充填型腔的镦粗变形， 完成材料的宽展。 第三阶段：二次挤压阶段。镦粗阶段后期，宽展模腔中建立起了静水压力， 模腔中各点的比压与圆形挤压筒中各点金属的比压相同，迫使金属流出模孔。当金 属开始流出模孔时，密封系统破坏，静水压力降低，比压下降。二次挤压使坯料 完成由宽展模截面( c c 截面) 向型材模截面( d d 截面) 的变形。同样，此挤 压过程在挤压变形出口处会产生死区i i ，它会消耗多余的剪切功。 1 4 2 铝型材宽展挤压特点 宽展挤压是一种适合于挤压宽度大于挤压筒直径型材的新型挤压方法，部分 代替了结构复杂、成本高的扁挤压筒，是一种值得推广使用的型材挤压方法，适 合于国内许多中小型铝型材加工厂。宽展挤压金属的流动特点：一是使金属流动 的几何相似性增大，金属流动均匀，宽展导流板具有使圆挤压孔过渡为扁挤压孔 的功能，宽展率达15 - - - 2 5 ；二是导流板宽展孔周长增大和挤压死区增加，使 挤压摩擦阻力增大了2 0 2 5 左右，会影响挤压金属流动的均匀性。因此宽展挤压 的主要优点是：可以挤压比圆筒直径更宽的壁板或扁宽型材，模具容易加工，成 本低，省掉了设计和制造都很复杂、价格又昂贵的扁挤压筒；宽展模可以与平面 模，也可以与组合模配合使用，可在一般挤压机使用现有的工具正向挤压壁板或 扁宽型材。缺点是模子清理、修复比较困难，挤压力较一般挤压高2 0 左右，因 而很难挤压变形系数大，宽厚比大的硬合金壁板。 1 4 3 铝型材宽展挤压国内外研究状况 铝合金型材挤压技术在汽车、船舶、铁路、航空、航天等工业领域以及建筑 等民用领域越来越显示出其重要地位。目前，国际上铝合金型材挤压技术发展迅 速，各发达国家己装备了各种形式、各种结构、不同吨位的铝型材挤压机，铝型 材挤压正向大型化、复杂化、精密化、多品种、多规格、多用途方向发展，挤压 生产也同趋连续化、自动化和专业化。 6 高校教师硕士学位论文 挤压模具的设计和制造技术是铝合金型材挤压技术的核心，是保证产品形状、 尺寸精度和内外表面质量的最为重要因素。近年来，世界各国投入了大量人力、 物力和财力致力于挤压模具优化问题的研究。由于大型计算机的开发和应用， c a d c a m 技术的迅速发展，有限分析理论和使用技术的不断完善以及各种数值 模拟和物理模拟方法进一步使用化，为挤压模具优化设计的理论与技术的发展开 辟了道路，例如英国b n f 金属技术研究中心和美国哥伦布实验室研制的 c a d c a m 系统【l 卜1 2 j 可以提供模型进行设计。 大型复杂截面铝型材可广泛应用于飞机、汽车等交通工具中高强度结构零件。 目前，许多大型的、复杂的、重要的挤压工模具( 如大型圆挤压筒、多层组装式 扁挤压筒、多孔舌型模、大型空心壁板用平面分流组合模、异型空心型材的穿孔 系统、流线模角等) 的优化设计已获得了满意的结果。挤压模具优化设计的理论 研究与实用技术获得了重大进展，取得了一大批成果，有的已经规范化和系统化。 但到目前为止，在挤压宽展模具设计方面，还没有完整的理论体系，铝型材挤压 宽展模具的设计 1 - 1 3 基本上仍停留在以经验设计为主的层面。人为的主观因素在 设计方面起了决定性的作用。挤压宽展模具的好坏，主要凭设计者的经验，很难 从理论上预先进行验证，只有在模具投入生产以后，才能从产品的质量中得到评 价和分析，通过反复修模达到使用要求。而经验的积累通常是一种高成本、低效 率的过程。这必然增加模具设计和制造成本，并提高模具设计的风险。而且对于 形状复杂的大型复杂宽截面铝型材来讲，模具设计难度大，挤压过程中由于金属 流动速度分布不均匀，制品宜出现弯曲、扭拧等缺陷，从而影响产品的合格率。 随着计算机技术的不断发展，引入以计算机为工具的现代设计分析手段已成为人 们的共识，也受到世界各国尤其是发达国家的高度重视，在国外已有不少塑性模 拟商业软件推出，并在许多国家的研究部门和生产企业中得到应用。如应用 l a g r a n g e 算法的有限元软件d e f o r m 和应用e u l e r 算法的有限体积法软件 m s c s u p e r f o r g e l l 4 】等等。 经过优化的模具一般均能改善受