（材料加工工程专业论文）铝型材矩形管挤压模具的参数优化设计.pdf

摘要 摘要 目前，c a d c a e 技术作为能缩短产品开发周期的得力工具，被越来越频繁地引入了产品的设计与生产 各个环节，以节省人力、物力与时间，铝合金型材的挤压工艺也不例外 本文首先论述了平面分流组合模具的设计原则简单介绍了刚粘塑性有限元理论、有限元应用软件 d e f o r m * 3 d 以及金属流速的判据，分析了基于【| 霉g i 力学描述模型的有限元法模拟分流焊合的不足， 并寻求a i e 有限元( 即基于a r b i t r m 7 l 丑掣g i b l a n 力学描述模型的有限元) 方法来进行稳态过程的模 拟以得到有效的分析数据；文章还从工艺、几何等方面系统讨论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设计优化的参考条件；最后本文以a 1 6 0 6 3 矩形管型材的热挤压为研究对象，通过整合 实际设计经验并考虑塑性成形影响因素，利用v c 语言建立了a 1 6 0 6 3 矩形管型材平面分流挤压模设计模型， 通过输入管材截面参数得到模具设计参数，然后通过三维造型软件p f o ，e ng i n 吨q 建了该模具实体造型，并 利用刚粘塑性有限元仿真软件d e f o r m 0 3 d 采用ia 舯n g i 有限元法和a l e 有限元法进行了挤压过程的数 值模拟从模拟结果中清楚地获得了挤压过程中的挤压力行程曲线、应力应变分布以及各处的金属流速情 况，便于掌握金属流动规律，从这些分析结果入手对模具进行了更进一步的优化，实现了对铝型材矩形管 挤压模具准确快速的设计 本文对长宽不等的矩形管材用a l e 有限元法进行挤压过程的稳态仿真模拟，有效避免了l 丑争g i 有 限元无法处理分流坯料的焊合问题，此模拟只是分析挤压到达稳定阶段的情况，因为挤压过程大部分时间 处于这种状态，这对于模具设计来说更有代表性 关键词：平面分流组合模；矩形管；i a 臼g i a n 有限元；a i 卫有限元；数值模拟：金属流动； 稳态 东南大学硕上学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ea p p l i c a t i o no fa l u m i n u ma l l o yp r o f i l eh a sb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a ri nv a r i o u s a s p e c t s i n c r e a s i n ga t t e n t i o ni sb e i n gp a i dt ot h ee x t r u d i n gm e t h o db e c a u s et h r o u g hw h i c hi tc a l lm a k em o s tu o fm e t a lm a t e r i a l sa n dl e a dt oh i g he f f i c i e n c y t r a d i t i o n a l l y ，i nt h ep r o c e s so fa l u m i n u ma l l o ye x t r u s i o ni t d e p e n d sal o to nt e c h n i c a ie x p e r i e n c ea n dt r i a l - a n d e r r o r , t h u si ti n e v i t a b l yc a u s e sal o to fw a s t ei nl a b o ra n d m a t e r i a lr e s o u r c e s h o w e v e r ，w i t hm o r ea n dm o r ee x t e n s i v eu s eo f t h es o f t w a r eo fc a d c a ei nt h ep r o d u c t i o n p r o c e s st h i sp r o b l e mc o u l db er e s o l v e dt os o m ee x t e n t t h e ya r ef i r s td i s c u s s e di nt h i sp a p e rt h a tt h ed e s i g np r i n c i p l e so ft h ep o r t h o l ed i ea n db r i e f l yi n t r o d u c e s t h ev i s c o - p l a s t i cf n i t ee l e m e n tt h e o r y f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eo fd e f o r m 3 da n dm e t a lf l o wc r i t e r i o n i t p o i n t so u tt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d sd e f i c i e n c yi nw e l d i n gs i m u l a t i o nb a s e do nl a g r a n g i a nm e c h a n i c d e s c r i 【v i o nm o d e la n ds e e k sa l ef i n i t ed e m e n tm e t h o df i ti sb a s e do nm b i t r a r yl a g r a n g i a n - e u l e r i a nm e c h a n i c d e s c r i p t i o nm o d e l ) f o rs t e a d y s t a t ep r o c e s ss i m u l a t i o nt og e te f f e c t i v er e s u l t s i ta l s os y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e d h o wt e c h n i c so rg e o m e t r yf a c t o r si n f l u e n c i n gt 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 h c a l lb 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 f i n a l l yi tt a k e st h ep r o f i l ee x t r u s i o no fa 1 6 0 6 3r e c t a n g u l a rh o l l o w p i p e t h er e s e a r c ht h e m ea n db u i l d su par a p i dd e s i g nm o d e lf o ra 1 6 0 6 3r e c t a n g u l a rh o l l o wp i p ee x t r u s i o nd i e p a r a m e t e r sw i t hv cp r o g r a m m eb yi n t e g r a t i n gp r a c t i c a le x p e r i e n c e sa n dc o n s i d e r i n gf a c t o r sa f f e c t i n gm o l d i n g t h e nt h es o l i dm o d e lo ft h ep o r t h o l ed i ei se s t a b l i s h e db yi n p u t t i n ga 1 6 0 6 3r e c t a n g u l a rh o l l o wp i p es e c t i o n p a r a m e t e r si nt h ep r o e n g i n e e r a tl a s t , t h er i g i d - p l a s t i cf e ms o f t w a r eo f d e f o r m 3 di su t i l i z e dt on u m e r i c a l l y s i m u l a t e dt h ee x t r u s i o np r o c e s s l a 鲫g j a l la n dt h ea l ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da t eu s e d f r o mt h es i m u l a t i o n r e s u l t si tc l e a r l ys h o w si o a df o r m a t i o nc u r v e s t r e s s 。s t l 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 y t h e r e f o r ej ti se a s yt og r a s pt h ef l o wr u l eo f m e t a ls oa st of u r t h e ro p t i m i z et h ed i ea n dr e a l i z et h ep r e c i s ea n d r a p i dd e s i g no f e 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 rr e c t a n g l eh o l l o wp i p e i tm a i n l yc a r d e do u ts t e a d y s t a t ee x t r u s i o ns i m u l a t i o no fr e c t a n g u l a rh o l l o wp i p eb a s e do l la l ef i n i t e e l e m e n tm e t h o da n ds oi te f f e c t i v e l ya v o i d st h ew e l d i n gp r o b l e mt h a tt h el a g r a n g i a nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d d o e s n ts o l v e h e r eo n l yt a k e ss t e a d y s t a t ee x t r u s i o ni n t oa c c o u n tb e c a t l s em o s to ft h et i m ee x t r u s i o ni sa ta s t e a d ys t a t ea n ds oi t sm o r er e p r e s e n t a t i v ee x a m p l ef o rd i ed e s i g n k e yw o r d s ：p o r t h o l ed i e ；r e c t a n g u l a rh o l l o wp i p e ；1 2 e , r a n g i a nf i n i t ee l e m e n t ；a l 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 n ；m e t a lf l o w ；s t e a d ys t a t e 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： 葬- 谚1 日期： 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：丝导师签饼期：斧 第一章绪论 i i 挤压技术概述 第一章绪论 挤压是将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的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。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。挤压的成形速度范周很广，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、磨擦压力机以及高速空气锤上进行；挤压的成形温度范同也很广，它既可在常温、中温 一f 进行，也可在高温中进行。根据制品形状的要求，有各种与之相配的模具。挤压模具是挤压生产中最重 要的i = = 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、制品表面质鼍以及模具自身的使用寿命等都产生极大的影响i l j 。 挤压加r 在轻合金1 = 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j = 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i ：有下列特点1 2 1 ： ( 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1 = 金属本身的塑性。因此，用挤压法可加t 那些用轧制法或锻造法加工有困难其至无 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_ i j 铸锭直接生产产品的最优越的方法。 ( 2 1 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、带异性加强筋的整体壁板型材、形状极其复杂的空心型材和变截面管 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。异性整体型 材可简化为冷成形、铆焊、切削、化铣等简单的工艺过程，这对于减少设备投资、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1 = 灵活性很大，只需要更换模子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。这种加工方法对订货批量小、品种规格多 的轻合金材料加【生产厂最为经济适用。 ( 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。随着丁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、高质表面的型材。这对减少总工作量和简化工序，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，其挤压 制品在淬火时效后纵向强度性能( 以、g o ，) 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，模具费埘低、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。近年来，由于平面分流组合模的出现，通过焊合挤压法来生产复杂的空心铝 制品获得了广泛的应削。 而能源、环保、安全是当今关系剑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，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，锅型材越来越受到人们的青睐，其应用已普及到国民 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 东南大学硕t 学位论文 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、薄罐、高精、复杂的实心和空心犁材应运而生，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1 3 i 。 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 丁材中所占的比重增加很快。据报道，目前全球共装备有各种挤压机6 0 0 0 台左右。年产铝挤压材能力约 1 2 m t ，2 0 0 4 年铝型材实际产量约8 m ，涉及1 x 系到8 系的4 0 0 多种铝合金和3 0 多种热处理状态， 绝人部分为中、小犁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 k t 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 r a 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1 = 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、紧凑犁、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己淘汰日本已不再生产1 5i v l 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 5m 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1 0 0 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t ，其用途已从单一的国防军工，建筑业等扩展到 更加，“泛的领域。近年来，对铝合金大、中型工业用结构挤压材提出了越来越高的要求，不仅结构铝合金 品种增多质茸提高，而且需求数簟迅速增加。2 0 0 5 年需求量达1 0 0k t 以上。但我国目前大、中型挤压机 数量小，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 挤压材的需求，大部分依赖进口。铝合金挤压产品特别是大、中型上业用结构铝合金型材应用范围十分广 泛，市场容耸及市场满力巨大，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剑每年4m t 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壁铝合金管材、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，目前已抓紧在建十几条 3 5 m n 以上挤压生产线，这对国民经济的发展是十分重要的p j 。 1 2 课题相关发展概况 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己逐渐取得了很大进展，有限元法成为应用最广泛的数值 模拟方法，在铝型材挤压类塑性加工中也是如此。 荷兰的j z h o u ，l l i ，j o u s z g z y k 4 1 基于更新的拉格朗日法，用d e f o r m 一3 d 软件对实心十字形a 1 7 0 7 5 铝 合金犁材的整个挤压成形过程进行模拟，坯料初始高径比l d = 1 0 0 x 5 0 m m ，模具材料为h 1 3 。模拟预测的 挤压载荷一行程图与实际相符分析认为成形开始处于非稳态，逐渐转为稳态最后又进入非稳态，即使 在稳态阶段，变形体的速度、等效应变和温度分布也不是稳定的，温度在开始阶段上升较快，以后缓慢增 高。其结论对工艺改进有指导意义。 荷兰的t a p a sc h a n d a , j i ez h o u 等1 5 1 用d e f o r m 3 d 软件考察冲头等速和速度递减两种情况对a 1 6 0 6 1 铝合 金棒材挤压成形过程的影响，其模拟结果表明不变的冲头速度会使型材挤出时的温度单调上升；而冲头速 度逐级递减可使型材挤出时的温度达到一稳定值，这时挤压载荷、危险区域的拉应力和等效应变率也下降， 2 第一章绪论 从而提高了产品质量。 韩国的h h j o ，s kl e e 等1 6 1 认为工艺和模具的参数影响着材料的焊合性，而焊合性的好坏又决定型材的 质量他们用d e f o r m 3 d 对a 1 7 0 0 3 铝管分流组合模挤压成形进行模拟，研究金属的流动行为，得出了对 焊合性能较好的参数。 韩国的h y u mw o o s h i n 等1 7 1 则在1 9 9 3 年对非轴对称的挤压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。 自2 0 世纪6 0 年代开始，为了避免t l a g r a n g i a n 有限元中的网格畸变和e u l e d a n 有限元中难以描述自由边 界不足的弱点有学者提出了数值模拟流动力学问题的有限差分描述模型a l e ( a r b i t r a r y l a g r a n g i a n e u l e d a n ) ，它是l 扫n o r 和h i l t 等人以c o u p l e , de u l e r i a n l a g r a n g i a n 描述的名称提出的，其计算网格 划分是在参考构形中进行的，网格独立于物体和空间运动，可以根据需要自由选取，克服了传统有限元法 在某些方面的不足，己逐渐成为连续介质力学中运动描述的流行方法。进入8 0 年代以来，美 w i n gk a m l i u “，法国的f m a r t i n e t i 9 1 _ 手n 瑞典l 拘o l o v s s o nl i l l 等对a l e 有限元法用于分析塑性加工过程分别进行了探 讨，并利用g a l e r k i n 方法，推导了离散形式的求解方程，该方法综合t l a g r a n g i a n 和e u l e f i a n 方法的优点， 是数值分析各种复杂固体力学问题，尤其是大变形塑性加工问题的较为理想的方法。后来韩国的y a n gd y 开发了刚枯塑性有限元程序，程序中也采用a l e 描述进行网格局部细分，对铝型材挤压过程中的导流模、 挤压模具工作带和复杂空心型材的稳态模拟进行了研究j 。 国内的学者在这方面起步较晚，7 0 年代以来才出现一些相关文章，到9 0 年代才逐渐变得成熟起来。于 沪平i i2 j 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i ”i 等利片j 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e 【1 4 j 等采_ i j 二维刚一粘塑性有限元方法，对一典型锅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，这些模拟结果为铝型材挤压的模具设计和设备选取提供了重要的依据。 闰洪l l ”等在2 0 0 0 年借助a n s y s 软件对擘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【l “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 案及相关问胚的处理方法。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，缩短新成品试制周期。 大连铁道学院机械工程系的马思群，孙彦彬等【j 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：i ：艺实践具有指导作用。 福州大学机械r 程系的王伸仁，詹艳然等【l s l 以耦合的方式来处理体积成形过程中塑性变形和温度场之 间的相互影响和相互作用，开发了一套能进行热力耦合分析的刚塑性刚粘塑性有限元模拟软件 h f o r g e 2 d 并利用该软件对镦粗过程和模锻过程进行了数值模拟，揭示了成形过程中塑性变形和温度 场之间的内在联系。 上海交通大学国家模具c a d i 程研究中心的储灿东、彭颖红等【i9 l 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犁：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、应变场的温度场。 综上所述，利用有限元软件进行数值模拟，有利于工艺和模具参数的确定，减少了修模试模次数大 大降低了生产成本。由于在金属塑性成形过程中，金属内部产生的应力、变形与温度间有着密切的关系， 所以在本课题对a 1 6 0 6 3 铝合金矩形管平面分流组合模热挤压成形进行模拟时，需考虑热传导以更贴近实际 东南大学硕士学位论文 生产状况。该塑性成形过程的完整描述应包括：变形过程中的变形力学过程、机械能向热能的转化过程以 及热传导过程。 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产铝型 材，既节约金属义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。 而其中空心件在祭个铝制品的生产中则r 与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，其中有缝挤压是采用平面分流组合模来完成的本课题所研究的a 1 6 0 6 3 铝型材矩形管就是采用的平 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。 本课题将提出a 1 6 0 6 3 铝型材矩形管挤压模具的设计模型，对该系列管材的挤压模具进行较为快速而 系统的设计，并通过d e f o r m 3 d 软件运_ l j 刚粘塑性有限元法对模具进行模拟验证，针对模拟过程中所出 现的问题进行模具的进一步优化，真l e 地实现缩短生产周划降低生产成本。 课题的研究内容主要是根据刚粘塑性有限元法找出确定金属均匀流出模口的判据并从工艺、几何等 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冈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d e f o r m 一3 d 的模拟对该模 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：如果反之，模拟结果不理想，则反馈这些信息到模具上对模具进行修正，以实现其更进一步的优 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，在整个型材挤压领域都是起着举足轻重的 作_ i j 的。 铝型材矩形管挤压平面分流组合模具的结构主要包括分流孔、分流桥、焊合室、工作带等。合理地选 择这些结构设计参数，是矩形管能否顺利挤压成形的主要因素。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，不可避免地会造成人力、物力与时间的耗费，本文为提高平面分流焊合 挤压模的设计速度，缩短其设计周期，以a 1 6 0 6 3 铝型材矩形管的热挤压为研究对象，综合挤压模设计手册 资料并整合实际设计经验，利用v c 语言编制该平面分流组合模的设计模型，以达到利用矩形管型材的截面 长、宽、厚等参数直接得到模具合理的基本结构参数的目的：然后再利用c a d 进行实体建模并结合塑性成 形影响因素进行初步的优化以期利用数值模拟进行模具的参数验证及进一步的优化。 目前尽管对挤压成形工艺进行数值仿真的技术已经得剑越来越多的应用，比如对普通实心型材、对称 性非常好的圆管及方形管空心型材等的挤压模拟。但由于成形的复杂性，由数值模拟来对三维挤压分流焊 合过程进行模拟研究的报道尚属少见比如对矩形管型材分流焊合的挤压过程。文中尝试用晟新的塑性成 形模拟软件d e f o r m 一3 d ，分别采用普通的l a g r a n g i a n 有限元方澌 i a l e 有限元法对由快速设计模型得到的 两个规格的a 1 6 0 6 3 矩形管材挤压模具进行模拟验证及优化。本文针对长宽不等的矩形管材的挤压。在模拟 非稳态过程中的焊合失败以后冈为考虑剑挤压过程大部分时间处于稳态阶段所以研究稳态挤压阶段对 于模具设计来说更具代表性的，故这里主要利用a l e 有限元法进行挤压过程的稳态仿真模拟，此方法从流 体力学中近似地引用过来，能有效避免l a g r a n g i a n 有限元无法处理分流坯料的焊合问题，得到稳态过程的 分析数据也为该模具的优化设计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 铝型材矩形管的热力耦合挤压为研究对象首先编制其平面分流组合模模型的设计流程 4 第一章绪论 框图利用v c 语言建立该模型：接着在模型对话框中输入具体矩形管型材截面参数得到该管材模具设计参 数并利h j c a d 软件进行该模具的实体建模；最后把该模具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! 1 纳影响犁材挤压金属流动的几何、工艺因素在前人分析的基础上，再设计实验方案利用 d e f o r m 一3 d 进行数值模拟探讨出犁材截面形状因子对挤压难易徉度的影响、流线入口较平底模入口对挤 压力等的影响及焊合室高度对金属流动和分布的影响，为模具优化提供参考。 2 )铝型材矩形管挤压模具设计模型的建立 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，综合挤压模设计手册资料 井整合实际设计经验，编制a 1 6 0 6 3 铝型材矩形管平面分流组合模设计模型的程序流稃框图利用v c 语言 建立该设计模型，达到利用人机对话界面输入铝型材矩形管的截面长、宽、厚等参数直接得到模具合理的 基本结构参数的目的。 3 1 几何建模 本文将使用三维制图软件p r o e n g i n e e r ，对由上述模具设计程序得出的模具结构参数进行模犁的构建， 主要绘制模具的二维工程图、零件图与装配图并利用装配i 呈i 绘制a l e 有限元模拟所需稳态挤压状态的坯 料零件图，并结合塑性成形影响因素对模型进行初步的优化以期方便划分网格利用数值模拟较为顺利地进 行模具的参数验证。 4 ) 实验方案 本文主要对铝犁材挤压工艺及较大挤压比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 生产用铝犁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，为此类新材料的加工生 产提高效率。 本文在仿真模拟阶段拟采用三种方案：首先利用一个长宽相等的矩形管璋! 材即方管犁材来验证该模具 设计模型，因为方管型材截面的几何对称性可以避免矩形管犁材挤压中无法解决的焊合问题，所以能直接 利用l a g r a n g i a n 有限元方法对方管的挤压直接进行模拟分析；第二种方案也利 j 传统的l a g r a n g i a n 有限元 方法进行长宽不等的矩形管非稳态挤压过科的模拟，在焊合阶段之后发现网格严重畸变计算失败导致仿 真过程终止，但在开始挤压至快要焊合的阶段还是我们分析金属流动的宝贵材料；第三种方案即为了有效 避免焊合问题，且考虑模具设计的意义更多在于稳态挤压过程的分析，所以采用a l e 有限元法对矩形管 挤压稳态过程进行计算模拟及结果分析。 因为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d e f o r m - 3 d 对挤压工艺过程进行模拟，然后对后处理 中得剑的挤压过程的挤压力行程曲线、静水压应力、等效应力应变、金属流动的速度场以及温度分布在 所有分析结果的基础上，对由该设计模型得出的模具设计参数进行验证及进一步的优化。 第二章空心型材挤压基本工艺分析 第二章空心型材挤压基本工艺分析 2 1 空心型材的应用及其挤压技术 目前铝合金挤压型材的品种规格大约有5 万种以上，根据其横断面形状可以分为三大类，即实心型材、 半空心型材和空心型材，如图2 - l 所示。利用空心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，空心型材显著的降低了金属消耗，提高了结构材料的金属指标，减少了机械加工的劳动量1 2 0 l 。 lu 同同回凸 ( a ) 实心型材( b ) 芈空心型材( c ) 空心型材 图2 - i 型材按截面分类图 由于具有诸多优点，锅合金空心型材在石油加工、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心型材 制造装潢部件和建筑结构件( 窗户镶玻璃的部件、门的部件，间擘部件、吊顶天花板部件、门框窗框部件、 内部窗帘架部件、家具部件等) ，使犁材品种显著增加，产晕急剧上升。 由于使川部】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心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 ) 对于像空心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； ( 4 ) 产品尺寸精度高表面质鼍好； ( 5 ) 挤压薄擘空心型材时，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。 由此可以看出，挤压是生产空心型材较完善的方法。空心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心型材，对于一般的空心型材，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。 表2 - i三种组合模的特性比较表 模子加工可否连 模具结构挤压性产品合格率适用范围 难易程度续挤压 叉架分流模一般良困难可适用干宅心部分大的型材 桥式模优良稍低一般否主要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开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 余鼍，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_ 条件。由于平面分流模的广泛应用， 平面义架模在挤压一般断面形状的空心型材和焊合管材时应用并不广泛。但是，在用于小断面空心型材和 6 东南大学硕t ：学位论文 焊合管材的多孔挤压与用于挤压比很小的断面空心型材挤压时，平面叉架模如图2 - 2 有它独特的优越性： 模套 焊合腔模于模芯 焊合垫 ，二；牛： 7 ，分流孔 麝j ，、，、 斗j # * d ) 。q ) 、飞、，。一i ，f ，。 ，?。；= _ j ? 、= = 土= 。 r 乜 k 一、 燕6 。、网 ( a ) 正视图( b ) 俯视图 支撑柱，2 - - 模桥( 分流器) ，3 - - 组合针( 舌头) 。4 - - 模子内套5 - - 模于外套6 - - 焊合室 图2 - 3 桥式舌形模 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心型材，特别是民用建筑空心型材 7 第一二章空心型材挤压基本工艺分析 二 ，一。 ，、 ， - 。一一 r ，_ | l 一、 、 r r 模外套。2 一分流桥，3 一模芯，4 - 焊台室 图2 - 4 一、 一 7 fi 零一 一一一 ；r _ 7 l 一上l 7一 ”。，7 8 5 一模于，6 一分流桥7 一分流孔，8 挤压制品 平面分流模 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山而形成符合一 定尺寸要求的管材和空心犁材口“。 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心型材和管材，也可同时生产多根空心制品，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心型材； ( 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心型材容易成型； ( 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心制品，且能够保证有足够的变 形鼍。 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，特别是对于多孔空心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，而且不便于修模“。 2 2 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 j 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。 8 东南大学硕士学位论文 2 2 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 ) 高导热性； ( 9 ) 抗反复循环应力性能强； ( 1 0 ) 具有一定的抗腐蚀性和良好的可氮化特性： ( 1 1 ) 具有小的膨胀系数和良好的抗蠕变性能； ( 1 2 ) 具有易于熔炼、锻造、加工和热处理等良好的工艺性能； ( 1 3 ) 尽可能价廉物美。 由于分流模挤压时金属的流动十分复杂，为保证挤压制品的质晕同时节省分流模用料，降低成本， 必须采用合理的模具材料。目前，比较理想的材料是美国的热作模具钢系列( 简称为h 系列) 中的铬系 ( h 1 0 h 1 9 ) ，由于它具有较高的强度、韧性、同时具有较高的红硬性及热强性，已经被广泛用作铝合金 热挤压模具钢国内也止在研制相应的钢种，如4 c r 5 m