大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压模具设计关键技术.

1、大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压模具设计关键技术 莫建虎1李落星1李光耀2钟志华21. 湖南大学材料科学与工程学院长沙4100822. 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082摘要：模具设计是大型整体壁板和空心薄壁铝型材制造的关键技术，传统的模具 设计主要依靠人的经验和反复试模与修模来完成。计算机技术和塑性加工技术的 发展，促进了挤压模具CAE技术的发展。本文总结了大型整体壁板和空心薄壁 铝型材的模具设计方法，以及各种 CAE技术在模具设计中的应用，最后提出了 关于此类研究的发展瓶颈和发展方向。关键词：大型整体壁板空心薄壁铝型材模具设计CAE技术中图分类号：TG3760前言随

2、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和整体 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。车 辆轻量化，特别是高速双层客车和地铁列车的轻量化是铁道运输现代化的中心议题 而大量采用铝合金材料是提高车辆轻量化的最有效的途径，其主要的方法就是采 用大型整体壁板和空心薄壁铝合金型材。为了适应这种市场需求趋势，各国都在 加速建设重型挤压机或大型型材挤压生产线。大型的整体结构部件，过去用数块小型材组装拼接而成，或用轧制板材弯曲加工而成，而用大型整体壁板铝型材代 替之后，可以节约模具设计、制造费用，提高挤压生产效率；使机械部件的结构 变得更加合理，改善结构的工

3、艺性；密封性好，可获得完善的部件表面。大型材多采用正挤压生产，需要大型的挤压机，大型的工模具（挤压筒、挤压模等）以及大型 的生产设备。其技术特点是：采用挤压性能好、强度适中、耐腐蚀性能和焊接性优 良的铝合金，采用大型卧式油压机，采用高比压的圆挤压筒和扁形挤压筒，以及 开发适合于大型断面的挤压生产工艺和模具技术。大型铝合金型材断面形状复杂，长度可达 30m,是多功能的集合体。挤压成形过 程非常复杂，大型整体壁板和空心薄壁铝型材的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 部分的金属流动不均匀，造成在挤出模孔时就越容易以不同的速度流出，从而使

4、 型材产生扭拧、波浪、弯曲以及裂纹等缺陷而报废，模具也极容易损坏。另外在 以往的设计中靠经验居多，然后进行重复的修模试模，多者超过5-7次，造成模具成本高到不可接受。1大型整体壁板和空心薄壁铝型材的模具设计1.1大型整体壁板的挤压特点及挤压方法铝合金挤压型材的 大型”或 小型”主要是以其外形尺寸或断面积界定。一般来 说，大型型材应满足以下条件1: 型材的宽度或外接圆直径大于250mm； 型材断面积大于20cm2; 型材交货长度大于10m。 799壁板是车辆的一种结构单元，具有材料分配合理、自重轻、结构效率高、表面光 滑、气动外形和密封性能好等优点。大型整体壁板是一种断面宽度很宽，厚度很薄（即断

5、面宽厚比很大），带有纵向 筋条等的特殊型材，用来作为新型的整体结构材料。根据断面形状和生产难易程度不同，大型整体壁板可以分为三类：对称型壁板，即壁板的筋条相对于垂直于板面的轴线呈对称分布，如图1所示。不对称型壁板,即壁板两侧的筋条的数目、尺寸不相等，甚至筋条集中于 一侧，另外一侧完全没有筋条，如图 2所示。 完全不对称型壁板，即沿壁板宽度方向上底板有明显的截面形状与尺寸变化， 如图3所示。3061201对称型壁板图2不对称型壁板图3完全不对称型壁板因为大型整体壁板型材的宽厚比大，一般在 50100以上2，形状复杂，单位横 截面上的表面积又很大，所以可挤压性比较低。尤其是宽厚比大于100m m,

6、宽度大于800mm，壁厚小于3mm，长度大于10m的壁板，挤压时必须采用一些特殊 的工艺措施和特殊结构的模具，才能生产出合格的产品。大型整体壁板型材挤压成产的方法很多，根据产品的种类、规格、合金牌号等不 同，可分别采用圆挤压筒挤压法、扁挤压筒挤压法、宽展模挤压法等。1）圆挤压筒挤压法：用实心圆坯挤压扁平型材的壁板是最简单的方法。主要缺点是限制了挤压壁板的宽度。计算结果表明，在 80MN挤压机上可以用硬铝合金 （2024、7075、5A06等）的实心圆坯生产宽度不超过 460mm的壁板，用软合金（6061、6005、6063）实心圆坯生产宽度不超过 650mm的壁板3。2）扁挤压筒挤压法：采用扁

7、挤压筒挤压，是扁平壁板型材的先进生产方法之一，图4为扁挤压筒挤压壁板的示意图。800图4扁挤压筒挤压法用扁挤压筒挤压壁板的最大允许宽度取决于挤压机的结构特征，而不是挤压力的 限制。用扁挤压筒挤压可获得宽度范围内腹板厚度不同而截面不对称的壁板，而 且加强筋的高度和形状不受限制。用扁挤压筒挤压大型整体壁板的主要优点是3:a可以获得具有不同形状横截面的壁板和型材，其中包括对称性很差的壁板和沿 其宽度方向的腹板和加强筋的厚度有急剧变化的壁板；b可以在主柱塞行程受研制的简单型棒挤压机上进行挤压；c由于挤压是在无润滑的条件下进行的，壁板表面质量高；d精整处理相当简单，可以采用挤压车间的普通设备进行精整；用

8、扁挤压筒挤压大型整体壁板的主要缺点：a壁板宽度仍受到限制，一般不超过挤压筒外径的 3040%;b制品的流出速度低，生产效率低；c挤压筒的寿命相当低。3) 宽展模挤压法：宽展模挤压是一种新型的挤压方法。该方法的实质是在圆挤压筒工作端前加设一 个宽展模，使圆坯进行展宽成近似于型材截面的预变形，厚度变薄，宽度逐渐增 加到大于圆挤压筒直径，起到扁挤压筒作用的一种挤压方法。如图5所示为宽展模挤压原理图。12 545 6789101压型嘴2后环3中环4前环5型材模6 宽展模7挤压筒8坯料9 挤压垫10 挤压轴图5宽展模挤压原理图采用宽展模挤压法可以生产宽度比圆挤压筒直径Dt大1030 %的壁板型材，宽展率

9、(B2 -B1)/ B1 W0%以1530%为宜，宽展角一般取1545,常用2030o,出口宽度一般取比型材的成形模最宽处大20mm左右。但宽展模挤压的缺点是，总挤压力比一般挤压时增高 2530%,因此生产挤压比大、长度尺寸大的 硬铝合金扁平壁板时比较困难4。1.2大型整体壁板挤压模具的设计根据大型整体壁板的种类、规格、被挤压的合金以及挤压方法的不同，应选择不 同的模具结构。常用的有扁模结构系统、圆模结构系统、宽展模结构系统、分流 组合模结构系统以801及带筋管挤压工具结构系统等。一般采用分流组合模、宽展模和导流模等。1.3空心薄壁铝型材的挤压特点及挤压方法型材的宽厚比（即型材的宽度 W与壁厚

10、t之比W/1）是表征型材扁宽化和薄壁化的 重要指标，也是反映型材加工难易程度的主要指标。当 W /1三130时，在现代挤 压技术条件下，能较顺利地生产出合格地产品；若当 W /1 130时，贝冋能由于 成型困难，断面尺寸各形状精度难于保证等原因，使产品质量大为降低，生产率和成品率急剧下降，生产成本大为提高3。空心薄壁铝型材根据型材的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6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，空心型材显著地降低了金属消耗，提高了结构材料的性能 指标，减少了机械加工的劳动量。LUI实心型材00III空心型材图6型材按截面

11、分类图空心薄壁铝型材的挤压方法可以采用大型整体壁板的方法，即采用圆挤压筒挤压 法、扁挤压筒挤压法、宽展模挤压法等。另外，还有穿孔挤压法。1.4空心薄壁铝型材挤压模具的设计1.4.1平面分流组合模的特点和优点 空心薄壁铝型材一般采用分流组合模、宽展模、穿孔挤压模，另外还有大悬臂半 空心型材模、阶段变断面型材模等。由于分流组合模具是最常用的，在这里对此 类模具的设计作一介绍。平面分流组合模（简称分流模）结构特征如图7,是在桥式舌形模基础上发展起来 的，实质上是一种改进，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

12、空心型材。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7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出，而形成符合一定尺寸要求的管材和空心型材5。分流模挤压法的主要优点是：8021）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

13、，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，成材率高；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30- 40%，比桥式舌形模高15-20%, 般

14、只限于生产软铝合金。4）残料分离不干净，有时会影响产品质量，而且不便于修模。1.4.2平面分流组合模的主要结构要素设计分流模的主要设计要素有分流比、分流孔的形状、大小和布置位置、分流桥、模 芯、焊合室、工作带、模孔空刀的结构形状和尺寸等。1.5国内外对大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压模具设计的研究大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压模具由于具有复杂的结构，一般都是靠人工 经验，反复修模和试模，最后设计出合理的模具。国内外对大型整体壁板和空心 薄壁铝型材挤压模具设计进行过一定的研究：韩国Jung Min Lee等7对空心薄壁铝型材挤压进行了研究，对金属流动、焊合 力、挤压力、芯模的偏转作了深入探讨。

15、结果表明，焊合室高度和焊合室底部斜 度增加越多，由于内部巨大摩擦和内部坯料大的剪切变形挤压力变得更大；在空 心模具挤压过程中，由于在分流阶段分流桥的弹性变形而造成的舌芯的偏转，舌 芯工作带提前表现出扇形成形。意大利L. Donati8对空心薄壁AA6082铝合金挤压型材的模具设计、产品质量和 生产效率进行了研究，并对通过具有中心焊合线的模具在不同的分流孔长度、焊 合室高度、坯料温度合挤压速度下的挤压产品分别进行了力学性能的测试。结果 表明大尺寸的分流孔允许在高的挤压速度下有高的生产速度和更宽的挤压情况变 化。但它要受到分流模的分流桥的尺寸限制。相同的效果可以通过增加焊合室的 高度来获得。，国内

16、西南铝业刘静安等910对车辆铝合金大型材模具的设计与制造工艺研究， 以典型的难度较大的底板型材GDX-11为例，对大型模具的结构参数和尺寸设计进行了深 入分析，并对模具材料、热处理工艺、模具制造工艺和修模等进行了讨论。研制 出了合格的GDX-11铝合金大型材。但基于多次修模，成本及时间花费很大。型 材断面和分流模分别如图8和图9所示。803518图8 GDX-11型材断面图 图9 GDX-11型材分流模设计图,西南铝业刘静安，邓小三等1112对地铁车辆用6005A大型铝合金型材的研制 与开发。研究了 6005A- T6铝合金大型材的技术要求，化学成分和挤压工艺、热处理工艺优 化等问题。制定出了

17、合理的生产工艺，并成功地研制出供车辆使用的6005A2T6大 型特种型材。最后得出大型 6005A- T6铝合金空心型材的主要生产工艺参数如 下：优化合金成分，控制 Mn和Cr的含量；铸锭均热后进行快冷处理；挤压温度 530550E ,挤压筒温度490500E ,模具加热温度490510C，挤压速度1 3m/min;制品出前梁后立即进行在线淬火,对于壁厚2.5mm以下的型材可考虑用 强风冷却淬火，壁厚2.5 mm以上的型材必须用水雾淬火处理；制品经拉伸矫直，拉伸率1.0%2.0%;制品经人工时效处理，时效制度为175C8h;时效前型材的停 放时间不超过8h。山东丛林集团安学利等13对地铁特宽空

18、心型材模具设计与挤压工艺进行了研 究。详细介绍了地铁特宽空心型材模具设计、挤压工艺，尤其是横向平直度控制的技术关键是控制金属质点的均速流动和随机淬火温度520C,挤压速度23m/min的控制，对高速列车用特宽及大型铝合金空心型材的批量生产具有指导意 义和典型产品的代表意义。东南大学刘伟14对最宽处达136mm,壁厚2mm的6063铝合金空心薄壁型材进 行了研究。通过三维造型软件 Pro/E ngi neer创建了多腔壁板铝型材平面分流组合 模型，利用刚塑性模拟软件对型材挤压过程进行了模拟，得出了工作带长度与金 属流速的关系以及局部挤压比、模孔位置、模孔的挤压带面积和工作带长度之间 的关系，从而

19、实现了对模具参数的优化。如图10图12。(a)三维模型图(b)型材截面图 图10多腔壁板型材图8043E图11实际挤压模上模分流孔宽展图 图12实际挤压模上模分流孔入口珠江钢管集团黄克坚等15利用有限体积数值模拟技术到宽展挤压模具设计中， 在MSC Superforge商业应用软件平台上,对某公司宽厚比为80的铝型材产品 FD- AWDD 7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，利用这种技术指导一般的非空心型材挤压模具 设计在生产上是可行的（图13和图14）。图13 FD AWDD 7型材产品截面图 图14 FD AWDD 7型材制品,上海交通

20、大学陈泽中等1617对大宽厚比薄壁异型材（壁薄w 1.2mm最薄只有1mm）挤压多工艺参数优化研究。在应用型材挤压 CAD /CAE技术建立型材挤压CAD模 型，并对其成形过程及其参数变化规律进行 CAE仿真的基础上，采用基于正交 试验、人工神经网络和遗传算法的型材挤压多工艺参数计算机辅助优化技术建立 型材挤压多工艺参数与挤压质量间的关系映射模型，并预测不同参数值搭配对挤 压质量的影响，进而确定多工艺参数最优解。试验证明取得了良好的效果（图 15 和图16）。/2-斤05/ 2-/?L 01/It未注壁厚K 20nun32. 7019.402 一 RO. 6a6-waO图15大宽厚比薄壁型材截

21、面图 图16模具优化后生产的产品南昌大学郑荣等18对空心薄壁铝型材导流模的设计进行了研究。通过正交法把 由经验公式和工艺要求确定的初步模具参数设计成实验样木。基于此，以UG为平台进行模具CAD造型，然后导入有限元软件 SuperForge模拟，得到SDV值作 为优化变量，最后用神经网络建 805立模具参数的数学模型，遗传算法优化模具参数。由此设计出的模具一次试模成 功，为设计导流模提供了一种行之有效的方法。西北工业大学刘汉武等19在VB开发环境下开发了铝型材模具交互式参数化实 时设计系统,可实现对铝型材挤压模具强度进行有限元分析的实时处理、人工神经 网络技术与遗传算法相结合的结构优化及基于智能

22、化语言Auto LISP的参数化程序绘图。并对一大型空心薄壁型材挤压模具的设计作为范例，系统功能强，模块通用性好，图形库扩展性强，对实际铝型材挤压生产过程有重要的指导意义。2大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压模具 CAE技术从前面可以看出，目前我国挤压模具设计还停留在传统的依靠工程类比和设计经 验的积累上，所设计的模具必须经过反复的试模和修模来调整工艺参数，造成企 业经常停工待模，生产能力低；另外，造成挤压产品质量不高，降低安全性和使 用寿命。改进传统的模具设计方法已经成为发展大型整体壁板和空心薄壁铝型材 的迫切需求。而CAE （计算机辅助工程）技术的产生，给挤压模具的设计带来了 革命性的改变。

23、铝型材挤压模 CAE技术是利用CAD中建立的挤压产品模型、结 合挤压工艺与控制参数、完成其成形过程分析和相应模具优化设计的一种数值技 术20。目前，国内外对大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压模具CAE技术的研究主要集中在利用有限元法（FEM）、有限体积法（FVM ）、有限元与有限体积 法分步进行和ALE有限元法进行数值模拟。应用数值模拟方法对铝型材挤压的 变形、温度场、摩擦与润滑等问题进行分析，在此基础上对挤压模具进行优化设 计与开发。2.1有限元法有限元法采用更新的Lagrangian方法。在更新的Lagrangian方法中计算网格固定 在物体上随物体一起运动，即网格点与物质点在物体的变形过程

24、中始终保持重 合，简化了控制方程的求解过程，得到了广泛地应用。但是在大型整体壁板和空 心薄壁铝型材挤压过程中产生大变形，有限元网格出现严重扭曲畸变，不仅需要 网格重划分，而且严重地影响结果的精度，另外所需划分的网格数量大。因此目 前很少人用这种方法研究大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压过程和模具设计优 化。上海交通大学周飞等21对薄壁型材挤压过程分别用有限元软件和有限体积法软 件进行了研究，型材截面如图17所示。对比模拟结果表明，FEM计算效率高，但在 模拟终成形阶段时，由于频繁的网格再划分，造成模拟结果严重失真；FVM避免了 网格再划分问题，模拟精度高，但计算时间长。提出了采用FEM模拟铝型材

25、挤压预 成形,FVM模拟终成形的复合模拟方法，解决了料厚而壁薄这类铝型材挤压成形的 数值模拟问题。图17薄壁型材的横截面2.2有限体积法806有限体积法采用Eulerian算法，在Eulerian算法中网格固定在空间中，即计算网 格在物体的变形过程中保持不变，对处理大变形问题比较理想。所以，针对大型 整体壁板和空心薄壁铝型材挤压过程和模具设计优化国内外学者进行了很多的研 究。有限体积法的缺点是在FVM模拟中,有限体积网格需要事先占据材料所要经过的 所有空间.对于大型整体壁板和空心薄壁铝型产品，需要划很多的网格，而且网格 划分很细，因此采用FVM模拟会占用大量计算机内存，如果对成形进行一步模拟

26、往往会因为内存不足导致计算无法进行下去如果采用较粗网格，虽然占用内存少 但是模拟精度又不能得到保证。模拟效率较低，另外对处理移动边界和互相作用 问题也十分困难。上海交通大学李大勇等22对薄壁铝型材挤压用有限体积分步法进行了模拟，建 立了铝型材挤压成形有限体积法分步模拟系统，研究了有限体积分步求解方法关 键技术,实现了各分步有限体积模拟系统的数据传递和信息继承。在每一分步计 算中，占用相对较少的计算机资源，可划分更为细致的有限体积网络。利用该方法 成功地模拟了薄壁类铝型材挤压成形过程，并对成形中应力、应变及温度场分布 的演化进行了分析。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

27、的有效方法。，南昌大学黄克坚等2324利用有限体积法对卷闸门用铝合金薄壁型材的挤压变 形规律进行了研究，然后优化模具的设计。通过 6063铝合金坯料在挤压模具中变形的过 程模拟，分别得到不同时刻的、与实际情况接近的材料变形的速度场、温度场 等；该模拟结果反映了挤压时金属的实际变形规律（图18和图19）。图18 FD-JLB8001产品图（比例：1： 4）Material FlowE7 nun sec3 637H- 2.72S 1.819*- 0,9090.000Max. 3.637E+002Min. O.OOOE+OOO图19优化后的Z向金属流动速度OngHialMikiificdMrdifi

28、rdOngtnat山东大学吴向红等25对空心薄壁铝合金管材挤压过程进行了数值模拟与模具的 结构优化（图20图21）。用基于有限体积法的 Msc/SuperForge软件模拟了空 心薄壁铝合金管材，模拟显示使用初始设计的模具在出模口横截面上金属的流动 是不均匀的。对三种不同修改方案进行模拟后得出优化的模具，即修改上模分流 孔内斜度角度，如图21所示。807图20优化前后的上模设计70ckiin chamber图21下模设计2.3有限元与有限体积法分步进行有限元法和有限体积法有自身的缺点难于克服，因此有学者研究出一种结合两者 之长的方法来解决挤压过程模拟。上海交通大学周飞26提出采用有限元法和有限

29、体积法相结合、基于统一求解模 式的复合模拟方法，即采用有限元法模拟挤压预成型，采用有限体积法模拟挤压 终成型的方法，来解决复杂薄壁铝型材挤压的数值模拟问题。并对窗户锁扣型材 地平模挤压和圆管型材地分流模挤压成形过程进行了数值模拟，模拟结果和实际 生产证明了该复合模拟技术的高效性和实用性。中南大学罗超等27对薄壁铝型材挤压成形的一种有效模拟方法进行了研究。基 于大变形弹塑性有限元理论和有限体积法基本原理，建立金属塑性成形的弹塑性 UL有限元列式以及塑性流动中的有限体积控制方程.提出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，建立铝型材挤压成形有限元与有限体 积法复合模拟系统，对铝型

30、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。2.4 ALE有限元法近年来，ALE有限元方法(the Arbitrary Lagrangian-Eulerian)被引进用来处理金 属的大，变形成形研究2829。ALE有限元方法在材料构型和网格构型的同时，引入参 考构型，使得网格和材料运动分离，存在一个对流运动。这样，ALE有限元方法充分吸收了更新的808Lagrangian方法和Eulerian算法各自的优点，同时将它们的缺陷降至最低，这样 在保持表面的节点接触边界时能减少网格的畸变，从而不需要网格重划分，计算 量大大减少，有效地解决了挤压大变形问题。国外应用ALE有限元法对大型

31、整体壁板和空心薄壁铝型材挤压模具进行了研究。通过ALE算法，分荷兰H.G.Mooi等30对大型薄壁圆管金属分流和模具变形做 了研究。析了铝合金挤压的模具设计和控制参数。使用二维计算可在允许范围内确定挤压 过程中施加在模具上的正应力和剪切力，模具的变形主要是弹性，而永久变形可 以归为蠕变。，荷兰J丄of3132对复杂薄壁铝型材挤压模具的工作带区域金属流动做了数值模 拟研究。利用弹塑性本构模型，用 ALE有限元算法，对二维挤压中的材料行为、摩擦系 数、工作带长度和工作带角度做了详细的研究。结果表明在粘塑性和弹粘塑性模 型下，平行工作带处几乎没有塑性变形，所以弹性变形起主要影响作用；工作带 的长短影

32、响接触的发生。，荷兰J丄of等3133对复杂薄壁铝型材挤压进行了有限元模拟。在前处理阶段 通过使用一种等效载荷模型来代替真实载荷，从而减少了单元的数量和运算时间。采用 ALE有限元算法对挤压过程进行了数值模拟，使得设计的模具与生产实际结果一 致。韩国D.Y.Yang等34利用ALE有限元方法对多种热挤压复杂铝合金型材生产工 艺进行了模拟，获得了模具设计参数。分析了各种模具设计参数，如分流孔、分流 桥和分流模对产品的质量的影响。模拟结果显示，相对变化的模具工作带和分流 导向会使金属变形区有更加均匀的速度分布。见图22。图22轨道车辆下框横截面韩国D.Y.Yang等35利用ALE有限元方法对多种三

33、维复杂薄壁铝型材挤压生产 过程进行数值模拟，并优化了模具的设计，分析了挤压产品的力学性能。模拟结 果显示，优化的模具工作带和分流导向可使金属变形区有更加均匀的速度分布。 从力学性能和织构演变的角度通过材料性能来控制生产更好的型材。以上的研究主要针对于铝型材挤压成形过程中工件的变形模拟及分析，研究工件在成形过程中的应力应变、位移、温度和摩擦等的分布特点及变化规律。但是对挤 压模受力变形的研究很少；在模具工况分析的基础上，采用有限元模拟软件对铝型 材挤压过程中模具的变形进行模拟分析，如模具表面力的分析、温度的分布情况、 疲劳强度等，并以此进行模具优化的研究更是很少。3存在的问题与展望3.1存在的问

34、题1）大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压模具设计还是离不开经验和传统设计方 法。2）CAE技术由于自身的缺陷，不成熟，还有许多技术问题不能很好地解决。3）没有建立统一的挤压技术基本数据库。3.2展望1）大型整体壁板和空心薄壁铝型材挤压专家系统的建立：针对大型整体壁板和 空心薄壁铝809型材的特殊性，建立CAD/CAE/CAM/CIMS系统有机结合的专家系统体系，使得 模具的设计更加合理与科学。三维图纸建立后能贯穿整个过程。2）对金属挤压过程进行模拟分析，参数化的确定各部位各形状的金属流动情 况。根据型材的形状和金属流动的参数化值能高效的确定模具的各个参数，这样 可以充分利用好CAE在模具设计中的

35、优势并能避免其劣势，实现挤压模具高效 和准确的设计。同时可以实现经验设计向参数化设计的有效转变。3）数值模拟中边界条件，包括摩擦和热边界条件能充分的确定。计算算法和计 算机性能能够得到提高。4）宏观挤压工艺，微观组织变化和力学性能之间关系的确定，建立一定的准 则，为高质量的生产直接作指导。5）提高模具材料的性能，优化挤压生产工艺达到简化模具设计的目的。（如对 于半开口式中空型材如果减少了挤压力可以不用选择分流模挤压）。参考文献1刘静安,王嘉欣.大型铝合金型材及其用途.有色金属加工，2002（6）:40-46.2王均,刘全坤.铝型材整体壁板挤压的进展和应力分析及举措.黑龙江科技学院学 报,200

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