型材宽展挤压的数值仿真

1、2003年 MSC.Software 中国用户论文集型材宽展挤压的数值仿真黄克坚 包忠诩 周天瑞 黄智超南昌大学 机电工程学院型材宽展挤压的数值仿真Numerical Simulation For Aluminium Profiles Processed By spread extrusion Forming 黄克坚 包忠诩 周天瑞 黄智超 (南昌大学 机电工程学院) 摘 要： 基于MSC.SuperForge软件平台，对宽展挤压中金属材料在模具内的流动进行了数值模拟分析，研究了宽展模具参数：模具入口宽度、模具出口宽度、宽展模高度以及工作带基准长度和模孔位置等因素对金属流动的影响，从而为优化模

2、具设计提供了重要的参考依据。关键词: 挤压模拟 MSC.SuperForge 宽展模具Abstract: Based on a new metal formig simulation package,MSC.SuperForge ,the flow of materials inside the die during the spread extrusion formig has been analysised . The die parameters including the inflow width of spread cavity ,the outflow width of sprea

3、d cavity,the height of spread cavity ,the length of the based working land and the flowing position_settings of the aperture for the shaping of a product,which influence the distribution of the velocity of metal flow along the working land outflow side, has been investigated. As a result of it, the

4、data from that numerical simulation technology has a significant contribution to the optimizing design for the extrusion die. Key words: extrusion forming, simulation，spread die1引言带筋壁板是一种宽厚比很大（一般在50以上），带有纵向筋条的特殊型材，可采用宽展组合模具在吨位较小的挤压机上进行生产，但这种铝型材形状复杂，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，制品易出现弯曲、扭拧等缺陷，从而影响产品的合格率

5、。利用数值仿真技术可预测金属成形过程中金属流动速度的分布规律，对指导挤压模具设计工作具有重要意义，一直以来，也是挤压模具CAD/CAE/CAM一体化设计研究的重点内容1。MSC.SuperForge软件由美国MSC公司开发，基于有限体积法，采用Euler网格技术，在金属变形中不需要进行网格重划，适合象挤压这种大变形理论计算分析。在求解过程中，同时满足物质在有限体积内的质量守恒、动量守恒、能量守恒、热平衡方程、状态方程和本构关系2-4。本文以MSC.SuperForge为软件操作平台，以典型的宽展挤压型材产品FDawdd7（图1）为例，应用数值仿真技术对宽展挤压变形规律进行了研究，获得了金属在模

6、具工作带出口处的流速分布，从而为优化模具设计，减少试模次数提供了重要的参考依据。2方法的确定2.1流速均方差为了评定该产品在挤压过程中金属流速的均匀程度，本文以挤压模工作带出口处流速场标准偏差SDV（Standard Deviation of the Velocity field）值来衡量流速的均匀程度，其计算式的形式如下： （1）计算式中，N待研究节点的数量，在本课题研究中，N就是位于宽展组合模具工作带出口处的平面上的节点的个数（如图2）；位于待研究平面中的第个节点的轴向速度（这些节点速度可以通过MSC.SuperForge软件对仿真结果进行速度值的提取操作而获得）；待研究平面上各节点的平均

7、轴向速度。由于SDV值反映了挤压过程的稳定性，该值越小，表明挤压过程就越稳定。2.2模具参数的确定影响宽展挤压模具流速均方差的工艺因素非常多，在实际生产中，挤压温度、挤压速度以及模具的预热温度已进行了工艺标准化，但是，对于模具结构参数，由于产品形式多样，进行标准化是不切合实际的，模具设计者必须根据产品的结构特点，结合自己的实际经验进行模具参数的设计。图3示出了宽展组合模具结构，其结构包括成型模以及宽展模，金属的流向是由下向上。1宽展模 2成型模图3 模具结构示意图21挤压方向为了说明模具参数对金属流动速度的影响，先对几个模具结构参数进行必要的说明。对FDAwdd7这种产品的挤压过程，结合生产经

8、验，可确定影响金属流速的几个模具参数，它们是：入口宽度，出口宽度，宽展模的厚度，模孔的位置，工作带基准长度，根据挤压筒、模套、模垫的装配关系，可确定以上模具参数的约束条件：（1）入口宽度，一方面不能太大，必须保证宽展腔与挤压筒壁存在足够的距离，保证模具工作时存在一定的死区，以阻止铝锭表面不良组织进入产品；另一方面，入口宽度不能太小，否则会造成预变形挤压力非常大，综合以上因素，该参数比较合理的选择范围为：114120(mm)。（2）出口宽度，首先要保证模具在使用过程的安全，因此不能过大，否则，宽展腔底部轮廓与模具边缘之间的厚度太薄，容易在使用过程中开裂；另一方面，出口宽度不能过小，否则模具起不到

9、宽展作用，在实际模具设计过程中，认为该参数的选择范围定在128142(mm)之间比较合理。图4 模孔左端极限位置（3）宽展模的高度，必须保证模具使用过程中的强度，但也不能太长，否则由于金属在该区域的停滞时间太长，在热传导的作用下，金属由于散热造成温度太低引起挤压闷车，所以一般设计中该参数的范围定在2733(mm)之间。（4）工作带的基准长度要保证模具工作带的强度，同时还要留出一定的修模余量，该参数的选择范围为：22.8（mm）（5）模孔的位置（模孔几何中心与模具中心的距离），为了便于表述模孔在模具端面上的位置，分别用图4和图5示出了模孔几何中心与模具中心的位置关系。由于FDawdd7型材模孔形

10、状是非对称的，考虑到模孔右边缘端区段的面积比较大，排布模孔的位置时，为了保证各区段流速均匀，可使整个模孔向右移动，但这种移动量不能太大，否则模孔过于靠近边缘，与模孔位置具有密切配合关系的宽展腔位置就不好进行设计，从图4到图5可以看出，模孔向右移动的距离最多只能是10。图5 模孔右端极限位置2.3 参数的组合为了分别考察宽展组合模具的5个模具结构参数变化对金属流动速度的影响，可以对被考察的5个模具参数进行组合，采用固定其中4个参数，让第五个参数在约束范围内取三个不同的值的方法，对挤压过程分别进行数值模拟，因此进行数值模拟的方案可分5组进行，根据变化参数的取值，每一组要进行3次数值模拟。具体分组情

11、况如下：(1)宽展腔入口对金属流速的影响变化参数：入口宽度，所选值分别为114（mm），117（mm），120（mm）；其余参数：出口宽度=135（mm）；宽展模的厚度=30（mm）；模孔的位置5.36（mm）；工作带基准长度=2.4（mm）；(2)宽展腔出口对金属流速的影响变化参数：出口宽度，所选值分别为128（mm），135（mm），142（mm）；其余参数：入口宽度=117（mm）；宽展模的厚度=30（mm）；模孔的位置5.6（mm）；工作带基准长度=2.4（mm）；(3)宽展模高度对金属流速的影响变化参数：宽展模的厚度，所选值分别为27（mm），30（mm），33（mm）；其余参数：入

12、口宽度=117（mm）；出口宽度=135（mm）；模孔的位置5.6（mm）；工作带基准长度=2.4（mm）；(4)模孔位置对金属流速的影响变化参数：模孔的位置，所选值分别为3.6（mm），5.6（mm），8.6（mm）；其余参数：入口宽度=117（mm）；出口宽度=135（mm）；宽展模厚度30（mm）；工作带基准长度=2.4（mm）；(5)工作带基准长度对金属流速的影响变化参数：工作带基准长度，所选值分别为2（mm），4（mm），2.8（mm）；其余参数：入口宽度=117（mm）；出口宽度=135（mm）；，宽展模厚度=30（mm）；模孔的位置5.6（mm）；3 MSC.SuperForge

13、软件的前处理在明确了数值模拟在本课题所要进行的工作之后，对宽展挤压变形进行数值分析时，需要建立几何模型、材料模型以及摩擦模型，并定义挤压工艺参数、物理性能等参数。3.1几何模型建立图6 下模几何模型在MSC.SuperForge软件平台上进行数值仿真分析，需要向平台提供上模、下模（如图6，为数值仿真宽展挤压FDawdd7产品的下模的几何模型）以及变形材料的几何模型。MSC.SuperForge软件提供了与后缀名为Stl，bdf,ARC,dat,t16，wrl等格式文件的接口，因此，在三维CAD软件（如UG）平台建立几何模型后，进行相应的文件格式转换。作者选用了UG软件平台进行模具三维参数化造型

14、，把所有在UG平台的CAD造型文件保存在专门的文件夹，同时进行文件的格式转换，这样就可以建立一个模型文件库，对于本课题的研究，按照本文中所用的研究方案，共需要建立15组模具几何模型。3.2工艺参数、材料模型、物理性能参数、摩擦模型的定义在MSC.SuperForge 软件平台上建立几何模型后，必须对挤压过程的工艺参数以及材料模型的物理性能参数进行预设置，主要包括以下内容。（1）工艺参数载荷种类：液压挤压挤压速度：本课题的最后试验研究是在880UST液压挤压机上进行，根据工厂的实际经验，工程师建议采用56mm/s的挤压速度,因此，在软件平台上的加载种类应当选用液压挤压机，把挤压杆（上模）的移动速

15、度设定为6mm/s。挤压温度：试验中采用了6063铝合金，在470500具有很好的塑性，加工后满足材料淬火的要求，在工厂的生产中，一般定在480。模具预热温度：模具材料为H13钢，企业内部工艺规定预热温度为450（2）材料模型本课题研究的铝合金型材采用的是6063棒材。6063是Al-Mg-Si系铝合金，高温塑性很好，广泛应用于建筑行业。挤压过程中的温度为480左右，在该挤压温度下，应变速率对应力的影响远远超出应变对应力的影响，成为影响应力的主要因素，因此可以忽略变形程度的变化对流动应力的影响。本课题选择MSC.SuperForge 中的HOTMATII作为材料的本构关系模型，即：（2）在式（

16、2）中，为流动应力，S为最小屈服应力，C是应变速率常量，M是应变速率硬化指数。对于6063铝合金，在480左右时，查文献5得到S=12.5MPa, C=22.5MPa, M=0.11,代入式（2），可确定该温度下的流动应力应变速率模型，图7为480时6063铝合金的流动应力应变速率曲线（3）物理性能参数查文献5，得到6063铝合金在480左右时的物性参数，见表1：表1 6063铝合金的物性性能参数参数值弹性模量32.0Gpa泊松比0.35密度2700kg/m3剪切摩擦系数0.3（4）模具材料的设定在MSC.SuperForge 中模具看作刚体，不需要定义材料属性。（5）摩擦模型工件和模具间的摩

17、擦状态，对金属的流动、压力分布和挤压力都有很大的影响。MSC.SuperForge 提供两种摩擦模型：库仑摩擦模型和塑性剪切摩擦模型塑性剪切摩擦也叫Tresca摩擦模型。当摩擦剪切应力超过剪切流动应力的某个系数m倍时，工件开始滑动，这个值为，当m=0时，表明工件和模具表面间没有产生剪切摩擦。m=1表示粘着摩擦，摩擦剪切应力等于材料的流动剪切应力，在挤压过程中，接触面间的压力一般很大，适合采用塑性剪切摩擦模型。4 模拟结果在MSC.SuperForge软件平台上完成数值仿真的预处理工作后，可运行软件对工程进行计算，运行结束后，处理结果有如图8所示的材料流速场图。图8 速度场图图9 工作带出口出截

18、面速度分布图为了考察金属在同一截面上各个位置的金属流动速度，我们选择在工作带出口处位置作为参考位置，用假设的平面沿着垂直金属流动方向对流动金属做一个横截面。得到图9。 在MSC.SuperForge软件工作平台上，对照图2所示各节点位置，用Query工具处理图9，分别得到33个节点（位置）的金属流动速度值，并计算流速均方差，结果见图10图14，其中sdv表示流速均方差。（1）分析图10，入口宽度为114，117，120，模拟结果显示入口宽度增加，有利于平衡工作带出口处的金属流速的分布。对从模具结构进行分析可以知道，当模具入口宽度增加时，有利于流动金属进入宽展腔中，特别是在对应于制品两端，由于入口宽度的增加，改善了金属向模孔边部填充的条件，所以，模具设计过程中，应该尽量把宽展模的入口宽度增大。（2）分析图11，可以看出，宽展模出口宽度在约束条件范围内有一个最佳的值，该值的大小主要与模孔的外形有关，宽展模出口的外形在设计过程中保持与模孔的相似性，在本课题的模拟结果显示，当宽展模出口宽度取135时，流速均方差为3.18，为该组试验结果最好的一个值。（3）分析图12，在宽展模高度的约束范围内，随着高度的增加，sdv值减小，但减小的幅度不是很大，在进行模具设计时，考虑到模具的强度问题，宽展模高度取30是比较合理的。（4）工作带基准长度是型材模孔最重要的几何参数之