异形铝型材挤压模具优化设计

20 09 年 第 2 期 模 具DIE ＆ MOULD 1 引言 铝合金型材在制造业中得到了广泛的应用，尤 其是大型空心型材，因其重量轻，强度、刚性大，结构 紧凑等特点成为航空航天工业中必不可少的结构材 料。挤压技术作为一种高效、优质、低消耗、少无切削 的加工工艺，是铝合金型材成形的主要工艺方法。高 质量的挤压模具是生产挤压型材的重要工具，由于 技术参数多， 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 难度大，目前，主要依靠设计人员 的经验，对模具进行反复的试验和修改。这既延长了 设计和生产周期，也大大提高了模具的制造成本。挤 压模具在设计过程中涉及到的结构要素多，且各结 构要素对挤压过程的影响又十分复杂，仅靠传统的 实验与经验方法已不能从根本上掌握材料的变形规 律。数值模拟技术是分析金属材料体积成形的最有 力工具，国内外学者普遍采用有限元法和有限体积 法[1～4]对挤压过程进行数值模拟。 本文以断面复杂的异形空心铝型材挤压模具为 研究对象，应用有限体积方法对空心铝型材的挤压 过程进行了研究。在模具基本设计要素确定的情况 下，以变形坯料的流动均匀性、焊合质量以及挤出产 品无弯曲、扭拧等变形缺陷为目标，采用正交试验方 法对模具的主要结构参数进行了优化，获得了最佳 的模具结构。 2 铝型材组合模具的设计 图 1为某异形铝型材的截面图，材质 6061铝合 金。实际生产工况：坯料成形温度 450℃，模具预热 温度 400℃，模具材料 H13钢，挤压筒直径 200mm， 挤压速度 2mm/s，摩擦因子 0.3。由于截面形状不规 则，挤压时极易产生波浪、扭拧、弯曲和焊合不良等 缺陷。所设计的异形空心型材的挤压模见图 2，属于 典型的平面分流组合挤压模。 异形空心型材挤压采用的平面分流模主要设计 要素有：分流比，分流孔的形状、大小和分布；分流 桥；模芯；焊合室和定径带等。通过调整挤压模上分 流孔 1，2，3和 4的外形和尺寸，以及分流桥的尺寸， 并通过对挤压成形过程的数值模拟，获得了挤压过 程中金属流动的速度场、应力场、应变场、温度场和 挤压力等的变化规律，初步确定挤压模为图 2所示 尺寸。图 3为模拟得到的挤压过程中金属流动速度 图 2 挤压模具结构 35 30 1 7579 4 40° 尴2 70 6 0 40° 36 0 2 R8 70 60 8 25 基金项目：航空基础科学基金资助项目（03H53048） 收稿日期：2008－12－31 作者简介：卢有世（1969－），男，讲师，从事塑性加工及模具的教学与 研究 图 1 型材截面图 72 50 15 100 140 45° 45° 50 9 9 3 文章编号：1672－0121(2009)02－0087－03 异形铝型材挤压模具优化设计 卢有世，于明涛 （西北工业大学 材料学院，陕西 西安 710072） 摘要：采用有限体积法，对异形空心铝合金型材挤压过程进行了数值模拟，获得了挤压过程中材料流动 速度场、应力场、应变场和挤压力等的变化规律，设计出了合理的模具。在此基础上，选取焊合室深度、焊合角 以及工作带长度为因素，设计了三因素三个水平的正交试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，对试验方案进行了模拟虚拟试验，确定了 最优水平组合，优化了模具结构。 关键词：机械制造；挤压模；铝型材；数值模拟 中图分类号：TG372 文献标识码：B 87 20 09 年 第 2 期 模 具 DIE ＆ MOULD 的分布情况， 由图中可看到 材料 流 动 均 匀，挤出的型 材端面平整。 图 4为模拟得 到的等效应变 分布图。 模拟结果 表明用该模具 挤压铝合金， 变形材料在挤 压过程中等效 应力、应变、温 度场 分 布 均 匀，有利于获得组织均匀，力学性能较好的型材。 3 挤压模具参数的正交虚拟试验 数值模拟软件，一般不能评价设计变量对成形 性能的影响，只能通过正交试验 [5]的设计方法来确 定。通过虚拟正交试验来研究工艺参数对成形的影 响，兼顾了数值模拟和正交试验的优点，能对所设计 的模具作进一步优化。选取模具参数中对挤压成形 有较大影响的三个因素：焊合室深度，工作带长度和 焊合角，并各取三个水平，列成因素水平表 1。选用 正交表，列出试验方案表 2。 按照正交表的试验方案，应用数值模拟软件对 异形空心铝型材的挤压过程进行数值模拟虚拟试 验，试验结果如表 3所示。 4 虚拟试验结果分析 4.1 等效应力分析 在挤压过程中，焊合室内的等效应力越大越有 利于金属的焊合。图 5为不同试验条件下焊合室峰 值等效应力的变化情况，从图中可看出试验 9的等 效应力值最大，直观分析的的最优水平组合为 A3B3C2。 4.2 等效应变分析 为了获得力学性能良好的焊缝，希望等效应变 越大越好，图 6为不同试验条件下峰值等效应变的 变化情况。从图中可以看出试验号 9的等效应变最 大。直观分析的最优水平组合为 A3B3C2。 4.3 挤压力分析 在型材挤压过程中，挤压力越小模具所承受的 图 5 不同试验条件下峰值等效应力的变化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 试验号 44 46 48 50 52 54 56 58 60 峰 值 等 效 应 力 σ/ M Pa 表 2 试验方案表 试验号 焊合室深度 h/mm 焊合角 θ/° 工作带长度 h/mm 1 20 35° 6 2 20 40° 8 3 20 45° 10 4 25 35° 8 5 25 40° 10 6 25 45° 6 7 30 35° 10 8 30 40° 6 9 30 45° 8 表 3 试验结果分析 试验号 焊合室 深度 A h/mm 焊合角 B θ/° 工作带 长度 C h/mm 峰值等 效应力 σ/MPa 峰值等 效应变 ε 挤压力 最大值 P/N（107） 1 20 35° 6 46.95 3.48 2.86 2 20 40° 8 45.25 2.84 1.69 3 20 45° 10 51.76 4.11 2.76 4 25 35° 8 47.62 3.05 2.54 5 25 40° 10 46.41 3.50 3.32 6 25 45° 6 49.62 3.51 3.21 7 30 35° 10 46.54 5.54 2.33 8 30 40° 6 49.95 4.37 3.90 9 30 45° 8 59.42 6.25 2.37 K11 K21 K31 143.94 143.64 155.91 141.09 141.60 160.80 146.52 152.28 144.69 等效应力 σ Ri 12.27 19.71 7.59 K12 K22 K32 10.44 10.05 16.17 12.06 10.71 13.86 11.37 12.15 13.14 等效应变 ε Ri 6.12 3.15 1.77 K13 K23 K33 7.32 9.06 8.61 7.74 8.91 8.34 9.96 6.60 8.40 挤压力 P Ri 1.74 1.17 3.36 图 3 金属流动速度分布图 图 4 等效应变分布图 表 1 因素水平表 焊合室深度 h/mm 焊合角 θ/° 工作带长度 h/mm 1 20 35° 6 2 25 40° 8 3 30 45° 10 因素 水平 88 20 09 年 第 2 期 模 具DIE ＆ MOULD 载荷越小，对 保证模具的使 用寿命有积极 影响，同时也 可降低挤压设 备吨位。图 7 为不同试验条 件下最大挤压 力 的 变 化 情 况，从图中可以看出，试验 2的挤压力最小，直观分 析的最优水平组合为 A1B2C2。 由表 3的极差值 R知，影响等效应力的因素由 主到次依次是 R2＞R1＞R3，说明焊合角对等效应力的 影响最大，其次是焊合室深度和工作带长度；影响等 效应变的因素由主到次依次是 R1＞R2＞R3，说明焊合 室深度对等效应力的影响最大，其次是焊合角，影响 最小的是工作带的长度；影响挤压力的因素主次顺 序是 R3＞R1＞R2，说明工作带的长度对挤压力的影响 最大，其次是焊合室深度，影响最小的是挤压角。综 上分析，挤压力对工作带长度最敏感；等效应变对焊 合室深度最敏感；而等效应力主要受焊合室深度和 焊合角的影响，其中焊合角的作用相对较大。 根据计算结果，等效应力最优水平组合为 A3B3C2；等效应变最优水平组合为 A3B3C2；挤压力最 优水平组合为 A1B2C2。分流组合模具挤压空心型材 时存在焊缝，而焊缝的力学性能对型材的质量有重 要影响。因此，在研究时将焊合室的等效应力作为主 要考虑的因素。最终选用 A3B3C2为最优水平组合， 即焊合室深度为 30mm，焊合角为 45°，工作带长度 为 8mm。该试验条件为正交试验中的方案 9。 5 结论 （1）应用有限体积法对异形空心铝型材挤压过 程进行了模拟，设计出了合理的模具结构，获得了挤 压过程中金属流动的速度场、应力场、应变场和挤压 力等的变化规律。 （2）在设计出的挤压模具方案基础上，选取对挤 压过程有较大影响的模具参数：焊合室深度、焊合角 以及工作带长度为因素，每个因素选取三个水平，设 计了正交试验方案，并对试验方案进行了模拟试验。 结果表明：焊合室等效应力受焊合角的影响最大；等 效应变受焊合室深度影响最大；挤压力受工作带长 度的影响最大。对于空心型材，焊缝的焊合质量是影 响产品性能的主要因素，为此选择焊合室等效应力 为主要考虑因素，确定了最优水平组合，优化了模具 结构。 【参考文献】 [1] Kleiner M，Schikorra M.Simulation of weldinchamber conditions for composite profile extrusio [J].Journal of Materials Processing Technology 2006，177:587-590. [2] Qiang Li，Chris Harris，Mark Jolly R.Finite element modeling simulation of transverse welding phenomenon in aluminum extrusion process[J]. Materials and Design，2003，24:493-496. [3] 周 飞，苏 丹，彭颖红.有限体积法仿真金属塑性成形的基本 理论[J].上海交通大学学报，2002，3（7）:915-919. [4] 张李骊.钛合金盘件等温成形工艺优化与过程控制.西北工业大 学硕士学位论文，2004. [5] 阎 洪，包忠诩，江雄心，范美仁.型材挤压成形技术的研究[J].锻 压机械，1999，34（6）：50-52. [6] 陈泽中，包忠诩，黄志超，柳和生，黄克坚.空心型材分流组合挤 压 CAD/CAE模型的建立.锻压机械，2001，36（4）：51-53. 图 6 不同试验条件下峰值等效应变的变化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 试验号 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.5 6.0 峰 值 等 效 应 变 ε Optimized Design of Extrusion Die for Special Aluminum LU Youshi，YU Mingtao （School of Materials Science and Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,Shanxi China） Abstract:The infinitive volume method has been employed to simulate the extrusion process of the hollow sketch aluminum profile.The changed laws of material flow velocity field，stress field，strain field and extrusion press have been obtained and a die has been designed. Orthogonal test has been used to analyze the principal factors- influence effective stress，effective plastic strain，and the extrusion force. Based on the analysis results, the optimal scheme for die design has been defined. Keywords:Extrusion die；Aluminum profile；Numerical simulation 图 7 不同试验条件下最大挤压力的变化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 试验号 最 大 挤 压 力 P/ N（ 10 e7 ） 2.5 3.0 3.5 4.0 2.0 1.5 89