1 概述
近年來，隨著我國鋁加工技術(shù)的發(fā)展，鋁型材的應(yīng)用越來越廣泛,結(jié)構(gòu)也趨于大型化和復(fù)雜化，驗(yàn)收要求也愈發(fā)的嚴(yán)格。模具設(shè)計(jì)是鋁型材生產(chǎn)的最主要環(huán)節(jié)，而模具的成功與否很大程度依賴設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，而且還要經(jīng)過試模來驗(yàn)證模具設(shè)計(jì)的合理性。當(dāng)模具在試模過程出現(xiàn)與設(shè)計(jì)者預(yù)期不一致的時(shí)候，只能對模具修改再進(jìn)行試模。而利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期，減少試模次數(shù)的目的。本文針對一截面較復(fù)雜的鋁型材模具，采用Altair公司的HyperXtrude專業(yè)鋁型材仿真軟件，分析了該模具在擠壓過程中可能會(huì)遇到的問題，并根據(jù)結(jié)果對模具做對應(yīng)的修改。
2 鋁型材實(shí)例分析
下圖所示鋁型材是需要做模擬的鋁型材截面，從圖1中可以看出該類鋁型材截面的懸臂較多，兩個(gè)空心之間連接的橫邊較長且壁厚不均，在擠壓時(shí)容易引起大面不平、偏壁、開收口等一系列缺陷，嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生起波浪不成型的情況，這樣就在模具設(shè)計(jì)上帶來一定的難度，之前幾套外廠模具均試模8到9次并經(jīng)過修模工反復(fù)修模才合格。
圖1 鋁型材截面
3 設(shè)計(jì)方案與仿真模型的建立
鑒于以上幾個(gè)因素，設(shè)計(jì)人員結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)，得出以下設(shè)計(jì)方案，如圖2所示（圖3為該模具的三維模型）：
圖2 鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)方案
圖3 鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)三維模型
圖4 仿真分析模型
4 仿真模擬結(jié)果及結(jié)果分析
使用HyperXtrude軟件進(jìn)行仿真分析后得到的結(jié)果如下：
A．速度云圖
圖5 擠壓速度云圖
B．小模芯橫向（X方向）的偏移：
圖6
從圖中可以看出左右兩模芯各向外均勻地偏了0.3-0.4mm，說明該設(shè)計(jì)模芯周邊的孔分配流量得當(dāng)，模芯不至于偏得太大；
C．上模受力：
圖7
D．下模受力：
圖8
E．上模正面受壓下沉：
圖9
從圖7~圖9中可以看出上模橋位所受應(yīng)力最大為565.8MPa，出現(xiàn)在兩模芯外側(cè)的4個(gè)橋上；而下模受到最大應(yīng)力也只是458MPa，結(jié)合有關(guān)H13鋼許用應(yīng)力的資料及以往經(jīng)驗(yàn)可以得出，該模具設(shè)計(jì)方案比較理想，強(qiáng)度足夠。而上模受壓最大下沉量也僅僅為0.20mm。一般情況下，我們可以通過觀察上模下沉情況，分析模具受壓中心是否就是模具的正中心，以防止模芯扭擰，該模是上下左右對稱的模具，這點(diǎn)可以不考慮。
F. 下模受壓下沉：
圖10
從圖中可以看出下模的工作帶受鋁流體的沖擊壓沉了最多0.10MM，出現(xiàn)在角位。
G. 結(jié)果分析及優(yōu)化
從出料速度的云圖中可以看出：最快的速度出現(xiàn)在四周靠近中間的懸臂處；最慢的速度出現(xiàn)在兩個(gè)模芯的上下壁厚最薄的懸臂上；結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，整體出料趨勢形狀最好呈中間凹陷狀，這樣的出料趨勢目的是為了防止型材中間部分由于下模彈變，而引起促流導(dǎo)致該部分出料快甚至起波浪；通過比較上下模彈變量的大小來給予長懸臂部分出料速度的補(bǔ)償，所以模芯間的橫邊是要比模擬的結(jié)果要更快一些；彈變對于幾懸臂的影響也是可以預(yù)料得到的；而兩模芯偏壁量并不大，只是會(huì)對外側(cè)面產(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)阻礙作用；基于以上考慮，設(shè)計(jì)人員對設(shè)計(jì)方案做了以下的修改：
圖11 壁厚薄的懸臂下模精沉
圖12 工作帶修改情況
從圖中可以看到，設(shè)計(jì)在型材外端壁厚最薄的4支懸臂做了精沉處理，考慮到工作帶過短會(huì)容易引起下模失效，要使該處速度盡可能加快，在焊合室入料面精沉，是有效的方法；除了大幅度的修改工作帶調(diào)整流速以外，還對應(yīng)的修改了型材各處的壁厚，尤其是模芯間的橫面壁厚。經(jīng)過大量經(jīng)驗(yàn)積累，我們知道，根據(jù)模擬結(jié)果下模各處下沉量的大小來對型材做預(yù)變形的補(bǔ)償，是基本合理的。5 鋁 型材實(shí)際試模情況
圖13鋁材擠壓模具上機(jī)試模后的料頭實(shí)拍
從實(shí)際擠壓的料頭可以看出，整體出料較平，各懸臂速度差異不大，且并沒有產(chǎn)生開收口等現(xiàn)象，鋁型材截面尺寸也在公差范圍內(nèi)，一次試模合格，達(dá)到模擬分析目的。
6 結(jié)論
基于 HyperXtrude 鋁型材模具熱擠壓仿真系統(tǒng)，對鋁型材擠壓模具初始方案的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了型材出口處的金屬流動(dòng)速度及模具結(jié)構(gòu)的變形（包括上模模芯的偏移與下模工作帶的偏移引起流速變化），指出模具擠壓過程中潛在的問題并且做了相應(yīng)的修改，以達(dá)到盡可能地減少試模次數(shù)的目的，從而減少了模具上機(jī)及維修所需的相關(guān)費(fèi)用，并提高模具的產(chǎn)量與壽命，為鋁型材企業(yè)創(chuàng)造更大的效益。
1．針對特定型材提出一種分析方法，指出通過結(jié)合上下模的變形量做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)修改，以達(dá)到模具設(shè)計(jì)優(yōu)化效果。
2．通過有限元分析, 證明了HyperXtrude的數(shù)值模擬分析能有效指導(dǎo)鋁合型材模具的設(shè)計(jì), 發(fā)現(xiàn)潛在的問題并給予修正，提高設(shè)計(jì)的成功率,為鋁型材企業(yè)提高效益。
