1 前言

鋁型材擠壓成型過程非常復(fù)雜，除了圓形截面鋁型材的擠壓屬于二維軸對(duì)稱問題外，一般而言，其他形狀的鋁型材都屬于三維流動(dòng)大變形問題。鋁型材斷面越復(fù)雜，變形的不均勻性越顯著。隨著工業(yè)的發(fā)展，鋁型材斷面朝著形狀復(fù)雜，對(duì)模具的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，如果模具設(shè)計(jì)不合理，截面上各部分的金屬在擠出?？讜r(shí)就越容易以不同的速度流出，從而造成型材的扭擰、波浪、彎曲以及裂紋等缺陷，模具也極容易損壞。

傳統(tǒng)上是依靠設(shè)計(jì)者豐富經(jīng)驗(yàn)來(lái)減少試模和修模。如果一副模具因?yàn)樵O(shè)計(jì)不當(dāng)，反復(fù)的試模修模，這樣既增加了成本，也延長(zhǎng)了模具開發(fā)周期。只有通過合理的模具設(shè)計(jì)和提高模具加工制造裝配工藝精度來(lái)降低試模成本，進(jìn)而獲得合格產(chǎn)品。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，是在CAD/CAM/CAE三者并行的設(shè)計(jì)理念下完成，有效的減少了模具的加工周期和試模次數(shù)，提高了效率。

本文先介紹了模具CAD/CAM/CAE在擠壓模具方面的應(yīng)用，根據(jù)本廠的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，闡述了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）到仿真模擬有限元分析（CAE）再到數(shù)控加工(CAM)在模具制造流程中的重要性和提高模具壽命和上機(jī)合格率。

2 模具CAD

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)不僅能顯著縮短模具設(shè)計(jì)周期，降低成本，減輕設(shè)計(jì)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。目前，擠壓模CAD技術(shù)已在我國(guó)廣泛地使用。

采用AutoCAD軟件繪制擠壓模具的二維圖形，設(shè)計(jì)人員通常用草圖開始設(shè)計(jì)，將草圖變?yōu)楣ぷ鲌D的繁重工作可以交給計(jì)算機(jī)完成，可以快速作出圖形，使設(shè)計(jì)人員及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)作出判斷和修改；型材截面幾何性質(zhì)計(jì)算，分流孔個(gè)數(shù)、形狀、尺寸及布置的設(shè)計(jì)，分流橋、模芯及焊合腔的尺寸確定，模具強(qiáng)度校核，剖面圖和上下模視圖的繪制等功能模塊。能完成平面模和組合模設(shè)計(jì)的全過程，顯著提高了復(fù)雜模具的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量[2]。

如圖1所示，為一套模具的二維CAD設(shè)計(jì)圖。圖2所示為用UG軟件繪制的三維圖形。

a鋁型材截面

圖 1  鋁型材擠壓模具二維設(shè)計(jì)圖

圖 2  鋁型材擠壓模具三維設(shè)計(jì)圖

3 鋁型材擠壓模具CAE

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用數(shù)值仿真的方法對(duì)鋁型材擠壓工藝進(jìn)行了研究，并取得了較大進(jìn)展。運(yùn)用仿真技術(shù)可以實(shí)時(shí)跟蹤鋁型材擠壓金屬的流動(dòng)行為，仿真成形過程，揭示金屬的真實(shí)流動(dòng)規(guī)律和各種物理場(chǎng)量的分布、變化情況，研究各種因素對(duì)金屬變形行為的作用和影響。預(yù)測(cè)實(shí)際擠壓過程中可能出現(xiàn)的缺陷，及早優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、調(diào)整擠出工藝參數(shù)和有針對(duì)性的指明技術(shù)解決方案[3]。

在設(shè)計(jì)好圖紙后但還未投入生產(chǎn)加工之前，采用仿真模擬軟件對(duì)型材擠壓過程進(jìn)行了模擬仿真，得到了型材的速度分布、溫度分布和應(yīng)力分布等。

下面是對(duì)第一次設(shè)計(jì)方案進(jìn)行的數(shù)值模擬，如圖3所示為得到的材料穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)的溫度、應(yīng)力、位移和速度分布圖，從圖中可以看出，材料流經(jīng)擠壓筒最后到出料口，溫度一直是上升的趨勢(shì)。材料流經(jīng)區(qū)域的應(yīng)力分布，整體上分布均勻。但材料出口速度分布一邊快，另一邊慢的趨勢(shì)。位移偏差最大值是2.935mm，說(shuō)明出材的產(chǎn)品形狀變形比較大，達(dá)不到圖紙的公差要求。

圖3 鋁型材擠壓模具CAE模擬仿的初次模擬結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果，我們首先對(duì)工作帶進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，再對(duì)下模焊合室增加阻流圈，如圖4為優(yōu)化設(shè)計(jì)后的三維建模圖形。

圖4  鋁型材擠壓模具CAE模擬仿真后優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案

如圖5所示為優(yōu)化設(shè)計(jì)后所做的仿真模擬。能看到型材出口位移分布圖的最大位移偏差為0.9mm，比第一次模擬大大減小了，分布均勻，可以預(yù)測(cè)試模出來(lái)的型材斷面尺寸和形狀基本能夠達(dá)到圖紙的公差要求。修改前后模擬的出口速度分布圖，可以看出型材斷面各部位的流速更加平衡均勻。

圖5 修改后、優(yōu)化后的鋁型材擠壓模具CAE模擬仿真結(jié)果

4 模具CAM

在模具投入生產(chǎn)前期，我們通過了數(shù)值模擬結(jié)果的分析，并且及時(shí)做出了優(yōu)化設(shè)計(jì)，再進(jìn)一步的仿真模擬，達(dá)到了出材要求，說(shuō)明此設(shè)計(jì)方案是可行。然后將繪制好的三維圖形導(dǎo)入Mastercam軟件編制好CNC的車銑加工程序，再將CNC指令傳輸?shù)郊庸ぼ囬g，如圖6所示加工流程，完成了由CNC機(jī)床加工代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)床加工。改變了傳統(tǒng)的加工理念，達(dá)到設(shè)計(jì)者的要求，大大提高了模具的加工制造精度[4-5]。

圖6 鋁材擠壓模具CAM數(shù)控加工流程圖

5 試模結(jié)果

如圖7所示為第一次試模出來(lái)的中段料樣，與優(yōu)化設(shè)計(jì)后的數(shù)值模擬的結(jié)果完全吻合，上機(jī)試模產(chǎn)品達(dá)到圖紙公差要求。

圖7 模具上機(jī)后試模出來(lái)的鋁型材料頭

6 結(jié)論

本文闡述了CAD/CAM/CAE在鋁型材擠壓模具行業(yè)的應(yīng)用，通過舉例說(shuō)明CAD/CAM/CAE在模具加工中的應(yīng)用研究，提高加工精度和預(yù)先模擬，再修改設(shè)計(jì)方案，達(dá)到一次性試模合格，改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)加工理念。
（1）本文提出了由設(shè)計(jì)到模擬仿真到數(shù)控加工的一種并行的設(shè)計(jì)理念，達(dá)到了減少試模次數(shù)，縮短了模具開發(fā)周期，提高了生產(chǎn)效率。

（2）介紹了本廠的模具從設(shè)計(jì)到加工工藝流程，期望可以與同行開展更廣泛的接觸和更深入的研究，共同進(jìn)步。