基于Altair HyperXtrude的空心鋁型材擠壓成型仿真模擬

鐘建華, 袁志燕, 劉艷霞

(江西理工大學 材料科學與工程學院, 江西 贛州　341000)

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基于Altair HyperXtrude的空心鋁型材擠壓成型仿真模擬

鐘建華, 袁志燕, 劉艷霞

(江西理工大學 材料科學與工程學院, 江西 贛州341000)

摘要：以6063工業鋁型材為研究對象,將建立好的三維模型導入有限元Altair HyperXtrude分析軟件進行仿真模擬,獲得金屬流動的溫度場、速度場、應力應變場及型材的形變場,研究其金屬流動規律,預測實際擠壓過程中可能出現的擠壓型材缺陷.結果表明:當模具結構設計不當時,型材會產生嚴重的扭擰、波浪、彎曲和裂紋等缺陷;HyperXtrude可以準確地預測擠壓模具初始設計方案中潛在的缺陷,實時跟蹤描述金屬的流動行為,揭示金屬的真實流動規律,獲得金屬試驗現場難以測量的物理量,及時對模具結構進行改進,縮短實際模具制造周期.

關鍵詞：Altair HyperXtrude; 擠壓過程; 仿真模擬; 金屬流動; 型材缺陷

0引言

我國擁有極其豐富的鋁礦資源,很多部門如航空航天工業、交通運輸、建筑、石油、電力和化工等對鋁型材的需求量越來越大.鋁合金型材有著一般金屬沒有的綜合性能,例如其比強度高、質輕及耐腐蝕性能好等.憑借以上優良的性能,鋁合金型材已經向復雜化、大型化、精密化、多規格和多用途等方面發展[1].型材質量的好壞決定于模具設計結構與擠壓工藝參數,如何選擇好的擠壓工藝參數和延長擠壓模具的壽命已成為各行業亟待解決的問題.

鋁合金型材生產過程中最主導的技術以及關鍵的核心環節是擠壓成型,而擠壓成型過程最主要的裝備是擠壓機和擠壓模具.在鋁合金型材擠壓加工過程中,型材表面質量的好壞與模具結構的優劣有直接關系.通過優化模具結構可以控制型材表面質量、優化型材形狀、提高型材尺寸精度,可避免型材因模具結構參數設計不當而導致的型材成型和出現的潛在缺陷問題.同時優化模具結構、改善擠壓工藝參數，可以延長模具壽命,減少成本投入.

以往對模具的優化都是通過經驗以及反復的試模來完成的,本文主要通過對型材擠壓過程進行仿真模擬,在試模擠壓前利用仿真模擬技術對模具進行擠壓模擬,經計算獲得實驗現場無法獲得的型材物理性能:如型材擠出時經過各部分的流速、溫度以及模具變形等情況.通過對各分布云圖的分析,判斷模具結構設計是否會對后續擠壓加工帶來缺陷,進而對模具結構參數進行合理修改,最終達到減少模具試模次數,提高生產效率的目的.

針對鋁型材熱擠壓工藝參數和模具結構設計,建立鋁合金型材穩態擠壓過程的有限元模擬模型,研究了棒料擠壓過程中在擠壓模具型腔內部的流動規律及其型材的變形機理,從而得到模具結構對制品成型流動、溫度分布、焊縫質量和應力應變等的大致規律,有效預測制品可能出現的缺陷,為擠壓模具結構設計提供了可靠的建議.針對擠壓過程的仿真模擬,國內外有很多類似的研究[2-9].本研究是以6063空心鋁型材擠壓加工為研究對象,以Altair HyperXtrude軟件為仿真模擬載體,通過Hyperview分析流程,獲得了鋁型材制品在穩態擠壓成型加工過程中的溫度場、速度場和形變場等物理性能.通過以上分布信息,分析了可能導致擠壓型材在擠壓過程中存在的潛在缺陷，例如波浪、扭擰、彎曲和裂紋等.從而對模具結構設計提供借鑒,以達到對模具的優化.

1試驗方法

1.1Altair HyperXtrude軟件簡介

鋁型材擠壓成型在鋁型材加工領域是一個高壓高溫以及復雜的非線性、大變形的熱-力耦合的塑性成型加工過程[1].尤其是當制品屬于不規則不對稱的形狀時,傳統的有限元模擬方法較難準確地模擬擠壓型材成型變化狀況.Altair HyperXtrude是目前全球唯一專業的鋁型材擠壓仿真模擬軟件,同時可以對模具結構進行優化的軟件,可以進行正向擠壓和反向擠壓分析,求解類型有瞬態和穩態兩種.HyperXtrude采用了ALE算法,它擁有有限元中常見的拉格朗日和歐拉描述的優點，又避免了兩者模擬過程中存在的潛在缺陷,網格劃分精確,以合適的網格運動形式來描述型材的移動界面,且保持了單元格的合理形狀,因此ALE算法也適用于帶自由液面的流動.它不但克服了拉格朗日方法的缺陷(如在模擬運行過程中網格因過度畸變在重新劃分時出現失敗，使得模擬無法完成),也克服了歐拉方法只能處理不含時間的穩態問題這一缺陷.另外,HyperXtrude是由廣義極小殘差(generalized minimum residual)隱式算法來計算非線性控制方程的.

ALE算法是以非線性的納維葉-斯托克斯方程作為控制方程,有連續性、動量守恒和能量守恒3個基本方程控制[10-11].

連續性方程:

(1)

動量守恒方程:

(2)

能量守恒方程:

(3)

式(1)~式(3)中:v為材料的位移;ρ為材料密度;τ為柯西應力;T為熱力學溫度;E為內能;Kij為熱傳導系數;K0為單位體積的熱源;t為時間;pi為作用于物體上單位質量的力;ci為物質點相對于網格點的運動速度,即為對流速度.

1.2Altair HyperXtrude軟件運行概況

Altair HyperXtrude是一項用于虛擬開發和驗證擠壓模具和工藝的創新技術,可大幅提升產品質量和工廠效率.它主要研究金屬流動規律以及模具受力狀況;可以模擬擠壓加工過程中溫度場、速度場、應力應變場及其變化規律;可以預測鋁型材實際擠壓加工過程中出現的潛在缺陷,針對潛在缺陷及早提出優化模具結構方案、重新確定擠壓工藝參數,并且有針對性地指明解決方案,其運行過程如圖1所示.

圖1　運行流程

2空心鋁型材的外形及模具結構

以華南某廠生產的工業鋁型材為主體設計模具,該廠生產的鋁型材制品主要參數平面圖如圖2所示.

圖2　型材產品平面圖

該空心型材為鋁6063系,采用分流組合模具正向擠壓,處在高溫、高壓環境下擠壓成型的,由坯料擠壓成符合要求的型材,屬于大變形加工.并且在加工過程中可視為完全的塑性形變,因此計算過程可以忽略金屬的彈性變形.該6063鋁合金型材采用的材料模型為雙曲正弦的流變應力模型，其本構方程如下[13]:

(4)

式中:σf為流動應力;R為氣體常數;T為溫度;α為應力常數;A為應變因子的倒數;Q為激活能;m為應力系數;ko(T)為初始應變速率,其值取決于溫度場的給定.

分流組合模具的三維模具結構如圖3所示:圖3(a)和(b)分別為擠壓該工業鋁型材的上模具和下模具.

圖3　擠壓型材模具

3鋁型材的擠壓成型數值模擬過程

3.1模具的有限元分析模型

擠壓鋁型材的模具用Pro/E進行三維建模,將建好的模型以CAD格式導入HyperXtrude軟件中進行模擬,然后進行前處理,包括幾何處理和網格劃分等.在對網格劃分時應注意以下3點:(1) 型材最薄截面處至少劃分6層單元網格;(2) 對工作帶區域劃分時,沿擠壓正方向至少劃分9層單元網格;(3) 自由面和工作帶上以三菱柱單元網格形式劃分,網格劃分的順序為工作帶-焊合室-坯料,其他部分網格以離工作帶越遠網格單元尺寸越大的規則劃分.

3.2擠壓工藝參數設置

工藝參數的選擇是擠壓成型最為核心的步驟,參數選擇的合理與否直接關系到型材的質量,同時擠壓參數可以影響到模具的壽命.該6063鋁型材屬于正向擠壓,模擬類型為穩態模擬,為了得到真實的仿真數據,選擇與該廠吻合的擠壓工藝參數見表1.

表1　Altair HyperXtrude擠壓分析參數

3.3模擬邊界參數設置

擠壓模擬邊界參數主要以接觸面摩擦為主,型材擠壓時,會與模具表面產生劇烈摩擦,同時發生塑性變形,棒料與模具接觸如圖4所示.

圖4中的1、2、3處分別是棒料與擠壓墊、擠壓筒、模具間邊界接觸,正應力較大.擠壓時棒料與模具處于高度摩擦狀態,邊界溫度因摩擦劇烈而升高,模具與棒料之間可認為沒有相對移動,采用剪切摩擦類型.當棒料進入模具后(如4處),棒料依次與分流孔、焊合室、工作帶等接觸,其中與分流孔、焊合室可視為沒有相對移動,屬于完全黏著,因正向應力較大采用剪切摩擦,而與工作帶接觸時接觸應力減小且棒料獲得一定的流動速度采用庫倫摩擦,摩擦因數為0.4.

1—棒料與擠壓墊間的邊界; 2—棒料與擠壓筒的邊界; 3—棒料與模具間的邊界; 4—工作帶與模具間的邊界; 5—型材的自由面; 6—型材出口; 7—模具、擠壓筒與外界環境間的邊界.

圖4擠壓簡圖

Fig.4Extrusion diagram

3.4Altair HyperXtrude擠壓模擬結果

圖5為擠壓型材各部分的流速以及流經各處的速度.理論上,坯料在工作帶上的流速越均勻,擠壓制品端面越平齊,型材質量越好.從圖5(a)中可以看到,在平模部分明顯快于分流部分,并在壁厚小的地方流速更快,這是因為在平模處孔大供料快,而在分流部分相對供料較慢.圖5(b)可以明顯反映供料速度.圖5(c)是坯料通過分流孔的速度,也就是分流孔的供料速度.從圖5(c)中可以看出，在坯料流經各分流孔時的相對速度,通過合理對比,在分流孔分配上起到主導作用,在流速快的地方可以適當減少分流孔面積.圖5(d)反映的是坯料流經工作帶時的流速,可以看出，在平模處的流速要稍高于分流部分的速度.

圖5　擠壓型材各處流速

圖6為型材溫度分布圖,通過溫度可以反映出各接觸的摩擦情況,同時可以勘測可能因為溫度引起的色斑.對比型材流速圖5(a)和型材溫度圖6(a),可以明顯看出，型材流速越快的地方溫度升高越快,這是由于擠壓變形過程中棒料與模具摩擦劇烈,產生塑性變形熱,從而導致溫度升高.由圖6(b)可以看出,棒料擠壓過程中表面溫升不明顯,甚至有些位置溫度有所減低,那是由于棒料沿擠壓軸向擠壓時,棒料與擠壓筒和模具的劇烈剪切摩擦,內腔由于摩擦作用也會產生熱量,而模具溫度低于棒料預熱溫度,所以棒料與模具之間發生熱量傳遞使得型材表面溫度降低.

圖6　擠壓型材溫度分布及xy合向溫度分布

4模擬云圖結果分析

從以上型材流速圖可以提前判斷擠壓型材時可能會出現的型材缺陷,通過擠壓仿真模擬試驗分析，建議進行以下修改(如圖7):

(1) 根據圖7中位置1和2處金屬流速情況可知,平模直沖位,孔大,相對供料面少,流速較快,建議在平模部分適當加擋料塊控制速度.

(2) 根據圖7中位置3處金屬流速情況可知,平模與分流部分速度差為10 mm/s.模具設計時,在平模處加了擋塊,但在高速擠壓時仍難免有末端平模起浪現象,所以建議在外擋塊到分流過渡區減高3 mm來平衡流速.另外,平模起始位的工作帶過渡，建議為圓弧型過渡,可有效提高工作帶的實際長度,減慢金屬流速,防止末端起浪.

(3) 根據圖7中位置4處金屬流速情況可知,相對供料不足,情況嚴重時,內凹明顯,建議供料口提前,適當減少工作帶長度.

圖7　型材易產生缺陷部分

5結論

(1) 通過模擬可以獲得現場無法獲得的物理性能分布云圖,得到可能出現的制品變形缺陷,并與該廠試模出的制品變形趨勢非常吻合.從而證明 Altair HyperXtrude可以準確指出初始擠壓模具設計方案的不足,預測模具中潛在的缺陷.

(2) 在平模與分流部分速度差相差大的地方可以適當增加擋塊,以控制流速,減少型材形變的不均勻性.

(3) 在型材變形較小的分流部分,由于供料不足,可以適當地減少工作帶長度,提前供料口;也可以適當增加平模部分的工作帶長度,工作帶的增加使得平模處的金屬流動靜壓力也相應增大,迫使金屬向阻力小的分流部位流動,從而使型材整個端面上金屬流量趨于均勻.

(4) 在實際生產擠壓試模時,通過HyperXtrude對擠壓模具的仿真模擬,可以提前對型材缺陷進行預測,從而減少試模次數,縮短模具制造周期.

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The Numerical Simulation of Solid Aluminum Profile Extrusion Based on Altair HyperXtrudeZHONG Jianhua, YUAN Zhiyan, LIU Yanxia

(School of Material Science and Engineering, Jiangxi University of

Science and Technology, Ganzhou 341000, China)

Abstract：The extrusion of 6063 industrial aluminum was simulated through introducing 3D model into finite element analysis software “HyperXtrude”.In the process the temperature field,the velocity field,stress and strain profiles of the deformation field of the metal flow were obtained to predict the actual profile defects.The results show that serious twisting,waves,bending and crack defects are mainly attributed to the improper structural design of the model.With the help of the hyperxtrude,the potential defects in the initial design of extrusion model are predicted through describing the flowed metal and metal deformation,so as to improve the model design and shorten the cycle of model manufacturing.

Keywords：Altair HyperXtrude; extrusion process; simulation; metal flow; profile defects

中圖分類號：TG 375+.41

文獻標志碼：A

作者簡介：鐘建華(1956—),男,教授,主要從事高效散熱管的理論與實踐方面的研究. E-mail:1204754044@qq.com

基金項目：江西省重大專項計劃項目(贛科發計字[2003]23號)

收稿日期：2014-09-24