基于HyperXtrude的空心鋁型材擠壓 模具結構的優化

朱元好,劉 鵬

(煙臺大學機電汽車工程學院,山東 煙臺 264005)

鋁型材具有強度高、質量輕、抗腐蝕性好、易于加工與回收等優良特性,不但在軌道車輛、汽車船舶、橋梁、建筑結構材料、包裝等產業領域廣泛應用,還在飛機、航天器機械部件等產業領域發揮著重要的作用[1-5]。近些年不論是基礎設施建設的高精尖設備還是航空航天精密設備都對鋁型材有了進一步的要求,以往的鋁型材更多的是截面簡單的小型材,目前對截面復雜的大型材有了更多的需求。隨著鋁合金擠壓材向大型化、復雜化、精密化、多用途方向發展,人們對擠壓工模具的要求也越來越高[6]。在空心鋁型材擠壓模具行業,模具斷裂是平面分流擠壓模失效的長期問題,問題主要集中在模芯與分流橋的結合部位處應力過大導致模具斷裂,這主要是因為金屬在焊合室焊合之后要匯聚在模芯的四周通過工作帶處擠出,便使分流橋處承受著很大的擠壓力,最終導致分流橋與模芯的結合部位處容易斷裂,造成模具的壽命不長。和國際先進鋁型材擠壓模具相比,國內鋁型材擠壓模具的使用壽命較為低下[7-8]。為了改善模具應力集中的狀況,提高模具的使用壽命,需要合理地對模具進行設計和改進。合理設計模具結構能使模具在擠壓時受力均勻,降低應力集中[9]。

目前模具設計是通過工人憑經驗進行試模修模,這種生產方法效率低下,不能滿足當前對鋁型材的日益需求。這極大程度上拖慢了鋁型材的生產效率和模具開發周期,影響模具質量和模具壽命,增加了企業的經濟和時間成本,因此改進傳統的模具設計方法刻不容緩[10]。隨著科學技術的發展,運用數值模擬和工程師經驗設計相結合的方法,極大地縮短了模具廠家的研發周期,同時在優化模具和提高鋁型材產品質量等方面發揮著重大的作用[11-13]。本研究采用數值模擬技術對鋁型材擠壓過程進行模擬分析,通過模擬分析的結果進而優化模具結構,為擠壓參數的選用和模具結構的優化研究提供了借鑒,減少了模具廠家試模修模的次數,提高了生產效率。

1 建立鋁型材擠壓過程的模擬模型

1.1 模具結構

本研究主要模擬的是一種空心鋁型材擠壓模具結構的優化。在進行鋁擠壓模擬分析前,利用SolidWorks三維建模軟件對一種平面分流組合模具進行建模。平面分流組合模具由上模、下模組成(圖1),通過定位銷和聯接螺釘定位可以將上、下模連接起來[14]。上模的結構有分流孔、分流橋和模芯,分流孔是金屬通往型腔的通道,分流橋能夠支承模芯,模芯是用來形成型材內腔的形狀和尺寸[15]。下模的結構有焊合室、?？仔颓?、工作帶和空刀[16]。模具外形尺寸根據擠壓機配備模套尺寸確定。

圖1 分流組合模具

1.2 模具的有限元分析模型

模擬分析采用基于ALE算法的HyperXtrude。ALE法結合了歐拉法和拉格朗日法[17],該方法劃分的網格在空間運動時不與物質坐標系和空間坐標系產生關聯,網格的運動形式更能夠準確描述物質的運動邊界[18],可以大大提高工作效率。將建立好的三維模型以STP格式或者IGE格式導入到HyperXtrude軟件中,在軟件中對所建立的模具檢查拓撲關系并修復模具結構的瑕疵,提取模具結構中的分流孔和焊合室,建立金屬流經區域并進行幾何清理的工作,先建立坯料區域,再進行工作帶和型材的體網格劃分,接著對金屬流經區域進行面網格劃分,要從面網格生成體網格而不能直接生成體網格,否則會出現識別不準確的狀況,最后對坯料進行體網格劃分,提取擠壓時工作帶的內外部曲線。注重網格劃分的質量,對畸形的網格要進行手動調整,使網格質量達到規定的標準,否則會影響到后續模擬分析得到的結果。得到擠壓分析有限元模型如圖2所示。

圖2 擠壓分析有限元模型

2 鋁擠壓模擬分析參數的設置

2.1 擠壓工藝參數

對分流組合模的穩態擠壓過程進行模擬分析,鋁合金材料選擇AA6063鋁合金,模具材料選擇H13鋼,基本擠壓參數設置如表1所示。

表1 基本擠壓參數設置

2.2 模擬邊界參數設置

HyperXtrude有五種可定義的摩擦類型,在模擬鋁型材擠壓時采用庫倫摩擦、剪切摩擦兩種。庫倫模型應用于擠出型材與模芯、工作帶的接觸部分;剪切模型則應用于材料與模具內表面等接觸位置。庫倫摩擦與剪切摩擦分別如式(1)、(2):

fc=μσn,

(1)

τ=mτyield,

(2)

式中:σn為法向應力;μ為摩擦系數;m為摩擦因子;τyield為鋁料剪切屈服應力。

邊界條件是用來說明鋁合金棒料擠壓時在不同時段流經模具的不同位置時的摩擦、載荷、變形、傳熱等情況,能夠彌補控制方程的缺陷。由于材料種類、模具、摩擦情況、擠壓方法等多種多樣,設置的邊界條件也因此不同。邊界設置情況如表2。

表2 邊界設置

3 模擬結果分析

圖3為利用HyperXtrude模擬擠壓得到的型材擠出速度圖,從軟件HyperView中對結果進行后處理可以查看結果,型材擠出速度越均勻,說明擠壓得到的型材越均勻,從擠壓結果圖中可以看出型材的擠出速度數量級相差不大,完全符合理想擠出型材的預期標準。

圖3 型材擠出速度

圖4所示為利用HyperXtrude模擬擠壓得到的在工作帶處的靜水壓力情況,在工作帶處靜水壓力為100～138 MPa 之間。由最大擠壓力與型材截面積比值判斷得到仿真結果與理論值較為接近。在這樣的靜水壓力下鋁型材很容易被擠壓。另外,靜水壓力是影響鋁型材焊合質量的重要因素,靜水壓力的數值為后文計算焊合質量提供了重要的數據參考。

圖4 工作帶處的靜水壓力

圖5為HyperXtrude工作帶處流動應力圖,由于鋁金屬在由模具工作帶擠出時擠壓力較大,所以導致在流經工作帶處的應力也較大。工作帶處的流動應力圖可以清晰地表明鋁型材擠壓時在通過工作帶處的各部位流動應力數據,流動應力影響鋁型材在焊合室焊合時的焊合質量,間接影響型材質量,為后文計算焊合質量提供數據參考。

圖5 工作帶處的應力

模具模芯處的應力、位移分布情況分別如圖6、圖7所示。在應力分布圖中,模芯與分流橋的結合部位處出現了應力集中的現象,這與實際生產生活中由于模具模芯斷裂使模具失效情況符合;從圖6中可以看出,最大應力在450 MPa左右,若擠壓棒料時此部位多次承受450 MPa以上的應力,此處往往很容易產生裂紋或者斷裂從而使模具失效。應力最大點不在模具表面,在模具內部。就模芯處的位移分布情況來看,模芯處平均位移約為0.075 mm。在實際生產生活中,模芯處的位移越小越好,位移越大,越影響型材擠出的質量。

圖6 模芯處的應力分布

圖7 模芯處的位移分布

4 模具結構的優化和模擬分析

從第3節對鋁型材擠壓的模擬仿真結果來看,模具中模芯與分流橋結合處在擠壓時會造成應力集中,這是一個極其薄弱需要改進的部位,擠壓時棒料是通過模具上模面分流橋處進入分流孔,為了減少對分流橋這種極大的擠壓力設計了一種拱形橋模面的分流橋擠壓模具,拱形橋模具如圖8所示。

圖8 拱形橋模具

鋁棒料在擠壓機擠壓力的作用下和模具的上模平面處會產生極大的擠壓力,在這種極大的擠壓力的作用下才會使金屬流進模具的分流孔從而在焊合室焊合,最終從模具的工作帶處擠出型材。之所以在模具上模處設置拱形橋的結構,是因為鋁料和模具拱形橋面的接觸是一個曲面,在擠壓力的作用下,這種拱形曲面對鋁料通過模具分流孔起到一個緩沖的作用,和初始模具相比,只需要更小的擠壓力就能使鋁料通過模具的分流孔,使鋁料能夠更容易地進入模具當中,這種緩沖對模具的損傷也就更低。

由圖6可知設置拱形橋初始模具的最大應力約為450 MPa。為改善模具的最大應力,設置了不同模面高度的模具并進行仿真模擬,不同模面高度的模具最大應力相比初始模具有了一定程度上的改善,并且使模具最大應力的位置也有一定的變化。模具應力分布情況如圖9所示,最大應力處的位置便是圖9中所標注處的結構部位,模具材料和鋁合金材料仍為H13鋼和AA6063鋁合金,擠壓參數如表1。

圖9 模具應力分布

從圖9中可以看出,(a)、(b)、(c)、(e)、(g)、(h)圖中六種模具最大應力出現的位置和原始模具一樣,均在模芯底部與分流橋的交接部位處,但最大應力有了很大的下降,其中下降最大的是(e)圖的模具,其最大應力約為420 MPa,最大應力的降低使模具能夠擠壓更多的棒料,間接提高模具的使用壽命。(f)、(i)、(j)、(k)、(l)圖中五種模具最大應力的結構部位出現了轉移,應力最大點由模芯與分流橋交接處變化到鋁棒料進入分流孔的上模入口處,此處的結構部位強度較高,同時降低了模芯底部與分流橋交接處的應力,這是因為拱形橋模面對擠壓進入的鋁棒料起到了緩沖的作用,降低了擠壓力。(f)圖的模具最大應力最小,約為 428 MPa,且模芯底部與分流橋結合處的最大應力約為372 MPa,該處最大應力降低了約 17.3%。通過改進模具結構降低鋁棒料對模具的擠壓,間接影響模具應力的分布,改善了模芯底部與分流橋交接處的應力集中,提高模具使用壽命,為進一步優化模具結構改善應力分布集中提供了參考。

總地來說,本文所述拱形橋模具和傳統的平面分流模相比具有如下優點:傳統的平面分流組合模具在擠壓機擠壓鋁棒料的時候,棒料和模具上模接觸面是平面,這非常容易造成模芯和分流橋接觸部分的應力集中;而拱形橋模具通過分流橋結構的創新,可減緩應力集中,減少了模具的最大應力,降低了模具分流橋與模芯結合處開裂的可能性,提高了模具的使用壽命。雖然拱形橋模具會造成后續切殘料工藝的麻煩,但是通過改進切殘料的方法可以實現拱形橋模具的殘料切割。本文所述拱形橋模具從模具結構上提出了創新思路,目前,拱形橋模具及其后續的切殘料工藝已形成了自主知識產權,有望對模具壽命有較大提升。

擠壓型材時焊合室的靜水壓力與流動應力的比值是衡量擠出型材的焊合質量是否良好的關鍵因素,一般應大于3[19]。取不同拱形橋模面高度的靜水壓力及流動應力并計算其比值如圖10,隨著拱形橋模面高度升高焊合質量總體呈上升趨勢,說明適當提高拱形橋模面高度會提高型材焊合質量。

圖10 拱形橋模面高度對焊合質量影響

5 結 論

(1)獲得了擠壓成型時,型材擠出速度場、工作帶處的靜水壓力、應力場、溫度場、模芯處的應力和位移分布等參數的分布規律,為以后鋁型材擠壓模具的設計、制造、修正提供了重要依據。

(2)根據模擬仿真得到的結果對模具的結構進一步進行改進,設計了一種拱形橋模具,設計不同拱起高度的拱形橋模面并對其進行數值仿真,拱起一定高度后可以改善模具的應力分布情況,模芯與分流橋結合處這一強度薄弱位置的最大應力降低約17%,應力集中情況得以改善,且最大應力位置發生轉移。

(3)適當的拱形橋模面的高度不但可以降低模具的最大應力,而且可以提高型材的焊合質量。

(4)在實際生產擠壓試模時,利用有限元仿真軟件HyperXtrude對鋁型材擠壓模具進行模擬擠壓,不但可以預測型材缺陷,也可以減少試模修模的次數。