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一、塑性成型数值模拟概述:
塑性加工过程的有限元数值模拟,可以获得金属变形的详细规
律,如网格变形、速度场、应力和应变场得分布规律,以及载荷-行
程曲线。通过对模拟结果的可视化分析,可以在现有模具设计上预测
金属的流动规律,包括缺陷的产生。利用得到的力边界条件对模具进
行结构分析,从而改进模具设计,提高模具设计的合理性和模具的使
用寿命,减少对模具重新设置的次数。
复杂横截面铝型材挤压模具的设计与数值模拟分析
1.铝合金型材应用背景
铝合金型材广泛用于建筑建材、交通运输、航空、航天、电
子电器等领域。铝合金型材产品成形的质量取决于对模具结构的合理
设计及各种尺寸因素是否得当。而目前,国内行业存在的普遍现状仍
是通过经验类比的方法设计模具,模具的一次试模成功率大概只有
50%~60%。采用数值模拟的手段对设计进行验证和反馈,提高设
计的成功率,有着很大的发展前景。
2.设计分析方案
本文选取一个特定的复杂横截面型材,分析其模具的设计方案;
建立了挤压过程的有限
元模型,利用基于任意拉
格朗日欧拉法(ALE)的
Hyperxtrude专用模块,
对铝合金型材的挤压过
程进行模拟分析。通过对模具设计方案的数值模拟,重点对坯料在
模具中不同位置的速度分布结果进行分析,并对比实际试模情况,对
模具的设计方案进行了修正,探讨了在挤压工艺中通过模具结构的
调整,实现对金属流动进行控制,以改善模腔内的材料流动,获得合
格的型材产品。
3.针对问题
图2为某型材厂生产的具有复杂
横截面尺寸的产品。由于型材断面
的外接圆直径达到Φ236.3mm,比挤
压棒料的直径尺寸大了约20%,因
此需要对材料进行比较大的宽展成
形。为减轻模具上模分流桥部位的
压力,以及尽量减少上模的宽展角度,需要做一块导流板以保护上模
和引导金属向两边流动如图3所示
a、导流板b、上模c、下模
图4所示为导流板端面向下50mm处截取平面的金属流动速度分
布图,由图可见,导流板上由于中间
位置的分流孔往右边倾斜向下供料,
导致金属较多的被拖向右边的分流
孔,导致金属在右边的分流孔中流
动比左边的分流孔流动快。
图4金属流经导流板时材料流动速度分布
图5所示为型材挤出的金属流动速度分布。试模结果和模拟结果都
表明,截面两头出料太快,而处于中间和加强筋位置的流速太慢,无
法正常出材,其中数值模拟结果显示,出口速度最快,达到290.6mm/s。
而根据理论计算,型材挤出的平均速度应为
图5挤出金属流动速度分布与第一次试模样品对比
a)速度分布;b)样品正面;c)样品反面
可见Vmax/Vout=3.59,而挤出型材在中间位置的速度值取得最小
值,只有40mm/s左右。可见速度场的偏差很大。按上述方案设计
的模具经过多次修模之后,模具通过了试
模,但在使用中,仅挤出不到2t的产品,
就在图12中A、B位置出现了裂纹。
A、B两处应是模具最薄弱位置,而对
模具失效位置的分析发现,模具钢材存
在比较严重的成分偏析也是影响模具寿
命的重要因素。
4.解决方法:具体解决方案如下:
1)根据模具的第一次试模结果和数值模拟结果,在补做新的上模
时,对模具的结构进行修改,以改善金属流动的供给状况,引导更多
的金属流向中间的部位,以平衡金属的流动。根据对结果的分析,设
计方案采取了将中间两孔之间的分流桥去掉,以减少其对金属的阻
碍作用,模具结构则由7个分流孔变为5个分流孔。另外将两边分
流孔稍稍往外扩,减少金属流动时对分流孔下面模芯的正面压力。
2)由于中间分流孔靠右的缘故,模具右边的金属流动较左边位置
快,可见影响金属流动的因素很多。因
此在修模中,从工作带上作相应的修改
(见图6),左边角上的工作带高度由
3.5mm改为3.2mm,同时将右边边上
的工作带高度由
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