薄壁空心铝型材挤压模具阻流块结构优化设计.docx

薄壁空心铝型材挤压模具阻流块结构优化设计薄壁空心铝型材挤压模具阻流块结构优化设计挤压模具在铝型材挤压生产中起着至关重要的作用，直接影响挤压产品的质量和企业的生产成本。然而在实际生产中，挤压模具的设计更多依赖设计师的经验，模具质量难以保证，需要多次试模和修模方可生产出合格的型材产品。本文采用Altair公司基于ALE算法的HyperXtrude软件对某一复杂断面空心型材的挤压过程进行数值模拟。根据初始模具结构中材料流动严重不均的现象，提出在焊合室内增设阻流块并调整阻流块的模具修改、优化方案，有效地解决了挤压过程中材料流动速度不均的问题，获得了较为理想的模具结构。因此，利用数值方法对挤压模具结构进行优化可为同类铝型材挤压模具设计提供可靠地理论基础。1引言铝合金型材因其强度高、重量轻、导电导热性好、耐腐蚀性好、表面美观以及易于回收等优点，被广泛应用于建筑、车辆、船舶、飞机、通讯设备、机械制造、运动器械、家具和装饰等各个领域。在型材的挤压过程中，材料流动异常复杂，采用传统的测量方法难以全面了解材料流速分布，而通过挤压过程数值模拟，可以方便地获得材料流速、型材变形程度、温度以及应力应变等物理场量的分布情况。根据数值模拟结果对模具结构进行相应优化，可减少试模、修模的次数，提高效率，节约成本。近年来，国内外许多学者利用数值模拟的方法研究了挤压模具结构对挤压过程的影响规律，并取得了较大进展。GÜLEY等研究了平模和分流模对AA6060棒料热挤压固态重结晶过程中的焊合质量的影响。黄泽涛等通过球形卸压和拱形沉桥两种结构对方管铝型材挤压模结构进行优化。LI等[3,4]通过设计不同参数的导流室分析了导流室结构对材料流速的影响。ZHI等研究了导流室的分布位置(偏心率)对材料流速的影响。LEE等研究了焊合室形状对材料流动的影响。李群松等研究了工作带长度对模具散热和型材扭曲变形程度的影响规律。WU等通过修改分流孔及分流孔到工作带的路径，优化设计了方形空心型材挤压模具。张双杰等通过挤压成形极限分析得到了厚壁管件有芯棒开式冷挤压的最佳模具锥角。陈泽中等[10]利用正交测试、人工神经网络以及遗传算法实现了薄壁非规则铝型材的多目标优化。刘超等[11]通过建立神经网络、正交实验法和遗传算法相结合的铝型材挤压模具结构优化模型和挤压模具CAO(ComputerAidedOptimization)系统，对不对称槽形型材挤压进行了模具优化。赵国群课题组通过调整二级焊合室、阻流块、引流槽、工作带长度等挤压模具结构，有效控制了模腔内材料的流动情况，并提高了模具寿命[12-14]。倪正顺等[15]通过增设导流槽、合理布置分流孔和调整工作带长度等措施优化了多边形空心铝型材挤压模具结构，同时提高了模具寿命。宋佳胜等[16]通过增加模芯处引流孔直径、增大引流槽斜度、调整二级焊合室的大小和工作带长度等措施对列车车体106XC型材模具结构进行了优化。本文针对一复杂截面且具有微小特征的空心铝型材的挤压过程开展研究。采用AltairHyperXtrude软件对该铝型材的挤压过程进行数值模拟，根据初始模拟结果中型材截面速度分布均匀性较差，采取在焊合室增设阻流块的方案调整了模具结构，最终得到较为理想的模具结构。2模型建立及模拟结果分析2.1几何模型的建立图1为本文所研究型材的截面形状及主要尺寸，该型材截面形状十分复杂，壁厚较薄，最薄处仅有1.00mm，并且具有较难成形的锯齿状凸起的细小特征，给挤压模具的设计增加了难度。薄壁空心铝型材一般采用平面分流组合挤压模，由上模和下模两部分组成。上模包括分流孔、分流桥、模芯、工作带以及空刀等，如图2(a)所示。分流孔是材料流入模具型腔的通道。对于本文所研究的型材而言，上模中采用4个分流孔来平衡材料流动和合理分配材料供给量。分流孔的大小由所对应型材的截面面积确定。为降低模腔内的压力，将分流孔略微向外倾斜一定角度。分流桥主要用于支撑模芯，模芯用于形成型材的内部轮廓。下模包括焊合室、模孔、工作带以及空刀等，如图2(b)所示。为获得足够的焊合压力而又不影响模芯的稳定性，下模焊合室的高度设计为10mm。焊合室用于积聚来自分流孔的材料并将其焊合成一个整体，材料在焊合室内不断汇集，随着内部静水压力增加直到在高温、高压下流出模口。2.2分析模型的建立将初始设计方案的模具三维模型导入分析软件HyperXtrude后，抽取材料流经区域，并进行适当的几何清理，然后划分网格。整个模型分为棒料、分流孔、焊合室、工作带和型材五个部分，其中工作带和型材部分采用三棱柱单元，其他部分采用四面体单元。分析模型的单元尺寸由材料的变形程度决定，工作带附近因材料的变形较剧烈，单元的划分较细密，而在棒料部分的材料只发生镦粗变形，单元划分较粗，这样既保证了分析精度，又控制了单元数量，节省了计算时