CAE于方管擠壓模具優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

1 前言

      模具設(shè)計是鋁型材生產(chǎn)的最主要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的模具優(yōu)化設(shè)計都是通過模具在實際生產(chǎn)中所體現(xiàn)的缺陷,并在其基礎(chǔ)上修?；蛑匦略O(shè)計開模。以達到優(yōu)化模具的目的。這不但嚴重影響了生產(chǎn)效率，也浪費了人力，物力。計算機仿真技術(shù)卻可以為傳統(tǒng)的模具優(yōu)化設(shè)計帶來前所沒有的革命。采用“模具設(shè)計～模具仿真～模具設(shè)計修改～模具再仿真～擠壓生產(chǎn)”[2,3]，利用計算機仿真技術(shù)縮短了設(shè)計周期，并能在仿真結(jié)果中有效體現(xiàn)生產(chǎn)中,模具因設(shè)計因素所產(chǎn)生的缺陷，從而優(yōu)化設(shè)計，節(jié)約了生產(chǎn)成本。本文采用HyperXtrude專業(yè)鋁型材擠壓工藝和模具優(yōu)化有限元軟件，對不同方案的模具設(shè)計進行比較分析，得出了一種較好的設(shè)計方案。

2 模具型材尺寸和模擬分析數(shù)據(jù)

    圖1 方管型材截面      

圖2 CAE模型

      為了增加模擬結(jié)果數(shù)據(jù)的可比性，兩種設(shè)計方案均采用統(tǒng)一數(shù)值進行仿真模擬分析。

3 模具設(shè)計方案確定

      在設(shè)計兩種模具結(jié)構(gòu)方案時，為了更加突出方案的可比性，除了上述采用統(tǒng)一的模擬數(shù)據(jù)模擬分析外，其兩種設(shè)計方案中的模具結(jié)構(gòu)大致相同。在設(shè)計時兩種方案時，其兩者的凹模結(jié)構(gòu)與凹模定徑帶長度均不變；而在設(shè)計凸模時，也采用相同模式,兩者凸模的分流孔布局，分流橋的布置以及定徑帶長度均為不變，只考慮凸模進料口以及進料口處分流橋橋位的銜接方式的變化。這使工程師在建三維模型時，減少了工作量，同時也使三維模型更為模塊化，減少了建模時間;同時在網(wǎng)格的劃分的時候網(wǎng)格的質(zhì)量的得以提高。有利于工程師針對此類通過修模的方法，對舊有模具模具進行修改，提高模具壽命，避免了重新制造模具的麻煩，節(jié)約大量生產(chǎn)成本。

圖3模具設(shè)計方案一凸模剖視圖

3.1模具設(shè)計方案1：

      因型材為方管型型材，工程師設(shè)計一般設(shè)計理念都是將分流孔平均分布于型材舌頭的四周，與其銜接的分流橋以45°成X型均勻分布于模具的舌頭四周，支撐凸模的舌頭；其單個分流孔總體面積就達到2503，并向外寬展一定距離。工程師在設(shè)計時為了提高凸模在熱處理后的硬度，特意在凸模舌頭重新處增設(shè)有一定深度的熱處理孔。其實此設(shè)計為最原始的設(shè)計方案也是工程師設(shè)計模具最為簡單最為原始的方案，其設(shè)計方案也過于保守。在設(shè)計此方案時工程師也深知此方案弊端，以及在實際生產(chǎn)中的模具所凸顯的問題。模具設(shè)計方案二也將以此為原型，通過改變凸模進料口處的結(jié)構(gòu),達到預(yù)想效果。那種方案才能使模具達到預(yù)想效果，突破技術(shù)瓶頸也是我們本文所要討論的。

圖4 模具設(shè)計方案二凸模剖視圖

3.2模具設(shè)計方案 2:

      設(shè)計方案二，其凸模模具結(jié)構(gòu)與方案一的分流孔，橋位布局與方位一致。區(qū)別在于在凸模入料口處舌頭中心位置，以圓弧過渡，并沉入相對較少的深度，再以斜拉式橋位相連接凸模入料口處舌頭中心位置沉入部分。

4H13鋼高溫拉伸實驗

4.1實驗設(shè)備

     為了日后仿真工作， 有可靠的實際數(shù)據(jù)做依據(jù)，我司特意針對我司使用的H13鋼進行高溫拉伸實驗. H13鋼高溫拉伸實驗采用 GLEEBLE1500熱模擬實驗機，對 H13鋼在530℃、550℃和580℃三個溫度進行拉伸實驗，拉伸速度為0.001mm/s，高溫拉伸設(shè)備如圖5所示：

圖5GLEEBLE 1500熱模擬試驗機

4.2H13鋼熱處理工藝為：

4.3 H13鋼高溫拉伸實驗數(shù)據(jù)

   圖6 H13鋼不同溫度應(yīng)力-應(yīng)變曲線

     實驗H13鋼在600℃時所需要的拉伸力27234N。從圖6應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖可以看出，H13鋼在600℃時的抗拉強度最大為850Mpa，H13鋼在高溫拉伸時沒有明顯屈服點。從拉伸力和應(yīng)力-應(yīng)變曲線可看出，隨著溫度的升高，模具在高溫的拉伸力和最大抗拉強度都會降低。在實際過程中，為了H13鋼不同溫度應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖如圖6所示；

3 仿真分析結(jié)果

3.1模具應(yīng)力分析

     模具的壽命的長短大部分取決于其凸模應(yīng)力的高低，圖7是仿真分析兩種設(shè)計方案的凸模應(yīng)力分布圖。仿真分析結(jié)果顯示，不管是哪一種模具結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，其模具應(yīng)力受力點平均分布于橋位與舌頭的鏈接處。

方案 1                                  方案 2

 圖 7凸模應(yīng)力分布比較圖 

     兩種模具設(shè)計方案中，方案1）的凸模應(yīng)力最大，最大應(yīng)力達到1030MPa；相對模具設(shè)計方案2，由于設(shè)計方案采取了在凸模入料口處舌頭中心位置形成圓弧作緩沖，其橋位沉入一定的深度并以斜拉式橋位與其相連接。正因為采用了獨特的緩沖減壓方式的方案二其應(yīng)力為861MPa，得到了較大的降幅。如圖7所示。仿真模擬數(shù)據(jù)表明方案一凸模所受應(yīng)力超過其屈服強度，在實際使用過程中，直接失效。

     從模具結(jié)構(gòu)仿真分析可以看出，在模具結(jié)構(gòu)總體相同的情況下，只有通過一系列的降低模具壓力手段，才能減輕模具中凸模的應(yīng)力，從而提高模具壽命。方管的模型分析給了我們一些啟示，對于對稱性較強的鋁型材擠壓模具，模具結(jié)構(gòu)中分流孔布局與橋位的放置在不變的情況下，可采取一系列減壓的措施，可以有效降低凸模所受應(yīng)力，提高模具的整體壽命。

3.2模具變形分析

      模具變形直接影響型材成型，影響型材在實際生產(chǎn)中型位尺寸變化，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。圖8是分析兩種設(shè)計方案得到的凸模Z軸（縱向）方向變形分布圖。對于此種方管型型材設(shè)計的模具仿真模擬變形結(jié)果，我們主要看凸模Z軸（縱向）方向的變形量數(shù)據(jù)結(jié)果。從模擬結(jié)果數(shù)據(jù)可以知道方案一Z軸方向變形量最大，達到0.34mm；而方案二Z軸方向變形量為0.235mm。

圖8凸模 Z 軸（縱向）方向變形比較圖

      由此可判斷，在設(shè)計方案2中由于采取減壓措施比設(shè)計方案1沒有減壓措施Z軸（縱向）方向的變形量要少。

3.3 型材流速分析

      型材流速越均勻，在實際生產(chǎn)中模具穩(wěn)定性才進一步得以體現(xiàn),型材質(zhì)量越好。圖9是分析得到的型材流速分布圖。如表1流速極限值比較表所示，可以進一步了解，兩種設(shè)計方案中，那種變形量較大。    圖9 型材流速分布圖

表1型材流速極限值比較

      流速均方差數(shù)值越小，表明型材流速越均勻。從模擬數(shù)值中知道方案一，最大流速值與最小流速值差異巨大，因此型材在實際生產(chǎn)中其成型率也會較低。反觀從型材流速均勻性的角度來看，采用了減壓措施設(shè)計方案二流速流速比較均,有利于提高型材的成型率。

3.4 模具溫度分析

      圖10是分析得到的凸模溫度分布圖。其模具溫度的高低對型材表面質(zhì)量有一定的影響。表2為溫度極限值比較表。     

圖10凸模溫度分布圖

表2模具溫度極限值比較   

      結(jié)果顯示，兩種設(shè)計方案的模具溫度升高和分布情況基本一致。模具設(shè)計方案一，凸模最高溫度為614℃；模具設(shè)計方案二，凸模最高溫度為609℃。

4 結(jié)論

表3綜合統(tǒng)計分析表

     從方管模型的綜合分析結(jié)果得出結(jié)論如下：

1)方管型材，采取減壓措施能有效降低模具所受應(yīng)力。

2)在凸模入料口處舌頭中心位置形成圓弧作緩沖，其橋位沉入一定的深度并以斜拉式橋位與其相連接。這一方案有效緩沖了模具所受壓力。綜合模具強度、模具變形和型材流速的結(jié)果來看，方案2在擠壓時效果會最好。