大型复杂截面铝型材挤压过程数值模拟及模具结构优化

挤压模具在铝型材挤压生产中起着至关重要的作用,挤压模具设计的优劣直接影响挤压产品的质量。然而实际生产中,挤压模具的设计更多依赖传统设计经验,需要多次试模和修模,无法满足产品开发需求。以典型的多腔壁板铝型材为例,应用ug建立分流组合模几何模型,采用基于任意拉格朗日—欧拉(arbitrarylargrang-euler,ale)算法的hyperxtrude软件对多腔壁板铝型材的挤压成形过程进行数值模拟,获得挤压过程中速度场、温度场、应力场及金属流动情况。针对初始模具设计的不足,提出多腔壁板铝型材挤压模具优化三步曲(开设引流槽、增设阻流块、优化工作带),有效地解决了初始模具设计中速度分布不均的问题。利用数值模拟方法可以优化模具结构,提出的多腔壁板铝型材挤压模具优化三步曲对同类铝型材挤压模具结构设计具有一定的指导意义。

以典型的多腔壁板铝型材为例,应用pro/e建立了分流组合模的几何模型,利用锻造专用有限元软件对多腔壁板铝型材挤压过程进行了数值模拟,并对多腔壁板铝型材挤压模设计以及挤压过程数值模拟中的关键问题进行了研究,以期提高模具设计质量和效率,实现模具开发的高质量、低成本、短周期。

文章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。

介绍了铝型材挤压过程数值模拟的基本理论,包括描述流体运动的方法、材料模型及本构关系、控制微分方程等。分析了有限元法和有限体积法在铝型材挤压过程数值模拟中的应用现状,发现有限体积法由于采用欧拉描述,能避免网格畸变及重划而具有技术优势,并开始受到重视,提出了有限元法及有限体积法在铝型材挤压过程数值模拟中应用的研究重点及发展趋势。

以金属流出挤压模具工作带的流速均匀性为目标,以确保高质量成形为目的,采用正常挤压工艺设置相应工艺参数,使用hyperxtrude软件对挤压模具工作带形状和参数进行优化,提出挤压工艺与模具相互匹配、具备实际应用可行性的数值化应用解决方案,用以指导实际批量化的模具制造和铝型材挤压生产。同时,此项计算机数值模拟分析研究方法产生的＂虚拟试模＂效果,可以减少铝型材设计研发生产周期、节省实际生产试模次数、提高生产效率和成品率、降低型材挤压生产成本,提高铝型材生产经济效益。

应用ugnx建立了平面分流组合模的几何模型,利用有限元软件deform-3d对挤压过程进行有限元模拟,研究了挤压铝合金空心型材时金属的流动情况。模拟结果表明,即便是对称性较好的铝合金窗用光企型材(有一个对称轴)模具,按照常规的设计方法也很难避免金属的流速不均问题,影响型材的成型度。对于绝大多数空心型材来说,其断面往往都是不对称的,仅依靠设计者的经验和判断设计模具是很难避免金属流速不均问题的。而采用有限元模拟的方法,则可以及时发现设计中存在的不足,并通过修改设计方案,达到满意的效果,为设计模具提供科学的依据。

以金属流出挤压模具工作带的流速均匀性为目标,以确保高质量成形为目的,采用正常挤压工艺设置相应工艺参数,使用hyperxtrude软件对挤压模具工作带形状和参数进行优化,提出挤压工艺与模具相互匹配、具备实际应用可行性的数值化应用解决方案,用以指导实际批量化的模具制造和铝型材挤压生产。同时,此项计算机数值模拟分析研究方法产生的"虚拟试模"效果,可以减少铝型材设计研发生产周期、节省实际生产试模次数、提高生产效率和成品率、降低型材挤压生产成本,提高铝型材生产经济效益。

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铝型材挤压模具设计课件

>试卷 班级：106模具姓名：学号： 一、填空题（30分） 1.铝合金挤压型材按横截面的形状和尺寸可分为四组：、、、 。 2.大型基本挤压工具包括、、、、和 等；模具包括、等直接参与金属变形且消耗比较大的工具。 3.沿长度方向断面不变的实心型材挤压有三种基本方法是：⑴、⑵、⑶ 4.型材主要失效与坏损形式有、、和。 5.型材挤压模具按模孔压缩区断面形状可分为：、、、 和等。 6.修模的基本方法有、、、垳磨与抛光及表面氮化等。 7.钳工修模主要包括钳修工作带，保证尺寸精度和降低表面粗糙度，修平、、 、桥部的刀纹、棱角，去除氧化皮、组装垳磨模子等 二、判断题（对的画√，错的画×，10分） 1.电火花成形加工主要加工模子工作带、垫模和专用环的模腔通孔以及直径较小深度较深、内表面要求较光滑的通孔和盲 孔。（） 2

将流体力学中的有限体积法(fvm)基本理论与刚黏塑性流动理论相结合,建立了基于非正交结构网格的铝型材挤压过程有限体积法数值模拟模型。模型采用非正交结构网格拟合复杂几何形状边界,可实现局部细化;在非正交网格上直接离散直角坐标系下的控制方程,避免了采用适体坐标系带来的复杂坐标转换问题。采用simple算法耦合求解压力场和速度场,推导了非正交网格上的压力修正方程。开发了铝型材非稳态挤压有限体积法数值模拟程序ae-fvm,并对典型薄壁铝型材挤压过程进行了模拟和模具优化,通过将模拟结果与基于有限体积法的模拟软件msc/superforge的结果进行比较,验证了所建立的数学模型的正确性。

铝型材挤压模具知识 所谓挤压，就是对放在容器（挤压筒）中的锭坯一端 加以压力，使之通过模孔成型的一种压力加工方法。 1.1.1沿型材长度方向断面不变的实心型材挤压 按金属制品相对于挤压杆运动方向可分为： 1）金属正向流动的挤压 2）金属反向流动的挤压 通过挤压筒传递压力 通过坯料传递压力 同上图，运动构件不同 3）正向和反向的联合挤压 挤压筒、坯料、模具都参与先后运动形成挤压 1.1.2空心型材挤压可分为： 1）固定针挤压 2）随动针挤压 无缝管材正向热挤压 （a）固定针挤压；（b）随动针挤压 1－挤压杆；2－挤压垫；3－挤压筒；4－挤压模；5－锭 坯；6－挤压制品；7－挤压针 3）焊合挤压 焊合管材、空心型材正向热挤压 1－挤压杆；2－挤压垫；3－挤压筒；4－上模；5－下模； 6－锭坯；7－挤压制品 1.1.3阶段变断面实心型材的挤压 用三个可拆卸

铝型材挤压模具设计思考题 1、基本概念 平模、锥模、正锥模、倒锥模、舌比、比周长、宽厚比、阻碍角、促流角、挤 压比、分流比、宽展量、宽展角、比压 2.模具工作带的作用是什么？确定工作带长度的原则是什么？ 3.挤压模具设计时，为什么要设计入口圆角？ 4.在50mn挤压机直径为360mm的挤压筒上，挤压直径为40mm棒材，合理的挤 压比范围为10~15，模孔数目为多少合适？ 5.不等壁型材模设计时，如何确定不同壁厚处的模孔工作带长度？ 6.在型材模具设计时，如何平衡模孔不同部位金属的流动速度？ 7.在槽形型材模具设计时，为什么型材模孔的角度应增大1°~2°，设计成 91°~92°，而且型材底部的模孔尺寸应适当扩大0.1~0.8mm？ 8.分流模主要由那几部分构成，焊合室的主要作用是什么？ 。 9.型材模孔设计时，模孔尺寸要比型材的名义尺寸大一些，这是为什么？ 10.分流模设计中，

工业铝型材技术专集·543· 模具制造和模具修正 bstein，bonn 卢莉莉，孙艺文，张玉洁，李越译，王丽巍校 【东北轻合金有限责任公司，黑龙江哈尔滨150060) 1模具制造 1．1对用户所需型材进行检验和分类 对所需型材进行检验和分类是挤压厂很重要的工作之一。它是模具生产车间进行设计、 计算和模具加工的基础，也是最后为客户提供报价的依据。检验和分类工作由技术人员仔细 地完成，因为如果检验的数据不正确，可能会影响订单的完成。对每台挤压机的现有模支承垫 和每个挤压筒的直径应进行汇编整理，不同的模支承垫的孔径应按照1：1的比例画在透明的 箔上(图1)。对所需要的型材借助于图纸进行检验分析，比如在图1中用图解说明的检验单。 再根据客户的图纸(必须对其比例进行核对)，对型材进行检验，应考虑到： (1)挤压后比较明显的断面部分； (2)处在输出辊道上的断面的定位，

提出了一种铝型材挤压模工作带形状的数值设计方法，该法以三维刚塑性有限元分析为基础，以获得均匀流动为目标进行工作带形状的迭代计算。经实际算例验证，方法可行。

对aa1100铝材长方形空心管的挤压过程使用数值分析软件superforge进行数值模拟。在挤压生产中,金属流出工作带时的流速均匀性是得到高质量型材的关键。在挤压生产中通常采用几种方法修改模具,消除流速不均,例如修改分流孔的大小、形状和位置分布,修改工作带长度和焊合室形状尺寸等。本文通过数值模拟发现在长方形空心管挤压的初始模具设计中型材截面流速不均匀,造成端面不平。对此,提出了三种模具修改方案,并分别对其进行了数值模拟,经过分析比较确定了最佳模具设计方案,由此方案可以生产出合格的挤压件。

?????摘要：铝型材的挤压缺陷很大一部分都直接或间接的与挤压模的设计和结构有关。 简要介绍（1）部分大断面空心型；（2）双模孔易偏壁空心型材；（3）小开口、悬臂面 积大的平面型材；（4）壁薄而长度比比较大的平面型材等挤压模的优化设计。 前言：铝型材生产的质量和效率与挤压模的设计和结构密切相关，笔者根据几年来 的工作实践和生产经验，简要介绍几种在实际生产中经常出现问题的铝材挤压模的优化 设计实践，与同行们共讨论。 部分大断面空心型材模具的优化 断面空心比较大的空心型材在常规设计情况下，常出现大面起波，平面间隙超差， 明显焊缝等缺陷，出现这些问题，通常是缘于模具设计结构的不合理性。为此，笔者在 模具设计上：上模采用偏桥，下模在料仓内加凸筋的设计方案。 由于在生产过程中，型材大面起波、平面间隙超差等缺陷-般是因为大面分流孔接近 中心，金属流速快而引起的，因此在焊合室中大面模孔前置一

铝在地壳中的储量为8%左右,是储量位于第三的元素,生产铝的矿产资源丰富,全球储量还可持续开采200年。从铝土矿开采到生产氧化铝,再到生产原铝成本巨大。一方面随着能源成本的增加和全球对铝需求的持续增长,铝价将持续上涨;另一方面铝的可回收性很强,铝型材挤压工业的废料可以直接加工成挤压坯料,加工成本仅为原铝的10%,能源消耗仅为原铝的5%。

文章利用刚粘塑性有限元软件deform-3d对分流组合模挤压小直径薄壁纯铝圆管过程进行了三维有限元模拟,得出了模具焊合室深度以及工作带长度对挤压力、应力应变、模具应力等物理场量的影响规律,从而对模具结构参数进行优化。模拟结果表明,分流模上模应力集中主要分布在分流桥和模芯部位,下模应力集中分布在工作带附近和焊合室圆角过渡区,焊合室深度和工作带长度对产品质量有很大影响。通过试验得知,加大焊合室深度和工作带长度,可提高产品焊缝强度和表面质量。

ω槽道翅片管具有精密的内槽道结构,尺寸精度要求高,成形难度大。利用有限体积法对ω槽道翅片管的挤压成形过程进行了模拟计算,通过分析对比模拟得到的挤出速度场和料头形貌,探讨了不同的模具结构对金属流动和管材成形的尺寸精密度的影响。模拟结果表明,采用非等长工作带和6.5mm的模芯设计时,翅片管挤压出口金属的流速场最为均匀,尺寸精密度最好。按最优结构设计模具并进行挤压实验,挤压实验和模拟仿真得到的料头形貌吻合较好,实验测得的挤压速度和模拟得到的速度基本相符,误差在8.75%以内,表明模型构建的较为准确。

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散热铝型材挤压模具设计