基于CAE技術的鋁型材擠壓模具設計

韋 林，賀曉華，劉 馳

（柳州職業技術學院，廣西 柳州 545006）

鋁型材是由擠壓機上的擠壓桿對擠壓筒中的熱坯料施加壓力，使之通過模孔成型而得到的。擠壓模具是使鋁合金熱錠產生擠壓變形和獲得所需制品形狀的關鍵部件。到目前為止，鋁型材擠壓模具的設計，很多是根據經驗的積累，對于設計過程中需要確定的參數，多數沒有直接的計算公式，而是根據以往的經驗值確定。在鋁型材擠壓模具設計中，結構確定之后的模具強度校核，是其中的關鍵步驟。過去由于計算方法的限制，只能根據材料力學和理論力學等學科提供的一些經驗公式進行估算，這種計算并不能全面反映結構的受力情況，也不能給設計人員指出模具的薄弱環節和改進方向。

近年來CAE（Computer Aided Engineering）技術得到快速發展，為模具工業提供了更強大的技術支持。結構CAE技術，主要是應用有限元方法，通過給定條件如材料屬性、負載條件、邊界條件、裝配連接設定等，對結構進行力學、熱學的分析及診斷，提供給用戶具體、形象的數據表達形式。以便進行結構設計校核。應用結構CAE技術，能方便準確地進行模具裝配部件的強度、剛性的校核計算，為進一步優化結構設計提供依據。

1 鋁型材平面分流擠壓模具數字化建模

本次設計的平面分流擠壓模具，用于擠壓鋁空心圓管，型材截面圖如圖1所示。

圖1 型材截面圖

根據型材參數，選擇擠壓機主要參數為：擠壓筒直徑Ф300 mm，公稱擠壓力30 MN。

圖2 模具的平面要素

模具采用單模孔，依據管材的內、外徑尺寸，并考慮熱膨脹系數及拉伸矯直系數，計算出上、下模孔的尺寸后，再根據模孔尺寸并規格化后，得到模具外形的相關參數。采用4個圓弧形分流孔，并在上模對稱分布。

平面分流模具在擠壓工作時，上模和下模之間的位置必須嚴格對中，否則就會影響型材的品質。為了保證上下模的對中，必須在上下模中設置定位裝置。定位裝置包括定位銷和連接螺釘，設置時考慮對模具強度的影響，在焊合室外徑與模具外徑之間，取合適位置作為定位銷和連接螺釘的分布圓。

各徑向尺寸確定后，就可在UG建模環境下，利用草圖功能繪制模具平面要素（圖2）。然后根據各結構要素的高度尺寸，利用拉伸、體求和、體求差等建模命令，完成模具的三維模型。設計好的模具結構如圖3所示。

圖3 分流模結構示意圖

2 建立有限元模型

2.1 模具分析模型的處理

進行有限元分析時，首先要建立相應的有限元模型。本次分析的模型結構具有對稱性，為減少計算量，用模具的1/4進行分析。模型上的一些結構細節，對分析結果影響不大，但會增加分析的計算量，故可將這些結構細節如倒角、連接裝置等，進行抑制以提高分析速度。

為便于后期進行模具疲勞分析，分別反映出模具的不同部位在工作載荷下的疲勞壽命，采用上下模單獨加載的方式，分別進行有限元應力分析。對上模而言，其分流橋和分流孔是主要關注的部位；在下模，則是焊合室和工作帶，因此針對這4個部位進行應力分析。

2.2 擠壓力計算

在一次擠壓工作循環中，全擠壓力隨著擠壓軸的行程變化而變化，本次分析采用簡化模型，來求解模具應力和應變情況。最大擠壓力，通過別爾林公式計算得到，在進行應力分析時，采用各關鍵部位的最大擠壓力進行分析。

2.3 邊界條件

擠壓時，上模、下模和模墊一起固定在模支承中，可保證型孔能很好地對中。由此可知，在擠壓過程中，分流模的上下模是相對固定的，其在軸向的自由度由模支承和壓型嘴限制，徑向的自由度被定位銷限制。由于模支承對上模、下模和模墊的外圓周面的約束，因此上模、下模和模墊的外圓周面基本沒有徑向變形，在軸向也沒有軸向的位移。因此，將上下模的圓周面約束視為固定，基本符合模具實際生產的情況。其次，由于本次分析的擠壓模具在結構上具有對稱的特點，為減小分析的規模，提高分析的速度，采用了1/4的對稱模型，因此須在其對稱面上加載對稱邊界條件，以保證分析結果能與實際情況相吻合。

3 有限元應力應變分析

3.1 分流橋應力分析

分流橋直接影響到擠壓金屬的流動快慢、熔焊品質、擠壓力大小和模具強度，是模具應力最集中的部位之一。當鋁在擠壓力的作用下，開始流入分流孔時，分流橋的端面受到最大的擠壓力。在進行分流橋應力分析時，對其加載擠壓力不能夠完全按照實際情況進行加載，因為在實際擠壓情況下，分流橋端面上的擠壓力分布是不均勻的，在靠近分流孔的周圍，通常會產生應力集中，所以分析時，通常在分流橋端面施加均布載荷，所施加的均布載荷，在數值上能真實反映分流橋的受力情況，所產生的偏差，在分析精度所允許的范圍之內。

圖4 分流橋位移云圖

圖5 分流橋應力云圖

從位移和應力云圖上可以看到，分流橋受最大擠壓力時，其最大位移發生在分流橋的中心位置，而其最大應力則在分流橋的橋根出現，這與實際情況是相一致的。最大位移量在模具變形的允許范圍之內，最大應力則小于其許用應力值，但是大于模具材料的疲勞極限。

3.2 分流孔應力分析

分流孔是擠壓金屬進入焊合室的通道，對擠壓金屬的流動速度、流動方向和焊合壓力大小，都有較大的影響。在擠壓過程中，隨著擠壓金屬逐漸進入分流孔，分流孔所承受的摩擦力也越來越大；當分流孔被擠壓金屬全部填充后，摩擦力達到最大值，并保持到擠壓結束。因為在分流孔中，不同部位的擠壓金屬的流速和流向是不同的，因此分流孔各部位的摩擦力也是不同的。在對其加載載荷的時候，如果完全按照實際情況來進行，將是一件非常復雜和困難的事情，對分析精度也并無裨益，所以與分流橋的加載類似，本次分析依然認為分流孔的摩擦力是均勻分布的，其值通過前述公式獲得，這樣即簡化了分析的條件，又可保證分析的精度。

圖6 分流孔位移云圖

圖7 分流孔應力云圖

由云圖可見，分流孔在摩擦力的作用下，最大位移發生在靠近模芯的孔壁，這與我們通常的認識是一致的，但是分流孔摩擦力所造成的最大應力，卻是產生在分流橋的橋根部位。分析可知，這是因為當模具外圓周處于固定約束時，分流孔摩擦力對橋根會形成一個較大的彎矩，而分流孔的內壁面積較大，故摩擦力對其的切應力不算很大。由云圖還可得知，分流孔位移在允許范圍之內，橋根處的應力也在允許范圍之內。

3.3 焊合室應力分析

焊合室是擠壓金屬重新焊合的地方，其中的擠壓金屬可看成是液體。隨著擠壓金屬逐漸進入焊合室，其載荷也逐漸增大，當金屬開始流入模孔時，焊合室的載荷達到最大。焊合室的壓力，對金屬的焊合品質有重要影響，通常要達到全擠壓力的1/3。

焊合室的型腔曲面，對金屬的流速和流向也有重要的影響。因此在焊合室型腔表面的載荷分布，也是不均勻的。焊合室中的載荷，包括金屬的變形力和金屬對型腔表面的摩擦力，都可以看成是由擠壓靜水壓力形成的，所以在分析時，對焊合室的加載采用擠壓靜水壓力可以簡化加載形式，也完全滿足分析的需求。

圖8 焊合室位移云圖

圖9 焊合室應力云圖

分析云圖表明，最大的位移量，發生在模孔周圍的部位，這是因為整個焊合室的結構中只有模孔部位最為薄弱，其工作帶的尺寸，遠遠小于其他部位的尺寸。不過本次分析的模型所產生的變形量較小，對擠壓生產不會造成不利影響。最大應力仍然發生在分流橋的橋根。

3.4 工作帶應力分析

工作帶是整個模具最為薄弱的結構部分，也是模具發生早期失效的主要部位。工作帶是通過改變對擠壓金屬的摩擦力，來控制金屬流速的，由于工作帶在不同的區段，其長度是不相同的，因此其表面的載荷分布，顯然是不均勻的。在分析加載時，采用一個平均摩擦力來替代實際的摩擦力分布，雖然存在一定的分析誤差，但還是可以滿足分析精度要求的。

圖10 工作帶位移云圖

圖11 工作帶應力云圖

從位移云圖可見，工作帶在摩擦力的作用下，會產生較大的變形，但對型材的擠壓生產不會造成超差的影響。從應力圖可見，工作帶也會產生較大的應力，但數值還在允許的范圍之內，同時在分流橋的橋根也會產生一定的應力。

根據分析結果，模具零件所受的應力，均在其許用應力范圍之內。說明模具的結構強度安全，能滿足設計要求。如果分析結果超過許用應力，必須修改設計方案，修改后的方案，有必要再一次運用結構CAE進行校核。

4 結束語

利用CAD技術對模具進行設計與應力分析，可以較好地控制產品設計品質。本文采用的CAE技術進行結構的三維有限元分析，可以直觀及全面地了解平面分流擠壓模具內部的應力分布和變形情況，使得平面分流擠壓模具的設計，建立在更加科學合理的基礎上，也更符合設計準則中應力分析方法的設計思想。

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