矩形管鋁型材擠壓過程的數值模擬方法研究

　　摘 要： 本文以Al6063矩形管鋁型材的熱擠壓過程為研究對象，分別建立有限元法和有限體積法數值模擬的數學模型，對空心鋁型材的擠壓過程進行模擬。分析了兩種模擬方法針對矩形管鋁型材擠壓過程模擬的可行性，得出了有限體積法更適用于空心鋁型材擠壓模擬的結論，為空心鋁型材擠壓模具結構的設計和工藝參數的優化提供了依據。
　　關鍵詞： 空心鋁型材 有限元法 有限體積法 數值模擬
　　
　　1.引言
　　目前，我國的鋁型材加工企業在擠壓工藝制定和擠壓模具設計過程中，很大程度上依賴設計人員的經驗，導致模具設計周期長、成本高，且產品質量得不到保證。因此研究鋁型材擠壓過程的機理和金屬流動規律，進而為工藝和模具設計提供理論指導，就顯得尤為重要。通過研究發現目前鋁型材中的實心型材多采用有限元法和有限體積法，而針對空心型材的數值模擬研究很少。因此研究空心型材擠壓過程的數值模擬方法對于合理設計擠壓工藝和模具結構、減少試模時間和提高型材質量都具有十分重要的意義。本文以矩形管鋁材的擠壓為例，分別采用有限元法和有限體積法進行數值模擬，分析兩種方法對于空心型材擠壓模擬的可行性和模擬精度。
　　2.數值建模與模擬結果對比分析
　　矩形管尺寸60mm×20mm，壁厚3mm（見圖1），坯料選擇Al6063合金，尺寸170mm×50mm，初始溫度為480℃，模具材料H13，預熱溫度為450℃。
　　對于矩形管擠壓過程的有限元模擬，采用DEFORM-3D模擬軟件，有限體積模擬則采用MSC Superforge軟件。利用pro/E建立模具三維幾何模型如圖2所示。
　　（a）上模實體模型 （b）下模實體模型
　　在保證擠壓進入穩定狀態的前提下，有限元和有限體積模擬中均設置凸模壓下量為38mm；有限元模擬時初始步長增量設置0.3mm，網格尺寸1.5mm，局部細劃網格尺寸1mm；有限體積模擬時劃分網格尺寸為2mm。選取摩擦因子為0.33，凸模速度為2mm/s。
　　圖3為矩形管擠壓過程有限元模擬結果，模擬在凸模壓下量28mm處停止。從模擬結果可以看出，在擠壓材料流入分流孔的過程中，模擬過程進展順利，擠壓件表面質量較好（見圖3（a））。當變形材料流入焊合室以后，模擬計算變得比較困難，需要頻繁的網格重劃，所需模擬時間顯著增加，模擬結果精度下降，但模擬仍然可以有效進行（見圖3（b））。當變形材料進入工作帶時，模擬過程變得異常困難，幾乎每經過一步模擬就必須重新劃分網格，體積損失嚴重；在焊縫處，由于頻繁的網格重劃，相鄰分流孔內流出的金屬無法焊合在一起，甚至出現體積缺失的情況，仿真結果已經嚴重失真，難以繼續進行下去（見圖3（c））。
　　對比圖3（b）和圖3（c）可以看出，由于有限元方法對此矩形管材的擠壓模擬因為長寬不等而無法避免金屬網格節點的自焊合問題，且該模型使用的是四個分流孔，所以其1/4模型總是存在兩股料流在焊合室接觸重新焊合的問題。分析原因是：①矩形管擠壓為大變形擠壓問題，有限元模擬過程中，由于網格畸變嚴重，需要頻繁的網格再劃分，每次網格劃分都存在幾何上的近似，即每次劃分的新網格與舊網格總是存在一定的差異，當幾個模擬步驟內劃分次數較多時，幾何形狀就會發生較大差異。從模擬出錯時的網格圖4可以看出，焊縫處的三角平面上的每一條邊并不是由兩個三角平面共享。這就意味著在實際模擬中，表面上變形材料充滿了焊合室完全焊合，實際還是兩股料流，在后面的步驟里可見斷裂，導致計算失真停止。②每次網格劃分后，邊界節點與模具邊界的接觸條件也相應地進行了重新確定，頻繁的網格劃分引起的幾何形狀的變化會導致部分邊界節點并沒有發生真正的接觸，而邊界節點的接觸條件是導致模擬結果（特別是變形體幾何形狀的模擬結果）失真的主要因素。
　　此外，圖3（c）表示凸模行程為28mm時的模擬結果，從模擬開始到圖3（c）表示的位置，總計模擬時間50h，網格重新劃分了92次。因此，無論是模擬精度還是運算效率，有限元法都不是模擬矩形管鋁材擠壓過程的有效算法。
　　圖5為利用有限體積法模擬矩形管分流模的擠壓結果。從結果可以看出，由于避免了有限元法中頻繁的網格重劃，有限體積法可以很好地解決有限元模擬矩形管出現的變形材料無法自接觸問題，模擬進展順利。
　　3.結語
　　本文分別采用有限元法和有限體積法對Al6063矩形管的擠壓成型過程進行了數值模擬，比較了兩種方法的模擬結果，發現在對矩形管成形過程進行模擬時，由于有限元模擬中頻繁的網格重劃導致網格幾何外形和邊界節點接觸條件的失真，使得在焊縫處出現變形材料無法焊合的問題，最終模擬失敗；有限體積模擬中由于無需網格重劃，可成功模擬整個熱擠壓過程，為空心鋁型材擠壓模具結構的設計和工藝參數的優化提供了依據。
　　
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