铝型材挤压的数值模拟及工艺研究

摘要

铝合金型材在日常生活及生产领域应用越来越广泛，用挤压的方法生产铝型材，既节约金属又具有很高的效率。在我国铝型材挤压行业中，挤压模具的设计普遍处于经验和类比设计阶段，一次上机成功率低而造成整体成本的上升，严重制约了我国铝挤压行业的发展。随着CAD/CAM/CAE技术在实际生产中的应用范围越来越广泛，在保证计算精度和准确性的前提下，如何将数值模拟技术融入传统的铝型材挤压工艺中，对整个挤压行业的效益和发展具有重大意义。
　　 本文首先介绍平面分流组合模的模具设计原则，论述任意拉格朗日欧拉法的基本原理与方程，分析铝合金挤压成形的数值建模过程方法，对生产中的例子进行数值模拟，验证软件模拟的准确性。其次，建立挤压成形的模拟试验，探讨挤压速度、坯料预热温度、摩擦变化三种工艺参数的对挤压过程的影响。随着挤压速度的增加，坯料的温度和模具的温度逐渐上升，温度最高的地方在出口工作带上，模具的导流孔的圆角部分存在流动死区，工作带的应力急剧升高。采用不同的坯料预热温度进行模拟，变形金属温度沿挤压方向逐渐升高，随着坯料预热温度的升高，挤压压力逐渐下降。随着摩擦系数的增加，整体温度上升，模具的载荷随着加大。探讨平模模角变化对模具应力、金属流动均匀性和金属压力的影响。分流模的分流比大小对挤压过程金属流动、模具温度、模具应力分布的影响。基于挤压工艺参数和模具结构对挤压过程影响的探讨，本文最后选取某款散热器铝型材进行试验。首先设计挤压模具，试模后的型材进行装配，水平度达不到要求；对初次设计方案进行数值模拟，建立有限元分析模型，对挤压过程进行模拟仿真，分析型材出口位移、金属流动速度、温度、流动应力、瞬态时的压力变化和模具温度、模具应力的分布，指出模具挤压过程中可能出现的问题。提出在上模加大促流角、下模加阻流台、修改工作带的方案，先进行虚拟模拟，有效地解决了初始模具设计中速度分布不均的问题，再进行模具修改，最后生产出来的型材合格并可以装配使用。模拟结果与生产中较好的吻合，通过数值模拟方法，可以指导设计修改模具。证明了数值模拟的正确性和可行性。