感光鼓用铝管成型过程的数值模拟与模具优化设计

摘要

感光鼓是打印机、复印机等设备最关键的组成部分。在激光打印机中,70％以上的成像部件集中在感光鼓中,打印质量的好坏在很大程度上是由感光鼓决定的。其中高品质的铝合金管材是感光鼓重要的基体材料,它的质量在很大程度上影响了感光鼓的性能。本文所研究的感光鼓基体用铝合金管材采用挤压工艺生产,但是在铝管挤压过程中存在两个比较突出的问题:一方面,在挤压过程中由于金属在模腔内塑性变形极其复杂,流动很不均匀,因而在模腔内部存在一部分流速很低的金属,我们称之为死区。当后续坯料进入模腔时,死区金属会黏着在坯料表面上,由此造成铝管表面金相组织复杂化,表面金属晶粒度大小不同,导致表面的光学性能不佳,因而不能满足要求,从而大大降低了产品成材率,大幅增加了生产成本;另一方面,铝管挤压过程中挤压温度是影响铝管表面质量的又一重要因素,挤压温度过高则金属会与模具工作带粘结,降低挤压速度,而且会导致铝管表面粗糙,温度过低则易导致挤压力过大,容易损坏模具。　　针对这两个问题,本文采用有限体积软件MSC.Superforge对铝合金管材成型过程进行仿真模拟,采用数值模拟技术来研究铝管成型过程中金属的温度场和速度场问题,通过对模拟结果的分析与研究对模具进行优化设计并对优化效果进行评估。由于MSC.Superforge软件采用有限体积法,从而避免了使用有限元软件时遇到的网格畸变与重划分的问题,不仅使得模拟能够顺利进行,也使得模拟结果更加精确。一方面本文建立了铝管挤压过程的温度场模型,分析了坯料在三个不同预热温度条件下,挤压温度的变化情况。据此可以预测一般情况下挤压工艺中坯料的温度场变化情况。另一方面本文建立了铝管挤压过程的速度场模型,分析了金属在焊合室内的流动情况,根据分析结果采取适当方法对模具进行优化设计,采用数值模拟技术分析模具的优化效果,根据分析结果再次对模具进行优化设计,并对优化效果进行再次评估。　　根据研究结果得出以下结论:　　(1)在挤压铝管时,产生了大量变形热和摩擦热;在挤压初期,金属在分流孔,发生了强烈的塑性变形与摩擦作用,金属温度以每秒钟1.5℃的速度上升,金属温度显著升高。挤压进入稳态后,金属各部位温度变化较小。预热温度为460℃时,金属温度最高处为471.5,最低处为454.6。预热温度为470℃时,金属温度最高处为478.6,最低处为459.7。预热温度为480℃时,金属温度最高处为485.9,最低处为468,铝合金的挤压温度选择480比较合适,因此可以将预热温度定为480℃。　　(2)在挤压铝管的过程中,金属在模具内部发生了剧烈的塑性变形,在模孔部位金属塑性变形最大,塑性变形率达到了2.5;其次在分流孔入口处金属塑性变形较大,塑性变形率为2.0;处于分流桥下的金属塑性变形较小,塑性变形率为1.7;处于分流桥下且靠近焊合室边缘的金属塑性变形最小,塑性变形率为1.5。　　(3)通过分析模拟结果可以发现分流组合模焊合室中存在两个死区:一个位于分流桥下方且距离模具中心位置大于0.38r(r为模具外圆半径)处,主要成因是此处金属受到分流桥的遮蔽,降低了挤压力对金属的挤压作用。另一个位于焊合室边角处,主要成因是此处金属处于焊合室内壁的半包围之中,金属所受偏应力较小。　　(4)通过分析可以看到采用蝶形设计的焊合室,分流桥下距模具中心大于0.38r处的金属流速由4mm/s提高到了12mm/s,可以完全消除分流桥下的死区金属;对焊合室边角处倒圆角可以提高此处金属的流速,当采用半径为5mm的倒圆角时,金属流速由原来的2mm/s提高到了4mm/s,当采用半径为10mm的倒圆角时,金属流速提高到了6mm/s,因此采用较大的倒圆角有利于金属流动。

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引 言

第一章 感光鼓用铝管挤压技术

1.1 铝管穿孔针法挤压的特点

1.2 铝管分流模挤压法的特点

1.3 感光鼓用铝管发展趋势

1.4 铝合金挤压中金属流动的研究方法

1.5 课题设计思想、研究内容及方案

1.6 本课题研究的意义及创新点

第二章 有限体积法数值模拟基本理论

2.1 引言

2.2 流体力学基本理论

2.3 有限体积法方程离散

2.4 本章小结

第三章 分流组合模设计

3.1 分流组合模种类及其特点

3.2 平面分流组合模结构设计

3.3 模子的外形尺寸 D 模和 H 模

3.4 平面分流组合模结构要素

3.5 模具的 CAD 技术简介

第四章 铝管挤压温度的数值模拟研究

4.1 前言

4.2 铝管挤压过程温度场的数值模型

4.3 材料模型与本构关系

4.4 实验设计及参数的确定

4.5 温度场模拟结果与分析

4.6 本章小结

第五章 铝管挤压过程金属流速的数值模拟与结果分析

5.1 铝管挤压过程金属流速的数值模拟

5.2 速度场模拟结果与分析

5.3 本章小结

第六章 模具优化设计及其评估

6.1 引言

6.2 模具优化方案的制定

6.3 模具优化方案的评估

6.4 优化方案的修正及其评估

6.5 本章小结

结 论

参考文献

致谢