一种分析挤压模不等长工作带结构尺寸的数值模拟方法

摘要

一种分析优化挤压模不等长工作带结构尺寸的数值模拟方法，对型材挤压过程进行模拟，模具表面与工作带设为两个独立实体，工作带表面与挤压方向呈1～2°的倾角的斜面工作带，进行三维造型组装后，进行网格划分，设置分体式摩擦边界条件，变形体和挤压筒内壁、模具表面间选用常规摩擦模型，即采用恒定摩擦因子的剪切摩擦模型；变形体和工作带表面之间采用与压力有关的库仑摩擦模型。在有限元软件中施加挤压工艺参数，生成数据文件，进行模拟分析。本发明综合分体式建模、斜面工作带、分体式摩擦边界条件等方法，解决变形体和不等长工作带表面产生分离或局部接触的问题。

说明书

技术领域

本发明属于数值模拟分析领域，特别涉及一种分析设计优化挤压模不等长工作带结构尺寸的有限元数值模拟方法。

背景技术

随着航空航天、轨道交通、机械制造等领域的高速发展，对薄壁、宽厚比大、形状复杂的特种铝型材需求逐渐增加。此类型材作为上述领域的重要构件，要求具有高尺寸精度、形位公差及良好的综合性能。

采用挤压方法生产特种铝型材是目前最为可行、甚至唯一的生产加工方法。挤压模具型腔的不等长工作带的合理匹配是平衡挤出模孔的型材断面金属流速，获得表面平直的高质量型材的关键。尤其是大型型材相关尺寸繁杂，工作带设计难度非常大，依靠源于实践经验规律和模具设计者个人经验的传统设计方法很难满足此类型材模具不等长工作带设计的需要，挤出型材经常产生扭拧、弯曲、波浪、焊合不良等缺陷，导致制品形状尺寸精度及力学性能差。

模具设计方法是型材挤压生产的核心关键技术，而目前我国在该领域基础研究不足，已成为制约此类型材生产的瓶颈。因此急需开展此类型材模具设计新方法与新技术的研究，解决特种铝型材挤压生产时存在的上述问题。

特种型材挤压成本高，采用传统的解析计算、物理模拟方法及试验研究获得模具结构尤其是不等长工作带对金属流动行为、温度场、速度场、应力-应变场、材料与工模具之间的热传递等各种信息非常困难。随着计算机软、硬件的快速发展，以数值模拟取代部分试验，已成为研究复杂构件精确成形过程、制定合理模具结构、优化工艺、奠定成形理论的最有效手段。

目前有限元数值进行挤压过程模拟时，变形体1由三角形面构成的四面体网格单元组成，由于金属变形体在模孔附近变形速度快且变形剧烈，网格重划频繁，使得变形体网格单元与工作带表面始终处于局部接触或分离状态，尤其是在变形体1挤入到模口和工作带的拐角时，由线段构成的变形体很难准确逼近拐角，使得此部位的变形区网格容易与模具2工作带表面形成一定的夹角β，如图1所示。

由于变形体1与工作带表面产生了夹角，使得变形体1网格与工作带表面的距离h超出接触判据范围，导致变形体1和工作带表面接触面积大大减少，甚至从变形体开始挤入模孔入口后就产生脱离。

由于目前的有限元分析法存在上述问题，无法起到不等长工作带对挤出型材断面流速、温度分布的调控作用，进而无法采用有限元数值模拟方法获得不等长工作带对挤压过程精确数值模拟仿真，导致模拟结果与实际结果相差较大，不能为此类型材的模具结构设计提供理论依据。

发明内容

本发明的目的在于解决型材挤压有限元模拟过程中，由于现有的有限元数值模拟方法在计算过程中变形体和不等长工作带表面产生分离或局部接触，无法准确获得不等长工作带对金属流变及温变行为的影响，不能采用有限元数值模拟方法进行不等长工作带的优化设计的难题，进而实现采用有限元数值模拟方法对特种型材挤压模不等长工作带结构尺寸的精确分析。

通过以下技术方案实现本发明目的：

（1）采用有限元软件Deform-3D对型材挤压过程进行模拟，先处理几何模型，采用分体式几何建模，将挤压模分为两独立的实体，即模具型腔部分，即不等长工作带作为一独立的实体，模具表面作为一个独立的实体，采用软件Pro/ENGINEER进行几何实体模型的构建。

（2）采用斜面工作带。工作带表面与挤压方向呈1～2°的倾角，使模孔入口端尺寸略大于出口端，从而抑制变形体和工作带表面产生脱离。为了防止型材尺寸超差，采用斜面工作带的模孔出口端尺寸与原模孔尺寸相同。

（3）在Pro/ENGINEER软件中，对所构建模具、工作带、挤压筒、变形体、挤压垫进行组装，然后分别保存为STL（Stereolithography）模型。

（4）将STL（Stereolithography）模型导入有限元软件Deform-3D中，采用四面体网格单元，绝对网格划分，对于不等长工作带部分，应尽量细化，其尺寸要小于最小部位尺寸1/5。对于与其分离的模具的模孔部分的网格尺寸应与不等长部分相对应，模具表面、挤压筒、挤压垫的网格划分按常规模拟时划分即可。

（5）对金属变形体进行，进行分段网格细化。在模孔入口处进行网格单元局部细化，其中最小网格单元尺寸（模孔入口处）小于模孔型腔厚度的1/10。挤出模腔后变形体的网格单元小于模腔厚度的1/3。

（6）设置分体式摩擦边界条件，变形体和挤压筒内壁、模具表面间选用常规摩擦模型，采用恒定摩擦因子的剪切摩擦模型，其中m：摩擦因子，τ：接触摩擦切应力，σ：材料的流动应力，m=1；

（7）变形体和工作带表面之间采用与压力有关的库仑摩擦模型，μ＝μ₀(1-e^-α(pres))，其中μ：摩擦因子，μ₀常数，α：常数，pres：压力，μ₀=0.57，α=0.012；

（8）在有限元软件Deform-3D中，施加挤压工艺参数，有限元模拟时的计算步长应为为变形体最小单元尺寸的0.01～0.08倍，接触容差设置为0.1mm，生成数据文件，进行模拟分析。

本发明的主要优点：针对现有的有限元数值模拟方法在挤压过程的计算过程中，存在变形体和不等长工作带表面产生分离或局部接触，无法准确获得不等长工作带对金属流变及温变行为的影响问题，综合分体式建模、斜面工作带、分体式摩擦边界条件对实现了采用有限元数值模拟法分析优化设计不等长工作带结构尺寸，为此类型材挤压时合理的模具结构设计提供了理论依据。

附图说明

附图1为现有技术中变形体工作带表面分离状况示意图；

附图2（a）为根据本发明实施例1的对于模具的数值分析示意图；

附图2（b）为根据本发明实施例1的对于等长工作带的数值分析示意图；

附图2（c）为根据本发明实施例1的对于不等长工作带的数值分析示意图；

附图2（d）为根据本发明实施例1的对于不等长斜面工作带的数值分析示意图；

附图3为根据本发明实施例1的几何模型及网格划分（1/2模型）示意图；

附图4（a）-（d）为根据本发明实施例1的挤出型材外形（挤压行程为2mm）

的数值模拟结果；

附图5为根据本发明实施例2的大型铝合金型材的断面形状和主要尺寸图；

附图6为根据本发明实施例2的工作带结构及尺寸图；

附图7为根据本发明实施例2的从模具实体内提取分离的工作带实体模型图；

附图8为根据本发明实施例2的几何模型及网格划分图；

附图9为根据本发明实施例2的通过有限元法计算得到的金属流动行为示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

根据上述情况，为便于判断模拟结果的合理性及提高计算效率，本发明首先以宽为25mm、厚为4mm的小断面矩形型材为例，通过不等长工作带来解决等长工作带挤压过程中型材产生的刀弯缺陷，进而分析算方法的合理性。为获得等长工作带挤压时产生的刀弯，特将沿宽度方向（x轴方向）模孔位置非对称于挤压筒中心，如图2所示。采用等长工作带时，由于靠近挤压筒中心部位的金属流速快，因此挤压时必然产生想左侧的刀弯，为了消除刀弯现象，对于流速快的右侧增加工作带长度，进而阻碍金属流速，达到整个断面金属流速平衡。同时根据其厚度方向的对称性，取1/2（阴影部位）进行模拟计算分析，如图2（a）所示。

对于等长工作带（图2（b）），采用常规方法，即整体式建模（模具表面和工作带为整体），选用剪切摩擦模型进行计算。

对于不等长斜面工作带（图2（c）），分别选用常规方法和本发明方法进行模拟分析。

挤压工艺条件为，坯料温度450℃，挤压筒温度420℃，模具（模具表面和工作带）温度430℃，挤压垫温度30℃，挤压轴速度3mm/s。其中挤压筒直径为40mm，挤压比为12.6。

（1）处理几何模型，采用软件Pro/ENGINEER进行几何实体模型构建，分构建整体模具模型和分体式几何模型，模具表面和工作带分为两个独立的实体。

（2）在不等长工作带的基础上，构建模具表面与挤压方向呈1°的倾角的斜面不等长工作带，使模孔入口端尺寸略大于出口端，从而抑制变形体和工作带表面产生脱离。为了防止型材尺寸超差，采用斜面工作带的模孔出口端尺寸与原模孔尺寸相同。

（3）在Pro/ENGINEER软件中，对所构建模具、工作带、挤压筒、变形体、挤压垫进行组装，然后分别保存为STL（Stereolithography）模型。

（4）将STL（Stereolithography）模型导入有限元软件Deform-3D中，采用四面体网格单元，绝对网格划分，对于不等长工作带部分网格尺寸为1mm。，模具表面的网格尺寸为3mm、挤压筒、挤压垫的网格尺寸为5mm。

（5）对金属变形体进行，进行分段网格细化。在模孔入口处进行网格单元局部细化，模孔入口区域、与工作带接触区域的变形体网格单元尺为0.4mm；挤出模孔后变形体的网格单元为1mm；挤压筒内未变形区的变形体网格单元为5mm。

（6）设置分体式摩擦边界条件，变形体和挤压筒内壁、模具表面间选用常规摩擦模型，即剪切摩擦模型，采用恒定摩擦因子的剪切摩擦模型，（m：摩擦因子，τ：接触摩擦切应力，σ：材料的流动应力），取值m=1。

（7）变形体和工作带之间选用与压力有关的库仑摩擦模型。变形体和工作带表面之间采用与压力有关的库仑摩擦模型，μ＝μ₀(1-e^-α(pres))，（μ：摩擦因子，μ₀常数，α：常数，pres：压力），取值μ₀=0.57，α=0.012。

（8）在有限元软件Deform-3D中，施加挤压工艺参数，有限元模拟时的计算步长0.005mm，接触容差设置为0.1mm，生成数据文件，进行模拟分析。构建的分体式几何计算模型，如图3所示。其中3为坯料，4为模具表面，5为工作带，6为挤压筒，7为挤压垫。

当挤压行程为2mm时，上述方案的计算结果如图4所示。图中虚线为工作带结构轮廓和挤出外形平直的型材轮廓。挤出型材头部弯曲程度以横断面偏离挤压筒中心线的距离表示，中心线左侧（沿x轴负向）型材头部的偏移量为△a=|a-a₀|，中心线右侧（沿x轴正向）型材头部的偏移量△b=|b-b₀|。

采用常规方法时，在等长工作带（图2（b））和不等长工作带（图2（c））条件下，通过整体建模、剪切摩擦模型进行有限元模拟时，挤出型材皆产生左侧（x轴负向）刀弯，如图4（a）和（b）所示。根据型材和工作带表面接触点的显示情况，型材和工作带表面处于局部接触状态，两者刀弯程度△a差为0.46mm，△b差为0.52mm，可见不等长工作带相比等长工作带稍微起到了阻碍金属流动的作用，但由于其大面积尚未与变形体接触，因此可得，采用常规方法时，对于不等长工作带或等长工作带，选用整体建模、剪切摩擦模型模拟时，很难起到对金属流动行为的影响作用。

采用斜面工作带法，通过不等长工作带，分体建模、库伦摩擦模计算所得的型材外形如图4（c）、（d）所示。其中8为工作带轮廓，9为型材和工作带表面接触点分布。由图可知，型材和工作带表面能够始终保持完全接触状态，对金属的流动行为的阻碍作用比较显著。当不等长工作带最大长度为4mm时，模孔出口处，横断面左侧速度高，右侧低，向右侧的偏移量△a达1.63mm，△b达1.30mm，使得挤出型材产生较严重的右侧刀弯。而最大长度为3mm，横断断面金属流动均匀性得到了明显改善，右侧偏移量△a仅为0.30mm，△b仅为0.11mm，挤出型材外形较为平直。

通过以上分析可得，采用斜面工作带法，结合分体式建模、分体式摩擦模型，可解决变形体和工作带表面的分离问题，使型材表面和工作带始终处于完全接触状态，型材表面始终处于受压状态，从而使库伦摩擦模型能够充分起到对金属的流动阻碍作用。并且根据模具设计者的实践经验，也认为采用该方法挤出的型材外形与实际最为相符。

实施例2

大型铝合金实心型材挤压模具不等长工作带结构尺寸的合理配置是获得高表面质量、高尺寸精度制品及提高模具使用寿命的关键。图5所示为大型铝合金型材的断面形状和主要尺寸，其中断面面积为31303.9mm²。

根据图5的可知，型材壁厚变化较大，并且壁厚部位（B）位于挤压筒中心附近，而壁薄部位（A、C、D）远离挤压筒中心。根据挤压理论，挤压筒中心部位金属与筒壁不存在摩擦，挤压过程中金属最容易流动，而筒壁附近金属由于其摩擦作用，金属相对中心部位流动滞后。

为此，设计不等长工作带时，对于金属易流动且流速快的部位，工作带应较长，使型材与其接触面积增加，摩擦力增大，迫使此部位金属向阻力小的部位流动。相反难流部位的金属，工作带应较短，使型材与其接触面积减小，摩擦力减小，使得此部位金属更容易流动、流速增加。同时工作带最大长度按挤压时型材表面与其之间最大有效接触长度来确定，根据实际经验，当工作带长度超过20mm，挤出模孔的型材由于冷却收缩而脱离工作带的接触，使得超出长度的工作带对于平衡金属流速不在起阻碍作用。因此实际生产过程中，对于壁厚差较大的型材，工作带长度需要超过20mm时，通常从模孔入口端，将型材工作带母线和挤压中心线之间设有一定大小的夹角（阻碍角），一般为3～4°。以增加工作带和型材表面的有效接触面积，平衡金属断面流速。

对于图5所示的型材，实际生产过程时的模具结构尺寸，如图6所示，以下用“Ⅰ”表示此模具。工作带结构及尺寸如图6（a）所示。采用分别代表不等长工作带各部位，如“④”部位的工作带结构尺寸为沿横断面宽为190mm，沿挤压方向长为19mm。图中“<、>”表示模孔出口端的相邻不等长工作带间以斜面过渡，如图6（d）中部位。

根据型材断面形状，模具Ⅰ中，为尽量增加中间部位（B）的金属流动阻力，有效减缓此部位的金属流速，工作带最长为19mm，为防止型材表面热胀冷缩脱离工作带，采用了带有阻碍角的工作带设计方式，即④、部位设有4°阻碍角，其结构及尺寸如图6（b）所示，其中L₂=19mm，L₁=10mm。其余部分工作带结构形状，如图6（c）所示。

由6（b）可知，模具Ⅰ的阻碍角为4°，高度仅为0.63mm，由于模拟过程中忽略了变形体的热胀冷缩现象，因此构建几何计算模型时，可忽略阻碍角，认为工作带有效接触长度为19mm。

采用斜面工作带法结合分体式建模及库伦摩擦模型进行模拟分析。斜面工作带的倾角为1°，在已构建的模具（包括工作带）几何实体模型基础上，分离出工作带实体模型，其结构实体模型如图7所示。

然后将分离后的工作带和模具实体模型按原位置装配在一起，并与挤压筒、坯料、挤压垫进行装配后，将工模具实体模型分别转换成STL几何模型，导入Deform-3D中划分网格单元。

在有限元软件Deform-3D中，通过绝对网格划分方法，对金属变形体进行分段网格划分，并且网格总体数量要兼顾模计算效率，为此模孔入口区域、工作带附近网格单元为3mm，挤出型材单元网格为10mm，挤压筒内变形体网格大小为60mm。变形体与模具间的接触容差（变形体上节点和模具面接触的距离误差）设为0.1mm。

在挤压筒内壁、模具表面和变形体之间采用恒定摩擦因子的剪切摩擦模型，摩擦因子（m为1，τ为摩擦切应力，σ为材料流动应力）。

在型材表面和工作带之间采用与压力有关的库仑摩擦模型，其中μ＝μ₀(1-e^-α(pres))，（μ：摩擦因子，μ₀=0.57，α=0.012，pres为压力），

设高温下7050铝合金材料为粘塑性材料，参考现场生产实际，挤压工艺条件设为坯料温度430℃，挤压筒温度440℃，模具温度420℃，挤压垫温度30℃，挤压轴速度0.3mm/s。挤压筒为坯料为挤压比为10.6。所构建的几何计算模型及网格划分，如图8所示。其中10为模孔。

对于模具结构，采用斜面工作带，通过有限元法计算得到的金属流动行为，如图9所示。

根据图9（a）可知，挤压初始阶段，靠近挤压筒中心的型材部位（B）壁厚最大，金属最容易流动。靠近挤压筒壁的型材A和D部位，壁厚较小及挤压筒壁摩擦阻碍，流速较慢。由于挤压行程仅为10.6mm，A、C、D断面对B断面的金属流速的影响较小，使得挤出型材头部呈较大的“凸”形状，尚未开始产生刀弯。

随着挤压行程的增加，A、C、D断面开始影响B断面的金属流速，使B断面产生流速不均，左侧流速高、右侧流速低，从而使得整个型材断面流速也为左侧偏高、右侧偏低。

导致型材整个断面流速不均，挤出型材产生了刀弯，如图9（b）所示。当挤压行程继续增加时，刀弯程度逐渐增加，如图9（c）所示。

挤出型材头部外形的数值模拟结果和实际生产结果对比情况，如图9（d）和（e）所示，由图可知，模拟结果和实际结果基本吻合，表明本文所采用斜面工作带法结合分体式建模及库伦摩擦模型的方法，在分析不等长工作带对金属流动行为的影响等方面具有可行性。

上述具体实施例通过示例描述，应该理解到，这些实施例受到不同变形和可选形式的影响。还应进一步理解到，权利要求并不意味限于公开的特定形式，而应该覆盖落在本发明实质和范围内的所有变形、等价替换和可选方式。