分析鋁合金擠壓成形過程及模具負載的數(shù)值模擬

李營

摘要：本文借助MSC.Marc與MSC.SuperForge等計算分析平臺，對材料擠壓和模具應(yīng)力分布變化兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)實施了數(shù)據(jù)模擬與分析。通過對模擬方法的合理運用，達到減少試模和修模數(shù)量，保證模具結(jié)構(gòu)合理性，并延長模具使用壽命的目的，從而為鋁合金材料擠壓成形工藝的優(yōu)化設(shè)計提供可靠的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋁合金擠壓成形；模具負載；數(shù)值模擬

鋁合金材料擠壓是一個動態(tài)過程，具有很高的復雜性，其最終目標為獲得理想的型材，滿足厚度均勻和使用性能要求等。而想要加工出合格的型材，需要使用模具，并對加工過程中的每一個環(huán)節(jié)和參數(shù)進行嚴格控制。數(shù)值模擬是實現(xiàn)正式加工前掌握最佳工藝方法和生產(chǎn)參數(shù)的重要手段，它的應(yīng)用能最大限度的規(guī)避錯誤和不合理，確定材料和模具在正式生產(chǎn)時可能發(fā)生的變化，從而為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)整、生產(chǎn)工藝優(yōu)化調(diào)整等提供可靠的依據(jù)。

1數(shù)值模擬方法——有限體積法

有限體積法又稱有限容積法，是指將待模擬區(qū)域分為若干控制體積，各控制體積均建立一個節(jié)點進行表達。采用控制方程處理各控制體積得到離散方程，在這一過程當中，須對被求函數(shù)和一階導數(shù)組成給出相應(yīng)的假設(shè)，此組成方式即為該方法的離散格式。借助有限體積法得到的離散方程能使其有良好守恒性[1]。

質(zhì)量、動量與能量的守恒方程分別為：

式（1）～（3）中，ρ表示材料密度；vi表示速度矢量；Sij表示應(yīng)力張量；E表示內(nèi)能。

2數(shù)值模擬建模

2.1有限元模型

對規(guī)格尺寸為（30×30）mm的型材施以分析，以此提出具體數(shù)值模擬方法。

2.2參數(shù)設(shè)置

材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)統(tǒng)計表

在材料的摩擦方面，主要選擇塑性剪切模型，該模型摩擦系數(shù)為0.9。材料本構(gòu)關(guān)系可表示為：

式（4）中，σy表示流動應(yīng)力；σs表示屈服應(yīng)力，在12.5MPa-15.0MPa范圍內(nèi)；C表示屈服常量，在22.5MPa-23.0MPa范圍內(nèi)；M表示應(yīng)變速率的硬化指數(shù)，取0.15；N表示應(yīng)變的硬化指數(shù)，取0.11；ε表示應(yīng)變；擠壓速度確定為10mm/s。

計算選型設(shè)置：RET交換類型以work為主，有限體積比確定為0.25，每完成20%進行一次交換，折疊的最小角度為5°；加速選項以標準形式為主[2]。

2.3負載計算

模具工作過程中，由于受到機械應(yīng)力與熱應(yīng)力的同時作用，所以通常以彈性變形為主，如果模具設(shè)計不合理，或受其它因素的影響，使負載情況較差時，模具將有很大幾率產(chǎn)生塑性變形，致使模具失去效用。在有限的彈性變形限度中，應(yīng)變和應(yīng)力的分量應(yīng)符合虎克定律。模具材料參數(shù)如表2所示。

表2 模具材料參數(shù)統(tǒng)計表

3模擬結(jié)果與分析

3.1變形

在擠壓時，金屬必定會發(fā)生不同程度的變形。從變形的過程中可以看出，當擠壓剛到分流孔處時，整體應(yīng)力負載相對較大，當進入到分流孔以內(nèi)時，在模腔前端，塑性變形暫時停止，這一部分的應(yīng)力負載明顯減小，而入口位置上的應(yīng)力負載未發(fā)生變化，依然是最大值。在金屬整體完全進入到焊合腔內(nèi)，并和其底面實現(xiàn)接觸以后，前端由于受到阻礙，產(chǎn)生了一定程度的橫向流動，同時開始進行焊合。在這一過程當中，金屬應(yīng)力按先升后降的順序發(fā)生變化。當金屬處于模具的工作帶時，其實際應(yīng)力數(shù)值往往會達到極限值。但在完全擠出型材之后，金屬的應(yīng)力負載將顯著降低[3]。

通過對擠壓全過程的了解可發(fā)現(xiàn)，當金屬經(jīng)過階段面變形與拐角等處時，其應(yīng)力負載情況都表現(xiàn)出增加的趨勢。而各時刻金屬塑性應(yīng)變情況說明，當金屬處在分流孔入口處，以及在焊合室中進行焊合以前，其塑性應(yīng)變速率明顯變大。相同的情況在完全進入工作帶以內(nèi)再次發(fā)生?？梢?，金屬成形過程中發(fā)生的應(yīng)力變化是造成其應(yīng)變速率變化的主要原因，二者存在緊密的聯(lián)系。如果金屬變形發(fā)生明顯的突變，使應(yīng)變速率間接變大，則金屬應(yīng)力也有所增加。

3.2應(yīng)力

模具應(yīng)力變化情況為：

（1）模具入口表面的應(yīng)力分布情況：在分流孔圓角處，應(yīng)力負載增加到1440MPa，是整個過程的最大值。由此可以看出，此圓角部位在設(shè)計過程中欠缺考慮，致使應(yīng)力集中，縮短磨具使用壽命；

（2）距離磨具入口30mm處斷面的應(yīng)力分布情況：在上模各截面處，應(yīng)力存在明顯差別，但整體變化趨勢保持一致；

（3）距離模具入口65mm處斷面的應(yīng)力分布情況：該處應(yīng)力負載明顯大于棉芯處；

（4）焊合腔底面的應(yīng)力分布情況：其應(yīng)力負載大于其它截面。此外，整個模具除了分流孔的圓角，其余所有部位或截面的應(yīng)力分布情況都較為均勻，并且處在安全范圍以內(nèi)。

以此為基礎(chǔ)分析在不同的擠壓時刻，模具實際應(yīng)力所受影響，結(jié)果表明：（1）在坯料進入焊合室以后，模具整體應(yīng)力出現(xiàn)下降；（2）在焊合金屬的過程中，模具整體應(yīng)力較之前狀態(tài)有所增大；（3）當金屬從?？撞粩嘞蛲鈹D出時，應(yīng)力大幅增加[4]。

3.3結(jié)果分析

模具自身結(jié)構(gòu)對金屬受到的擠壓作用力與擠壓是材料發(fā)生的應(yīng)力變化有直接影響，但也也影響到模具使用壽命，所以在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)進行綜合考慮，注重金屬應(yīng)力的同時盡可能延長模具使用壽命，減少或避免應(yīng)力集中，使其所受擠壓力達到最低。

通過對本次試驗模擬和實際生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，二者情況基本吻合，因此，采用數(shù)據(jù)模擬和分析的方法，可為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計與生產(chǎn)過程中的參數(shù)調(diào)控提供可靠參考依據(jù)。如果金屬材料的實際出口速度在一定范圍中平穩(wěn)變化，則可在很大程度上確保成品質(zhì)量，避免因設(shè)計問題導致廢品的產(chǎn)生。通過對模具實際受力狀態(tài)的分析與校核，可預防模具因設(shè)計不合理而出現(xiàn)的斷裂或崩塌，進而從根本上保證了生產(chǎn)過程順利完成[5]。

4總結(jié)

（1）在對金屬材料進行擠壓成形時，有相對較大塑性變形現(xiàn)象的部位，其等效應(yīng)力也很大。從材料自身性質(zhì)角度講，其等效應(yīng)力和應(yīng)變是存在一定關(guān)聯(lián)的。

（2）對模具而言，在擠壓成形過程中，除了分流孔圓角，其余所有部分的應(yīng)力都能達到均勻分布，并且處在設(shè)計要求的安全范圍以內(nèi)。為了預防應(yīng)力集中等問題的發(fā)生，需在設(shè)計過程中增加此處半徑，實踐表明，這種做法是能有效避免應(yīng)力集中的。

（3）采用數(shù)值模擬等方法，對模具實際受力狀況進行分析和校核，可以防止因設(shè)計問題造成的模具斷裂或崩塌等現(xiàn)象，并在滿足生產(chǎn)基本要求的前提下延長模具使用壽命，降低生產(chǎn)成本，改良生產(chǎn)工藝，使成品更具經(jīng)濟價值。

參考文獻：

[1]賈康凱，張寶紅，李國俊，駱無思，陳艷.5056鋁合金橋形零件擠壓成形研究[J].兵器材料科學與工程，2017（02）：72-76.

[2]潘衛(wèi)國，劉靜.空心鋁型材蝶形模設(shè)計與擠壓過程有限元數(shù)值模擬研究[J].模具工業(yè)，2016（04）：5-14.

[3]秦升學，邢國良，婁淑梅，任莉新，苗雙雙.基于DEFORM-3D的空心鋁型材擠壓過程有限元分析[J].熱加工工藝，2013（05）：81-83.

[4]李淼林.鋁合金擠壓成形過程及模具負載的數(shù)值模擬[J].熱加工工藝，2010（13）：110-113.

[5]婁淑梅，趙國群，王銳，等.有限體積法在三維非穩(wěn)態(tài)釗合金擠壓過程模擬中的應(yīng)用[J].機械工程學報，2015（02）：122-126.endprint