高难度铝型材挤压模具设计及仿真优化

摘要：本文介绍了薄壁铝合金型材挤压工艺过程的计算机模拟及优化技术的发展与实际应用。使用QForm软件挤压模块，可以模拟由于材料流动不均匀，铝合金在挤出后可能会发生的扭转和弯曲现象。还可以精确计算材料流动的其它方面，例如空心型材焊合线的位置等。软件对于型材挤压有专门的操作界面，能快速导入几何模型，自动生成有限元模型，还可以自动识别工作带且把他们参数化，易于修改调整。通过工作带编辑器对工作带区域进行修改和优化，可以得到均匀一致的挤出速度和规则形状的型材。另外通过模拟技术还可以分析模具设备的应力和变形。

 

　　QForm挤压模块是由QuantorForm公司为分析铝型材挤压工艺而专门设计开发，它是基于QForm3D的金属成型分析基本模块。这个专门的挤压模块在稳态阶段使用拉格朗日-欧拉混合模型^[1,2]。此模型假定在模拟之前金属已经充满模腔进入准稳态，也即当材料流经模具时网格时可以不用重新划分，只需要计算节点的流动速度即可。型材的挤出速度很快，但是由于型材挤出的速度不一致可能会发生弯曲，扭转或变形。使用模拟的方法可以预测这些变形并找到方法控制使变形最小。这对于模拟结果及和实际相比较从而在一定范围内优化模具的工艺参数是非常有意义的。世界上很多企业有很多工业案例对模拟结果进行了验证，其中包括了载荷，材料流动流线，型材温度和模具变形等结果。同时国际挤压模拟测试大会上对模拟软件精度也有比较综合的分析。下面是一些计算结果分析。 (2007年会议在意大利^[3] ,2009年德国会议^[4] 2011年意大利会议^[5]).

　　从模型上的一个节点来看挤压过程中最重要的阶段是准稳态阶段，这是产品形状和属性的形成阶段。在准稳态阶段，一些参数比如温度和载荷取决于模具内坯料长度的减少和坯料与模具的热交换。一般来说型材挤压模拟需要的数据为：

　　CAD软件生成的模具几何模型

　　坯料的属性（流动应力和热物性参数）

　　坯料与模具之间表面的接触条件（摩擦，热交换系数，和模具温度）

　　工艺参数（坯料的初始温度，挤压速度和挤压力）

　　在QForm中挤压工艺过程模拟是在一个叫做模拟域的范围内进行。模拟域是模具组合体包括到工作带出口的整个区域。对于实心型材来说模具组合体一般包括导流板，模具，模垫和模座。空心型材来说，模具组合体包括导流板、模套、模具、模垫和模座。

　　空心和实心型材两种情况下模具组合体最终与挤压筒装配在一起。因此坯料会接触挤压筒和挤压模具。模座等装置和材料没有直接接触，不包含在模拟域内，仅在模拟模具应力和型材弯曲的时候考虑。
在2011年，意大利的博洛尼亚市举行的国际挤压标准件测试大会上，我们用QForm-Extrusion分析了相应的实验模型。工艺及参数细节内容可以详见[5]。工艺为两个简单空心型材同时挤出，其中两个型材壁厚不同，焊合室设计也有不同。型材形状和模具网格生成步骤见图1.

　　为了精确模拟挤压工艺过程中的材料流动，我们要考虑坯料与模具组合体之间的实际摩擦和热交换。大量实验和理论研究表面，在模具与坯料表面上的摩擦力可以认为是粘性摩擦力和表面粗糙引起的变形力。因此摩擦力方程一般表示如下：

　　T = T_a + T_d  (1)

　　在这里，T 是总摩擦力，T_a是粘性摩擦力，T_d是表面粗糙的引起的变形力

　　粘性摩擦力部分是由于不同体的表面分子力引起，取决于材料的物理性质。变形力是使粗糙表面变形，取决于表面的粗糙度，材料的流动应力和接触压力和滑动速度。接触压力比较高的情况下，变形力Td是主要的，而当接触压力低的情况下，粘性摩擦力影响更大。

　　在实际情况下，对于不同的接触压力，我们需要定义不同的摩擦机理^[6]。特别是对于铝合金挤压，我们可以很清楚的区分不同摩擦类型的区域。第一个区域包括挤压筒的内表面，分流孔和焊合室。这些地方接触压力很大，变形摩擦因素最大。由于粘性摩擦的影响，总的摩擦力可以大于剪切流动应力。这也意味着金属在模具内表面为粘性接触，材料内部发生强烈的剪切变形产生滑动。

　　第二个区域是工作带区域，使用QForm-Extrusion模块在数据准备向导中的工作带编辑器中可以看到，显示为如图2的参数化表格形式。我们把这个区域的三个区依次使用不同的摩擦模型：

　　1.粘性区域，变形很大位于工作带的入口处，当工作带为阻碍角时，这个区域可能延长。

　　2.滑动区域，变形减小。

　　3.材料脱离模具区域，有很小的接触应力。

　　这些区域的相对尺寸取决于多个参数，可能对着型材的周围是变化的。工作带分割成多个区域，S. Abtahi [7]用实验验证了他们之间的联系。因此对于型材周围的每一个点来说下面的参数都可能影响区域的长度：

　　有效的的阻碍角

　　实际的型材厚度

　　型材的流动速度

　　有效的阻碍角是阻碍角的代数和，因为它是在模具和工作带表面倾角上加工与工具变形有关。型材厚度与模具变形有关。因此为了得到材料流动的精确结果，我们要考虑有效阻碍角和实际型材厚度的影响。只有与模具变形进行耦合计算，才能得到材料流动问题的结果。QForm-Extrusion中摩擦模型包括模具组合体弹性变形对有效角度和型材厚度的影响^[6]。

　　对这样复杂的模型无法精确表达，因此认为是一种半经验算法。首先，模拟材料流动求解模具变形问题。然后计算有效的阻碍角和工作带周围每一个点的实际型材厚度和重新计算材料流动。在所有区域上对于工作带上每一个点我们都要计算速度，接触压力和流动应力决定的摩擦力。

　　上面描述的数学模型已经经过了实验室和实际工业案例的验证。最近的一个实验测试是在2011年ICEB大会上，我们可以在[8]中看到。组织方展示的数据和实验结果可以参照文献[5]。型材的轮廓和模具见图1，现在我们讨论材料流动预测的结果。

　　从模拟结果我们可以看到型材1比型材2的流动速度快（见图3a和b）。同时模拟结果显示对于不同的焊合室和模具其它部分的设计，型材1（左边型材）有向下弯曲的趋势，而型材2比1要直。当会议上实验数据公开后，材料流动结果显示了与模拟相同的趋势。型材的前端见图3中的c和d。另外我们观察到在型材相对速度，挤出载荷，型材温度和模具变形方面实验结果与QForm-Extrusion模块计算的结果也是非常一致，可以参照^[5]和^[8]。