2020年 05月 28日 星期四


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铝型材:挤压模具CAE的应用研究现状与趋势

  铝型材挤压是指将铝合金高温铸坯通入专用模具内,在挤压机提供的强大压力作用下,按给定的速度,将铝合金从模腔中挤出,从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的铝合金挤压型材铝型材挤压成型过程非常复杂,除了圆形和圆环形截面铝型材的挤压属于二维轴对称问题外,一般而言,其它形状的铝型材挤压属于三维流动大变形问题。因此,挤压模具的设计制作质量和其使用寿命就成了挤压过程是否经济可行的关键之一。合理的设计与制造能大大延长模具寿命,对于提高1生产效率、降低成本和能耗具有重要意义。目前,我国型材挤压模具设计基本上还停留在传统的依靠工程类比和设计经验的积累上。而实际上,型材断面越复杂,其挤压变形的不均匀性就越显着,从而造成新设计的模具很难坯料一次性的均匀流出,导致型材因扭拧、波浪、弯曲及裂纹等缺陷而报废,模具也极易损伤,必须经过反复试模、修模才能投入正常使用,造成资金、人力、时间、资源等方面的浪费[1]。因此,随着铝型材产品不断向大型化、扁宽化、薄壁化、高精化、复杂化和多用途、多功能、多品种、长寿命方向发展,改进传统的模具设计方法已成为当前铝型材工业发展的迫切需求。

  铝型材挤压模CAE技术是利用CAD中建立的挤压产品模型、结合挤压工艺与控制参数、完成其成形过程分析和相应模具优化设计的一种数值技术。

  具体做法为:在挤压模初步设计的基础上,根据事先拟定的工艺试验方案,利用计算机仿真整个挤压成形过程,获得挤压变形体内的应力、应变、温度、流速等物理量分布,以及挤压各阶段的压力、温度、速度等工艺参数变化情况;确定挤压模工作带断面和分流孔、焊合腔、导流槽等模具结构对成形铝材流动的影响,模具使用过程中可能出现的变形、塌陷、崩刃、裂口、磨损、”粘着”和疲劳等缺陷及其;提出分析报告并向设计人员推荐合适的挤压条件,设计人员再根据CAE分析结果修正模具设计方案。经过数次反复,直到模具设计方案满足产品设计要求和产品质量要求为止[2]。这实际上是将生产现场的”试模-修模-试模”过程转移到计算机上完成,以部分替代模具设计制造过程中费时费事的试模工作,从而减少该阶段的材料和能源消耗,降低生产成本,并据此设计出高质量的铝型材挤压模具。

  虽然CAE技术已在铝型材挤压模具设计制造领域得到了某些成功的应用,但真正面向模具工程师的应用却很少。这主要是由于目前国内外还没有专门针对铝型材挤压模开发的CAE软件,所以,当模具工程师借助一些通用或专用CAE软件(如ANSYS/LSDYNA、MARC/AutoForge、Deform等)进行模具设计方案和模具结构分析时,除要求使用者具备扎实的挤压工艺和挤压模设计制造专业知识、熟悉挤压模各零部件在耦合场中的工作状况外,还要求他对数值模拟技术及相应有限元分析方法必须有较深入的了解,这对于工作在生产第一线的工程技术人员而言是比较难的,这也是CAE技术在挤压模具行业中得不到广泛应用的重要原因之一。

  铝型材挤压模CAE的应用可以缩短模具的设计制造周期,提高模具的质量,增强企业市场竞争力。然而,只有解决了上述问题,才能使CAE技术真正在挤压模具行业中得到广泛应用。这正是铝型材挤压模CAE技术研究的意义。

  由于要设计出结构合理且经济实用的挤压模具是一件十分复杂而困难的工作,因此,世界的挤压工作者对模具设计理论和方法(特别对优化理论和方法)进行了大量的研究工作。

  在挤压技术发展的初期,一般根据机械设计原理,利用传统强度理论并结合设计者的实践经验来进行模具设计。随着弹塑性理论和挤压理论的发展,许多新型的实验理论和方法、计算理论和方法已开始用于挤压模具设计制作领域。如,工程计算法、金属流动坐标网格法、光弹光塑法、密栅纹云法、滑移线法、上限元理论和有限元理论等被广泛用于模具应变场的确定和各种强度的校核,进而优化其结构和工艺要素。随着计算机技术的发展,挤压模具的CAD/CAM技术在最近20 30年中得到迅速发展,且很大一部分技术集中在模具设计的优化方面。何德林等人[3]利用IDEF0方法开发出能对平面模和分流模进行优化设计的CAD/CAM系统;王孟君等人[4]以AUTOCAD12 0为图形支撑,VISUALBASIC4.0为开发工具,开发的CAD系统,可以有效地从事挤压平模的各项计算,从而对设计结果进行优化;闫洪等人[5]将CAE概念引入模具设计过程,指出了优化设计的方向;刘汉武等人[6]提出智能CAD概念,为模具设计智能化提供了一些思。此外,国内外科研人员运用理论解析、物理模拟和数值模拟等方法,对铝型材挤压的变形过程、应力场和温度场分布及变化、摩擦与润滑等问题进行了大量的分析和实验,并根据其研究对挤压模具进行了优化。例如,和刘静安[7]对各类挤压模具的优化设计进行了系统论述。国内还有部分科研人员用有限元法结合实验方法对挤压模具最佳轮廓线及模具结构进行了分析和优化。

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