李營

摘要：本文借助MSC.Marc與MSC.SuperForge等計(jì)算分析平臺(tái)，對(duì)材料擠壓和模具應(yīng)力分布變化兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)施了數(shù)據(jù)模擬與分析。通過對(duì)模擬方法的合理運(yùn)用，達(dá)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(jì)提供可靠的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋁合金擠壓成形；模具負(fù)載；數(shù)值模擬

鋁合金材料擠壓是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，具有很高的復(fù)雜性，其最終目標(biāo)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(duì)加工過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)和參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制。數(shù)值模擬是實(shí)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(cuò)誤和不合理，確定材料和模具在正式生產(chǎn)時(shí)可能發(fā)生的變化，從而為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行表達(dá)。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(dāng)中，須對(duì)被求函數(shù)和一階導(dǎo)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(dòng)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(duì)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(jì)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(dòng)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(jì)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(jìn)行一次交換，折疊的最小角度為5°；加速選項(xiàng)以標(biāo)準(zhǔn)形式為主[2]。

2.3負(fù)載計(jì)算

模具工作過程中，由于受到機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力的同時(shí)作用，所以通常以彈性變形為主，如果模具設(shè)計(jì)不合理，或受其它因素的影響，使負(fù)載情況較差時(shí)，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(jì)表

3模擬結(jié)果與分析

3.1變形

在擠壓時(shí)，金屬必定會(huì)發(fā)生不同程度的變形。從變形的過程中可以看出，當(dāng)擠壓剛到分流孔處時(shí)，整體應(yīng)力負(fù)載相對(duì)較大，當(dāng)進(jìn)入到分流孔以內(nèi)時(shí)，在模腔前端，塑性變形暫時(shí)停止，這一部分的應(yīng)力負(fù)載明顯減小，而入口位置上的應(yīng)力負(fù)載未發(fā)生變化，依然是最大值。在金屬整體完全進(jìn)入到焊合腔內(nèi)，并和其底面實(shí)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(dòng)，同時(shí)開始進(jìn)行焊合。在這一過程當(dāng)中，金屬應(yīng)力按先升后降的順序發(fā)生變化。當(dāng)金屬處于模具的工作帶時(shí)，其實(shí)際應(yīng)力數(shù)值往往會(huì)達(dá)到極限值。但在完全擠出型材之后，金屬的應(yīng)力負(fù)載將顯著降低[3]。

通過對(duì)擠壓全過程的了解可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬經(jīng)過階段面變形與拐角等處時(shí)，其應(yīng)力負(fù)載情況都表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。而各時(shí)刻金屬塑性應(yīng)變情況說明，當(dāng)金屬處在分流孔入口處，以及在焊合室中進(jìn)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(jìn)入工作帶以內(nèi)再次發(fā)生?？梢姡饘俪尚芜^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(fù)載增加到1440MPa，是整個(gè)過程的最大值。由此可以看出，此圓角部位在設(shè)計(jì)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(shì)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(fù)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(fù)載大于其它截面。此外，整個(gè)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(shí)刻，模具實(shí)際應(yīng)力所受影響，結(jié)果表明：（1）在坯料進(jìn)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(dāng)金屬從模孔不斷向外擠出時(shí)，應(yīng)力大幅增加[4]。

3.3結(jié)果分析

模具自身結(jié)構(gòu)對(duì)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(jì)過程中應(yīng)進(jìn)行綜合考慮，注重金屬應(yīng)力的同時(shí)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(dá)到最低。

通過對(duì)本次試驗(yàn)?zāi)M和實(shí)際生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)對(duì)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(jì)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(shí)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(jì)問題導(dǎo)致廢品的產(chǎn)生。通過對(duì)模具實(shí)際受力狀態(tài)的分析與校核，可預(yù)防模具因設(shè)計(jì)不合理而出現(xiàn)的斷裂或崩塌，進(jìn)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(duì)金屬材料進(jìn)行擠壓成形時(shí)，有相對(duì)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(duì)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(dá)到均勻分布，并且處在設(shè)計(jì)要求的安全范圍以內(nèi)。為了預(yù)防應(yīng)力集中等問題的發(fā)生，需在設(shè)計(jì)過程中增加此處半徑，實(shí)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(duì)模具實(shí)際受力狀況進(jìn)行分析和校核，可以防止因設(shè)計(jì)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(jì)價(jià)值。

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