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粉末冶金的基本特点

CAE在铝型材挤压模具优化设计的应用与发展

  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保证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。

  1铝型材挤压模CAE研究的意义

  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”和疲劳等缺陷及其位置;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环境中的工作状况外,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。

  2铝型材挤压模优化设计现状

  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,世界各国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2030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AUTOCAD120为图形支撑环境,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路。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,并根据其研究成果对挤压模具进行了优化。例如,赵云路和刘静安[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。

  3铝型材挤压模CAE国内外发展现状和趋势

  对铝型材的挤压过程进行数值模拟可以预测实际挤压过程中可能出现的缺陷,及早优化模具结构设计、调整挤出工艺参数和有针对性的指明技术解决方案。国内外研究者们对此已做了许多工作。韩国的HyunWooShin等[8]在1993年对非轴对称挤压过程进行了有限元分析,他们利用二维刚塑性有限元方法结合厚板理论将三维问题进行了简化,对整个挤压过程进行了不失准确的数值模拟,同时也减少了计算量。对于变形模拟,于沪平等[9]采用塑性成型模拟软件DEFORM,结合刚粘塑性有限元法函数法对平面分流模的挤压变形过程进行了二维模拟,得出了挤压过程中铝合金的应力、应变、温度以及流动速度等的分布和变化。刘汉武等[10]利用ANSYS软件对分流组合模挤压铝型材进行了有限元分析和计算,找出了原模具设计中不易发现的结构缺陷。周飞等[11]采用三维刚粘塑性有限元方法,对一典型铝型材非等温成型过程进行了数值模拟,分析了铝型材挤压的三个不同成形阶段,给出了成形各阶段的应力、应变和温度场分布情况以及整个成形过程中模具载荷随成形时间的变化情况。对于压力场,闫洪等[12]在2000年利用ANSYS软件作为平台,对壁板型材挤压过程进行了三维有限元模拟和分析,获得了型材挤压过程的位移场、应变场、应力场。对实际型材挤压中工艺参数选择和模具结构尺寸的修正起到了重要指导作用。对于挤压过程的摩擦与润滑分析,1997年,俄罗斯的VadimL.Bereshnoy等[13]对摩擦辅助在直接和间接挤压成型硬质铝合金中的技术进行了研究。该技术的发展和应用使生产效率和质量都得到了大大提高。美国的PradipK.Saha[14]在1998年对铝型材挤压成型中热动力学和摩擦学进行了研究。他采用热力学数值模拟法构造了3种不同的实验模型,分析了模具工作带和流动金属接触面上的摩擦特性,还对坯料温度和挤压过程中产生的热量对模具工作带所产生的温升的影响、并进行了实际测量验证;研究表明,挤压过程中的摩擦对型材的精度和表面质量有直接影响,模具工作带的磨损过程取决于挤压过程中的热动力学性能,挤压热动力学性能又受到挤压变量的严重影响。

  在二次开发方面,国内的一些研究进展也值得关注。陈泽中、包忠诩等[15]通过系统集成和二次开发,建立了基于UG和ANSYS的铝型材挤压模CAD/CAE/CAM系统,并对分流组合模进行了CAD/CAE/CAM研究,有效提高了模具设计制造效率。深圳大学的李积彬[16]用C语言编写了铝型材挤压模具参数设计的程序,以流程图的形式详细引导铝型材挤压模具的设计过程;以人机对话的形式实现铝型材挤压模具参数的优化设计。兰州铁道学院的段志东[17]通过ANSYS提供的强大的前后处理和求解功能平台,通过在ANSYS应用程序中添加自己的铆钉有限元程序,介绍并总结了用UIDL对ANSYS进行图形用户界面二次开发的一般步骤和规律,为用户在扩充ANSYS功能、建立自己专用程序的同时建立起对应的图形驱动界面提供了有益的帮助。江苏戚墅堰机车车辆工艺研究所的盛伟[18]以ANSYS软件为平台,进行金属塑性成形过程模拟软件的二次开发,并应用该软件对锻件塑性成形过程进行了模拟,为提高锻件质量、预测金属成形中的缺陷、制定合理工艺提供了理论依据。

  但总的说来,这些研究多侧重于理论化,一种真正适合普通设计制造人员使用的挤压模有限元分析软件在国内几乎还没有。有些二次开发在具体应用上也有很大的局限性,所以对现行有限元软件的用户化研究,使之能更好的应用于挤压模具的设计就成为当务之急。

  4结论

  提高铝型材挤压模具设计与制造水平是改善产品质量和增强市场竞争力之关键所在,而铝型材挤压模CAE技术在铝型材挤压模具设计优化中起着十分重要的作用。

  国内外同行借助铝型材挤压模CAE对优化铝型材挤压模具(包括挤压过程和挤压工艺)进行了有益尝试,取得了不少科研和应用成果,这种动向值得注意。

  尽快把最新的有限元分析技术应用到整个挤压模具设计与制造过程中,让更多的模具工程师掌握这种优化设计方法,以提高我国铝型材挤压行业及其模具制造业的市场竞争力。

  根据经验,CAE各阶段所用的时间为:40%~45%用于模型的建立和数据输入,50%~55%用于分析结果的判读和评定,而真正的分析计算时间只占5%左右。CAE采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型,完成分析数据的输入,通常称此过程为CAE的前处理。同样,CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出,如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图,表示应用、温度、压力分布的彩色明暗图,我们称这一过程为:CAE的后处理。

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