【畢業(yè)學位論文】鋁熱擠壓模具熱力耦合數(shù)值分析與結構優(yōu)化設計研究-機械設計及理論博士論文

博士學位論文 鋁熱擠壓模具熱力耦合數(shù)值分析 與結構優(yōu)化設計研究 作者姓名： 倪正順 學科專業(yè)： 機械設計及理論 學院 （系、 所） ： 機電工程學院 指導教師： 鐘 掘 教授、 院士 中 南 大 學 2006 年 12 月 要 擠壓鋁型材具有重量輕、強度高、造型美等特點，在航空航天、交通運輸、建筑裝潢等領域得到了廣泛應用。 熱擠壓模具是實現(xiàn)鋁型材熱擠壓工藝最重要的部件，不僅決定型材的幾何形狀、尺寸精度和表面狀態(tài)，而且還影響擠壓力及型材的組織性能。熱擠壓模具工作時承受長時間的高溫、高壓、高摩擦及局部應力集中等的作用，其體內(nèi)應力分布不均勻，極易發(fā)生模橋開裂、舌芯偏移或斷裂、局部變形等形式的失效，因此熱擠壓模具的使用壽命一般都很低，成為進一步提高鋁型材質量和生產(chǎn)效率的障礙。我國是鋁型材生產(chǎn)大國，年耗模量超過 30 萬套，由于模具壽命低帶來的直接或間接的經(jīng)濟損失巨大。 理論研究和實踐經(jīng)驗表明：模具的失效與模具工作時的溫度及其分布、鋁合金與模具表面之間的摩擦、模具結構等因素密切相關，而傳統(tǒng)的鋁型材熱擠壓模具結構設計和強度校核，對于熱擠壓過程中模具溫度、模具局部結構尺寸及坯料與模具之間的摩擦等因素對模具體內(nèi)應力分布 狀態(tài)及應力集中程度的影響的分析， 還留有諸多問題有待進一步解決， 目前模具使用壽命仍然偏低。 隨著傳熱學、彈塑性、熱彈塑性、優(yōu)化設計等理論和計算機數(shù)值分析技術的發(fā)展，通過建立熱擠壓模具在實際物理工況下的熱力耦合模型， 并采用數(shù)值計算方法對模具的應力應變場進行精確的分析計算，可以更為細微地了解模具體內(nèi)應力、應變的實際分布狀況，為模具強度計算和分析提供真實可靠的數(shù)據(jù)，從而發(fā)展模具強度分析方法，充實模具結構優(yōu)化設計的依據(jù)，改善模具體內(nèi)應力應變分布狀態(tài)，降低最大等效應力值，達到大幅度提高模具的承載能力和使用壽命的目的。 本文以典型熱擠壓模具為研究對象，以提高模具使用壽命為研究目的，以熱擠壓模具溫度場、熱應力場、熱力耦合應力場和結構參數(shù)優(yōu)化設計為主要研究內(nèi)容，以湖南省自然科學基金項目 “熱擠壓模具強度分析與優(yōu)化設計研究 ” 等 5 個科研項目為研究支撐，采用理論分析和數(shù)值模擬相結合的方法，對熱擠壓模具進行了熱力耦合數(shù)值分析和結構參數(shù)優(yōu)化設計，取得的研究成果如下： 1. 基于傳熱學、彈塑性和熱彈塑性等理 論，建立了熱擠壓模具的溫度場數(shù)學模型和熱應力場數(shù)學模型，根據(jù)實際物理工況確定了模具工作時的邊界條件，利用有限元法計算了模具的溫度場和熱應力場， 為研究模具在不同溫度條件下的應力狀態(tài)奠定了基礎。 2. 對熱擠壓模具的三維實體造型技術進行了研究。以 開發(fā)平臺，以 件的 數(shù)化設計語言為開發(fā)工具，開發(fā)了平面分流組合模三維參數(shù)化實體造型系統(tǒng)。 3. 對方管鋁型材熱擠壓模具進行了全面 的強度分析，獲得了模具內(nèi)部各點 效應變等力能參數(shù)及其分布規(guī)律。并查明：在模橋與模芯結合處應力集中現(xiàn)象突出，疲勞裂紋從此處產(chǎn)生，這與實際失效現(xiàn)象完全吻合。研究了熱擠壓模具主要結構參數(shù)對模具體內(nèi)最大等效應力的影響， 獲得了最大等效應力隨模具結構參數(shù)值變化的規(guī)律曲線。 4. 建立了含溫度載荷、坯料與模具表面 之間的摩擦載荷、擠壓力載荷耦合作用下的模具強度分析、 結構參數(shù)優(yōu)化設計和模具幾何造型于一體的模具優(yōu)化設計系統(tǒng)，運用此系統(tǒng)對方管鋁型材熱擠壓平面分流組合模的上模厚度、分流孔半徑、模橋錐角等結構參數(shù)進行了優(yōu)化。優(yōu)化后的模具結構與原結構相比，最大等效應力下降了 ，同時應力分布均勻性也得以改善，從而提高了模具工作時的承載能力和使用壽命。 5. 利用本文所開發(fā)的鋁型材熱擠壓模具 優(yōu)化設計系統(tǒng)對雙孔鋁型材和多邊形鋁型材熱擠壓平面分流組合模的主要結構參數(shù)進行了優(yōu)化。 優(yōu)化后的模具結構與原結構相比，最大等效應力下降了 ，最大等效應變下降了 。研究結果應用于南方某鋁型材加工廠，獲得了與計算一致的效果。 本文的研究成果將實現(xiàn)模具在實際物理工況下的精確強度分析和模具結構參數(shù)優(yōu)化設計，有助于鋁型材熱擠壓模具的設計擺脫傳統(tǒng)的 “試錯 ”模式，為實現(xiàn)鋁型材熱擠壓模具的計算機輔助設計 /分析 /優(yōu)化一體化奠定了基礎。 關鍵詞 熱擠壓模具，溫度場，應力場，熱力耦合，數(shù)值分析，優(yōu)化設計 in of of as as as is in of of of as as in of to of as of an to of of 00 of or by of Its of is to of as as of to be of as of of on in of in of in of a of be be of in of in of is of of is of be of be in of of to a In as of as as 5 on of ( as is to a on in as 1. on in of of up is to of of 2. is on 3D) as a as a 3D is 3. of is in as as be a at at is on of of on of is 4. of of in of of of is to of as of of of of is , at of of is to a 5. in is to of of of is to an in is in in be to do of is to of of of of of 錄 摘 要 . I .一章 緒論 . 1 鋁型材擠壓概述 . 鋁型材加工現(xiàn)狀 . 1 合金型材分類 . 1 材擠壓模具分類 . 3 面分流組合模熱擠壓過程 . 3 擠壓模具在擠壓過程中的關鍵作用 .影響熱擠壓模具壽命的主要因素 . 模具結構 . 6 具材料 . 9 具的熱處理及表面處理工藝 . 11 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 鋁型材擠壓數(shù)值模擬研究 . 擠壓模具失效及壽命研究 . 擠壓模具 究 .研究意義和主要研究內(nèi)容 .研究思路 .二章 熱擠壓模具溫度場的數(shù)值模擬研究 .熱擠壓模具三維參數(shù)化實體造型技術研究及其實現(xiàn) . 熱擠壓模具三維參數(shù)化實體造型技術研究 . 熱擠壓模具三維參數(shù)化幾何模型的建立 .熱擠壓模具溫度場的數(shù)學模型 . 熱擠壓過程中換熱的基本方式 . 熱擠壓模具非穩(wěn)態(tài)溫度場微分方程 . 單值性條件的確定 . 坯料與模具接觸邊界摩擦模型 .溫度場求解 . 溫度場有限元方程 .度場求解 .本章小結 .三章 熱擠壓模具熱應力場的數(shù)值模擬研究 .概述 .熱擠壓模具材料的彈塑性本構關系 . 彈性本構關系 . 彈塑性應力應變關系 .熱彈塑性應力.熱擠壓模具熱應力場的數(shù)學模型 .熱擠壓模具熱應力場的有限元數(shù)值模擬 . 有限元模型的建立 . 節(jié)點溫度載荷的形成 . 有限元數(shù)值模擬 .熱應力場數(shù)值模擬結果分析 .本章小結 .四章 熱擠壓模具熱力耦合應力場數(shù)值模擬研究 .概述 .解析法分析模具強度 .熱擠壓過程中擠壓力的計算 . 擠壓力計算公式 . 擠壓力實際計算實例 .熱力耦合應力場模擬研究 . 有限單元法分析過程 . 三維 10 節(jié)點四面體等參單元 . 單元剛度矩陣計算 . 等效節(jié)點載荷 . 熱力耦合研究 .熱力耦合應力場數(shù)值模擬的實現(xiàn) . 建立有限元模型 . 施加載荷和約束 . 有限元模擬應力場 . 模擬結果分析 .熱擠壓模具主要結構參數(shù)對最大等效應力的影響 .本章小結 .五章 熱擠壓模具結構優(yōu)化設計研究 .概述 .鋁型材熱擠壓模具優(yōu)化設計系統(tǒng)總體結構研究 .鋁型材熱擠壓模具優(yōu)化設計的數(shù)學模型 . 設計變量與設計空間 . 約束條件及可行區(qū)與非可行區(qū) . 目標函數(shù) . 優(yōu)化設計的數(shù)學模型 .模具優(yōu)化設計理論及方法研究 . 熱擠壓模具結構優(yōu)化設計的實現(xiàn) . 優(yōu)化結果分析 . 鋁型材熱擠壓模具優(yōu)化設計系統(tǒng)的應用 . 100 孔鋁型材熱擠壓模具的結構優(yōu)化設計 . 多邊形鋁型材熱擠壓模具的結構優(yōu)化設計 . 本章小結 . 107 第六章 結論與展望 .結論 . 109 展望 . 110 參考文獻 . 謝 .讀博士學位期間的主要研究成果 .士學位論文 第一章 緒論 1第一章 緒論 鋁型材擠壓概述 型材加工現(xiàn)狀 鋁型材具有重量輕、比強度高、耐腐蝕、造型美觀、截面形狀多樣等特點，在航空航天、汽車、船舶、交通運輸、橋梁、輸電以及建筑裝潢等國民經(jīng)濟的各個領域得到了廣泛的應用。而且產(chǎn)品向著多樣化和復雜化的方向發(fā)展，對產(chǎn)品加工精度要求越來越高，產(chǎn)品更新越來越快。 擠壓工藝是于 200 年前隨著第一臺簡單鉛擠壓機的發(fā)明而發(fā)展起來的1。中國的鋁型材擠壓工業(yè)始于 1956 年的東北輕合金加工廠建成投產(chǎn)2，經(jīng)歷了19521979 年的奠基發(fā)展階段、 19801991 年的調(diào)整發(fā)展階段和 1992 年至今的高速發(fā)展階段3。截止 1998 年底，中國有鋁型材擠壓企業(yè) 1142 家，擁有擠壓機 2800 余臺，擠壓力范圍為 3125為世界上擠壓廠數(shù)量和擠壓機臺數(shù)最多的國家4。經(jīng)過近幾年的結構調(diào)整與市場調(diào)節(jié)作用，中國鋁擠壓工業(yè)已發(fā)生了明顯的結構性變化，擠壓廠數(shù)從 1142 家減少到目前的 650 家左右，擁有 2500 臺擠壓機、 600 余條表面處理生產(chǎn)線，可以生產(chǎn) 20 000 多種規(guī)格、 300 多種顏色的型材， 年耗模量超過 30 萬套5。 1991 年到 2002 年， 鋁型材產(chǎn)量連續(xù) 11 年以 的速度增長， 2002 年達到 176 萬 t，已超過美國（ 154 萬 t）而居世界產(chǎn)量的第一位。進入 21 世紀后，中國鋁型材出口量連年大幅攀升，中國鋁型材工業(yè)正以雄厚的實力、堅實的步伐，穩(wěn)步健康地走出國門，走向世界。 在鋁型材產(chǎn)品方面，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前世界上型材已達 5 萬多種，除各種復雜實心、半實心型材外，還生產(chǎn)出各種異型空心型材，如變斷面管、螺旋管、翅片管等。型材最大寬度可達 2500 大斷面積可達 1500 大長度可達 2530m，最重可達 2t 左右。超薄、超高精度、高表面質量的型材，最薄壁厚僅為 精公差可達 面粗糙度達 壁異型材的寬厚比可達 150300 以上，帶孔空心異型 材的孔數(shù)可達數(shù)十個之多。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，目前世界上鋁型材產(chǎn)量的一半以上是軟鋁合金型材，主要用于建筑門窗、玻璃幕墻骨架構件、裝潢飾件等民用產(chǎn)業(yè)，而軍用硬鋁合金擠壓型材所占比例已下降到 15%以下4 合金型材分類6目前，鋁合金擠壓型材的品種規(guī)格大約有 5 萬種以上，可以根據(jù)以下 3 個基本特征進行分類： 1. 擠壓型材的使用性質； 博士學位論文 第一章 緒論 22. 擠壓型材橫截面的形狀和尺寸； 3. 擠壓型材縱截面的形狀。 根據(jù)第一個特征，鋁合金型材分為通用型材和專用型材。 根據(jù)第二個特征，通用型材一般可分為 4 組：直角型材、斜角型材、帶圓角和圓弧的型材、回頭型材。 考慮到第二個和第三個特征， 專用型材可分為 4 組： 空心型材、 變斷面型材、壁板型材和建筑型材?？招男筒目煞譃?4 小組：具有一個圓形孔的；具有一個方形孔或矩形孔的；具有一個異形孔的；具有兩個或多個異形孔的空心型材。 民用建筑型材在鋁型材中所占比重最大， 應用最為廣泛， 絕大多數(shù)用 6063有壁薄、形狀復雜、精度高、表面質量要求嚴等特點，故宜單獨分為一類，按其形狀可分為空心型材和實心型材。 此外，按型材的合金狀態(tài)與力學性能不同，還可分為一般強度型材和高強度型材。 壓種類及基本方法71. 擠壓種類 1) 按毛坯的溫度不同分類 冷擠壓：在室溫中對毛坯進行擠壓。 溫擠壓：將毛坯加熱到金屬再結晶溫度以下某個 適當?shù)臏囟确秶鷥?nèi)進行擠壓。 熱擠壓： 將毛坯加熱至金屬再結晶溫度以上的某個溫度范圍內(nèi)進行擠壓。 2) 按毛坯材料種類不同分類 有色金屬擠壓：被擠毛坯材料為有色金屬及其合金。 黑色金屬擠壓：被擠毛坯材料為黑色金屬及其合金。 2. 擠壓的基本方法 根據(jù)擠壓時金屬流動方向與凸模運動方向之間的關系， 將常見的擠壓方法分為如下幾種： 1) 正擠壓：擠壓時，金屬的流動方向與凸模的運動方向相一致。正擠壓又分為實心件正擠壓和空心件正擠壓。 2) 反擠壓：擠壓時，金屬的流動方向與凸模的運動方向相反。 3) 復合擠壓：擠壓時，毛坯一部分金屬的流動方向與凸模的運動方向相同，而另一部分金屬的流動方向則與凸模的運動方向相反。 4) 減徑擠壓：是一種變形程度比較小的變態(tài)正擠壓法，毛坯斷面僅有輕度縮減。 以上是擠壓工藝中應用最廣的幾種方法，它們的共同特點是：金屬流動方向博士學位論文 第一章 緒論 3都與凸模軸線平行，因此又統(tǒng)稱為軸向擠壓法。 5) 徑向擠壓：擠壓時，金屬的流動方向與凸模的運動方向相垂直。徑向擠壓法又分為離心式和內(nèi)心式徑向擠壓兩種。 6) 鐓擠復合法：是將局部鍛粗和擠壓結合在一起的加工方法。 材擠壓模具分類 鋁型材擠壓模具的種類很多，一般按如下形式分類6,8： 1. 按模孔壓縮區(qū)斷面形狀可分為：平模 、錐形模、平錐模、流線形模和雙錐模等。 2. 按被擠壓的產(chǎn)品品種可分為棒材模、 普通實心型材模、壁板模、變斷面型材模和管材模、普通管材模、空心型材模等。 3. 按?？讛?shù)目可分為單孔模和多孔模。 4. 按擠壓方法和工藝特點可分為熱擠壓 模、冷擠壓模、靜液擠壓模、反擠壓模、連續(xù)擠壓摸、水冷模、寬展模、臥式擠壓機用模和立式擠壓機用模等。 5. 按模具結構可分為整體模、分瓣模、 可卸模、活動模、舌型組合模、平面分流組合模、嵌合模、插架模、前置模、保護模等。 6. 按模具外形結構可分為帶倒錐體的錐 形模、帶凸臺的圓柱形模、帶正錐體的錐形模、帶倒錐體的錐形 倒錐的圓柱 強式模具等。 上述各類分類方法是相對的， 往往是一種模具同時具有上述各類分類方法中的幾種特征。 面分流組合模熱擠壓過程 對于空心鋁型材的熱擠壓，要使用結構復雜的模具，如平面分流組合模、橋?；蛐切文?。圖 1一空心鋁型材平面分流組合模熱擠壓過程示意圖。鋁坯錠在工頻爐中加熱至指定預熱溫度后，通過剪切 機將長坯料剪切成指定長度的鋁錠，再通過送料機械手送入擠壓筒中。實心鋁錠在擠壓機擠壓力的作用下，在經(jīng)過分流孔時被劈成幾股金屬流，匯集于焊合室（模腔） ，在高溫、高壓、高真空的模腔內(nèi)又重新被焊合，然后通過模芯與模子所形成的間隙流出，而形成符合一定尺寸要求的管材或空心型材。 博士學位論文 第一章 緒論 4擠壓墊送料機械手擠壓筒擠壓桿擠壓制品上模 下模坯錠剪切機工頻爐第三段第四段第一段第二段側缸主缸側缸紅外測溫儀送料機械手坯料圖 1空心型材平面分流組合模熱擠壓過程示意圖 平面分流組合模的主要優(yōu)點是： 1. 可以擠壓內(nèi)腔十分復雜的雙孔或多孔 空心型材或管材，也可以同時生產(chǎn)多根空心制品，生產(chǎn)效率高。 2. 可以擠壓用平面模很難生產(chǎn)的懸臂梁很大的半空心型材。 3. 可拆換，易加工，成本較低。 4. 易于分離殘料，操作簡單，輔助時間 短，可在普通的型棒擠壓機上用普通的工具完成擠壓過程，同時殘料短，成品率高。 5. 可實現(xiàn)連續(xù)擠壓，根據(jù)需要截取任意長度的制品。 6. 可以改變分流孔的數(shù)目、大小和形狀 ，使斷面形狀比較復雜、壁厚差較大，難以用工作帶、阻礙角和促流角等調(diào)節(jié)流速的空心型材很好成形。 7. 可以用帶錐度的分流孔，實現(xiàn)在小擠 壓機上擠壓外形較大的空心制品，而且能保證有足夠的變形量。 但是，平面分流組合模也有一定的缺點： 1. 焊縫較多，可能會影響制品的組織和力學性能。 2. 要求模子的加工精度較高，特別是對 于多孔空心型材，上下模要求嚴格對中。 3. 與平面模和橋式舌型模相比，變形阻 力較大，所以擠壓力一般比平面模高 30%40%，比橋式舌型模高 15%20%。因此，目前只限于生產(chǎn)一些純鋁，鋁錳系、 鋁 硅系等軟鋁合金。 為了用平面分流組合模擠壓強度較高的鋁合金，可在陽模上加一個保護模，以提高模橋的承壓能力。 4. 殘料分離不干凈，有時會影響產(chǎn)品質量，而且不便于修模。 由以上的介紹中可以看出，平面分流組合模的優(yōu)點很突出，是一種很有發(fā)展博士學位論文 第一章 緒論 5前途的模具。 擠壓模具在擠壓過程中的關鍵作用 擠壓模具是使鑄錠完成最終的塑性變形并獲得所需形狀的工具， 其作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1. 合理的模具結構是實現(xiàn)任何一種擠壓工藝過程的基礎。 在擠壓過程中，擠壓筒中的鑄錠在擠壓軸輸出的壓力作用下，因承受強烈的三向壓應力而產(chǎn)生變形，模具是使金屬產(chǎn)生擠壓變形和傳遞擠壓力的關鍵部件，是使金屬最后完成塑性變形獲得所需形狀的工具。在目前的條件下，還不能想象無擠壓筒、無模具的擠壓工藝。 2. 擠壓模具是保證產(chǎn)品形狀、尺寸和精度的基本工具。 只有結構合理、精度和硬度合格的擠壓模具，才能實現(xiàn)產(chǎn)品的成形并具有精確的內(nèi)外廓形狀和斷面尺寸。同時，合理的模具和工具（包括模墊、支承環(huán)和導路等）設計能保證產(chǎn)品僅有最小的翹曲和扭曲、最小的縱向彎曲和橫向波浪度。 3. 模具是保證產(chǎn)品內(nèi)外表面質量最重要的因素之一。 擠壓模具本身的表面粗糙度、 表面硬度對產(chǎn)品的內(nèi)外表面粗糙度有著決定性的影響，只有通過精磨拋光和氮化處理或表面硬化處理的模具，才能擠壓出具有光亮表面的擠壓制品，經(jīng)過表面處理后可獲得色調(diào)美觀、厚度均勻、附著牢固的表面氮化膜。 4. 合理的模具結構、形狀和尺寸，在一 定程度上可控制產(chǎn)品的內(nèi)部組織和力學性能，特別是在控制空心制品的焊縫組織與力學性能方面，分流孔的大小和形狀及其分布位置、焊合腔的形狀和尺寸、模芯的結構等起著決定性的作用。 5. 合理的模具設計與制造能大大提高模 具的使用壽命，這對于降低產(chǎn)品成本有著十分重要的意義。 因此，合理地設計與制造模具，對于提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品的質量、減少能耗等有著重大的意義。 影響熱擠壓模具壽命的主要因素 鋁型材制品質量的高低，關鍵取決于擠壓模具的設計質量。而模具的使用壽命則是評價擠壓生產(chǎn)過程是否經(jīng)濟可行的決定性因素，也是實現(xiàn)擠壓生產(chǎn)高效、優(yōu)質、低耗的最重要保證。 綜合企業(yè)界多年的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，借鑒大量的同行業(yè)資料，可將影響熱擠壓模具使用壽命的主要因素歸列為9模具結構；模具材料；模具的熱處理及表面處理工藝；模具的制造工藝（冷加工、熱加工與電加工） ；擠壓工博士學位論文 第一章 緒論 6藝與使用條件；模具的維護與修理；擠壓產(chǎn)品材料特性、形狀、規(guī)格；模具的科學化管理等。 以上影響熱擠壓模具使用壽命的各種因素，既互相影響，又互相制約，構成了一個有機整體。