薄壁大擠壓比鋁型材擠壓數(shù)值模擬及虛擬試模研究_圖文

1、 擠壓技術(shù)的原理如圖1.1所示。先將加熱到熱加工溫度的鑄錠或坯料4送入擠壓筒3中,擠壓筒的一端用裝在模支承里的模子5封住,再從另一端塞進擠壓墊片2,并通過擠壓墊片將擠壓桿1上的壓力傳遞給錠坯。當與擠壓機主柱塞聯(lián)接在起的擠壓軸處于工作行程時,鑄錠金屬開始從模7L流出,并得到與?？卓仔拖嗤漠a(chǎn)品。擠壓結(jié)束時,用擠壓桿推出擠壓殘料,在剪刀下把制品與殘料切斷,然后由墊片分離機構(gòu)把擠壓殘料與墊片分離。擠壓機的各工具和部件退回原始狀態(tài),進行下一個擠壓周期。近年來發(fā)展起來的冷擠壓、靜液擠壓、連續(xù)擠壓等新的擠壓方法,其成形原理與上述熱擠壓基本原理基本相同,只不過有的在冷態(tài)下成形,有的用高壓液體傳遞壓力,有的依

2、靠摩擦力來實現(xiàn)變形。 (1塑性變形大且不均勻在各種塑性加工工藝中,鋁型材擠壓的變形程度比起鍛造、沖壓等工藝要劇烈得多,而且變形更為復(fù)雜不均勻。對普通民用建筑鋁型材而言,一般擠壓用鋁合金鑄錠直徑在0101.200lllm之間,長度在400700衄之間。而擠壓成形的鋁型材壁厚大部分只有O.8.3mill,型材外接圓直徑一般在0100衄左右,擠壓比通常達50.90,甚至更高,變形量非常大,同時變形主要集中在?？诟浇莫M小區(qū)域,變形極為劇烈但也極為不均勻【8l。如圖12所示為擠壓棒材子午面上坐標網(wǎng)格變化情況,在錠坯軸向上靠近?？诙俗冃未笥诳拷鼣D壓桿端,徑向上錠坯變形從錠坯邊緣區(qū)域向錠坯中一tD區(qū)域增大

3、,變形最劇烈的區(qū)域集中在模口附近的狹小區(qū)域。型材截面越復(fù)雜,變形的不均勻性越顯著,截面上各部分金屬在擠出模孔時就越容易以不同的速度流出,從而造成型材的扭擰、波浪、彎曲及裂紋等缺陷而報廢,模具也極易損壞。 限值,這對于保證塑性變形過程的JiI哽N進行,有利于選擇設(shè)備和設(shè)計模具,而且設(shè)定一個比較接近實際金屬流動行為的運動學(xué)許可速度場比較易于辦到,因為變形區(qū)內(nèi)質(zhì)點的流動景象直觀、形象,也便于通過網(wǎng)格法等直接觀察,或用視塑性法等進行測量計算。因此,上限定理在金屬塑性加工上得到了廣泛應(yīng)用,不僅用來解平面應(yīng)變問題和軸對稱問題,而且也可以求解某些三維問題,如非軸對稱型材的擠壓、拉拔、軋制與鍛壓等。此外,還可

4、以用于求解高速變形的溫度場,以及金屬材料的性能與組織關(guān)系等。但由于速度場采用剛性塊組成的不連續(xù)速度場,所以只能求出擠壓力的上限和大致的變形,不能求出應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律,所得結(jié)果為平均值,因而限制了它的應(yīng)用。近年來,隨著計算機硬件和軟件迅猛發(fā)展,有限元法的數(shù)值解法得到了很快發(fā)展。模具是擠壓生產(chǎn)中最重要的工具,它的結(jié)構(gòu)形式、各部分尺寸以及所用材料對擠壓力、金屬流動的均勻性、制品的尺寸穩(wěn)定性和表面和表面質(zhì)量以及自身的使用壽命都有極大的影響。擠壓模具結(jié)構(gòu)分類比較復(fù)雜,在鋁型材實際生產(chǎn)中常見的可以分為三類:普通平模、導(dǎo)流腔平模、分流組合模12l,如圖14所示。 圖I-4鋁型材擠壓模具a普通平模b導(dǎo)流腔平

5、模c分流組合模實心平模設(shè)計簡單且易于制造和修模,適用于形狀簡單的實心型材。導(dǎo)流腔平模,其實質(zhì)是在普通平模模前加放一個導(dǎo)流腔,其形狀為與型材外形相近,進行第二次變形,擠出各種較復(fù)雜斷面的型材。采用導(dǎo)流腔平模擠壓型材不僅可增大坯料與型材的幾何相似性,便于控制金屬流速,使壁薄、形狀復(fù)雜、擠壓難度大的型材易成形,而且能擠壓外接圓尺寸較大的型材,減少產(chǎn)品的扭擰 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章鋁型材X5214和1633B擠壓模具設(shè)計第二章鋁型材X5214和1633B擠壓模具設(shè)計本章結(jié)合云南省院省校合作項目,選取廠方當前鋁型材生產(chǎn)中,成模前試模次數(shù)較多、擠壓成形較困難的異型實心材X5214和空心型材1633B為

6、擠壓模具設(shè)計對象,產(chǎn)品斷面形狀如圖2-1和圖2-2所示。依據(jù)擠壓模具設(shè)計原則和步驟對這兩種型材擠壓模具進行了設(shè)計,為后面實現(xiàn)大擠壓比復(fù)雜薄壁型材擠壓數(shù)值模擬提供初始的CAD模型。圖2-1X5214型材截面形狀及三維圖圖2-21633B型材截面形狀及三維圖型材的形狀復(fù)雜程度用形狀因子表征,其斷面積之比【721,即:C=S/A 形狀因子定義為型材斷面周長與 (21 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章鋁型材X5214和1633B擠壓模具設(shè)計2.3.1模子L數(shù)、模具結(jié)構(gòu)及外形尺寸確定根據(jù)2.1.3節(jié)1633B型材特點分析已經(jīng)確定模具采用分流組合模單iL模具,模具的外形尺寸由模具強度和擠壓機參數(shù),同時考慮系列化

7、和標準化來確定,以便模架、模墊、前環(huán)等大型基本工具的互換和通用。云南鋁業(yè)股份有限公司標準: 1250t擠壓機,模具外圓為DM=219mm、模厚HM=130mm。模具結(jié)構(gòu)及外形尺寸見圖2.8和圖2-9。 圖2-8分流組合模結(jié)構(gòu)圖2-9模具外形尺寸不管是平模還是分流組合模在模具設(shè)計中,模孔尺寸計算一樣,只考慮金屬冷卻后的收縮量,故按式22和2.3計算1633B型材?？壮叽?。在模孔布置 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章X5214和|633B型材擠壓模具設(shè)計 圖2-17X5214擠壓模具和模墊三維模型1633B擠壓模具上下模工程圖分別如圖2.18和219所示,圖220為其三維CAD模型。圖2-181633B

8、擠壓模具上模工程圖中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章X5214和1633B型材擠壓模具設(shè)計 有限元法采用Lagrange坐標系,將材料的整個求解域離散為一系列相互連接的單元體(如三角形、四變形、四面體等單元,每一個單元代表著材料的一個金屬質(zhì)點,有限元表面網(wǎng)格代表了成形體的自由表面,通過表面網(wǎng)格節(jié)點的運動,可以很好地跟蹤材料幾何外形的變化情況,有限網(wǎng)格的變形情況真實地反映了材料在模具型腔中的塑性變形狀況,有限元法可以實時跟蹤金屬的流動行為。但在模擬大變形塑性成形的有限元數(shù)值模擬中,網(wǎng)格經(jīng)常發(fā)生畸變,為了讓模擬能夠順利進行下去,必須對畸變后的網(wǎng)格進行重劃分,對于大擠壓比型材擠壓問題,因為網(wǎng)格密度相差懸殊或

9、單元形狀的極度惡化而導(dǎo)致網(wǎng)格再劃分失敗,模擬無法進行到底,如圖32所示。雖然有些勉強能夠進行下去,但網(wǎng)格一次又一次的劃分,不但耗時而且精度損失很大。 有限體積法將材料流動所要經(jīng)歷的空間用Euler網(wǎng)格(如六面體網(wǎng)格進行離散,Euler網(wǎng)格是一個固定在空間的參考框架,Euler網(wǎng)格的單元和中心格點在空間固定不動,材料只是從一個單元流到另一個單元,并且材料的質(zhì)量、動量和能量也隨之從一個單元流動到另一個單元,材料的變形行為則通過均布在材料中的大量質(zhì)點來表述。由于Euler網(wǎng)格并不隨材料一起運動,Euler網(wǎng)格在物體的成形過程中不會發(fā)生畸變,可以避開網(wǎng)格再劃分問題,因此在這方面有限體積法模擬大擠壓比鋁

10、型材擠壓有很大的優(yōu)勢。但是有限體積法不能像有限元法一樣預(yù)測材料表面缺陷。在求解算法上,有限元程序一般采用隱式時間積分法求解動力問題,如DEFORM一3D。隱式時間積分法可以是條件穩(wěn)定和無條件穩(wěn)定,積分時間步長只與結(jié)構(gòu)的固有頻率有關(guān),在求解時可以采用較大的時間步長/Xt時方程仍無條件收斂,可以得到很高的求解效率。但是在求解像大擠壓比型材擠壓這種高度非線性問題中,這些算法的可靠性較低。雖然采用,但如果時間步長過大或非線性特別強烈,則求解的精度就會降低。隱式算法的另一不足之處是剛度矩陣的存儲需要較大的內(nèi)存空間。而有限體積法采用的是有條件穩(wěn)定的顯式中心差分法關(guān)為了提高求解特大變形問題的效率,MSC.S

11、uperforge還采用了一種質(zhì)量因子法(mass 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章數(shù)值模擬結(jié)果的分析與討論第四章數(shù)值模擬結(jié)果的分析與討論基于第三章所述的薄壁大擠壓比鋁型材擠壓數(shù)值模擬實現(xiàn)方法,在一臺CPU 為2200+,內(nèi)存為2GB的個人微型臺式機上進行數(shù)值模擬計算,獲得TX5214和1633B型材三維擠壓過程的材料流動速度、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度分布圖。模擬的初始條件見表4.1。表4-1數(shù)值模擬初始條件材料均選用自定義的6063鋁合金,真應(yīng)力一真應(yīng)變曲線如圖34歷示。將第二章中建好的CAD模型導(dǎo)入到MsC.Superforgeqb。擠壓型材X5214和1633B鑄錠的FEM網(wǎng)格模型分別如圖41,4-2

12、所示。 圖41X5214網(wǎng)格模型圖4-21633B網(wǎng)格模型在MSC.Superforge軟件平臺上,型材X5214鑄錠壓下高度h<3.9mm時采用有限元法,h>3.9mm時采用有限體積法;型材1633B鑄錠壓下高度h<15mm時采用有限元法,h>15mm時采用有限體積法。此分界線的確定與型材的預(yù)成形情況有關(guān),本文平模擠壓壓下量3.9mm和分流組合模擠壓壓下量15mm時,坯料預(yù)成形基本完成,在此之前采用FEM,在此之后采用FVM分步,這樣可以最大限度發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點。擠壓成形過程中,坯料流動均勻性是判斷擠出型材發(fā)生波浪、扭擰等缺陷的關(guān)鍵因素,特別是擠壓方向上即z向的流速

13、均勻性,因此本節(jié)重點分析了擠壓過程中坯料流動情況,同時也分析了等效應(yīng)力應(yīng)變場、溫度場等分布情況。圖4.3為型材擠壓時金屬流動景象和z向流速分布,圖4-4是在其它條件一致情況下型材帶導(dǎo)流腔和無導(dǎo)流腔擠壓時模口處橫截面z向流速分布。圖4.4所示為不同導(dǎo)流腔形狀z向流速分布。 困4.3金屬流動分布云圖(左側(cè)為流動景象圖,右側(cè)為z向流速中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第四章數(shù)值模擬結(jié)果的分析與討論 由圖43可知,擠壓成形時材料的流動經(jīng)歷了不穩(wěn)定穩(wěn)定>不穩(wěn)定的過程。坯料越靠近?？诔隽鲃釉綇?fù)雜,特別是模口形狀突變處流動最復(fù)雜。這是因為靠近模口處來自于導(dǎo)流腔內(nèi)不同流向的坯料發(fā)生交匯,因此流動復(fù)雜,而形狀突變的部位

14、,流速的方向差更大,當然坯料的流動就更加復(fù)雜。另外由于坯料交匯速度不一致,坯料與坯料間、坯料與模具間發(fā)生劇烈的摩擦作用更加加劇了流動情況的復(fù)雜性。這是模具模121處容易磨損的原因之一,進行模具和產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)特別關(guān)注形狀突變處,從坯料流動角度看應(yīng)盡可能選擇較大圓角半徑以減小形狀突變梯度。在圖4.3中從z向流速大小分析,在導(dǎo)流腔填充階段導(dǎo)流孔附近的坯料的流速明顯快于其它區(qū)域,43b中流速約為14.18mm/s,4-3d中流度約為25.30mm/s,說明擠壓預(yù)成形階段金屬前端z向流速隨著壓下量的增加而加快,是一個加速的過程。金屬流出模具模口情況與此類似,在出?？陔A段也是一個加速的過程,直到型腔外金屬

15、流動與型腔內(nèi)金屬流動形成平衡后,擠壓進入穩(wěn)定狀態(tài),進入穩(wěn)定狀態(tài)后擠出速度約為8694mm/s,如圖43f所示。如圖4-4所示,坯料流速離擠壓中心越遠越小,形狀簡單處流速比復(fù)雜處快。表明坯料擠出的z向流速不僅與離擠壓中心的距離有關(guān)也與型材形狀有關(guān)。這是受到坯料單位體積上摩擦力影響的緣故。離擠壓中心近處,單位體積坯料與模具接觸面積小于離擠壓中心遠處,受到的摩擦力也就小:型材形狀簡單處比周長小,單位體積坯料與模具的接觸面積小,單位體積坯料受到的摩擦力也就越小。而在模口處坯料的摩擦力對坯料的流出起阻礙作用,故離擠壓中心近處坯料流速快于離擠壓中心遠處,型材形狀復(fù)雜處流速較其它地方慢!對比圖4.4中a、b

16、和c,不難發(fā)現(xiàn)坯料流速b比a中均勻、cLkb均勻,說明導(dǎo)流腔在調(diào)節(jié)坯料擠出口流速分布的作用很大。通過調(diào)節(jié)導(dǎo)流腔的形狀和大小可以控制坯料擠出口處的流速均勻性。坯料擠出口處的流速不僅與擠壓中心距離和型材形狀有關(guān),而且還與模腔局部儲存金屬能力有關(guān)。適當調(diào)節(jié)導(dǎo)流腔的大小和形狀就可以改變坯料局部擠出速度。相比較而言,圖44c對應(yīng)的導(dǎo)流腔較好,坯料擠出口流速較均勻。圖45和圖46分別為X5214型材擠壓成形過程中的等效應(yīng)力場分布。 由圖4.5可知,在導(dǎo)流腔填充階段,導(dǎo)流腔入口處的等效應(yīng)力值最大,并隨著壓下量的增加而增大,從壓下量3.Omm處的3439MPa逐步增加到壓下量7.8mm 處的4550MPa,增

17、加了近28.2%。進入型材擠出階段,型材?？滋幍牡刃?yīng)力值比其它的地方大得多,其中中間部位最大,最大等效應(yīng)力值達50MPa,如圖4.5c、4-5d所示。因此模具的磨損失效多發(fā)生在模口附近,故在實際生產(chǎn)中可考慮對模具?？谶M行局部硬化熱處理,提高模具?？谔幉牧系哪湍ツ芰?。 由圖46可知,等效應(yīng)變分布情況與等效應(yīng)力分布及其相似。在導(dǎo)流腔尚未完全填充滿的初始階段,最大等效應(yīng)變發(fā)生在導(dǎo)流腔模孔開口處,此時,它相當于型材?？?附近的等效應(yīng)變值約為1.11.1.21(圖4.6a,b。在坯料填充滿導(dǎo)流腔擠出?？诤?最大等效應(yīng)變均發(fā)生在模口附近,最大等效應(yīng)變值達3.45(圖4-6d。在模具邊緣處應(yīng)變明顯小于模口

18、附近,等效應(yīng)力應(yīng)變值約為0.020.97。圖47為X5214型材擠壓成形過程中的溫度場分布云圖。在擠壓成形過程中,金屬的溫度變化主要受三方面的影響,是模具與型材的溫度不同,之間接觸時會有熱傳導(dǎo):二是坯料在擠壓過程中與模具摩擦產(chǎn)生的熱變化;三是坯料擠壓時本身塑性變形過程中產(chǎn)生的熱量。三方面因素相互影響,使得擠壓過程中溫度的變化十分復(fù)雜。擠壓初始階段,由于擠壓變形產(chǎn)生的熱量尚不足以彌補向模具和環(huán)境的熱傳導(dǎo)損失的熱量值,坯料的溫度有所下降,下降幅度由錠坯中心向邊緣呈梯形遞減,邊緣處下降幅度約150,在中心下降幅度低于50,見圖4.7a。隨著擠壓的進行,在錠坯中心部位由于變形和摩擦生熱起主導(dǎo)作用,坯料的溫度升高明顯,最高溫度500。以上:在錠坯徑向邊緣變形產(chǎn)生的熱量不足以彌補向模具