Simufact软件在铝型材挤压模具设计数值模拟的应用

1 引言

我国拥有极其丰富的铝矿资源。随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，除航空航天工业外，建筑、交通运输、电力电器、化工、石油、农机和日常用品等部门对铝的需求量也越来越大。用挤压的方法生产铝型材，既节约金属，生产效率又高^[1]。

分流组合模广泛地应用于生产各种规格和形状的管材和空心铝型材的挤压模具结构类型。该类模具不仅可以生产复杂内腔的铝型材，而且可拆换、加工容易、成本较低^[2]。目前该类模具的设计很大程度上取决于经验和反复试模，在反复试模的过程中浪费大量的人力物力和财力。

本文采用Simufact有限元软件对我公司设计的模具进行挤压过程的数值模拟，揭示金属的真实流动规律和各种物理场的分布，预测实际生产中可能产生的各种缺陷，从而在设计阶段对模具进行优化，以提高模具的质量。

2 Simufact软件介绍

在传统有限元模拟中，多采用Lagrange法^[3-6]，但铝型材挤压过程属于非线性大变形，挤压比非常大，金属变形剧烈，这就不可避免地遇到网格再划分的问题。而由于铝型材壁厚一般很薄，这给网格划分带来极大的困难，从而使得金属塑性成形的有限元模拟无法进行下去^[7]。

有限体积法以前多用于模拟流体的流动过程。近年来，部分学者也逐渐将有限体积法用于模拟金属的塑性成形问题。基于Euler的有限体积法是将网格固定在空间，材料在流动过程中Euler网格不发生变化。因此，用有限体积法模拟大变形塑性成形问题可以很好地避免网格再划分问题。

Simufact软件是基于MSC.SuperForm和MSC.SuperForge开发的材料加工工艺仿真优化平台^[8]。同时拥有MARC（有限元法）和Dytran（有限体积法）求解器。在铝型材的模拟过程中，一般采用Dytran有限体积法。

Simufact使用专业化语言，便于专业人士使用；提供专业的材料数据库，并可以由用户自己输入数据或修改数据；提供各种压力加工设备；拥有IGES、UG、Pro/E、CATIA、Parasolid和Solidworks等各种主流CAD接口；分析计算的自动化程度高，用户不需要输入很多计算控制参数；界面设计简单易懂。

3 数值模拟方案

3.1 几何模型的建立

本文以一幕墙铝型材为例，铝型材截面及初始工作带设计如图1所示。

图1 型材截面及初始工作带示意

铝型材底边壁厚是3.5mm，其余壁厚为3mm。由于此铝型材为对称结构，故取铝型材的1/2进行模拟。根据模具设计图纸建立其三维模型 ，并以STL格式导入Simufact软件，得到上、下模具的三维几何模型图如图2和图3所示。

图2 上模示意图

图3 下模示意图

3.2 边界条件的设定

数值模拟所设定的边界条件如下：挤压坯料选用直径为230mm的铝棒，长度为170mm。在Simufact软件自带的材料库中选择模具材料为H13，铝棒材料为6063；模具预热温度为480℃，铝棒预热温度为450℃，环境温度设定为50℃；铝棒与模具工作带处的摩擦类型选为库伦摩擦类型，摩擦因子为0.3，与其它模具之间的摩擦选塑性剪切摩擦类型，摩擦因子为0.6；挤压速度为10mm/s。铝棒与模具的材料性能如表1所示。

表1 铝棒与模具的材料性能

4 模拟结果及分析

4.1 应力应变场分析

图4与图5分别是坯料等效应力场及等效应变场云图。

图4 应力场云图

从图4中可知最大等效应力发生在坯料与工作带接触的部位，超过了200MPa，远远大于6063的屈服应力。

图5 应变场云图

从图5中可知等效应变与等效应力的分布规律相似。由于坯料与工模具接触面之间存在着摩擦力，尤其是在工作带部位金属流向发生改变，变形剧烈，所以坯料的最大等效应变是在工作带部位；而在挤压筒中部和分流孔中部做近似的刚体运动，因此，此处的等效应变较小。

4.2 温度场分析

温度是影响铝型材质量的重要因素。铝型材热挤压是一个高温高压下大变形的过程。挤压力、焊合质量、铝型材表面质量与机械性能都与温度有关。图6所示是坯料的温度场分布云图，从图6中可知坯料在与工模具接触处虽然有摩擦热的产生，但由于模具的温度比坯料的低，且较易向空气中散热，所以温度升高幅度不大，甚至温度降低。挤压筒中部和分流孔中部由于剧烈变形而产生的塑性变形热难以扩散，所以温度升高幅度较大。在工作带处变形最为剧烈，温度最高。实际生产中温度过低，坯料塑性不好，会降低挤压速度；温度过高，会使铝材过烧，表面质量不好。

图6 温度场云图

4.3 速度场分析

在实际生产中，金属的流动速度是决定铝型材质量的重要因素。流速不均会造成铝型材不成型、扭拧、波浪等缺陷。为了评价挤压过程中金属流速的均匀程度，本文以挤压模出口处流速场标准偏差SDV（Stantard Deviation of the Velocity field）值来衡量^[9]，其计算式的形式如下：

式中，N为选取节点的数量，在本文中N为模具出口处同一平面上节点的个数；为位于待研究平面上第i个节点的z向速度；为待研究平面上各节点的z向平均速递，SDV值反应了挤压过程的稳定性，因此该值越小表示流速越均匀。

图7为金属流出模具后达到稳定的某个平面的流速图，在铝型材截面均匀选取20个节点，各点的流速值如表2所示。

图7 速度场云图

表2 铝型材截面选取节点的速度值（单位：mm/s）

根据图7可知由于铝型材底边比其余边厚，速度较大，而中间筋处较难供料，速度较小，速度的差距容易使铝型材变形。根据表2，可以计算出78.65 mm/s，由此计算处SDV=6.62。铝型材出口流速不均匀。为了优化模具的结构，使铝型材减少因流速产生的缺陷问题，现将铝型材流速大于平均速度处的工作带适量加长，将流速小于平均速度处的工作带适量减短。优化后的工作带如图8所示。

其他条件不变，重新模拟后的铝型材出口流速如图9所示。

图8  优化后的工作带示意图

图9 工作带优化后铝型材的速度场云图

在铝型材上均匀地取20个节点，各节点的z向速度如表3所示。

表3 工作带优化后铝型材截面选取节点的速度值（单位：mm/s）

根据表3，可以计算出72.68 mm/s，由此计算处SDV=2.93。与修改前SDV值明显减小，即铝型材截面速度更为均匀，实际试模结果显示修改后的模具挤压出的铝型材无缺陷，满足生产精度要求。

5 结语

基于Simufact有限元模拟软件，建立了空心铝型材分流模挤压过程的计算模型，并以一幕墙铝型材为研究对象，对挤压过程中的应力场、应变场、温度场及速度场进行了分析，依据分析结果对模具进行修正，最后得到合格的产品。  运用Simufact软件能够快速地获得挤压过程的应力场、应变场、温度场、速度场，求解结果能正确地反应实际情况。合理、科学的应用Simufac能够有效地指导铝型材挤压工艺和模具设计，减少试模次数，对提高设计效率和质量、节省成本、提高经济效益具有重要价值意义。

来源：铝加工