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        基于CAE技術(shù)的鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)

        2010-03-16 01:18:52賀曉華
        裝備制造技術(shù) 2010年11期
        關(guān)鍵詞:鋁型材摩擦力云圖

        韋 林,賀曉華,劉 馳

        (柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 柳州 545006)

        鋁型材是由擠壓機(jī)上的擠壓桿對(duì)擠壓筒中的熱坯料施加壓力,使之通過(guò)模孔成型而得到的。擠壓模具是使鋁合金熱錠產(chǎn)生擠壓變形和獲得所需制品形狀的關(guān)鍵部件。到目前為止,鋁型材擠壓模具的設(shè)計(jì),很多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的積累,對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程中需要確定的參數(shù),多數(shù)沒(méi)有直接的計(jì)算公式,而是根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)值確定。在鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)確定之后的模具強(qiáng)度校核,是其中的關(guān)鍵步驟。過(guò)去由于計(jì)算方法的限制,只能根據(jù)材料力學(xué)和理論力學(xué)等學(xué)科提供的一些經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算,這種計(jì)算并不能全面反映結(jié)構(gòu)的受力情況,也不能給設(shè)計(jì)人員指出模具的薄弱環(huán)節(jié)和改進(jìn)方向。

        近年來(lái)CAE(Computer Aided Engineering)技術(shù)得到快速發(fā)展,為模具工業(yè)提供了更強(qiáng)大的技術(shù)支持。結(jié)構(gòu)CAE技術(shù),主要是應(yīng)用有限元方法,通過(guò)給定條件如材料屬性、負(fù)載條件、邊界條件、裝配連接設(shè)定等,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)、熱學(xué)的分析及診斷,提供給用戶具體、形象的數(shù)據(jù)表達(dá)形式。以便進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核。應(yīng)用結(jié)構(gòu)CAE技術(shù),能方便準(zhǔn)確地進(jìn)行模具裝配部件的強(qiáng)度、剛性的校核計(jì)算,為進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        1 鋁型材平面分流擠壓模具數(shù)字化建模

        本次設(shè)計(jì)的平面分流擠壓模具,用于擠壓鋁空心圓管,型材截面圖如圖1所示。

        圖1 型材截面圖

        根據(jù)型材參數(shù),選擇擠壓機(jī)主要參數(shù)為:擠壓筒直徑Ф300 mm,公稱擠壓力30 MN。

        圖2 模具的平面要素

        模具采用單??祝罁?jù)管材的內(nèi)、外徑尺寸,并考慮熱膨脹系數(shù)及拉伸矯直系數(shù),計(jì)算出上、下??椎某叽绾螅俑鶕?jù)??壮叽绮⒁?guī)格化后,得到模具外形的相關(guān)參數(shù)。采用4個(gè)圓弧形分流孔,并在上模對(duì)稱分布。

        平面分流模具在擠壓工作時(shí),上模和下模之間的位置必須嚴(yán)格對(duì)中,否則就會(huì)影響型材的品質(zhì)。為了保證上下模的對(duì)中,必須在上下模中設(shè)置定位裝置。定位裝置包括定位銷和連接螺釘,設(shè)置時(shí)考慮對(duì)模具強(qiáng)度的影響,在焊合室外徑與模具外徑之間,取合適位置作為定位銷和連接螺釘?shù)姆植紙A。

        各徑向尺寸確定后,就可在UG建模環(huán)境下,利用草圖功能繪制模具平面要素(圖2)。然后根據(jù)各結(jié)構(gòu)要素的高度尺寸,利用拉伸、體求和、體求差等建模命令,完成模具的三維模型。設(shè)計(jì)好的模具結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 分流模結(jié)構(gòu)示意圖

        2 建立有限元模型

        2.1 模具分析模型的處理

        進(jìn)行有限元分析時(shí),首先要建立相應(yīng)的有限元模型。本次分析的模型結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性,為減少計(jì)算量,用模具的1/4進(jìn)行分析。模型上的一些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),對(duì)分析結(jié)果影響不大,但會(huì)增加分析的計(jì)算量,故可將這些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)如倒角、連接裝置等,進(jìn)行抑制以提高分析速度。

        為便于后期進(jìn)行模具疲勞分析,分別反映出模具的不同部位在工作載荷下的疲勞壽命,采用上下模單獨(dú)加載的方式,分別進(jìn)行有限元應(yīng)力分析。對(duì)上模而言,其分流橋和分流孔是主要關(guān)注的部位;在下模,則是焊合室和工作帶,因此針對(duì)這4個(gè)部位進(jìn)行應(yīng)力分析。

        2.2 擠壓力計(jì)算

        在一次擠壓工作循環(huán)中,全擠壓力隨著擠壓軸的行程變化而變化,本次分析采用簡(jiǎn)化模型,來(lái)求解模具應(yīng)力和應(yīng)變情況。最大擠壓力,通過(guò)別爾林公式計(jì)算得到,在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí),采用各關(guān)鍵部位的最大擠壓力進(jìn)行分析。

        2.3 邊界條件

        擠壓時(shí),上模、下模和模墊一起固定在模支承中,可保證型孔能很好地對(duì)中。由此可知,在擠壓過(guò)程中,分流模的上下模是相對(duì)固定的,其在軸向的自由度由模支承和壓型嘴限制,徑向的自由度被定位銷限制。由于模支承對(duì)上模、下模和模墊的外圓周面的約束,因此上模、下模和模墊的外圓周面基本沒(méi)有徑向變形,在軸向也沒(méi)有軸向的位移。因此,將上下模的圓周面約束視為固定,基本符合模具實(shí)際生產(chǎn)的情況。其次,由于本次分析的擠壓模具在結(jié)構(gòu)上具有對(duì)稱的特點(diǎn),為減小分析的規(guī)模,提高分析的速度,采用了1/4的對(duì)稱模型,因此須在其對(duì)稱面上加載對(duì)稱邊界條件,以保證分析結(jié)果能與實(shí)際情況相吻合。

        3 有限元應(yīng)力應(yīng)變分析

        3.1 分流橋應(yīng)力分析

        分流橋直接影響到擠壓金屬的流動(dòng)快慢、熔焊品質(zhì)、擠壓力大小和模具強(qiáng)度,是模具應(yīng)力最集中的部位之一。當(dāng)鋁在擠壓力的作用下,開始流入分流孔時(shí),分流橋的端面受到最大的擠壓力。在進(jìn)行分流橋應(yīng)力分析時(shí),對(duì)其加載擠壓力不能夠完全按照實(shí)際情況進(jìn)行加載,因?yàn)樵趯?shí)際擠壓情況下,分流橋端面上的擠壓力分布是不均勻的,在靠近分流孔的周圍,通常會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,所以分析時(shí),通常在分流橋端面施加均布載荷,所施加的均布載荷,在數(shù)值上能真實(shí)反映分流橋的受力情況,所產(chǎn)生的偏差,在分析精度所允許的范圍之內(nèi)。

        圖4 分流橋位移云圖

        圖5 分流橋應(yīng)力云圖

        從位移和應(yīng)力云圖上可以看到,分流橋受最大擠壓力時(shí),其最大位移發(fā)生在分流橋的中心位置,而其最大應(yīng)力則在分流橋的橋根出現(xiàn),這與實(shí)際情況是相一致的。最大位移量在模具變形的允許范圍之內(nèi),最大應(yīng)力則小于其許用應(yīng)力值,但是大于模具材料的疲勞極限。

        3.2 分流孔應(yīng)力分析

        分流孔是擠壓金屬進(jìn)入焊合室的通道,對(duì)擠壓金屬的流動(dòng)速度、流動(dòng)方向和焊合壓力大小,都有較大的影響。在擠壓過(guò)程中,隨著擠壓金屬逐漸進(jìn)入分流孔,分流孔所承受的摩擦力也越來(lái)越大;當(dāng)分流孔被擠壓金屬全部填充后,摩擦力達(dá)到最大值,并保持到擠壓結(jié)束。因?yàn)樵诜至骺字?,不同部位的擠壓金屬的流速和流向是不同的,因此分流孔各部位的摩擦力也是不同的。在對(duì)其加載載荷的時(shí)候,如果完全按照實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行,將是一件非常復(fù)雜和困難的事情,對(duì)分析精度也并無(wú)裨益,所以與分流橋的加載類似,本次分析依然認(rèn)為分流孔的摩擦力是均勻分布的,其值通過(guò)前述公式獲得,這樣即簡(jiǎn)化了分析的條件,又可保證分析的精度。

        圖6 分流孔位移云圖

        圖7 分流孔應(yīng)力云圖

        由云圖可見(jiàn),分流孔在摩擦力的作用下,最大位移發(fā)生在靠近模芯的孔壁,這與我們通常的認(rèn)識(shí)是一致的,但是分流孔摩擦力所造成的最大應(yīng)力,卻是產(chǎn)生在分流橋的橋根部位。分析可知,這是因?yàn)楫?dāng)模具外圓周處于固定約束時(shí),分流孔摩擦力對(duì)橋根會(huì)形成一個(gè)較大的彎矩,而分流孔的內(nèi)壁面積較大,故摩擦力對(duì)其的切應(yīng)力不算很大。由云圖還可得知,分流孔位移在允許范圍之內(nèi),橋根處的應(yīng)力也在允許范圍之內(nèi)。

        3.3 焊合室應(yīng)力分析

        焊合室是擠壓金屬重新焊合的地方,其中的擠壓金屬可看成是液體。隨著擠壓金屬逐漸進(jìn)入焊合室,其載荷也逐漸增大,當(dāng)金屬開始流入??讜r(shí),焊合室的載荷達(dá)到最大。焊合室的壓力,對(duì)金屬的焊合品質(zhì)有重要影響,通常要達(dá)到全擠壓力的1/3。

        焊合室的型腔曲面,對(duì)金屬的流速和流向也有重要的影響。因此在焊合室型腔表面的載荷分布,也是不均勻的。焊合室中的載荷,包括金屬的變形力和金屬對(duì)型腔表面的摩擦力,都可以看成是由擠壓靜水壓力形成的,所以在分析時(shí),對(duì)焊合室的加載采用擠壓靜水壓力可以簡(jiǎn)化加載形式,也完全滿足分析的需求。

        圖8 焊合室位移云圖

        圖9 焊合室應(yīng)力云圖

        分析云圖表明,最大的位移量,發(fā)生在??字車牟课唬@是因?yàn)檎麄€(gè)焊合室的結(jié)構(gòu)中只有模孔部位最為薄弱,其工作帶的尺寸,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他部位的尺寸。不過(guò)本次分析的模型所產(chǎn)生的變形量較小,對(duì)擠壓生產(chǎn)不會(huì)造成不利影響。最大應(yīng)力仍然發(fā)生在分流橋的橋根。

        3.4 工作帶應(yīng)力分析

        工作帶是整個(gè)模具最為薄弱的結(jié)構(gòu)部分,也是模具發(fā)生早期失效的主要部位。工作帶是通過(guò)改變對(duì)擠壓金屬的摩擦力,來(lái)控制金屬流速的,由于工作帶在不同的區(qū)段,其長(zhǎng)度是不相同的,因此其表面的載荷分布,顯然是不均勻的。在分析加載時(shí),采用一個(gè)平均摩擦力來(lái)替代實(shí)際的摩擦力分布,雖然存在一定的分析誤差,但還是可以滿足分析精度要求的。

        圖10 工作帶位移云圖

        圖11 工作帶應(yīng)力云圖

        從位移云圖可見(jiàn),工作帶在摩擦力的作用下,會(huì)產(chǎn)生較大的變形,但對(duì)型材的擠壓生產(chǎn)不會(huì)造成超差的影響。從應(yīng)力圖可見(jiàn),工作帶也會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力,但數(shù)值還在允許的范圍之內(nèi),同時(shí)在分流橋的橋根也會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力。

        根據(jù)分析結(jié)果,模具零件所受的應(yīng)力,均在其許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。說(shuō)明模具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全,能滿足設(shè)計(jì)要求。如果分析結(jié)果超過(guò)許用應(yīng)力,必須修改設(shè)計(jì)方案,修改后的方案,有必要再一次運(yùn)用結(jié)構(gòu)CAE進(jìn)行校核。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        利用CAD技術(shù)對(duì)模具進(jìn)行設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析,可以較好地控制產(chǎn)品設(shè)計(jì)品質(zhì)。本文采用的CAE技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的三維有限元分析,可以直觀及全面地了解平面分流擠壓模具內(nèi)部的應(yīng)力分布和變形情況,使得平面分流擠壓模具的設(shè)計(jì),建立在更加科學(xué)合理的基礎(chǔ)上,也更符合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中應(yīng)力分析方法的設(shè)計(jì)思想。

        [1]趙云路,劉靜安.空心鋁型材擠壓模具優(yōu)化設(shè)計(jì)(2)[J].輕合金加工技術(shù),1997,25(8):38-44.

        [2]楊朝麗.計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用綜述[J].昆明大學(xué)學(xué)報(bào),2003,(2):50-54

        [3]馬健哲.鋁型材擠壓分流模具交互式3DCAD/CAE設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2002.

        [4]劉漢武,張志萍,崔建忠,等.基于BP遺傳算法的鋁型材擠壓模具優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,32(4):86-88.

        [5]劉靜安.鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)、制造、使用及維修[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002.

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