韋 林,賀曉華,劉 馳
(柳州職業(yè)技術學院,廣西 柳州 545006)
鋁型材是由擠壓機上的擠壓桿對擠壓筒中的熱坯料施加壓力,使之通過??壮尚投玫降?。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鍵部件。到目前為止,鋁型材擠壓模具的設計,很多是根據(jù)經(jīng)驗的積累,對于設計過程中需要確定的參數(shù),多數(shù)沒有直接的計算公式,而是根據(jù)以往的經(jīng)驗值確定。在鋁型材擠壓模具設計中,結構確定之后的模具強度校核,是其中的關鍵步驟。過去由于計算方法的限制,只能根據(jù)材料力學和理論力學等學科提供的一些經(jīng)驗公式進行估算,這種計算并不能全面反映結構的受力情況,也不能給設計人員指出模具的薄弱環(huán)節(jié)和改進方向。
近年來CAE(Computer Aided Engineering)技術得到快速發(fā)展,為模具工業(yè)提供了更強大的技術支持。結構CAE技術,主要是應用有限元方法,通過給定條件如材料屬性、負載條件、邊界條件、裝配連接設定等,對結構進行力學、熱學的分析及診斷,提供給用戶具體、形象的數(shù)據(jù)表達形式。以便進行結構設計校核。應用結構CAE技術,能方便準確地進行模具裝配部件的強度、剛性的校核計算,為進一步優(yōu)化結構設計提供依據(jù)。
本次設計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),計算出上、下??椎某叽绾?,再根據(jù)??壮叽绮⒁?guī)格化后,得到模具外形的相關參數(shù)。采用4個圓弧形分流孔,并在上模對稱分布。
平面分流模具在擠壓工作時,上模和下模之間的位置必須嚴格對中,否則就會影響型材的品質。為了保證上下模的對中,必須在上下模中設置定位裝置。定位裝置包括定位銷和連接螺釘,設置時考慮對模具強度的影響,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)各結構要素的高度尺寸,利用拉伸、體求和、體求差等建模命令,完成模具的三維模型。設計好的模具結構如圖3所示。
圖3 分流模結構示意圖
2.1 模具分析模型的處理
進行有限元分析時,首先要建立相應的有限元模型。本次分析的模型結構具有對稱性,為減少計算量,用模具的1/4進行分析。模型上的一些結構細節(jié),對分析結果影響不大,但會增加分析的計算量,故可將這些結構細節(jié)如倒角、連接裝置等,進行抑制以提高分析速度。
為便于后期進行模具疲勞分析,分別反映出模具的不同部位在工作載荷下的疲勞壽命,采用上下模單獨加載的方式,分別進行有限元應力分析。對上模而言,其分流橋和分流孔是主要關注的部位;在下模,則是焊合室和工作帶,因此針對這4個部位進行應力分析。
2.2 擠壓力計算
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,本次分析采用簡化模型,來求解模具應力和應變情況。最大擠壓力,通過別爾林公式計算得到,在進行應力分析時,采用各關鍵部位的最大擠壓力進行分析。
2.3 邊界條件
擠壓時,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中。由此可知,在擠壓過程中,分流模的上下模是相對固定的,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有徑向變形,在軸向也沒有軸向的位移。因此,將上下模的圓周面約束視為固定,基本符合模具實際生產(chǎn)的情況。其次,由于本次分析的擠壓模具在結構上具有對稱的特點,為減小分析的規(guī)模,提高分析的速度,采用了1/4的對稱模型,因此須在其對稱面上加載對稱邊界條件,以保證分析結果能與實際情況相吻合。
3.1 分流橋應力分析
分流橋直接影響到擠壓金屬的流動快慢、熔焊品質、擠壓力大小和模具強度,是模具應力最集中的部位之一。當鋁在擠壓力的作用下,開始流入分流孔時,分流橋的端面受到最大的擠壓力。在進行分流橋應力分析時,對其加載擠壓力不能夠完全按照實際情況進行加載,因為在實際擠壓情況下,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,通常會產(chǎn)生應力集中,所以分析時,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 分流橋應力云圖
從位移和應力云圖上可以看到,分流橋受最大擠壓力時,其最大位移發(fā)生在分流橋的中心位置,而其最大應力則在分流橋的橋根出現(xiàn),這與實際情況是相一致的。最大位移量在模具變形的允許范圍之內(nèi),最大應力則小于其許用應力值,但是大于模具材料的疲勞極限。
3.2 分流孔應力分析
分流孔是擠壓金屬進入焊合室的通道,對擠壓金屬的流動速度、流動方向和焊合壓力大小,都有較大的影響。在擠壓過程中,隨著擠壓金屬逐漸進入分流孔,分流孔所承受的摩擦力也越來越大;當分流孔被擠壓金屬全部填充后,摩擦力達到最大值,并保持到擠壓結束。因為在分流孔中,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。在對其加載載荷的時候,如果完全按照實際情況來進行,將是一件非常復雜和困難的事情,對分析精度也并無裨益,所以與分流橋的加載類似,本次分析依然認為分流孔的摩擦力是均勻分布的,其值通過前述公式獲得,這樣即簡化了分析的條件,又可保證分析的精度。
圖6 分流孔位移云圖
圖7 分流孔應力云圖
由云圖可見,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,這與我們通常的認識是一致的,但是分流孔摩擦力所造成的最大應力,卻是產(chǎn)生在分流橋的橋根部位。分析可知,這是因為當模具外圓周處于固定約束時,分流孔摩擦力對橋根會形成一個較大的彎矩,而分流孔的內(nèi)壁面積較大,故摩擦力對其的切應力不算很大。由云圖還可得知,分流孔位移在允許范圍之內(nèi),橋根處的應力也在允許范圍之內(nèi)。
3.3 焊合室應力分析
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入焊合室,其載荷也逐漸增大,當金屬開始流入??讜r,焊合室的載荷達到最大。焊合室的壓力,對金屬的焊合品質有重要影響,通常要達到全擠壓力的1/3。
焊合室的型腔曲面,對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,對焊合室的加載采用擠壓靜水壓力可以簡化加載形式,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@是因為整個焊合室的結構中只有??撞课蛔顬楸∪?,其工作帶的尺寸,遠遠小于其他部位的尺寸。不過本次分析的模型所產(chǎn)生的變形量較小,對擠壓生產(chǎn)不會造成不利影響。最大應力仍然發(fā)生在分流橋的橋根。
3.4 工作帶應力分析
工作帶是整個模具最為薄弱的結構部分,也是模具發(fā)生早期失效的主要部位。工作帶是通過改變對擠壓金屬的摩擦力,來控制金屬流速的,由于工作帶在不同的區(qū)段,其長度是不相同的,因此其表面的載荷分布,顯然是不均勻的。在分析加載時,采用一個平均摩擦力來替代實際的摩擦力分布,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 工作帶應力云圖
從位移云圖可見,工作帶在摩擦力的作用下,會產(chǎn)生較大的變形,但對型材的擠壓生產(chǎn)不會造成超差的影響。從應力圖可見,工作帶也會產(chǎn)生較大的應力,但數(shù)值還在允許的范圍之內(nèi),同時在分流橋的橋根也會產(chǎn)生一定的應力。
根據(jù)分析結果,模具零件所受的應力,均在其許用應力范圍之內(nèi)。說明模具的結構強度安全,能滿足設計要求。如果分析結果超過許用應力,必須修改設計方案,修改后的方案,有必要再一次運用結構CAE進行校核。
利用CAD技術對模具進行設計與應力分析,可以較好地控制產(chǎn)品設計品質。本文采用的CAE技術進行結構的三維有限元分析,可以直觀及全面地了解平面分流擠壓模具內(nèi)部的應力分布和變形情況,使得平面分流擠壓模具的設計,建立在更加科學合理的基礎上,也更符合設計準則中應力分析方法的設計思想。
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