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

模具采用單模孔，依據(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?，再根據(jù)模孔尺寸并規(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(kāi)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(kāi)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?，這是因?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(kāi)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.