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)。

1 鋁型材平面分流擠壓模具數(shù)字化建模

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 建立有限元模型

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 有限元應力應變分析

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。

4 結束語

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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