張浩強(qiáng)

（益陽橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)，湖南 益陽 413000）

0 引言

鋁合金圓棒擠壓是指將鋁合金鑄錠置于專用模具內(nèi)，在擠壓機(jī)提供的強(qiáng)大壓力作用下，按均勻的速度，將鋁合金圓棒從模腔中擠出，使其成形為所需形狀和尺寸的棒材。鋁合金圓棒在擠壓過程中，如擠壓模具不是很好或模具擠壓鋁材過多，鋁材表面會(huì)產(chǎn)生擠壓痕，用手可能觸摸到鋁材表面不平。由于模具設(shè)計(jì)者對擠壓過程中的金屬流動(dòng)情況以及模具的應(yīng)力、應(yīng)變狀況難以掌握，為確保擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量，獲得無缺陷令人滿意的產(chǎn)品，減少反復(fù)試模和修模過程，對擠壓過程中變形金屬應(yīng)力場的有限元模擬研究是十分必要的［1］。

1 有限元模型的建立

1．1 鑄錠與模具的模型

以ANSYS作為有限元計(jì)算分析的工具，由于圓棒擠壓屬于狀態(tài)非線性大變形接觸問題，在分析過程中根據(jù)軸對稱性，選擇擠壓鑄錠和模具縱截面的一半建立有限元計(jì)算模型［2］。為了便于數(shù)學(xué)處理，把鑄錠理想化為剛黏塑性材料，鑄錠材料的彈性模量為6．9×104MPa，泊松比為0．26。當(dāng)鑄錠擠壓應(yīng)變?yōu)?．01時(shí)，擠壓應(yīng)力為690MPa；當(dāng)鑄錠擠壓應(yīng)變?yōu)?．01時(shí)，擠壓應(yīng)力為860MPa。對有限元模型的每條線段設(shè)置合適的等分?jǐn)?shù)，結(jié)構(gòu)單元為Plane182，采用自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)劃分，劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖1所示。

1．2 建立邊界條件并施加位移載荷

在線段4、6、11上施加x方向的位移約束，約束值為零，即限制x方向的位移。在線段5上施加y方向的位移約束，約束值為零，即限制y方向的位移約束。在線段3上施加y方向向下60mm的約束，即整個(gè)鑄錠向下運(yùn)動(dòng)60mm。圖2為施加載荷后的模型。

圖1 劃分網(wǎng)格后的圓棒擠壓模型

圖2 施加載荷后的模型

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2．1 鋁合金圓棒徑向位移的變化

圖3為鋁合金擠壓徑向位移圖，圖中徑向位移最大為1．626mm，徑向位移量由圓棒的外部向中心逐漸變小，位移最小值為0．082 44mm。

圖3 圓棒擠壓徑向位移圖

2．2 鋁合金圓棒徑向應(yīng)力的變化

圖4為鋁合金擠壓徑向應(yīng)力圖，鋁合金圓棒向左擠壓的極限應(yīng)力值為－996．122MPa，由于模具上部開口是一個(gè)錐形的，因此在模具的錐形中下部會(huì)出現(xiàn)極限擠壓應(yīng)力。

2．3 von Mises應(yīng)力分析

一般來講，應(yīng)力值越大的區(qū)域，材料越容易出現(xiàn)裂紋［3］。圖5為鋁合金擠壓的von Mises應(yīng)力圖，可能出現(xiàn)裂紋的位置在模具的錐形部分最低端，von Mises應(yīng)力最大值為1 308MPa。

圖4 圓棒擠壓徑向應(yīng)力圖

3 結(jié)論

將最新的有限元分析技術(shù)應(yīng)用到整個(gè)擠壓模具設(shè)計(jì)與制造過程中，讓更多的模具工程師掌握這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可提高我國鋁型材擠壓行業(yè)及其模具制造業(yè)的市場競爭力［4］。本文運(yùn)用ANSYS對鋁合金棒料的擠壓過程進(jìn)行了有限元模擬。通過實(shí)驗(yàn)，可以從模擬結(jié)果后處理中清楚地獲得擠壓的應(yīng)力情況以及金屬的流動(dòng)規(guī)律，得出擠壓過程中試樣及模具內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變及位移場分布，提高了型材的產(chǎn)品成型性和產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量，縮短了模具設(shè)計(jì)的周期，節(jié)省了由于反復(fù)試模而帶來的大量費(fèi)用。應(yīng)用ANSYS對鋁合金的擠壓成型過程進(jìn)行分析對模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

圖5 鋁合金擠壓的von Mises應(yīng)力圖

［1］ 黃成華．鋁合金圓棒擠壓過程應(yīng)力場模擬［J］．鋁加工，2010（9）：9－12．

［2］ 張朝暉．ANSYS12．0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

［3］ 譚晶．矩形橡膠密封圈的有限元分析［J］．潤滑與密封，2007，32（2）：36－39．

［4］ 鄭軍，傅建，李冬．鋁型材擠壓模具優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀和趨勢［J］．金屬成型工藝，2012，20（6）：47－51．