復雜鋁型材擠壓過程數值模擬及模具結構優化

來源: www.tcwpwd.live 作者:lgg 發布時間:2016-12-11 論文字數:37861字
論文編號: sb2016120720482416173 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是機械論文,本文針對某復雜空心鋁型材設計平面分流組合模,對模具結構進行分析設計,利用 Hyper Xtrude 建立有限元分析模型進行模擬仿真,研究了不同參數對擠壓成型過程的影響規律,
第一章  緒  論 
 
1.1  引言 
鋁型材作為一種密度小、光澤度高易著色、耐腐蝕、外形美觀、可塑性好、強度大、不易氧化、易回收的金屬材料,具有其他金屬不具備的優點,目前被廣泛運用于機械、建筑、航空、汽車、冷凝器等行業[1]。 隨著全球鋁型材產品用途的不斷增加,世界各國對鋁型材的需求量也越來越大[2]。進入 21 世紀,從產能來看,世界上有 95 個國家或地區生產企業約 2000多家,其中我國的鋁型材產品的生產占全球總產能 50%以上,穩居世界第一。世界鋁型材的消耗量逐年增長,且增長的速度超過 7.5%,預計 2016 年全球鋁型材消費量將超過 2000 萬 t。從地區來看,我國對鋁合金產品的越來越依賴,而歐洲和美國等發達國家的消耗量呈現下降的趨勢,截至 2009 年,我國消費量占世界總量的 47%,而歐洲、日本、美國和分別僅占 21%、6%、5%。預計在未來 10年,我國鋁型材的消費量將持續的增長,鋁型材產品在世界的占比將繼續增加,而目前在建筑方面鋁型材生產成本較為透明,產品的附加值不高[3]。因此,如何增加附加值的同時使生產制造符合低碳環保的要求,是當下鋁型材行業的發展的使命。 對于鋁型材擠壓技術而言,模具的設計結構參數和擠壓參數由為重要,合理的設計能夠要保證型材的質量、縮短生產周期。當下中國鋁型材產品的消耗量越來越大,但擠壓成型的技術還處于相對落后的階段,模具的設計結構和工藝參數的選擇大多還是依靠設計員的經驗水平,需要進行反復的試模和修模后才能投入生產[4]。這樣一來難以保證模具的壽命和產品的質量,同時這種生產方式大大降低了鋁加工企業的生產效率。所以改善傳統的擠壓模的設計方法,提高其開發速度、節省開發成本,已成為鋁型材成型工業生產發展的急切需求。計算機輔助工程 CAD/ CAE/ CAM 系統一體化技術的運用,大大提高了擠壓模具制造精度,提高模具的設計效率,從而有效的減少試模和修模的次數、縮短生產周期、降低生產成本,使得有限元數值模擬分析技術的運用成為趨勢[5]。 
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1.2  鋁型材擠壓成型技術概述 
鋁型材擠壓成型技術是將鋁棒或坯料通過熱熔、擠壓使其從模具模孔中流出獲得金屬材料型材截面模型[6]。鋁型材擠壓成型原理圖如圖 1-1。在擠壓過程中,將預熱的鋁型材棒料放入擠壓筒內,通過擠壓機強大的壓力作用下,擠壓桿和擠壓墊片將力傳導到棒料,迫使棒料發生塑性變形從模孔擠出,從而得到擁有一定力學性能的鋁合金擠壓型材的形狀和尺寸[7]。 鋁型材擠壓成型過程是在高溫、高壓下進行的,型材截面的變形過程與金屬的流動速度有著非常密切的關系。在擠壓前坯料要先經過一定程度的預熱,預熱溫度大約會在 400-480。C 之間,而擠壓過程中還會不斷的產生摩擦熱變形功熱效應,會使得金屬的變形溫度進一步提高。因此,擠壓筒、擠壓墊片、模具等直接與高溫金屬坯料接觸的表面局部溫度可高達 550℃。其承受高溫時間則是從幾分鐘至幾個小時,在長時間處于高溫環境下,使得擠壓工具與坯料金屬之間的摩擦條件嚴重惡化,模具材料的強度會大大降低,甚至因大變形而導致破損[8]。 在擠壓過程中,鋁合金坯料和擠壓工具還需要承受很高的壓力。而擠壓成型過程本身又是一個間歇操作的過程,具有一定周期性,在這個過程中擠壓工具需要承受高壓,并在非工作時被突然卸載,為了滿足在擠出過程中不斷變化的受載條件以及復雜的應力狀態,模具材料必須符合以下要求[9]。 (1)高的強度和硬度。對擠壓模材料的選擇上必須滿足,在常溫條件下的抗拉強度不低于 1500MPa,硬度不低于 HRC47-52。 (2)高的耐熱性能和斷裂韌性。對鋁型材擠壓,當擠壓模材料溫度在 500。C左時,一般屈服應力 σs 不能低于 1000MPa,而在 500。C 以下時,要求其不發生退火或回火現象。 
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第二章  有限元分析的基本理論及 Hyper Xtrude 介紹 
 
2.1  引言
隨著計算機中有限元數值技術的不斷發展,使擠壓模具的工藝參數和結構參數通過數值仿真技術進行優化成為現實,為研究人員跟蹤和描述金屬在模具中的流動情況提供了便利,也為提高產品質量提供了好的方法。鋁型材擠壓成型是一個復雜金屬流動過程,是多個參數在熱力耦合的作用下發生非線性和大變形。傳統的解析法很難將這些問題進行簡化,無法保證求解精度。而采用實驗法進行研究則難以對在封閉式的模腔內的坯料流動過程進行監測,無法測量模具內部的應力、溫度、速度場等物理量。 模擬仿真的基本思想是通過對擠壓模具進行數值模擬結果的分析,獲得在模具內金屬的流動規律。目前在塑性成形領域運用最廣的數值模擬方法主要有有限元法,有限分析法和有限體積法[34]。本章將對有限元法中任意拉格朗日-歐拉法(Arbitrary Lagrange Euler mcthod)的基本理論和有限元模擬軟件 Hyper Xtrude 進行介紹。 
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2.2  數值仿真介紹 
隨著有限元在工程分析中的廣泛運用,經過幾十年的發展,有限元基本理論日益完善,計算機輔助制造已成為產品設計過程中相對重要的環節,相關有限元軟件也越來越多如,  Ansys、Abaqus、Forge、Deform、Hyperworks 等。有限元法可分類為:線彈性有限元法以及非線性有限元法,在運用非線性基本原則中,會用到材料成型、幾何分析、接觸分析等上述兩種或三種非線性的情況。 有限元法最初是以變分原理為理論基礎而發展起來,它將建立的計算模型劃分為有限的互不重合的單元,并在單元的內部選擇一定數量的單元節點進行插值計算來解出函數,這樣一來微分方程中的變量就轉變成了由各變量或其導數的節點值與所選用的插值函數組成的線性表達式,最后借助于變分原理,將微分方程離散求解。因此它在以拉普拉斯方程、泊松方程等所描述的各類物理場中有著十分廣泛的應用。近年來,研究人員在流體力學中應用加權余量法得到有限元方程[35]。  
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第三章  多孔模具的設計及工藝參數對型材成型過程的影響...... 19 
3.1 引言..... 19 
3.2  多孔模具的設計........... 19 
3.2.1  多孔薄壁型材的設計.......... 19 
3.2.2 模具種類選擇..... 19
3.2.3  模孔及分流橋設計..... 20 
3.2.3  焊合室設計........ 21 
3.2.4  工作帶的設計.... 21 
3.3  有限元模型的建立....... 23
3.4  工藝參數對型材擠壓成型過程的影響........... 24 
3.5  本章小結..... 31 
第四章  復雜空心模結構參數對擠壓過程的影響........ 33 
4.1  引言.... 33 
4.2  焊合室深度對復雜空心模擠壓過程的影響............ 33 
4.3  分流橋寬度對擠壓成型過程的影響...... 38
4.4  本章小結..... 40 
第五章  基于自適應響應面法的工作帶長度優化設計......... 41
5.1  引言.... 41 
5.2  鋁合金擠壓成型的金屬流速和變形...... 41 
5.3  工作帶優化的數學模型........ 42
5.4  工作帶長度的優化....... 43 
5.4.1  建立優化模型.... 43 
5.4.2  工作帶長度優化......... 45 
5.5  本章小結..... 47 
 
第五章  基于自適應響應面法的工作帶長度優化設計
 
5.1  引言
在鋁型材擠壓成型過程中,平面分流組模工作帶設計對擠壓型材成型質量影響很大,且比一般平流模要復雜很多。模具工作帶長度合理的設計,能使金屬出口速度的均勻性更好變形量更小,從而避免型材表面的麻點、刀彎、波浪、扭擰等缺陷。在現實的企業生產制造里,工作帶長度的變大或變小,直接影響金屬出口的流速。現在工作帶長度的確定一般是根據實際過程中總結出來的經驗法和補充應力法。這些方法在實際過程中,通常通用性很小,在新的模具投產中需反復試模修模,影響了擠壓成型的質量成本和時間成本[47-49]。 本章以上文中空心鋁型材為研究的目標,采用自響應響應面法基于 Hyper Study 平臺[50]進行數值模擬分析,通過對工作帶長度進行優化,優化結果和原始結果進行比較可知,金屬出口處的流速更加均勻型材的變形量更加小,為平面分流模工作帶的設計提供了方法和指導依據。通過上章鋁合金擠壓過程分析可知,焊合室高度和分流橋寬度的合理設計,大大降低了模具的應力應變,提高了金屬出口處的流速和焊合質量。為了進一步提高金屬材料的出口處的流動速度和進一步減小型材的變形量。圖 5-1 所示為上章中優化后的金屬出口速度分布圖和材料變形分布圖,由圖可以知道,在金屬擠壓速度為 5mm/s 時,金屬材料出口的截面速度各不相同,型材的最大速度為145mm/s,最小速度為 132.6mm/s,最大和最小的速度差為 12.4mm/s,型材變形量為 9.231mm。為的得到更高質量的金屬型材成品,對工作帶的優化非常有必要。 
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結論
 
本文采用基于有限元法中任意拉格朗日-歐拉法(Arbitrary  Lagrange  Euler mcthod)的算法在唯一專業擠壓軟件 Hyper Xtrude,對幾組不同類型的多孔空心組合模具的型材分別進行擠壓過程數值模擬分析,得出型材出口截面的金屬流動規律、模具的最大應力和最大變形量等結果。為改進初始模具分析結果,分別對其中一組模具的工藝參數進行優化和另一組模具結構參數進行優化,得出最優解;再采用自適應響應面法對工作帶長度進行優化設計,得出一下結論:合理的模具結構設計需按照設計規范進行,高質量的網格劃分和工藝參數的選擇直接影響模具擠壓結果。 不同的擠壓速度,對型材截面出口速度是隨著速度的增加先減小后增加,出口處的均勻性也是先減小后增加;模具的應力是隨著擠壓速度的增加是一直增加而后趨于平穩;擠壓溫度也是隨著擠壓速度的增加而增加后趨于平穩。在擠壓速度為 2mm/s 時,金屬的流動均勻性最好,擠壓應力和擠壓溫度也趨于平穩,為最佳擠壓速度。 不同的模具預熱溫度,對金屬的流動應力和擠壓力是隨著預熱溫度的增加而減小后趨于平穩,模具的最大應力和變形量是隨著預熱溫度的增加是先減小后增加;在模具預熱溫度為 450℃時,模具的最大應力和變形量最小,有利于模具的使用壽命。  不同棒料的預熱溫度,對模具的溫度是隨著預熱溫度的增加變化不打大,模具的最大應力和變形量是隨著預熱溫度的增加是而減小;考慮到經濟成本,在棒料預熱溫度為 450℃時,模具的最大應力和變形量適中,有利于節約棒料升溫過高浪費能量,又有利于模具使用壽命。  
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參考文獻(略)

原文地址:http://www.tcwpwd.live/jxlw/16173.html,如有轉載請標明出處,謝謝。

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