介紹

QForm-Extrusion是由QuantorForm公司開(kāi)辟 的專業(yè)鋁型材擠壓工藝摹擬 軟件。它雖然與QForm的其它模塊共用一個(gè)后處置懲罰 界面，然則 是一個(gè)自力 的運(yùn)用 模塊。擠壓模子 基于拉格朗日-歐拉方式 [1]。模子 假定在摹擬 之前金屬已 布滿 模腔，金屬經(jīng)由過(guò)程 工作帶后長(zhǎng)度很快增添 。由于型材擠出的速度紛歧 致可能會(huì)發(fā)生曲折 ，改變 或變形。利用 摹擬 的方式 可以展望這些變形并找到方式 節(jié)制 使變形最小。對(duì) 展望載荷，金屬活動(dòng) 流線，型材溫度和模具變形都利用 專門(mén)的模子 實(shí)驗(yàn) 和許多 工業(yè)零件進(jìn)行了驗(yàn)證[2]。軟件的正確 性在2007、2009、2021（參考[3,4]）國(guó)際擠壓算例測(cè)試會(huì)議長(zhǎng)進(jìn) 行了綜合剖析 ，主要經(jīng)由過(guò)程 比力摹擬 了局與正確 的實(shí)驗(yàn) 丈量 數(shù)據(jù)。法式 的數(shù)學(xué)模子 與求解耦合問(wèn)題的方式 在[5-7]中有具體 的描寫(xiě) 。

模子 的實(shí)行 驗(yàn)證

為了不雅 察模具變形對(duì)材料活動(dòng) 的影響，對(duì)上面描寫(xiě) 的數(shù)學(xué)模子 進(jìn)行了測(cè)試。模具變形很難丈量 ，是以 希奇采取 專門(mén)的實(shí)行 測(cè)試。作為ICEB2009一個(gè)擠壓會(huì)議和算例測(cè)試的專題研究，做了這個(gè)實(shí)行 ，在呈文[8]中可以找到數(shù)據(jù)一覽和實(shí)行 了局。利用 這些數(shù)據(jù)我們用剛性模具和斟酌 模具變形兩種方式 摹擬 了這個(gè)案例。型材和模具草圖見(jiàn)下圖1.

a. b.

圖1 測(cè)試用型材(a)和模具截面圖(b)模具舌頭位置的支持 前提 分歧 ,本圖片可以在 [8]找到圖中可以看到兩個(gè)型材完全溝通 而且 扭轉(zhuǎn) 對(duì)稱。是以 除 模具變形沒(méi)有其他身分 致使 金屬活動(dòng) 分歧 。模具舌頭的支持 分歧 會(huì)致使 模具的變形分歧 。在圖1b中兩型材模具舌頭位置標(biāo)志為很少的支持 和完全支持 。實(shí)行 顯示兩模具舌頭位置的變形差距為0.5mm，這可能會(huì)致使 材料活動(dòng) 分歧 。利用 QForm-Extrusion的模子 進(jìn)行模具變形較量爭(zhēng)論 的了局顯示見(jiàn)圖2，可以清楚 的看到模具變形分歧 。乃至 每一個(gè) 模具舌頭長(zhǎng)進(jìn) 出口兩真?zhèn)€ 變形也紛歧 樣，實(shí)行 的丈量 是在出口端。同時(shí)模具的全部 變形沒(méi)有工作帶位置的變形對(duì)材料活動(dòng) 影響年夜 （圖2c）。

a b.

c.

圖2 從擠壓筒角度看模具的軸向變形，單元 mm（a），從出口看模具變形（b），工作帶位置的變形（c）

變形的數(shù)值用色標(biāo)顯示，在（c）中工作帶變形后的外形 被放年夜 用粉紅色顯示工作帶的兩面有分歧 的變形彼此有一個(gè)輕細(xì)的位移。變形了局致使 工作帶的角度及有用 的工作帶長(zhǎng)度改變。工作帶外形 的這類 轉(zhuǎn)變 可能影響兩個(gè)分歧 支持 舌頭長(zhǎng)度模具內(nèi)的金屬活動(dòng) 。

為了搜檢 耦合模具變形數(shù)學(xué)模子 是不是 會(huì)發(fā)現(xiàn)模具變形對(duì)材料的影響，我們對(duì)上述模子 摹擬 了兩次，例如，一次模具利用 剛性模子 ，第二次利用 彈性模子 并耦合剖析 。在第一種情形 下兩個(gè)型材活動(dòng) 溝通 ，僅向彼此標(biāo)的目的稍微 曲折 ?？梢宰⒅氐皆谶@類 情形 下對(duì)稱面上沒(méi)有曲折 圖3a。

當(dāng)摹擬 第二種情形 時(shí)，支持 很少的型材會(huì)向橋標(biāo)的目的發(fā)生曲折 圖3b。在作者呈文中的實(shí)行 了局也是如斯 ，見(jiàn)圖3c[8]，即便 沒(méi)有具體的相干 曲折 數(shù)值。雖然 如斯 我們可以得出結(jié)論，模具變形會(huì)影響金屬活動(dòng) ，在摹擬 中耦合斟酌 模具的變形可以供給更加 正確 的摹擬 了局。

a b c.

圖3 摹擬 了局：模具為剛性模子 （a）耦合模具變形剖析 （b）現(xiàn)實(shí) 照片一個(gè)型材曲折 （c）

模具變形與材料活動(dòng) 在工業(yè)中的運(yùn)用 研究

模具變形對(duì)材料活動(dòng) 的影響可能其實(shí)不 是一向 都十分較著，現(xiàn)實(shí) 上可能在許多 摹擬 案例中假定模具為剛性便可 以供給足夠正確 的了局。當(dāng)模具上有很長(zhǎng)的舌頭或 是設(shè)計(jì)的十分復(fù)雜的空心型材而且 模具被相對(duì)易曲折 的窄的分流橋支持 的時(shí)刻 ，模具變形的影響是十分顯著的。鄙人 面這類 情形 下若是不耦合斟酌 模具變形就不行能給出正確 的了局。

下面例子模具見(jiàn)下圖（圖4，康柏斯授權(quán)），這個(gè)型材有一個(gè)矩形中間 孔和兩個(gè)開(kāi)放的邊。

a. b.

圖4 鋁型材的模具顯示。從擠壓筒端看（a），從出口看（b）

摹擬 中的模子 在QForm-Extrusion中顯示見(jiàn)圖5。包括金屬域和完全 的模具裝配體。

圖5 摹擬 模子 顯示（包括模具組合體，未顯示擠壓筒）

金屬域包括 341405個(gè)節(jié)點(diǎn)，模具包括 241071個(gè)節(jié)點(diǎn)，利用 兩種方式 進(jìn)行摹擬 ，第一種利用 模具材料為剛性模子 ，第二種模具材料為彈性，耦合斟酌 模具變形對(duì)金屬活動(dòng) 的影響。擠壓材料為AA6060，壓力機(jī)擠壓速度為8mm/s，初始坯料溫度為480oC, 模具預(yù)熱溫度為400oC。第一種方式 金屬活動(dòng) 見(jiàn)圖6。中央 筋活動(dòng) 速度比開(kāi)放邊慢。這類 材料活動(dòng) 引發(fā) 十分年夜 的材料曲折 見(jiàn)圖6c。

a b c

圖6 模具為剛性時(shí)金屬活動(dòng) 了局，最先 (a), 進(jìn)程 中(b) ，料頭變形 (c).

實(shí)行 不雅 察的了局與上述了局紛歧 致。主要緣由 極可能 是未斟酌 模具變形的影響。摹擬 剖析 模具中央 位置在擠壓標(biāo)的目的的變形。在擠壓標(biāo)的目的模芯的變形接近0.575mm（圖7），模芯在Y和Z軸標(biāo)的目的的變形是工作帶傾斜的緣由 。所以在工作帶上一些位置構(gòu)成 阻流角，一些位置構(gòu)成 促流角（圖8）。在中間 筋位置工作帶變成 促流角引發(fā) 擠壓進(jìn)程 中型材中間 位置出口速度增添 。

a b.

圖7 軸向變形散布 （a）側(cè)面變形（b），模具組合體截面上的變形

圖8 初始直的工作帶由于模具彈性變形引發(fā) 的傾斜，鋁型材中央 位置獲得 促流角

在耦合斟酌 模具變形摹擬 中模具的變形對(duì)金屬活動(dòng) 的影響十分年夜 。（圖9）顯示了料頭外形 ，材料活動(dòng) 與上面的摹擬 了局是十分較著的。

a b c.

圖9 耦合斟酌 模具變形的金屬活動(dòng) 摹擬 了局。最先 (a), 進(jìn)程 中 (b) 料頭外形 (c).

耦合模具彈性變形的材料活動(dòng) 摹擬 了局顯示型材中央 部份 與其它部份 速度一樣快，出口速度變成 一致?；顒?dòng) 情形 與現(xiàn)實(shí) 十分一致。在圖10中顯示了用耦合方式 摹擬 的型材料頭與現(xiàn)實(shí) 的比力。

a b.

圖10 料頭外形 ，摹擬 了局（a），現(xiàn)實(shí) 照片（b）

另外一 個(gè)比來(lái) 的工業(yè)運(yùn)用 研究（美國(guó)Thumb Tool & Engineering Co.授權(quán)）是一個(gè)帶有24個(gè)筋的散熱片的型材，網(wǎng)格模子 包括 年夜 約100萬(wàn)節(jié)點(diǎn)（圖11）。模具為剛性時(shí)摹擬 不行能獲得 現(xiàn)實(shí) 的驗(yàn)證出口速度的料頭外形 。

耦合模具變形摹擬 方式 獲得 正確的材料活動(dòng) 情形 是可能的，有以下 特點(diǎn)：

?薄壁筋流速比型材厚的部份 快

?筋的擠出速度沿著型材寬度標(biāo)的目的紛歧 致然則 有兩個(gè)最年夜 的海浪 ，可以從摹擬 了局與現(xiàn)實(shí) 照片中清楚 的看到。

?擠出速度最快的筋是年夜 約1/4型材總寬的位置，最慢的筋是在尾端，速度次慢的筋是在中央

?摹擬 了局中筋的外形 小于照片，這是由于 摹擬 是從金屬材料布滿 模具最先 摹擬 的，真是情形 下料頭外形 也遭到 型腔內(nèi)部材料活動(dòng) 的影響。

a b c.

圖11 鋁型材料頭外形 （a）和（b）采取 兩個(gè)分歧 的視角，現(xiàn)實(shí) 照片（c）

下一個(gè)工業(yè)案例顯示當(dāng)優(yōu)化工作帶設(shè)計(jì)時(shí)耦合模具變形摹擬 的主要 性。最先 利用 一致的工作帶長(zhǎng)度進(jìn)行摹擬 ，速度散布 了局與料頭外形 見(jiàn)圖12。一致的工作帶長(zhǎng)度獲得 非平均 的活動(dòng) 速度，沿著工作帶睜開(kāi) 線的速度散布 見(jiàn)圖13。在工作帶長(zhǎng)度一致的情形 下，圖13a中了局顯示速度的差別 為Vmax/Vmin= 0.43/0.23=1.87 。優(yōu)化后速度變的平均 了，速度差別 削減 到Vmax/Vmin= 0.36/0.30 = 1.2。這類 適度的速度差別 在金屬流出工作帶區(qū)域后對(duì)料頭的影響乃至 會(huì)變得更?。▓D14）。

a b

圖12 速度散布 （a），料頭外形 （b），利用 一致的工作帶長(zhǎng)度的摹擬 了局

a) b)

圖13 工作帶長(zhǎng)度和沿著工作帶睜開(kāi) 線的速度散布 ：(a)一致的工作帶長(zhǎng)度，(b)優(yōu)化的工作帶長(zhǎng)度

a b

圖14 速度散布 （a），料頭外形 （b），工作帶長(zhǎng)度二次優(yōu)化后的摹擬 了局

模具和坯料溫度場(chǎng)耦合摹擬

QForm除 模具組合體-金屬材料應(yīng)力場(chǎng)耦合外，進(jìn)一步的開(kāi)辟 增添 了溫度場(chǎng)耦合摹擬 。金屬域的熱與應(yīng)力問(wèn)題與模具利用 接觸面上的現(xiàn)實(shí) 鴻溝前提 的熱及應(yīng)力問(wèn)題挨次求解。得益于QForm-Extrusion的網(wǎng)格生成模塊，兩種網(wǎng)格（模具和金屬域）可以在它們的接觸面上同享 溝通 的節(jié)點(diǎn)和四面體網(wǎng)格。這有助于在兩個(gè)別 上以最有用 力 的方式利用 耦合的方式 。

模具組合體溫度場(chǎng)耦合剖析 的道理 見(jiàn)圖15。軟件許可沿著模具側(cè)面指定分歧 的鴻溝前提 ，如分歧 的熱傳導(dǎo)系數(shù)K和溫度T。這可能會(huì)在模具相反的面上發(fā)生 分歧 的溫度散布 ，坯料的溫度梯度分歧 可能引發(fā) 金屬活動(dòng) 分歧 ，即便 是幾何對(duì)稱的模具。

圖15 設(shè)置模具概況的溫度鴻溝前提

下面是為博洛尼亞會(huì)議上一個(gè)算例[3]模具溫度散布 ，模具初始溫度假定一致并等于435℃，坯料溫度為520℃?？偟墓に嚂r(shí)候 包括初始模具填充時(shí)候 為5s，以后 45s準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)擠壓工藝進(jìn)程 。模具在側(cè)邊上有橫向支持 ，其它的側(cè)面直接在空氣中。模座下為后環(huán)恒溫50℃。

a b

圖16 模具截面上的溫度散布 （a），型材概況的溫度散布 （b），擠壓工藝50s后摹擬 了局

溫度摹擬 了局與實(shí)行 測(cè)得的溫度比力一致，即便 采取 的溫度場(chǎng)鴻溝前提 并不是 完全一致。分歧 點(diǎn)的摹擬 了局與實(shí)行 丈量 數(shù)據(jù)的溫度差距在5-10℃。不久的未來(lái) 將會(huì)做進(jìn)一步的研究，斟酌 更加 正確 的前提 設(shè)置，包括金屬?gòu)臄D壓機(jī)到模具組合體中的時(shí)候 消耗 。

結(jié)論

本文介紹了利用 QForm-Extrusion摹擬 鋁型材擠壓工藝的現(xiàn)實(shí) 運(yùn)用 。由于金屬材料活動(dòng) 不平均 ，鋁合金在擠出后可能會(huì)發(fā)生的改變 和曲折 現(xiàn)象。摹擬 的目的就是展望這類 不公道 的變形并找到方式 使不公道 的變形最小。軟件對(duì) 型材擠壓有專門(mén)的操作界面，能快速導(dǎo)入幾何模子 ，還可以主動(dòng) 辨認(rèn) 工作帶且把他們參數(shù)化，易于點(diǎn)竄 調(diào)劑 ，不需要返回到原始的CAD模子 。經(jīng)由過(guò)程 工作帶編纂 器對(duì)工作帶區(qū)域長(zhǎng)度進(jìn)行點(diǎn)竄 和優(yōu)化，可以獲得 平均 一致的擠出速度和法則外形 的型材。經(jīng)由過(guò)程 QForm-Extrusion還可以斟酌 全部 模具裝配體的影響來(lái)剖析 模具裝備 的應(yīng)力和變形。軟件有應(yīng)力耦合摹擬 功能，可以剖析 模具變形對(duì)金屬活動(dòng) 的影響并賠償 它。為了剖析 全部 工藝進(jìn)程 上下模的溫度轉(zhuǎn)變 梯度，在QForm-Extrusion根本上開(kāi)辟 了溫度-應(yīng)力模子 。今朝 在許多 模具廠和鋁型材公司利用 QForm-Extrusion顯示了它的高經(jīng)濟(jì)效益。

1.QForm-Extrusion中的數(shù)學(xué)模子 獲得 了加強(qiáng) ，包括坯料金屬與模具變形耦合剖析 。

2.而今QForm-Extrusion可以斟酌 熱與應(yīng)力耦合模子 ，更好的較量爭(zhēng)論 型材擠出進(jìn)程 。

3.模具變形引發(fā) 工作帶區(qū)域的幾何改變，同時(shí)意味著影響材料活動(dòng) 。

4.QForm-Extrusion顛最后 模具變形和型材外形 的實(shí)行 驗(yàn)證，得出數(shù)值摹擬 了局十分正確 。

5.利用 工業(yè)案例研究顯示材料活動(dòng) 與料頭外形 現(xiàn)實(shí) 了局與耦合模具變形摹擬 了局十分一致，同時(shí)當(dāng)不斟酌 模具變形時(shí)，摹擬 了局有時(shí)是毛病 的。