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基于QFORM的矩形空心铝型材挤压模具参数优化

时间:2018-9-6 13:54:00 点击:

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摘要:在挤压模具的有限元分析中,通过改变坯料的温度和挤压速度,分析模拟结果中模具等效应力、最大应力、型材塑性变形等数据,得出最合适的生产参数。上机实验结果表明,软件计算结果与实际实验结果基本相同,软件具有高的指导价值。实验得出坯料预热480℃,出口速度12m/min 是合适的生产参数,可以指导实际的生产。

关键词:铝型材;QFORM;数值模拟;挤压模具

中图分类号:TG375+. 41 文献标识码:A 文章编号:1005-4898 2018 04-0017-05

doi10.3969/j.issn.1005-4898.2018.04.04

0 前言

铝合金型材具有易于加工、耐腐蚀、强度高、可塑性好等优良的特性,在我国的高铁、船舶、航天飞机等工业方面取得了飞速的发展。模具决定了型材的形状、质量、生产效率,对模具的优化是重要的研究内容。现今,有限元分析已经广泛地应用到了模具的模拟生产上[1]QFORM 是专业的铝型材挤压模拟软件,模拟结果与实际上机试模的结果基本相同。用QFORM 软件模拟生产过程,得到生产的等效应力、应变、流速等参数,分析出模具的最合适的工作条件和最大的生产效率,对改善铝型材的加工质量,预防模具过早报废和提高生产效率具有非常重要的意义。

1 QFORM 软件的介绍

QFORM 软件是俄罗斯QuantorForm 公司研发的挤压模拟软件,其原理是采用了拉格朗日模型和拉格朗日-欧拉混合模型算法,模拟的结果与生产实际结果基本相同,具有可靠的指导价值。QFORM挤压模拟过程中的材料流动过程分为两个阶段:非稳态阶段,模具内被填满的过程;准稳态阶段,型材在力的作用下离开模具。拉格朗日模型的计算效率很低,所以仅在型材简单情况下使用,因为拉格朗日方法需要大量的网格重构来模拟材料通过复杂模具时发生的剧烈变形。这种情况下借助于拉格朗日-欧拉混合模型可以相对快速的模拟,这种方法在计算时不需要网格重构,所以QFORM 的计算效率是很高的。

2 模具设计与模型建立

2.1 模具型材与模具外形

模拟所采用的型材是6063 工业铝型材,模具采用的是H13 钢。型材壁厚为1.2mm,采用平面分流组合挤压模挤压生产。图1 为模具结构设计图,其中上模尺寸为? 178mm×70mm,分流桥宽度为21mm,采用四个分流孔平衡金属坯料流动和分配金属供给量。下模尺寸为

178mm×66mm,焊合室的深度为12mm。金属坯料在挤压力的作用下通过进料孔,在焊合室聚积并完成焊合后,通过模孔挤出,得到所需型材。

2.2 有限元模型的建立

UG 软件中建立上模跟下模并把它们合模,然后求和成为一个整体,并去除参数,导出stp 格式的文件。导出的stp 文件导入到Qshape 中,修正线条参数后生成模具有限元网格。在依次设定好挤压方向、挤压工作带、挤压筒直径、挤压垫直径等挤压参数后,生成坯料有限元网格。

模具网格的数量是1224519 个,坯料网格的数量是1603239 个。网格密度相对比较大,计算的数据准确性高。

2.3 挤压模拟工艺参数

挤压工艺参数如表1 所示。

3 数据优化分析

3.1 改变坯料的温度对模具的影响

从模具等效应力分布情况可以反映出,最大的等效应力集中在桥底部,此处承受的是拉应力。应力产生是由于金属流进入模具过程中在分流桥上产生的压力[23] 最大的有效拉应力集中在1200MPa,此处是整个模具等效应力最集中也是最大的地方。在实际的生产中,此处也是应力疲劳裂纹最容易产生的地点。研究此处的最大等效应力可以有效地预防应力集中的产生,延缓或消除应力疲劳裂纹的产生,对延长模具的使用寿命具有重要的意义[4]

挤压温度和挤压速度是挤压过程的两个基本参数[5]。在挤压过程中,塑性变形区的温度必须与金属塑性最好的温度相适应,塑性变形区的温度取决于坯料和工具的加热温度、变形热以及被周围介质所吸收的热量。改变坯料的温度,寻找最佳的工作温度,延长模具的寿命。改变坯料的预热温度分别为440℃、460℃、480℃、500℃和520℃,然后分别在这几个温度条件下多次模拟,得到可靠数据。

从图2 模具受力图中的数据可以看出,最大等效应力与模具承受的载荷是正相关的。这是因为模具承受的载荷主要集中在分流桥上,分流桥承受的压力造成了最大等效应力的形成。由于坯料温度升高,坯料的金属流动性提高,使得金属流动的阻力减小,模具上承受的压力减小[6]

从图3 a) 可以看出型材塑性变形主要集中在焊合线处,型材刚挤出时的塑形变形最大,之后趋于稳定。图3 b) 的数据反应出改变坯料的温度对挤出型材的影响是比较大的。随着坯料温度的增加,挤出型材的变形先上升后下降最后趋于平稳在36 左右,但是在480℃变形量明显减小。如果型材对塑形变形的要求比较高,就可以选用480℃作为生产温度。综合考虑改变温度对模具的影响可以看出,选择480℃作为生产的温度,不仅挤压速度比较高,型材的塑形变形还是最小的,所以480℃是合适的生产温度。

3.2 改变挤压速度对型材的影响

挤压出口速度是挤压过程的一个基本参数,在不改变模具挤压过程的其他参数的条件下,只改变模具挤压过程的速度参数,分别为9m/min10m/min11m/min12m/min13m/min14m/min15m/min,多次模拟,得到稳定的参数用来反应改变挤压速度对模具最大等效应力、Z 方向速度、型材塑性变形、模具温度的影响。

Z 方向流度测量的是型材出口处中心的流速。从图4 的数据得出,挤压出口速度从9m/min 增加到15m/min,流速从484.2m/s 增加到798.9m/s,坯料的流速变化是十分明显的,这就为提高生产的效率提供了一种方法。但是也不是流速越快越好,流速的增加使得模具的负载加大,模具的磨损程度增加降低模具寿命,型材的质量也会降低,流速过快也会使得型材直接拖坏,生产出次品。所以要综合考虑挤压效率和模具的寿命,选择合适的挤压速度。

从图5 的数据可以看出,在挤压速度从9m/min增加到15m/min 的过程中型材的塑形变形不是很大,但是在挤压速度为12m/min 时,塑形变形有显著的降低,这就为型材的质量提高精度提供了理论指导。综上参数所述,在实际生产时,应综合考虑各个参数的影响得出对于实际生产最合适的参数。根据数据的总体分析,在12m/min 的挤压速度下,型材的质量和挤压的效率都有非常好的效果,所以挤压速度12m/min 可作为本矩形中空型材合适的挤压速度。

4 上机试模

上机试模来验证软件计算的准确程度,实际模具的实物图如图6 所示,材料采用H13 钢。

1) 设定坯料的预热温度分别为440℃ 、460℃、480℃、500℃和520℃,进行上机实验。观察分析得出480℃的料头形状最好,型材的塑形变形最小,精度最高,与软件模拟的结果相同。实验表明,480℃是本次生产的中空型材的最合适的坯料预热温度。

2) 设定挤压机的型材出口速度分别为9m/min10m/min11m/min12m/min13m/min14m/min15m/min。经过测量对比,在12m/min 的挤压速度下,型材的塑形变形是最小的,加工得到的质量也是最高的,生产效率也比较高,所以12m/min 是合适的挤压速度。

5 结束语

1) 用QFORM 专业软件对模具进行有限元分析并模拟生产过程可以比较准确地计算出生产时型材的塑形变形和模具的受力等情况,预测到合适的模具挤压参数。

2) 试模结果证明,QFORM 软件所得模拟结果与实际的实验结果是基本相同的,说明软件所得到的结果对实际的生产具有较高的指导意义。

3) 实验验证,坯料预热480℃和挤压速度12m/min 的参数是本次研究的矩形中空铝型材生产的最合适参数。

作者:不详 来源:网络
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