铝型材挤压成形过程金属流动状态的数值模拟

有限元法相关论文

机械设计与制造l8 9文童编号：0 l 3 9 ( 00)8 0 9~ 3 10一 9 7 2 1 O— 1 8 0

M a h n r De i n c ie y sg

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Ma ua tr n f cu e

第 8期 21 0 0年 8月

一鲁日

铝型材挤压成形过程金属流动状态的数值模拟王尧周照耀潘健怡刘亮吴苑标

舛

(华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 5 0 4 ) 16 0Nu me ia i lt n a ay i f r I mua i n lss o t Ilwig s a e o Imi u p o i x r so r c s c s o me a o n t t n au n m r f e e tu in p o e s f lW ANG o Z Ya, HO Z a - a, AN Ja - iL U La g W U Yu n ba U h o y o P in y, I in, a— io

( ot hn nvr t eh o g, u n zo 16 0 C i ) S uhC iaU i syo T c nl y G a ghu5 0 4, hn ei f o a

:

【摘要】运用基于有限元法的模拟软件 M C a对一复杂空心铝合金型材挤压过程进行数值模； S. r M c

÷拟，在模拟过程中采用了一种既可以避免网格畸变和重划分，又能保证分析准确性的有限元模拟方法，÷研 ;究了金属在模腔内的流动规律，利用出口质点轴向流速的S V值定量的判定截面出口 D速度分布的均匀？

:程度，揭示了金属的流动速度对产品形状及尺寸的影响，并将模拟仿真结果与试模结果进行比照分析， i证÷明该方法可以成功地预测实际挤压过程中可能出现的潜在缺陷。 关键词：铝型材；挤压；数值模拟；流动规律： 【 b ta t U i CMacbsdo e nt e m n ehd n mei l i l ino ee t - i A s c】 s gMS . r,ae nt f i l e t to,u r a s a o nt xr r n hi e e m c mut h u ÷ s np oeso ecm l ae o o lmiu r l i p ee td Duigs l i rcs,ne一÷ i rcs ft o pi t hl w au n m p o e s rsne . r i a o p oesa l o h c d l i f n mu n t emer i l i n meho i u e whih n to y a o d me h dso t n a

e e e ai n, u lo a s r a一 i smu a o t d s d, c o nl v i s itri nd r g n r o b tas s u e a l t t s o t n●●

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: yi ac rc. tersh s uai, e o igl m t edei rsac e, dm kn e s c uay s h eu s i l o t wn w o ea i t i s eerh d a a i u i f o m t n hf l a f ln h n g s÷ o eS V v u fo i lc yaogai drci p t l teei, ee ul r m o em÷ f t D a eol w n v oi n s i t no a i e h l f g e tl x e o f r c s h xtt q ibi t h i u f h

;tif wd tbtn t is unti ljde,h hee s of wn l i m t fc ea o ir uo h e t atav yugdw i va w o i v o to e lf t rl l si i ex q ite i c r l h l g e cy f aae s;:f a d iesn pout Te a acl ns nwtt r ui sw i n rs;^ s p a m n o o r c. h e s ay ost t i e o c ge, c c f m eh e n d i d s y r b i lc ie hh p d n tt h h o o f÷t im t d a s c s l ei e o nad e s c rn e c ae r i o s÷ h ts e o y u ef l r ct t tle c c rgnh a u ts n r e . t a h h m c suy d t p e i f to u i it x u op c s p h t l K y od:lmnm rfeE tui;u r as uai;lwn w e rsAu iu po l;xrs nN mei li l o Fo iga w i o c m t n l;中图分类号： H1,G 7文献标识码： T 6T 3 A1己『 吉条件下的金属流动成形过程。铝合金型材挤压成形工艺中理想的材铝合金挤压过程是一个处在高温、、高压复杂摩擦状态等复杂料流动结果应该是在工作带出口处断面上各质点的速度均匀分布，★来稿日： 0—0 1★期 2 9 1—6基金项目：06 0 20年度广东省教育部产学研结

合项目(06 9340 )20年粤港关键领域重点突破项目(0807 20D 0005,08 20z0 )

常运行时轮轴的转速较低，离心效应不会引起轮轴配合失效。

() 4采用轮毂孔直径的(. 1 )撒为过盈量可以保证车轮 1~.% 2 5在静止状态轮轴接触应力低于材料的屈服极限，在车辆正常行驶速度下轮轴接触压力能够有效传递所需转矩。

参考文献l刘伟，何庆复.微动损伤对车轴疲劳寿命的影响[ . J铁道学报， 9,0] 1 82 9()1 5 18 6:1~ 1

0

I UU

2 00

3 0 0

40 0

50 U

运行速度 ( u h kd )

4论结

减，但在车辆正常行驶速度下，合理的过盈量下接触压力减小量不会对配合性能造成影响。 ( )轴离心效应会降低轮毂孔面的接触压力，其等效应 2轮但力基本保持不变。

5陈胜利.铁路轮轴配合有限元分析[Ⅲ铁道车辆 2 0,15:6 1 J. 0 34 ()1￣7 6蔡(土予)高速回转下的两个园柱形过盈配合另件的过盈量计算[]浙涛. J.江工业大学学报，0 8 1:64 2 0 ( )3 -5 () 1轮轴配合面接触压力随车轮运行速度的提高呈非线性递 7左谨平 .高速旋转圆轴的应力分析[]地球科学一 J.中国地质大学学报，19,64:7— 7 9 11( ) l 5 4 4

图 6轮轴接触压力随速度的变化

2周仲荣，朱曼吴.复合微动磨损.上海：上海交通大学出版社，04 20 3Vnso0 O et g a sJ. a,9 81 61 117 igb . nf tn p[]Wer18,2:3 -4 ri m 4向学渊，何国求，刘兵，胡正飞，朱昊.高速列车轮轴微动疲劳影响因素概述[J材料导报，092 ()6, 6 J. 20,3 1:3- - 6

8张松，艾兴，刘战强.基于有限元的高速旋转主轴过盈配合研究[ . J机械科¨学与技术，0 42 ( )1- 4 2 0,3 1:5 2

9姚华 .基于有限元法储能飞轮本体的应力分析[] J机械制造与研究， .2 0,4 6:8 3 0 53 ()2~O

() 3采用 1‰过盈量时， . 5轮毂孔面处的等效应力已达到传统 1 0张曙光，顾建国.中国高速车轮自主创新思路及设想[]铁道车辆， J. 车轮钢的屈服极限，但仍在我国高速车轮钢的屈服极限之内。 2 094 (:

0,7 3)1

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第 8期

王尧等：型材挤压成形过程金属流动状态的数值模拟铝

19 9

进而获得端面平齐、壁厚均匀、产品性能能够满足需要的挤压件。

32几何模型和有限元模型的建立 _根据模具设计基本准则，该组合分流模具尺寸确定为：上模

金属的流动状态对产品尺寸有很大影响，般情况下，属 321几何模型一金 ..

流动快的部位材料供应充足，型材壁厚是增大的，而金属流动慢的

部位材料供应不足，型材壁厚是减小的m因此，。在模具设计中，金属为 q1 8 8mm,￣ 7x9下模为 18 x 0 m。 7 mm 6 m由于型材截面的内腔被流动状态对产品尺寸的影响也是必须考虑的。在组合分流模中， 两条加强筋分为二个封闭的空心部分，模具的设计一方面要满由=该

于分流孔的形状、以及分流桥的结构是影响材料分配的重要因足型材两边离中心较远处边角的供料要求，布置另一方面又要保证有素，因此，分流模中各个位置金属的流动状态所引起的产品尺寸不足够的材料流向加强筋的出口位置。如图 2示，具=维几何所模三合格的情况尤为常见。其解决方法是：设法改善金属在模腔内的流模型和实际加工出的模具。图 3所示，作带高度的设计方案。如工

动状态，例如改变分流孔的大小和布置、桥的结构形式都有助于改善金属在模腔内的分配，尽量使空心部分的几何中心与模具中心一致，壁厚较大的实心部分尽可能安排在桥底；,另外在合理布置分流孔的前提下，工作带的选择也可以有效调整金属流速。 本文利用 H pr s对一复杂空心型材划分网格，并采用 yeMeh MS .ac CM r对挤压成形过程进行数值模拟，在模拟过程中采用了一

种既可以避免网格畸变和重划分，又能保证分析准确性的有限

元模拟方法，通过模拟结果研究了金属在模腔内的流动规律，揭示了金属的流动速度对产品形状及尺寸的影响，将模拟结果与并试模结果进行比照分析。

2采用的基本理论和方法铝合金型材挤压成形过程是一个非常复杂的热一机耦合的弹塑性变形过程，塑性变形远大于弹性变形，但因此忽略材料的弹

性变形，而将其看作刚塑性材料来处理。刚塑性材料在塑性成形

●一■■()、 a上下模几何模型( )下的下

模 b加卜、

过程中应满足平衡方程、几何方程、本构方程、屈服准则、体积不可压缩条件及力和速度边界条件。而用有限元法模拟非线性的铝型材挤压过程时，由于变形量大，不断发生网格畸变，进行网格重会需要

图 2上、下模模型

划分，这样不但耗时，损失计算精度，而且过度畸变的网格在重划分时往往出现失败，得模拟无法完成。为解决拉格朗日有限元法使在计算大变形挤压成形过程中发生的网格畸变和重划分问题，文本

m

设定很小挤压时间和计算步长，将整个计算过程控制在网格由于过度畸变而需要网格重划分之前，大大提高了计算精度。

3模型建立31实验描述 .本文以一复杂型材为例，型材截面尺寸，图 1如所示。该断面型材截面面积为 30 mm,最小壁厚为 1 mm,最大壁厚为 9. z 4 . 5 4 m, a r各部分壁厚相差较大，且型材包含三个封闭内腔，模具要求在 80 0 T挤压机上使用，挤压铝棒直径为 10 m, 2 m计算得到挤压比系数为 2., 9模拟挤压速度为 1m/。 0 0 ms1 6

图 3工作带高度分布

32 ..限元模型 2有挤压过程可分为初始、中间和末尾三个阶段，各阶段的金属流动状态是不同的，其中，开始挤压阶段和末尾挤压阶段为非稳态阶段，中间阶段挤出所需的型材产品，金属在模腔内为稳态流动状态，阶段一般占用 9%以上的挤压时间，该 0也是生产出合格型材最重要的阶段，本文忽略了前后两个非稳态阶段，研究 故只其中间阶段的金属流动情况，以将分析模型中的毛坯设计成已所经填充了模腔部分的挤出型材的形状 。考虑到型材截面为对称

结构，因此只取其 1/ 2建立几何模型，然后，采用 H p r s y eMeh对j维几何模型划分有限元网格。 采用的铝合金材料 A 66 A 0 3的本构模型 ( o ie els m df dSl r— i e

T g￣l￣下 ea a H: w)jL

o B*n[导 )e] - o i ( = s H

() 1

式中：—流动应力；一等效塑性应变速率；气体常数， R r, R一取=

8 1J( lK)卜温度；、 Q和 n用来将流动应力适 . 4/mo ; 3 A、一图 1型材截面图

应于试验数据的参数，

中 B= 5 aA= .1 19 1 )9 其 o2 MP, 5￣ 0 (/,= 9 s

有限元法相关论文

No8 .

20 01 15 (/o) n 53 5 45 0J 1和= .。 m 8

机械设计与制造

Au .01 g2 0

材料的弹性模量为 36 1 14 a . x0MP,密度为 2 2 1 g, 8 . x0(/ ) 7 km

J l I l l z s2 (——

V

∑Ⅳ

泊松比为 03 3热传导率为 18 ( K)比热为 9 0/K ) ., 3 9 W/m , 0J gK, (坯料加热温度为 70模具和挤压筒预热温度为 7 0。数值模 5 K, 0K—

2]——

2:—

拟的摩擦模型采用库仑模型，摩擦系数取 0。 . 4

21——

4模拟结果与分析由于稳态挤压阶段挤压速度恒定，各质点速度与位移 S

2——

2 1——

2 (

成正比，/ S,为挤压时间，以金属速度场分布与位移场即 ) z i=所相同，图 4示，如所为工作带出口位置和分流孑金属沿挤压方向 L

2 I 8 9 3 7 l 0 2 2() a () b

(轴) 的位移场分布图，由图可以看出，由于材料在分流孑内的 L分配很不均匀(右侧分流孔材料流动最快，中间分流孑最慢 )导 L,致出口截面的材料流动也很不均匀。

图 5型材截面分区及其出口速度分布

5实验结果对比与分析工作带出口流速的均匀程度对型材成型质量至关重要，流速越均匀，型材发生缺陷的可能性越小。根据该模具设计方案设计出的模具，经过试模获得料头，如图 6所示。与加强筋平行的两边挤出最快，两条加强筋挤出最慢，而且加强筋尺寸变薄，不能达到要求壁厚，比有限元模拟分析结果可以看出，对二者变形趋势非常吻合。

图 4工作带出口和分流孑的轴向位移分布 L

产品断面上的各质点流出模孔 _作带的速度均衡，也是模『 这具设计和维修遵循的基本原则。而挤压中常见的缺陷如波浪、扭图 6试模料头

拧、侧弯、面鼓或面凹等，都是由于模具设计没能满足金属挤出模孔速度均匀的要求。因此如何定量的评价流动速度的均匀程度，

6论结()利用 MS .ac 1 CM r对铝合金型材挤压过程进行数值模拟，并法，可以有效地模拟出挤压过程中材料的流动状态。

又能保征分析准确性

以及其对挤压过程能否获得合格产品的影响，对挤压模具的设计且提出了一种既可以避免网格畸变和重划分，与使用有着重要的意义。本文提取型材出口处各质点的流速，进的有限元而求得模具出口处的标准速度场偏差一s v值，以此作为衡量 D并金属流动是否均匀的判断依据， ( )用出口质点流速的 S V值可以定量地判定截面出口 2利 D

速度分布的均匀程度，对照实际试模情况，认为当型材材料出口 速度波动在这一个范围之内时， S V值小于某一特定值时，即 D能

V=

( )保证生产出合格的型材。 2

式中：—选取的节点数目；出口截面上节点轴向流速；Ⅳ一一

参考文献

1刘伟.铝型材挤压过程数值模拟及模具参数优化[| D]东南大学学报，0 6 20 2吴向红，赵国群，赵新海等.铝型材挤压成形过程数值模拟的研究现状及发计算得到 S V的数值越小， D说明材料的流动越均匀；D S V的展『]系统仿真学报，0 751 )9 59 8 J. 2 0,(9:4~4

出口截面上所选节点平均轴向流速。

数值越大，材料流动越不均匀。将型材截面划分为 3个区域，图 5 a所示。并且取每个 2如 ()

3 E l v re . Au r s. t d e ft e Me h n s rBu k i ga d Wa— Ha o s n k u t S u i so c a imsf c ln n y h oigi u n n Al mi um t i n b e o a r n i n F n Ex r o y Us fa L g a ga EM o t r . n e n— us Sf wa e I tr a

t n u ao Pat i,0 62 )1 8 13 i aJ r l f lsct 2 0 (2:5- 7 o l on i y

区域中心处节点的轴向位移代表该区域所有节点的平均轴向位 4林高用，陈兴科，蒋杰等.铝型材挤压模工作带优化[J中国有色金属学 J.移。如图 5 b所示，选取节点的轴向流速，以此作为各区域 ()为并

的平均轴向速度，整个截面的轴向平均速度为 3 1 m s而根 0 m/,

报，0 64 1 ) 6- 6 2 0,(6: 15 6 5 5吴向红.铝型材挤压过程有限体积数值模拟及软件开发技术的研究[] D.山东大学学报，0 6 20

据挤压比计算得到的理论挤出速度为 2 0 ms 9m/,

二者仅相差 6周飞，彭颖红，阮雪榆.铝刊材挤压过程有限元数值模拟_ . J中国有色金属] 学报，9 848:3~ 4 19,( )37 3 2 3%, .吻合非常好， 8进而计算得到轴向速度的 S V值为 4 .可以 D 3, 0明显看出，截面出口的速度场分布很不均匀，中平行于加强筋的其边的中间位置速度最快，到 3 5/,强筋的中间位置速度达 7 mms加7 Z o ,iL, scy J3 F h uJL Du zz k- D EM i lto eW h l ceo u . Smuain o t oeCyl Al - f h fmi u Ex r so h o g o t h r n in t t n h t a y S ae Usn n m t i n t r u h u eT a s e tS ae a d t e S e d t t i g u t

teUp ae a rn inAp ra h J un l f trasP o esng c n l h d tdL ga ga p o c .o r a e l r c si h o- o Ma i Te

最慢，仅为 2 9 ms 1m/。加强筋壁厚小，速度慢，可能会出现由于供料不足而导致挤出困难或尺寸偏小的缺陷。并且认为当型材材料出口速度波动在这一范围之内时， S V值小于某一特定值时，即 D 能保证模具成品不会出现由于设计环节造成的不合格产品。

o y2 0,3 ()3 33 7 g,0 314 3:8- 98 J a e L n k usJ o, . .v n d a g ri,.L fW H.Ko le 1 o a sn o p r n a o ta.C mp r o fEx ei i me tlAA6 6 t so i l o 3 Nu rc lSi l t n, i g a Ge e a 0 3 Ex r i n Tras t D me a mu a i s Usn n r u i o l

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