1 前言

鋁型材因具有質(zhì)量輕、比強度高、蘊藏量大、外形美觀、耐腐蝕性、耐候性好等特點，被建筑、交通、航天、通訊設(shè)備、運動器械、家居裝飾等行業(yè)廣泛采用。同時鋁合金產(chǎn)業(yè)是世界各國的重點發(fā)展領(lǐng)域，其發(fā)展速度僅次于鋼鐵且遠高于其他金屬材料。鋁型材制品質(zhì)量的高低取決于擠壓設(shè)備、擠壓模具的質(zhì)量。模具設(shè)計制造作為鋁型材生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，它的優(yōu)劣直接影響擠壓型材的性能、外觀甚至生產(chǎn)的成敗。然而，傳統(tǒng)的擠壓模具設(shè)計主要依靠經(jīng)驗和類比設(shè)計的方法，其參數(shù)的采用往往與模具設(shè)計者的工作經(jīng)驗以及技術(shù)水平密切關(guān)聯(lián)。同時，鋁型材截面復(fù)雜多樣，難以保證設(shè)計的模具能均勻擠出坯料。往往生產(chǎn)出來的坯料出現(xiàn)扭曲、波浪、裂紋等現(xiàn)象，導(dǎo)致模具反復(fù)返工，試模。傳統(tǒng)設(shè)計流程一般按照“設(shè)計、制造、試模、反復(fù)修模、改模、調(diào)整擠壓工藝參數(shù)”的流程重復(fù)進行才能達到理想的效果。這樣不僅嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率，而且會造成人員、物料的大量浪費。

計算機技術(shù)的應(yīng)用，可有效減少試模次數(shù)，縮短設(shè)計開發(fā)周期。隨著有限元數(shù)值模擬技術(shù)在擠壓鋁型材制造的應(yīng)用，將把擠壓模具的設(shè)計制造領(lǐng)進了一個新的發(fā)展階段。這種基于有限元模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上的技術(shù)，具有多方面的優(yōu)勢：在模具初始設(shè)計后，可以在計算機上進行仿真試模代替現(xiàn)實試模，降低模具設(shè)計開發(fā)成本；大幅度縮短設(shè)計開發(fā)周期；為設(shè)計人員提供可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，給設(shè)計者優(yōu)化設(shè)計模具提供系統(tǒng)的數(shù)據(jù)依據(jù)；更有利于設(shè)計知識的積累。近年來，許多國家都對鋁型材擠壓力學(xué)理論和數(shù)值模擬技術(shù)進行了研究，在設(shè)計模具提供科學(xué)性依據(jù)和指導(dǎo)模具生產(chǎn)方面，取得了一定的成果。

2 國內(nèi)外擠壓模具仿真模擬的情況

對鋁型材擠壓進行仿真模擬，可以預(yù)先得出擠壓模具實際擠壓過程中出現(xiàn)的問題，及早優(yōu)化設(shè)計擠壓模具結(jié)構(gòu)，調(diào)整有關(guān)工藝參數(shù)等解決方案。國內(nèi)外學(xué)者都在此方面做了很多研究，取得了顯著的成果。韓國學(xué)者HyunWooShin等早在1993年對非軸對稱擠壓進行了有限元分析，利用二維剛塑性有限元方法結(jié)合厚板理論將三維問題進行了簡化，對整個擠壓過程進行了不失準(zhǔn)確的數(shù)值模擬，同時也減少了計算量[1]。

在二次開發(fā)方面，國內(nèi)的一些研究也值得關(guān)注。深圳大學(xué)的李積彬[2]用C語言編寫了鋁型材擠壓模具參數(shù)設(shè)計的程序，以流程圖的形式引導(dǎo)擠壓模具的設(shè)計過程；以人機交互的形式實現(xiàn)擠壓模具參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。江蘇戚墅堰機車車輛工藝研究所的盛偉[3]等用Ansys軟件進行金屬塑性成形過程模擬軟件的二次開發(fā)，并應(yīng)用該軟件對鍛件塑性成形過程進行了模擬，為提高鍛件質(zhì)量、預(yù)測金屬成形中的缺陷、制定合理工藝提供了理論依據(jù)。

對于變形模擬的研究，國內(nèi)專家取得了不少的成果。于滬平、彭穎紅[4]等在《平流分流焊合模成型過程的數(shù)值模擬》一文中采用塑性模擬軟件Deform，對平面分流模具進行了仿真分析，從而得出應(yīng)力、溫度和流速的分布和變化。劉漢武、于樺[5]等在《鋁型材擠壓分流組合模有限元分析和計算》中利用Ansys有限元分析軟件進行有限元分析計算，得出原模具設(shè)計中不易發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)缺陷。

近年來，越來越多企業(yè)投身于擠壓模具數(shù)字模擬技術(shù)的研究應(yīng)用。采用HyperXtrude等的仿真模擬軟件進行模具仿真模擬。HyperXtrude作為專業(yè)的鋁型材仿真軟件，是Altair公司旗下Hyperworks下的一個模塊。HyperXtrude能夠?qū)崿F(xiàn)鋁型材擠壓過程中的穩(wěn)態(tài)變形分析、瞬態(tài)變形分析、壓余長度預(yù)測、焊合長度預(yù)測、正反向擠壓模擬、擠壓模具優(yōu)化等多種分析。

3 利用有限元仿真軟件進行優(yōu)化設(shè)計的過程

進行有限元仿真模擬是利用基于流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的有限元分析軟件，對設(shè)計出來的模具三維模型進行有限元分析，研究金屬流動規(guī)律以及模具和擠壓加工過程中各質(zhì)點各時刻的應(yīng)力場、應(yīng)變場、流變速度場等的動態(tài)數(shù)據(jù)，而且可對擠壓模具的受力和溫度變化進行動態(tài)分析，由此可為擠壓工藝的制定和擠壓模具結(jié)構(gòu)進行有效優(yōu)化。以下將以HyperXtrude軟件為例介紹有限元仿真軟件進行優(yōu)化設(shè)計的過程。

3.1 分析結(jié)果

根據(jù)模具初步設(shè)計方案，模具設(shè)計二維圖如圖1所示，在三維建模軟件Solidworks中建立三維模型。將其導(dǎo)入有限元分析軟件HyperXtrude中，如圖2所示，進行網(wǎng)格劃分，并加入具體的擠壓工藝參數(shù)：材料為6061鋁合金圓棒；擠壓筒直徑258mm；鋁錠預(yù)熱溫度490℃；擠壓筒溫度35℃；模具溫度490℃；擠壓機推頭流速10mm/s，提交計算，可得到如下結(jié)果，結(jié)果顯示：

圖1 模具設(shè)計二維圖

圖2 擠壓模具三維幾何模型

（1）型材速度和變形模擬分析：整體流速不平衡，相差較大，圖3顯示, 型材左側(cè)的流速慢，右側(cè)流速較快 ，最快速度為圖3中 。且最快與最慢兩者相差177.3 mm/s，所以料頭向左側(cè)彎曲。

圖3 鋁型材擠出圖

（2）工作帶位置型材流速和變形分析：圖4是工作帶位置的型材流速情況。結(jié)果顯示,  型材右邊比左邊快，且差距較大，上邊比下邊稍稍快。這將導(dǎo)致料頭擠出時，分別向慢的兩個方向彎曲。

圖4 工作帶部分材料流速分析圖

（3）分流孔流速分析：如圖5所示上、下兩個分流孔流速較快。其中，上面分流孔流速最快，中間橋位處流速非常慢。圖6所示的料頭顯示，上下分流孔對應(yīng)的部分流速較快，兩個分流孔之間的橋位流速較慢。模擬分析結(jié)構(gòu)與料頭結(jié)構(gòu)一致。

圖5  分流孔部分材料流速分析圖

圖6 料頭示意圖

（4）型材流速和實際變形分析對照：圖8試模料頭顯示型材向左側(cè)彎曲，其彎曲變形趨勢與模擬結(jié)果圖7一致。

圖7  A-A方向料頭流速分布和變形圖(向左邊彎曲,且幅度較大)

圖8 從A-A視圖方向看過去的料頭(向左邊彎曲,且幅度較大)

（5）鋁型材流速和實際變形分析對照：

圖10試模結(jié)果，C-C視圖顯示，從C-C方向看過去，型材向右邊彎曲;

圖9模擬結(jié)果，B-B視圖顯示，從B-B方向看過去，型材向左邊彎曲;

C-C 視圖和B-B視圖方向剛好相反，顯示的彎曲方向也相反。表明模擬結(jié)果和試模結(jié)果是一致的。

圖9  B-B 料頭流速分布和變形圖 (向左邊稍微彎曲)

圖10 從C-C 視圖方向看過去的料頭(向右邊稍微彎曲)

3.2 根據(jù)模擬結(jié)果進行優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)以上結(jié)果進行綜合分析結(jié)果對初始設(shè)計方案進行修改。對二級導(dǎo)流（二級導(dǎo)流二維圖如下圖11所示）進行優(yōu)化修改，如下圖12所示：

圖11 模具二級二維圖

圖12 鋁型材擠壓模具優(yōu)化設(shè)計示意圖

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)優(yōu)化好的設(shè)計加工模具，并上機試模，通過跟蹤發(fā)現(xiàn)，根據(jù)后續(xù)跟進，優(yōu)化后模具生產(chǎn)出的型材得到優(yōu)化，料頭較為平整。

從實際生產(chǎn)中可以找到很多型材，未優(yōu)化的時，大多出現(xiàn)料頭不平，單孔中快慢相差大、多孔出料速度差距較大等缺陷，如圖13所示。由此可見使用有限元軟件進行優(yōu)化設(shè)計是有有必要的。

圖13 未經(jīng)優(yōu)化產(chǎn)出的料頭

4 結(jié)論

討論了國內(nèi)外鋁型材擠壓模具仿真模擬設(shè)計的情況，并以HyperXtrude軟件為例子詳述利用有限元仿真軟件進行優(yōu)化設(shè)計的過程，同時驗證了有限元分析在擠壓模具優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用的必要性。為擠壓模具設(shè)計及工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

        （1）利用HyperXtrude平臺能夠有效地對擠壓過程進行仿真模擬，可節(jié)省大量設(shè)計時間，模擬結(jié)果對實際生產(chǎn)具有很高的參考價值。

（2）運用有限元分析軟件對擠壓過程進行模擬，可有效減少試模次數(shù)，發(fā)現(xiàn)憑借經(jīng)驗難以發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)缺陷，從而降低企業(yè)成本，提高型材質(zhì)量。