鋁型材擠壓是指將鋁合金高溫鑄坯通入專用模具內(nèi)，在擠壓機(jī)提供的強(qiáng)大壓力作用下，按給定的速度，將鋁合金從模腔中擠出，從而獲得所需形狀、尺寸以及具有一定力學(xué)性能的鋁合金擠壓型材。鋁型材擠壓成型過(guò)程非常復(fù)雜，除了圓形和圓環(huán)形截面鋁型材的擠壓屬于二維軸對(duì)稱問(wèn)題外，一般而言，其它形狀的鋁型材擠壓屬于三維流動(dòng)大變形問(wèn)題。因此，擠壓模具的設(shè)計(jì)制作質(zhì)量和其使用壽命就成了擠壓過(guò)程是否經(jīng)濟(jì)可行的關(guān)鍵之一。合理的設(shè)計(jì)與制造能大大延長(zhǎng)模具壽命，對(duì)于提高1生產(chǎn)效率、降低成本和能耗具有重要意義。

目前，我國(guó)型材擠壓模具設(shè)計(jì)基本上還停留在傳統(tǒng)的依靠工程類比和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累上。而實(shí)際上，型材斷面越復(fù)雜，其擠壓變形的不均勻性就越顯著，從而造成新設(shè)計(jì)的模具很難保證坯料一次性的均勻流出，導(dǎo)致型材因扭擰、波浪、彎曲及裂紋等缺陷而報(bào)廢，模具也極易損傷，必須經(jīng)過(guò)反復(fù)試模、修模才能投入正常使用，造成資金、人力、時(shí)間、資源等方面的浪費(fèi)[1]。因此，隨著鋁型材產(chǎn)品不斷向大型化、扁寬化、薄壁化、高精化、復(fù)雜化和多用途、多功能、多品種、長(zhǎng)壽命方向發(fā)展，改進(jìn)傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法已成為當(dāng)前鋁型材工業(yè)發(fā)展的迫切需求。

1鋁型材擠壓模CAE研究的意義
　　
鋁型材擠壓模CAE技術(shù)是利用CAD中建立的擠壓產(chǎn)品模型、結(jié)合擠壓工藝與控制參數(shù)、完成其成形過(guò)程分析和相應(yīng)模具優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種數(shù)值技術(shù)。

具體做法為:在擠壓模初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)事先擬定的工藝試驗(yàn)方案，利用計(jì)算機(jī)仿真整個(gè)擠壓成形過(guò)程，獲得擠壓變形體內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、流速等物理量分布，以及擠壓各階段的壓力、溫度、速度等工藝參數(shù)變化情況；確定擠壓模工作帶斷面和分流孔、焊合腔、導(dǎo)流槽等模具結(jié)構(gòu)對(duì)成形鋁材流動(dòng)的影響，模具使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的變形、塌陷、崩刃、裂口、磨損、”粘著”和疲勞等缺陷及其位置；提出分析報(bào)告并向設(shè)計(jì)人員推薦合適的擠壓條件，設(shè)計(jì)人員再根據(jù)CAE分析結(jié)果修正模具設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過(guò)數(shù)次反復(fù)，直到模具設(shè)計(jì)方案滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求和產(chǎn)品質(zhì)量要求為止[2]。這實(shí)際上是將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的”試模-修模-試模”過(guò)程轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)上完成，以部分替代模具設(shè)計(jì)制造過(guò)程中費(fèi)時(shí)費(fèi)事的試模工作，從而減少該階段的材料和能源消耗，降低生產(chǎn)成本，并據(jù)此設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的鋁型材擠壓模具。

雖然CAE技術(shù)已在鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域得到了某些成功的應(yīng)用，但真正面向模具工程師的應(yīng)用卻很少。這主要是由于目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有專門針對(duì)鋁型材擠壓模開發(fā)的CAE軟件，所以，當(dāng)模具工程師借助一些通用或?qū)Ｓ肅AE軟件(如ANSYS/LSDYNA、MARC/AutoForge、Deform等)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)方案和模具結(jié)構(gòu)分析時(shí)，除要求使用者具備扎實(shí)的擠壓工藝和擠壓模設(shè)計(jì)制造專業(yè)知識(shí)、熟悉擠壓模各零部件在耦合場(chǎng)環(huán)境中的工作狀況外，還要求他對(duì)數(shù)值模擬技術(shù)及相應(yīng)有限元分析方法必須有較深入的了解，這對(duì)于工作在生產(chǎn)第一線的工程技術(shù)人員而言是比較難的，這也是CAE技術(shù)在擠壓模具行業(yè)中得不到廣泛應(yīng)用的重要原因之一。

鋁型材擠壓模CAE的應(yīng)用可以縮短模具的設(shè)計(jì)制造周期，提高模具的質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。然而，只有解決了上述問(wèn)題，才能使CAE技術(shù)真正在擠壓模具行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。這正是鋁型材擠壓模CAE技術(shù)研究的意義。

2鋁型材擠壓模優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

由于要設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的擠壓模具是一件十分復(fù)雜而困難的工作，因此，世界各國(guó)的擠壓工作者對(duì)模具設(shè)計(jì)理論和方法(特別對(duì)優(yōu)化理論和方法)進(jìn)行了大量的研究工作。

在擠壓技術(shù)發(fā)展的初期，一般根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)原理，利用傳統(tǒng)強(qiáng)度理論并結(jié)合設(shè)計(jì)者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。隨著彈塑性理論和擠壓理論的發(fā)展，許多新型的實(shí)驗(yàn)理論和方法、計(jì)算理論和方法已開始用于擠壓模具設(shè)計(jì)制作領(lǐng)域。如，工程計(jì)算法、金屬流動(dòng)坐標(biāo)網(wǎng)格法、光彈光塑法、密柵紋云法、滑移線法、上限元理論和有限元理論等被廣泛用于模具應(yīng)變場(chǎng)的確定和各種強(qiáng)度的校核，進(jìn)而優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和工藝要素。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，擠壓模具的CAD/CAM技術(shù)在最近2030年中得到迅速發(fā)展，且很大一部分技術(shù)集中在模具設(shè)計(jì)的優(yōu)化方面。何德林等人[3]利用IDEF0方法開發(fā)出能對(duì)平面模和分流模進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的CAD/CAM系統(tǒng)；王孟君等人[4]以AUTOCAD120為圖形支撐環(huán)境，VISUALBASIC4.0為開發(fā)工具，開發(fā)的CAD系統(tǒng)，可以有效地從事擠壓平模的各項(xiàng)計(jì)算，從而對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化；閆洪等人[5]將CAE概念引入模具設(shè)計(jì)過(guò)程，指出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向；劉漢武等人[6]提出智能CAD概念，為模具設(shè)計(jì)智能化提供了一些思路。此外，國(guó)內(nèi)外科研人員運(yùn)用理論解析、物理模擬和數(shù)值模擬等方法，對(duì)鋁型材擠壓的變形過(guò)程、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布及變化、摩擦與潤(rùn)滑等問(wèn)題進(jìn)行了大量的分析和實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)其研究成果對(duì)擠壓模具進(jìn)行了優(yōu)化。例如，趙云路和劉靜安[7]對(duì)各類擠壓模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)論述。國(guó)內(nèi)還有部分科研人員用有限元法結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法對(duì)擠壓模具最佳輪廓線及模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化。

3鋁型材擠壓模CAE國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

對(duì)鋁型材的擠壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬可以預(yù)測(cè)實(shí)際擠壓過(guò)程中可能出現(xiàn)的缺陷，及早優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、調(diào)整擠出工藝參數(shù)和有針對(duì)性的指明技術(shù)解決方案。國(guó)內(nèi)外研究者們對(duì)此已做了許多工作。韓國(guó)的HyunWooShin等[8]在1993年對(duì)非軸對(duì)稱擠壓過(guò)程進(jìn)行了有限元分析，他們利用二維剛塑性有限元方法結(jié)合厚板理論將三維問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)化，對(duì)整個(gè)擠壓過(guò)程進(jìn)行了不失準(zhǔn)確的數(shù)值模擬，同時(shí)也減少了計(jì)算量。對(duì)于變形模擬，于滬平等[9]采用塑性成型模擬軟件DEFORM，結(jié)合剛粘塑性有限元法函數(shù)法對(duì)平面分流模的擠壓變形過(guò)程進(jìn)行了二維模擬，得出了擠壓過(guò)程中鋁合金的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度以及流動(dòng)速度等的分布和變化。劉漢武等[10]利用ANSYS軟件對(duì)分流組合模擠壓鋁型材進(jìn)行了有限元分析和計(jì)算，找出了原模具設(shè)計(jì)中不易發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)缺陷。周飛等[11]采用三維剛粘塑性有限元方法，對(duì)一典型鋁型材非等溫成型過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了鋁型材擠壓的三個(gè)不同成形階段，給出了成形各階段的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度場(chǎng)分布情況以及整個(gè)成形過(guò)程中模具載荷隨成形時(shí)間的變化情況。對(duì)于壓力場(chǎng)，閆洪等[12]在2000年利用ANSYS軟件作為平臺(tái)，對(duì)壁板型材擠壓過(guò)程進(jìn)行了三維有限元模擬和分析，獲得了型材擠壓過(guò)程的位移場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)實(shí)際型材擠壓中工藝參數(shù)選擇和模具結(jié)構(gòu)尺寸的修正起到了重要指導(dǎo)作用。對(duì)于擠壓過(guò)程的摩擦與潤(rùn)滑分析，1997年，俄羅斯的VadimL.Bereshnoy等[13]對(duì)摩擦輔助在直接和間接擠壓成型硬質(zhì)鋁合金中的技術(shù)進(jìn)行了研究。該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使生產(chǎn)效率和質(zhì)量都得到了大大提高。美國(guó)的PradipK.Saha[14]在1998年對(duì)鋁型材擠壓成型中熱動(dòng)力學(xué)和摩擦學(xué)進(jìn)行了研究。他采用熱力學(xué)數(shù)值模擬法構(gòu)造了3種不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停治隽四＞吖ぷ鲙Ш土鲃?dòng)金屬接觸面上的摩擦特性，還對(duì)坯料溫度和擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的熱量對(duì)模具工作帶所產(chǎn)生的溫升的影響、并進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證；研究表明，擠壓過(guò)程中的摩擦對(duì)型材的精度和表面質(zhì)量有直接影響，模具工作帶的磨損過(guò)程取決于擠壓過(guò)程中的熱動(dòng)力學(xué)性能，擠壓熱動(dòng)力學(xué)性能又受到擠壓變量的嚴(yán)重影響。

在二次開發(fā)方面，國(guó)內(nèi)的一些研究進(jìn)展也值得關(guān)注。陳澤中、包忠詡等[15]通過(guò)系統(tǒng)集成和二次開發(fā)，建立了基于UG和ANSYS的鋁型材擠壓模CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，并對(duì)分流組合模進(jìn)行了CAD/CAE/CAM研究，有效提高了模具設(shè)計(jì)制造效率。深圳大學(xué)的李積彬[16]用C語(yǔ)言編寫了鋁型材擠壓模具參數(shù)設(shè)計(jì)的程序，以流程圖的形式詳細(xì)引導(dǎo)鋁型材擠壓模具的設(shè)計(jì)過(guò)程；以人機(jī)對(duì)話的形式實(shí)現(xiàn)鋁型材擠壓模具參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。蘭州鐵道學(xué)院的段志東[17]通過(guò)ANSYS提供的強(qiáng)大的前后處理和求解功能平臺(tái)，通過(guò)在ANSYS應(yīng)用程序中添加自己的鉚釘有限元程序，介紹并總結(jié)了用UIDL對(duì)ANSYS進(jìn)行圖形用戶界面二次開發(fā)的一般步驟和規(guī)律，為用戶在擴(kuò)充ANSYS功能、建立自己專用程序的同時(shí)建立起對(duì)應(yīng)的圖形驅(qū)動(dòng)界面提供了有益的幫助。江蘇戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所的盛偉[18]以ANSYS軟件為平臺(tái)，進(jìn)行金屬塑性成形過(guò)程模擬軟件的二次開發(fā)，并應(yīng)用該軟件對(duì)鍛件塑性成形過(guò)程進(jìn)行了模擬，為提高鍛件質(zhì)量、預(yù)測(cè)金屬成形中的缺陷、制定合理工藝提供了理論依據(jù)。

但總的說(shuō)來(lái)，這些研究多側(cè)重于理論化，一種真正適合普通設(shè)計(jì)制造人員使用的擠壓模有限元分析軟件在國(guó)內(nèi)幾乎還沒(méi)有。有些二次開發(fā)在具體應(yīng)用上也有很大的局限性，所以對(duì)現(xiàn)行有限元軟件的用戶化研究，使之能更好的應(yīng)用于擠壓模具的設(shè)計(jì)就成為當(dāng)務(wù)之急。

4結(jié)論

提高鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)與制造水平是改善產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力之關(guān)鍵所在，而鋁型材擠壓模CAE技術(shù)在鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)優(yōu)化中起著十分重要的作用。

國(guó)內(nèi)外同行借助鋁型材擠壓模CAE對(duì)優(yōu)化鋁型材擠壓模具(包括擠壓過(guò)程和擠壓工藝)進(jìn)行了有益嘗試，取得了不少科研和應(yīng)用成果，這種動(dòng)向值得注意。

盡快把最新的有限元分析技術(shù)應(yīng)用到整個(gè)擠壓模具設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，讓更多的模具工程師掌握這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以提高我國(guó)鋁型材擠壓行業(yè)及其模具制造業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，CAE各階段所用的時(shí)間為：40%～45%用于模型的建立和數(shù)據(jù)輸入，50%～55%用于分析結(jié)果的判讀和評(píng)定，而真正的分析計(jì)算時(shí)間只占5%左右。CAE采用CAD技術(shù)來(lái)建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數(shù)據(jù)的輸入，通常稱此過(guò)程為CAE的前處理。同樣，CAE的結(jié)果也需要用CAD技術(shù)生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應(yīng)力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應(yīng)用、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，我們稱這一過(guò)程為：CAE的后處理。