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复杂铝型材挤压过程的数值模拟及模具结构优化

来源 : 互联网
作者 : 118期刊网
发布时间 : 2019-03-09 11:58:21

第一章绪论


1.1简介

作为一种低密度,高光泽,易着色,耐腐蚀,外观美观,塑性好,强度高,不易氧化,易回收的金属材料,具有其他金属不具备的优点。它广泛用于机械。建筑,航空,汽车,冷凝器等行业[1]。随着世界铝型材使用的增加,世界对铝型材的需求正在增加[2]。进入21世纪,从生产能力的角度看,全球95个国家和地区有2000多家生产企业。其中,中国铝型材产品的产量占全球总产能的50%以上,位居世界第一。世界铝型材消费量逐年增加,增长率超过7.5%。据估计,2016年全球铝型材消费量将超过2000万吨。从区域角度来看,中国越来越依赖铝合金产品,而欧洲和美国等发达国家的消费量正在下降。截至2009年,中国的消费占世界总量的47%,而欧洲和日本美国和美国分别仅占21%,6%和5%。预计未来10年,中国铝型材消费量将继续增加,全球铝型材比例将继续增加。目前,铝型材的生产成本在施工中相对透明,产品附加值不高[3]。 。因此,如何在制造满足低碳和环保要求的同时增加附加值,是当前铝型材行业发展的使命。对于铝挤压技术,模具的设计参数和挤压参数很重要,合理的设计可以保证型材的质量,缩短生产周期。目前,我国铝型材产品的消费量越来越大,但挤出成型技术仍处于相对落后的阶段。模具设计结构和工艺参数的选择主要取决于设计者的经验水平,有必要进行重复试验。它只能在修复模具后投入生产[4]。这使得难以保证模具的寿命和产品的质量,并且这种生产方法大大降低了铝加工企业的生产效率。因此,改进传统挤压模具的设计方法,提高其开发速度,节约开发成本已成为铝型材成型行业发展的迫切需要。计算机辅助工程CAD / CAE / CAM系统集成技术的应用,大大提高了挤压模具的制造精度,提高了模具的设计效率,有效减少了试模修复次数,缩短了生产周期,降低了生产成本。有限元数值模拟分析技术的使用已成为一种趋势[5]。

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1.2铝型材挤出技术概述

铝挤压成型技术是通过从模孔中热熔和挤压铝棒或坯料来获得金属材料型材的横截面模型[6]。铝挤压成型示意图如图1-1所示。在挤出过程中,预热的铝型材条放置在挤出圆筒中,并且在挤出机的强压力下,挤出杆和挤出垫圈将力传递到棒材,迫使棒材发生。塑性变形从模孔中挤出,以获得具有一定机械性能的挤压铝合金型材的形状和尺寸[7]。铝挤压工艺在高温高压下进行,型材截面的变形过程与金属流速有非常密切的关系。在挤出之前,将坯料预热到一定程度,预热温度约为400-480℃。在C和摩擦热变形工作之间,在挤压过程中将继续发生热效应,这将进一步增加金属的变形温度。因此,直接接触高温金属坯料的挤出筒表面,挤出垫圈,模具等的局部温度可高达550℃。高温时间从几分钟到几个小时。在高温环境下长时间,挤压之间的摩擦条件

醇和空白金属严重劣化,模具材料的强度大大降低,甚至由于大的变形。造成损害[8]。铝合金坯料和挤压工具还需要在挤压过程中承受高压。挤出过程本身是具有一定周期性的批量操作过程。在此过程中,挤出工具需要承受高压并且在非工作期间突然卸载,以便在挤出过程中满足不断变化的过程。加载条件和复杂的应力状态必须满足模具材料的以下要求[9]。 (1)高强度和高硬度。必须满足挤出模头材料的选择。常温条件下的拉伸强度不小于1500MPa,硬度不低于HRC47-52。 (2)高耐热性和断裂韧性。对于铝挤出,当挤出成型材料温度为500时。当留下C时,一般屈服应力σs不能低于1000MPa,而是低于500.当C低于时,需要不退火或回火。

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第二章有限元分析的基本理论和Hyper Xtrude简介


2.1简介

随着计算机有限元数值技术的不断发展,采用数值模拟技术优化了挤压模具的工艺参数和结构参数,为研究人员跟踪和描述模具中金属流动提供了便利。提高产品质量提供了一个好方法。铝型材挤压是一种复杂的金属流动过程,其中多个参数在热耦合作用下是非线性和大变形。传统的分析方法难以简化这些问题,无法保证解决方案的准确性。然而,通过实验方法难以监测封闭腔中坯料的流动,并且不可能测量模具内的应力,温度和速度场等物理量。模拟的基本思想是通过分析挤压模具的数值模拟结果来获得模具中金属的流动规律。目前,塑性成形领域最广泛使用的数值模拟方法有限元法,有限分析法和有限体积法[34]。本章介绍了有限元方法中任意拉格朗日欧拉方程的基本理论和有限元模拟软件Hyper Xtrude。

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2.2数值模拟简介

随着有限元在工程分析中的广泛应用,经过几十年的发展,有限元的基本理论越来越完善,计算机辅助制造已成为产品设计过程中相对重要的环节,相关的有限元软件Ansys,Abaqus,Forge,Deform,Hyperworks等也越来越多。有限元法可分为:线弹性有限元法和非线性有限元法。在非线性的基本原理中,使用两种或三种非线性条件,例如材料成形,几何分析和接触分析。有限元方法最初是在变分原理的基础上发展起来的。它将建立的计算模型划分为有限的非重合单元,并在单元内选择一定数量的单元节点进行插值计算以求解该函数。以这种方式,微分方程中的变量被转换成线性表达式,该线性表达式由变量的节点值或其导数和所选择的插值函数组成。最后,通过变分原理离散地求解微分方程。因此,它在由拉普拉斯方程,泊松方程等描述的各种物理领域中具有广泛的应用。近年来,研究人员使用加权残值法获得流体力学中的有限元方程[35]。

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第三章多孔模具的设计和工艺参数对型材成型过程的影响...... 19

3.1简介..... 19

3.2多孔模具的设计........... 19

3.2.1多孔薄壁型材的设计.......... 19

3.2.2模具类型选择..... 19

3.2.3模孔和分流桥设计..... 20

3.2.3焊接室设计........ 21

3.2.4工作带的设计.... 21

3.3有限元模型的建立....... 23

3.4工艺参数对型材挤出过程的影响........... 24

3.5本章摘要..... 31

第四章复杂空心模结构参数对挤压过程的影响....... 33

4.1简介.... 33

4.2焊接室深度对复杂空心模具挤压过程的影响

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4.3分流桥宽度对挤压过程的影响... 38

4.4本章摘要..... 40

第五章是基于自适应响应面法优化工作带长度的设计......... 41

5.1引言.... 41

5.2铝合金挤压件的金属流动速率和变形... 41

5.3使用优化的数学模型........ 42

5.4工作带长度的优化....... 43

5.4.1建立优化模型.... 43

5.4.2工作带长度优化......... 45

5.5本章摘要..... 47


第五章基于自适应响应面法的工作带长度优化


5.1简介

在铝型材的挤压过程中,平面劈裂模的工作模式的设计对挤压型材的成型质量具有很大影响,并且比一般的扁平流动模具复杂得多。模具加工带的合理长度可使金属出口速度均匀,变形量较小,从而避免型材表面出现点蚀,刀弯,波浪和扭曲等缺陷。在实际的企业制造中,工作带的长度变大或变小,直接影响金属出口的流量。工作带长度的确定通常基于实际过程中总结的经验方法和补充应力方法。这些方法在实际工艺中通常非常通用,有必要在新模具生产过程中反复测试模具,这会影响挤出的质量成本和时间成本[47-49]。在上一章中,空心铝型材是研究目标。自回应响应面法用于基于Hyper Study平台进行数值模拟分析[50]。通过优化工作带的长度,将优化结果与原始结果进行比较。流量更均匀,轮廓变形更小,为平面分割模式的工作模式设计提供了方法和指导。根据前一章对铝合金挤压工艺的分析,合理设计焊接腔高度和分裂桥宽度,大大降低了模具的应力和应变,提高了流量和焊接质量。金属出口。为了进一步增加金属材料出口处的流速并进一步减少型材的变形量。图5-1显示了上一章中优化的金属出口速度曲线和材料变形曲线。从图中可以看出,当金属挤出速度为5mm / s时,金属材料出口的横截面速度是不同的。型材最大速度为145mm / s,最小速度为132.6mm / s,最大和最小速度差为12.4mm / s,型材变形为9.231mm。为了获得更高质量的成品金属型材,必须优化工作带。


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结论


本文基于有限元方法中的任意拉格朗日Euler mcthod算法,采用独特的专业挤压软件Hyper Xtrude来挤压几种不同类型的多孔空心复合模具的轮廓。数值模拟分析显示了型材截面出口截面的金属流动规律,模具的最大应力和最大变形。为了改善初始模具分析结果,优化了一组模具的工艺参数,优化了另一组模具结构参数,以获得最佳解决方案。然后使用自适应响应面法来优化工作带长度。得出的结论是,需要根据设计规范进行合理的模具结构设计。高质量的网格划分和工艺参数的选择直接影响模具挤出效果。在不同的挤出速度下,型材截面的出口速度先降低,然后随着速度的增加而增加。出口处的均匀性也先降低然后升高。模具的应力随挤出速度的增加而增加。它往往是稳定的;随着挤出速度的增加,挤出温度也会升高。在2mm / s的挤出速度下,金属具有最佳的流动均匀性,并且挤出应力和挤出温度趋于稳定,这是最佳的挤出速度。随着预热温度的升高,不同的模具预热温度,流动应力和金属的压力随着预热温度的升高而降低,随着预热温度的升高,模具的最大应力和变形量先减小。在s之后增加

购物中心; 当模具预热温度为450℃时,模具的最大应力和变形最小,有利于模具的使用寿命。 不同钢筋的预热温度,模具温度不随预热温度的升高而变化,随着预热温度的升高,模具的最大应力和变形减小; 考虑到经济成本,当棒材的预热温度为450℃时,模具的最大应力和变形适中,有利于节省废料加热过多的能量,有利于使用寿命 模具

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修改重复段落应该注意哪些

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