建筑铝型材挤压模具的优化设计
HyperXtrude铝型材模具热挤压仿真系统，以建筑幕墙铝合金型材为例，本文分析了型材模具在稳态挤压过程中应力场、速度场和温度场的分布，指导模具结构优化设计，确立 HyperXtrude铝型材模具热挤压仿真系统在生产中的指导作用，提高模具设计水平和模具使用寿命，从而提高生产效率。倡导了国家现行要求的低碳环保的经济模式。
1 概述
在现代建筑中随着人们对生活要求的不断提高，对建筑幕墙的要求也随之变化。这使幕墙建筑外观达到更高的审美观的同时，也使其向低碳环保发展。从而使幕墙铝型材的截面形状更趋于复杂。模具设计是铝型材生产的最主要环节，而模具的成功与否很大程度依赖设计者的经验，而且还要经过试模来验证模具设计的合理性。当模具在试模过程出现与设计者预期不一致的时候，只能对模具修改再进行试模。利用计算机仿真技术可以达到缩短设计周期，减少试模次数和节约生产成本的目的。本文采用Altair公司的HyperXtrude专业铝型材挤压工艺仿真和模具优化有限元软件，对模具设计进行分析，并根据结果修改模具结构。
2 几何模型及分析的挤压工艺参数
挤压工艺参数设置直接影响仿真模拟的效果的准确性，挤压参数越贴近实际参数仿真模拟的效果越准确，同时给设计者提供了与实际相符合的数据，及时根据计算结果优化原有设计方案。型材截面和初始模具如图1、2所示：
图1 幕墙铝型材的截面
图2 型材凸模的三维模型
2.1 挤压工艺参数
棒料直径：237mm挤压比：27.55
棒料温度：470℃ 挤压机吨位；2750T
模具温度：450℃ 挤压垫速度：36.2mm/sec
坯料与工作带间采用库仑摩擦模型, 摩擦系数取μ=0.14
3 仿真模拟结果
3.1 流速仿真模拟结果
分流孔不同位置流速截面分布标示图及型材流速分布图：
图3 各截面流速结果
从分流孔流速截面分布标示图可以知道分流孔1和5流速最快，直到铝合金流动到焊合室位置时，其流速还是过快。而其余四个分流孔的流速在截面分布标示图中都比较均匀；在仿真模拟系统中型材在焊合过程，颜色为蓝色的表示流速慢，红色的则为流速快。其中型材的中间筋条焊合速度太慢（红色框选处78mm/sec）。焊合速度最快为型材的蓝色框选处220mm/sec。其余部位平均流速：170mm/sec。型材流速的不均匀会对型材的成形产生一定的影响，甚至影响模具的实用寿命。
3.2 模具应力仿真结果
初始模具应力分布云图如图4、5所示：
图4 凹模应力分析图nextpage
图5 凸模应力分析图
从图中数据表明凸模桥位1、2、3所受最大应力为941Mpa，超过了模具的屈服强度，这几个桥位有裂桥的危险；而从凹模最大应力来看模具的强度是足够。计算输出文件的数据中稳定挤压力为1960T。而所使用的挤压机吨位：2750T，挤压相对比较容易进行。
4 根据仿真模拟结果优化设计方案
4.1 优化设计方案
图6 模具修改方案示意图
鉴于仿真结果中中间筋条部分流速太慢，影响模具受力不均，甚至影响到型材在生产时成材率。模具设计工程师根据仿真模拟结果，对模具原有设计结构进行了优化调整。主要修改思路是修改中间筋条部分引料宽度（红色框选处），增加此处的供料，提高流速。而其余的地方不作任何修改。
4.2 优化设计方案后仿真模拟结果
模具修改之后的模拟结果，如图7、8所示。
图7 型材分布流速
图8 凸模应力分布图
设计方案优化后，模具应力在原来出现应力较大的地方相应减少，而中间筋条部分流速慢的地方因增加引料宽度，使流速加快，但是变化不是太明显，而流速快的地方因没有进行修改，所以流速仍然较快，因此，最后实际模具试模挤压出来的型材形状达不到图纸要求。
5 型材模具实际试模与仿真模拟对比分析
实际模具如图9所示：nextpage
图9 型材凸模实物图
图10 仿真模拟流速分布图
图11 模具试模料头照片
试模结果如图11所示。仿真模拟结果与实际试模结果大致相同。从实际试模料头显示和仿真模拟结果显示，还是长矩形侧边流速比较快，即仿真模拟结果中红色部分快。正由于此处流速过快，使此部位的流速和其他部位流速相差较大，造成了该处型材因达不到图纸要求的九十度，名为“射角”的缺陷。而中间筋条部分在料头中知道流速此处相对于其他部位慢，但在型材验收时其部位壁厚在公差合理范围内，因此中间筋条部分不列入修模范围考虑。
6 结合仿真模拟和实际试模进行修模
修改之后的模具和挤压出来的型材如图12、13所示。
图12 型材模具修模示意图
图13 型材模具试模的型材
模具返回车间后通过试模和仿真模拟数据相结合，对流速较快的地方（角位），导致“射角“的地方进行烧焊，即在凸模角位舌头处烧焊增加阻流台，降低此角位的流速；把另外两个桥位进行打尖，减少因桥位在该区域的死区，以加快这两个地方的流速；使型材的整体流速更趋向于均匀，提高型材的成形率。
7 结论
1.通过有限元分析，尤其是对金属流动速度场的分析, 证明了HyperXtrude的数值模拟分析能有效指导铝合型材模具的设计，可提高设计的成功率, 并降低模具的返修次数。
2.模具设计的实质，是通过模腔对金属的流动进行控制，以获得出口速度均匀的型材。从对本型材的模具设计中，分流孔的布局对金属流动存在一定的影响，甚至影响模具的使用寿命，而通过数值模拟，获得了金属流动过程较直观的反映，使设计人员能更好的完善设计思路。
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