实现数字化模具设计制造
在模具制造早期如何预测和分析各种潜在的模具设计缺陷，对于提高模具制造质量和缩短模具制造周期至关重要。使用HyperXtrude有限元挤压成形软件对模具设计进行验证，可以指导和解决挤压模具设计和制造中出现的多种问题。
铝挤压模具在设计和制造的早期对于技术人员的经验要求较高，传统的设计方法存在设计周期长、成本高和质量不易保证等缺点。随着有限元数值模拟技术（即CAE技术）在铝挤压制造业的成功应用，为挤压模具的设计和制造带来了革命性的飞跃，将挤压模具的设计和制造带进了一个崭新的发展阶段。这种基于数值模拟技术的设计和制造理念，具有多方面优势：在模具初始设计后，在计算机上以虚拟试模代替物理试模，降低模具设计成本；大幅缩短模具设计和制造周期，确保交付时间；为设计人员提供精确的计算结果，分析、评价和优化模具设计方案，从而提高了模具设计质量；有利于设计知识和经验的积累。
HyperXtrude是Altair工程软件公司的一款专业的针对挤压生产过程中分析材料流动和传热的有限元应用软件。HyperXtrude采用稳健的求解算法，功能强大、计算精度高，已在铝型材挤压模具设计和制造中得到了成功应用。
创建挤压模具有限元模型
以一个实际的挤压空心分流模为例，详细介绍HyperXtrude软件实现材料流动有限元分析的模型创建过程，图1所示为模具图和型材截面形状。
图1 空心分流模具图和型材形状
1.挤压模具的材料流动有限元模型
为了分析和研究材料沿挤压模具的流动性能，首先将材料流经的模具和挤压筒的内表面几何抽取出来，然后分别创建如图2所示的有限元模型。主要包括四个部分：棒料、分流孔和焊合腔、工作带和型材。根据材料在挤压过程中变形程度及其对流动结果的影响，各部分网格单元的大小和密度要求不同，比如在模具出口附近，材料变形最剧烈，因此该区域的单元较密，而对于棒料中的单元尺寸应尽量大。这种网格单元的分配，一方面确保计算精度，另一方面可以尽量减少整个模型的大小，提高计算效率。
图2 流经模具内的材料有限元网格模型
2.边界条件的创建
图3所示为挤压工艺示意图，包括工具中的不同部分和材料。根据材料在挤压过程中流经工具的不同区域及其相互接触情况，分别创建各自的边界条件及其参数。主要包括：
图3 挤压模具和材料的边界条件定义
（1）挤压块与棒料之间的接口；
（2）挤压筒和棒料之间的接口；
（3）模具与棒料之间的接口；
（4）工作带表面的边界条件；
（5）型材表面的边界条件；
（6）型材出口边界条件；
（7）挤压筒和模具外部。
3.材料的选择和创建
HyperXtrude软件支持多种材料和材料的结构关系模型，内置的材料库中包含有5大类和70余种材料数据。分析人员可以根据需要选择相应的材料，并分配给相应的模型。同时软件包含一个易用的材料编辑器，可以根据需要对材料性能数据进行修改或创建新的材料，并将其保存在材料库中，易于以后使用。图4所示为AA6061材料性能参数。
图4 材料性能参数
4.挤压工艺参数的输入和求解控制
根据实际挤压工艺条件来定义挤压工艺参数，主要包括：棒料预热温度、模具的初始温度、挤压筒的初始温度，挤压筒的内径、棒料的长度和挤压块速度等。求解控制主要包括：分析类型、挤压类型、计算类型、收敛误差、迭代次数、时间步长及作业提交类型等。根据该例需要，主要对模具设计进行验证，分析材料流动并预测型材变形。如图5所示选择相应的参数和求解控制。
图5 挤压工艺参数和求解控制的选择
结果分析和评价
图6为压力场和温度场分布图，图7示意潜在的焊合问题将会导致型材上局部温度分布不均，并引起型材的局部变薄。
图6 压力场和温度场分布
图7 潜在的焊合问题引起局部温度分布不均匀及型材变薄
图8所示速度场分布，左图为型材的速度分布，可以看出材料流速很不均匀，导致材料流动的不平衡，并引起型材的变形。右图为分流孔内的材料沿挤压方向的流速分布，材料在分流孔内速度不均将会影响型材的变形。
图8 速度不均匀导致材料流动不平衡和变形
根据上述计算结果与分析评价，并与实际挤压结果相比较，HyperXtrude能够准确地预测挤压模具初始设计方案的潜在缺陷，从而进一步提出改进方案，成功地验证和解决了实际挤压生产中的问题。
结束语
通过使用HyperXtrude挤压成形模拟软件，成功地预测了挤压模具设计的潜在不足，真正能够帮助模具设计人员解决了现存的实际难题。实践证明，HyperXtrude软件将给铝挤压制造商带来极大的收益：通过稳健的、可靠的和快速的挤压成形数值模拟，最大限度地减少模具设计时间和降低设计成本；对新设计的模具进行验证和确认；计算和优化工作带及其长度；减少因反复的试模引起的昂贵生产成本。
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