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CAE在铝型材挤压模具优化设计的应用与发展

来源:本站原创 发布时间:2017年04月17日 阅读

铝型材挤压是指将铝合金高温铸坯通入专用模具内,在挤压机提供的强大压力作用下,按给定的速度,将铝合金从模腔中挤出,从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的铝合金挤压型材。铝型材挤压成型过程非常复杂,除了圆形和圆环形截面铝型材的挤压属于二维轴对称问题外,一般而言,其它形状的铝型材挤压属于三维流动大变形问题。因此,挤压模具的设计制作质量和其使用寿命就成了挤压过程是否经济可行的关键之一。合理的设计与制造能大大延长模具寿命,对于提高1生产效率、降低成本和能耗具有重要意义。
  目前,我国型材挤压模具设计基本上还停留在传统的依靠工程类比和设计经验的积累上。而实际上,型材断面越复杂,其挤压变形的不均匀性就越显着,从而造成新设计的模具很难保证坯料一次性的均匀流出,导致型材因扭拧、波浪、弯曲及裂纹等缺陷而报废,模具也极易损伤,必须经过反复试模、修模才能投入正常使用,造成资金、人力、时间、资源等方面的浪费[1]。因此,随着铝型材产品不断向大型化、扁宽化、薄壁化、高精化、复杂化和多用途、多功能、多品种、长寿命方向发展,改进传统的模具设计方法已成为当前铝型材工业发展的迫切需求。
  1铝型材挤压模CAE研究的意义
  铝型材挤压模CAE技术是利用CAD中建立的挤压产品模型、结合挤压工艺与控制参数、完成其成形过程分析和相应模具优化设计的一种数值技术。
  具体做法为:在挤压模初步设计的基础上,根据事先拟定的工艺试验方案,利用计算机仿真整个挤压成形过程,获得挤压变形体内的应力、应变、温度、流速等物理量分布,以及挤压各阶段的压力、温度、速度等工艺参数变化情况;确定挤压模工作带断面和分流孔、焊合腔、导流槽等模具结构对成形铝材流动的影响,模具使用过程中可能出现的变形、塌陷、崩刃、裂口、磨损、”粘着”和疲劳等缺陷及其位置;提出分析报告并向设计人员推荐合适的挤压条件,设计人员再根据CAE分析结果修正模具设计方案。经过数次反复,直到模具设计方案满足产品设计要求和产品质量要求为止[2]。这实际上是将生产现场的”试模-修模-试模”过程转移到计算机上完成,以部分替代模具设计制造过程中费时费事的试模工作,从而减少该阶段的材料和能源消耗,降低生产成本,并据此设计出高质量的铝型材挤压模具。
  虽然CAE技术已在铝型材挤压模具设计制造领域得到了某些成功的应用,但真正面向模具工程师的应用却很少。这主要是由于目前国内外还没有专门针对铝型材挤压模开发的CAE软件,所以,当模具工程师借助一些通用或专用CAE软件(如ANSYS/LSDYNA、MARC/AutoForge、Deform等)进行模具设计方案和模具结构分析时,除要求使用者具备扎实的挤压工艺和挤压模设计制造专业知识、熟悉挤压模各零部件在耦合场环境中的工作状况外,还要求他对数值模拟技术及相应有限元分析方法必须有较深入的了解,这对于工作在生产第一线的工程技术人员而言是比较难的,这也是CAE技术在挤压模具行业中得不到广泛应用的重要原因之一。
  铝型材挤压模CAE的应用可以缩短模具的设计制造周期,提高模具的质量,增强企业市场竞争力。然而,只有解决了上述问题,才能使CAE技术真正在挤压模具行业中得到广泛应用。这正是铝型材挤压模CAE技术研究的意义。
  2铝型材挤压模优化设计现状
  由于要设计出结构合理且经济实用的挤压模具是一件十分复杂而困难的工作,因此,世界各国的挤压工作者对模具设计理论和方法(特别对优化理论和方法)进行了大量的研究工作。

  3铝型材挤压模CAE国内外发展现状和趋势

  在二次开发方面,国内的一些研究进展也值得关注。陈泽中、包忠诩等[15]通过系统集成和二次开发,建立了基于UG和ANSYS的铝型材挤压模CAD/CAE/CAM系统,并对分流组合模进行了CAD/CAE/CAM研究,有效提高了模具设计制造效率。深圳大学的李积彬[16]用C语言编写了铝型材挤压模具参数设计的程序,以流程图的形式详细引导铝型材挤压模具的设计过程;以人机对话的形式实现铝型材挤压模具参数的优化设计。兰州铁道学院的段志东[17]通过ANSYS提供的强大的前后处理和求解功能平台,通过在ANSYS应用程序中添加自己的铆钉有限元程序,介绍并总结了用UIDL对ANSYS进行图形用户界面二次开发的一般步骤和规律,为用户在扩充ANSYS功能、建立自己专用程序的同时建立起对应的图形驱动界面提供了有益的帮助。江苏戚墅堰机车车辆工艺研究所的盛伟[18]以ANSYS软件为平台,进行金属塑性成形过程模拟软件的二次开发,并应用该软件对锻件塑性成形过程进行了模拟,为提高锻件质量、预测金属成形中的缺陷、制定合理工艺提供了理论依据。
  但总的说来,这些研究多侧重于理论化,一种真正适合普通设计制造人员使用的挤压模有限元分析软件在国内几乎还没有。有些二次开发在具体应用上也有很大的局限性,所以对现行有限元软件的用户化研究,使之能更好的应用于挤压模具的设计就成为当务之急。
  4结论
  提高铝型材挤压模具设计与制造水平是改善产品质量和增强市场竞争力之关键所在,而铝型材挤压模CAE技术在铝型材挤压模具设计优化中起着十分重要的作用。
  国内外同行借助铝型材挤压模CAE对优化铝型材挤压模具(包括挤压过程和挤压工艺)进行了有益尝试,取得了不少科研和应用成果,这种动向值得注意。
  尽快把最新的有限元分析技术应用到整个挤压模具设计与制造过程中,让更多的模具工程师掌握这种优化设计方法,以提高我国铝型材挤压行业及其模具制造业的市场竞争力。
  根据经验,CAE各阶段所用的时间为:40%~45%用于模型的建立和数据输入,50%~55%用于分析结果的判读和评定,而真正的分析计算时间只占5%左右。CAE采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型,完成分析数据的输入,通常称此过程为CAE的前处理。同样,CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出,如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图,表示应用、温度、压力分布的彩色明暗图,我们称这一过程为:CAE的后处理。

 

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