矩形管鋁型材擠壓過程的數(shù)值模擬方法研究

　　摘 要： 本文以Al6063矩形管鋁型材的熱擠壓過程為研究對(duì)象，分別建立有限元法和有限體積法數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型，對(duì)空心鋁型材的擠壓過程進(jìn)行模擬。分析了兩種模擬方法針對(duì)矩形管鋁型材擠壓過程模擬的可行性，得出了有限體積法更適用于空心鋁型材擠壓模擬的結(jié)論，為空心鋁型材擠壓模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞： 空心鋁型材 有限元法 有限體積法 數(shù)值模擬
　　
　　1.引言
　　目前，我國的鋁型材加工企業(yè)在擠壓工藝制定和擠壓模具設(shè)計(jì)過程中，很大程度上依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致模具設(shè)計(jì)周期長、成本高，且產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證。因此研究鋁型材擠壓過程的機(jī)理和金屬流動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而為工藝和模具設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，就顯得尤為重要。通過研究發(fā)現(xiàn)目前鋁型材中的實(shí)心型材多采用有限元法和有限體積法，而針對(duì)空心型材的數(shù)值模擬研究很少。因此研究空心型材擠壓過程的數(shù)值模擬方法對(duì)于合理設(shè)計(jì)擠壓工藝和模具結(jié)構(gòu)、減少試模時(shí)間和提高型材質(zhì)量都具有十分重要的意義。本文以矩形管鋁材的擠壓為例，分別采用有限元法和有限體積法進(jìn)行數(shù)值模擬，分析兩種方法對(duì)于空心型材擠壓模擬的可行性和模擬精度。
　　2.數(shù)值建模與模擬結(jié)果對(duì)比分析
　　矩形管尺寸60mm×20mm，壁厚3mm（見圖1），坯料選擇Al6063合金，尺寸170mm×50mm，初始溫度為480℃，模具材料H13，預(yù)熱溫度為450℃。
　　對(duì)于矩形管擠壓過程的有限元模擬，采用DEFORM-3D模擬軟件，有限體積模擬則采用MSC Superforge軟件。利用pro/E建立模具三維幾何模型如圖2所示。
　　（a）上模實(shí)體模型 （b）下模實(shí)體模型
　　在保證擠壓進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的前提下，有限元和有限體積模擬中均設(shè)置凸模壓下量為38mm；有限元模擬時(shí)初始步長增量設(shè)置0.3mm，網(wǎng)格尺寸1.5mm，局部細(xì)劃網(wǎng)格尺寸1mm；有限體積模擬時(shí)劃分網(wǎng)格尺寸為2mm。選取摩擦因子為0.33，凸模速度為2mm/s。
　　圖3為矩形管擠壓過程有限元模擬結(jié)果，模擬在凸模壓下量28mm處停止。從模擬結(jié)果可以看出，在擠壓材料流入分流孔的過程中，模擬過程進(jìn)展順利，擠壓件表面質(zhì)量較好（見圖3（a））。當(dāng)變形材料流入焊合室以后，模擬計(jì)算變得比較困難，需要頻繁的網(wǎng)格重劃，所需模擬時(shí)間顯著增加，模擬結(jié)果精度下降，但模擬仍然可以有效進(jìn)行（見圖3（b））。當(dāng)變形材料進(jìn)入工作帶時(shí)，模擬過程變得異常困難，幾乎每經(jīng)過一步模擬就必須重新劃分網(wǎng)格，體積損失嚴(yán)重；在焊縫處，由于頻繁的網(wǎng)格重劃，相鄰分流孔內(nèi)流出的金屬無法焊合在一起，甚至出現(xiàn)體積缺失的情況，仿真結(jié)果已經(jīng)嚴(yán)重失真，難以繼續(xù)進(jìn)行下去（見圖3（c））。
　　對(duì)比圖3（b）和圖3（c）可以看出，由于有限元方法對(duì)此矩形管材的擠壓模擬因?yàn)殚L寬不等而無法避免金屬網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的自焊合問題，且該模型使用的是四個(gè)分流孔，所以其1/4模型總是存在兩股料流在焊合室接觸重新焊合的問題。分析原因是：①矩形管擠壓為大變形擠壓?jiǎn)栴}，有限元模擬過程中，由于網(wǎng)格畸變嚴(yán)重，需要頻繁的網(wǎng)格再劃分，每次網(wǎng)格劃分都存在幾何上的近似，即每次劃分的新網(wǎng)格與舊網(wǎng)格總是存在一定的差異，當(dāng)幾個(gè)模擬步驟內(nèi)劃分次數(shù)較多時(shí)，幾何形狀就會(huì)發(fā)生較大差異。從模擬出錯(cuò)時(shí)的網(wǎng)格圖4可以看出，焊縫處的三角平面上的每一條邊并不是由兩個(gè)三角平面共享。這就意味著在實(shí)際模擬中，表面上變形材料充滿了焊合室完全焊合，實(shí)際還是兩股料流，在后面的步驟里可見斷裂，導(dǎo)致計(jì)算失真停止。②每次網(wǎng)格劃分后，邊界節(jié)點(diǎn)與模具邊界的接觸條件也相應(yīng)地進(jìn)行了重新確定，頻繁的網(wǎng)格劃分引起的幾何形狀的變化會(huì)導(dǎo)致部分邊界節(jié)點(diǎn)并沒有發(fā)生真正的接觸，而邊界節(jié)點(diǎn)的接觸條件是導(dǎo)致模擬結(jié)果（特別是變形體幾何形狀的模擬結(jié)果）失真的主要因素。
　　此外，圖3（c）表示凸模行程為28mm時(shí)的模擬結(jié)果，從模擬開始到圖3（c）表示的位置，總計(jì)模擬時(shí)間50h，網(wǎng)格重新劃分了92次。因此，無論是模擬精度還是運(yùn)算效率，有限元法都不是模擬矩形管鋁材擠壓過程的有效算法。
　　圖5為利用有限體積法模擬矩形管分流模的擠壓結(jié)果。從結(jié)果可以看出，由于避免了有限元法中頻繁的網(wǎng)格重劃，有限體積法可以很好地解決有限元模擬矩形管出現(xiàn)的變形材料無法自接觸問題，模擬進(jìn)展順利。
　　3.結(jié)語
　　本文分別采用有限元法和有限體積法對(duì)Al6063矩形管的擠壓成型過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較了兩種方法的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在對(duì)矩形管成形過程進(jìn)行模擬時(shí)，由于有限元模擬中頻繁的網(wǎng)格重劃導(dǎo)致網(wǎng)格幾何外形和邊界節(jié)點(diǎn)接觸條件的失真，使得在焊縫處出現(xiàn)變形材料無法焊合的問題，最終模擬失敗；有限體積模擬中由于無需網(wǎng)格重劃，可成功模擬整個(gè)熱擠壓過程，為空心鋁型材擠壓模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了依據(jù)。
　　
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