基于ANSYS的鋁合金圓棒擠壓分析

張浩強

（益陽橡膠塑料機械集團，湖南 益陽 413000）

0 引言

鋁合金圓棒擠壓是指將鋁合金鑄錠置于專用模具內，在擠壓機提供的強大壓力作用下，按均勻的速度，將鋁合金圓棒從模腔中擠出，使其成形為所需形狀和尺寸的棒材。鋁合金圓棒在擠壓過程中，如擠壓模具不是很好或模具擠壓鋁材過多，鋁材表面會產生擠壓痕，用手可能觸摸到鋁材表面不平。由于模具設計者對擠壓過程中的金屬流動情況以及模具的應力、應變狀況難以掌握，為確保擠壓產品的質量，獲得無缺陷令人滿意的產品，減少反復試模和修模過程，對擠壓過程中變形金屬應力場的有限元模擬研究是十分必要的［1］。

1 有限元模型的建立

1．1 鑄錠與模具的模型

以ANSYS作為有限元計算分析的工具，由于圓棒擠壓屬于狀態非線性大變形接觸問題，在分析過程中根據軸對稱性，選擇擠壓鑄錠和模具縱截面的一半建立有限元計算模型［2］。為了便于數學處理，把鑄錠理想化為剛黏塑性材料，鑄錠材料的彈性模量為6．9×104MPa，泊松比為0．26。當鑄錠擠壓應變為0．01時，擠壓應力為690MPa；當鑄錠擠壓應變為1．01時，擠壓應力為860MPa。對有限元模型的每條線段設置合適的等分數，結構單元為Plane182，采用自動網絡劃分，劃分網格后的有限元模型如圖1所示。

1．2 建立邊界條件并施加位移載荷

在線段4、6、11上施加x方向的位移約束，約束值為零，即限制x方向的位移。在線段5上施加y方向的位移約束，約束值為零，即限制y方向的位移約束。在線段3上施加y方向向下60mm的約束，即整個鑄錠向下運動60mm。圖2為施加載荷后的模型。

圖1 劃分網格后的圓棒擠壓模型

圖2 施加載荷后的模型

2 計算結果及分析

2．1 鋁合金圓棒徑向位移的變化

圖3為鋁合金擠壓徑向位移圖，圖中徑向位移最大為1．626mm，徑向位移量由圓棒的外部向中心逐漸變小，位移最小值為0．082 44mm。

圖3 圓棒擠壓徑向位移圖

2．2 鋁合金圓棒徑向應力的變化

圖4為鋁合金擠壓徑向應力圖，鋁合金圓棒向左擠壓的極限應力值為－996．122MPa，由于模具上部開口是一個錐形的，因此在模具的錐形中下部會出現極限擠壓應力。

2．3 von Mises應力分析

一般來講，應力值越大的區域，材料越容易出現裂紋［3］。圖5為鋁合金擠壓的von Mises應力圖，可能出現裂紋的位置在模具的錐形部分最低端，von Mises應力最大值為1 308MPa。

圖4 圓棒擠壓徑向應力圖

3 結論

將最新的有限元分析技術應用到整個擠壓模具設計與制造過程中，讓更多的模具工程師掌握這種優化設計方法，可提高我國鋁型材擠壓行業及其模具制造業的市場競爭力［4］。本文運用ANSYS對鋁合金棒料的擠壓過程進行了有限元模擬。通過實驗，可以從模擬結果后處理中清楚地獲得擠壓的應力情況以及金屬的流動規律，得出擠壓過程中試樣及模具內部應力、應變及位移場分布，提高了型材的產品成型性和產品開發質量，縮短了模具設計的周期，節省了由于反復試模而帶來的大量費用。應用ANSYS對鋁合金的擠壓成型過程進行分析對模具的優化設計具有重要意義。

圖5 鋁合金擠壓的von Mises應力圖

［1］ 黃成華．鋁合金圓棒擠壓過程應力場模擬［J］．鋁加工，2010（9）：9－12．

［2］ 張朝暉．ANSYS12．0結構分析工程應用實例解析［M］．北京：機械工業出版社，2010．

［3］ 譚晶．矩形橡膠密封圈的有限元分析［J］．潤滑與密封，2007，32（2）：36－39．

［4］ 鄭軍，傅建，李冬．鋁型材擠壓模具優化設計現狀和趨勢［J］．金屬成型工藝，2012，20（6）：47－51．