基于DEFORM-3D擠壓成形工藝方案優(yōu)化

韋麗君， 庫(kù)國(guó)輝

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

在科技高速發(fā)展的今天，由于鋁型材質(zhì)量輕、耐腐蝕性好等自身特點(diǎn)，越來越受到各行各業(yè)的歡迎。在建筑業(yè)開始的木窗和鋼窗已逐漸被鋁合金門窗所替代。鋁型材門窗與木窗、鋼窗不同的是因?yàn)樗目勺冃涡阅芎?，可以在產(chǎn)品的表面做氧化處理和電泳處理，使型材表面變得更美觀，也可加工成所需要的不同形狀、不同規(guī)格產(chǎn)品。其次，鋁型材具有的防水性能非常好，也可以回收不合格的產(chǎn)品，再加工利用，降低了生產(chǎn)成本[1]。它還具有易運(yùn)輸、施工裝卸方便、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)良特性，是最理想的輕量化材料。輕量化是現(xiàn)階段低碳、節(jié)能的重要話題，如何用鋁材實(shí)現(xiàn)輕量化也是科技發(fā)展的又一次挑戰(zhàn)[2]。在航空航天方面，鋁質(zhì)輕的特點(diǎn)有了明顯的體現(xiàn)，大量用鋁作為航空航天材料是最理想的選擇，還有在交通軌道運(yùn)輸方面，用鋁量也在逐年增加，這都是由于鋁的自身特點(diǎn)所決定的。

鋁在生產(chǎn)過程中分鑄造鋁件和可變形的擠壓鋁件，由于需求的產(chǎn)品不同，它們的制造工藝也是不同的。 選擇什么樣的工藝來生產(chǎn)是我們不可忽視的課題，適合需求產(chǎn)品的工藝可以在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)縮短生產(chǎn)時(shí)間，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的[3]。人們往往借助于經(jīng)驗(yàn)的積累和人工實(shí)驗(yàn)的方法來判斷最合適的工藝方案，這樣不僅僅浪費(fèi)了時(shí)間[4]，同時(shí)也增加了投入成本，科學(xué)地運(yùn)用計(jì)算機(jī)智能軟件是尋求最優(yōu)工藝方案的重要途徑。

1 三維模型的創(chuàng)建

以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子杯為例，用CAD軟件畫出比較直觀的二維圖形，如圖1所示。

(a) 坯料

(b) 擠壓產(chǎn)品

在圖1(a)中，可以看到坯料的形狀與尺寸的大小，由于坯料的好壞對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響非常重要[5]，所以選取表面光滑經(jīng)過光譜儀檢測(cè)合格的坯料為最佳，在用光譜儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，鋁棒的首尾兩端應(yīng)去除20 cm，取中間段進(jìn)行檢測(cè)。圖1(b)是外形尺寸為Φ30.8 mm×100 mm，內(nèi)孔為Φ28.1 mm×74 mm，內(nèi)倒角為R2 mm 的擠壓產(chǎn)品外形尺寸結(jié)構(gòu)圖。

通常所說的擠壓是把放在擠壓筒里的毛坯材料在施加外力的情況下，發(fā)生塑性變形，得到的形狀滿足所需要的狀態(tài)。UG是功能比較強(qiáng)大的三維繪圖軟件，自問世以來一直深受廣大科研工作者的喜愛，所涉及的領(lǐng)域非常廣泛，如航空航天、交通運(yùn)輸、機(jī)械工程等方面，尤其是模具開發(fā)和模具設(shè)計(jì)方面，根據(jù)零件的二維CAD圖，用UG軟件畫三維實(shí)體模型，如圖2所示。

圖2 擠壓結(jié)構(gòu)三維圖

2 DEFORM數(shù)值模擬前處理

DEFORM有限元仿真軟件是集材料設(shè)置、邊界條件、摩擦接觸于一體，廣泛運(yùn)用于大型金屬塑性成形過程模擬和熱處理工藝過程模擬分析[6]。

DEFROM-3D軟件前處理的基本流程大致可分為6步：

1)打開軟件進(jìn)入前處理模式;

2)設(shè)置模擬環(huán)境，通常以國(guó)際單位為準(zhǔn)；

3)把新建好的名稱保存到新建目錄里;

4)把已經(jīng)畫好的三維模型導(dǎo)入軟件中；

5)進(jìn)行前處理設(shè)置，主要包括材料的選擇、網(wǎng)格的劃分、溫度的設(shè)置、模擬步長(zhǎng)的設(shè)置、體積補(bǔ)償?shù)脑O(shè)置等;

6)確認(rèn)沒有錯(cuò)誤后提交運(yùn)算。

由于DEFORM-3D軟件系統(tǒng)沒有繪制三維實(shí)體模型的功能，所以在進(jìn)入模擬前，要先在UG軟件中完成三維結(jié)構(gòu)圖，再導(dǎo)出被DEFORM-3D塑性成形軟件所識(shí)別的STL格式[7](DEFROM-3D軟件能夠識(shí)別多種格式，比如STL、UNV、PDA、AMG，我們這次取其中一種STL格式),因?yàn)槲覀兯O(shè)計(jì)的擠壓結(jié)構(gòu)三維圖形是軸對(duì)稱的，所以取四分之一來分析，這樣會(huì)在模擬時(shí)大大的節(jié)省時(shí)間。

DEFORM分析模型如圖3所示。

圖3 DEFORM分析模型

模擬參數(shù)設(shè)置如下：

1)模擬的是坯料受擠壓變形情況，所以將坯料屬性定義為塑性(Plastic)，材料為AL1050A,溫度設(shè)置為450 ℃。

2)模具屬性定義為剛性(Rigid)，溫度設(shè)置為400 ℃。

3)擠壓速度為10 mm/s。

4)熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.4。

5)網(wǎng)格劃分是有限元數(shù)值模擬過程中極其重要的步驟，網(wǎng)格數(shù)量的多少對(duì)有限元數(shù)值模擬運(yùn)算的時(shí)間和質(zhì)量有直接影響[8]。一般而言，網(wǎng)格數(shù)量越多,模擬的質(zhì)量越高，但是網(wǎng)格的數(shù)量增多，運(yùn)算的數(shù)據(jù)量就會(huì)變大，從而使運(yùn)算的時(shí)間增加。反之，網(wǎng)格的數(shù)量太少，使每個(gè)單元體的尺寸增加，單元體之間連接不平整，影響運(yùn)算質(zhì)量，在這里我們畫5 000個(gè)網(wǎng)格[9]。

6)進(jìn)入Bdry．Cnd窗口，設(shè)置邊界條件，選擇對(duì)稱面。

7)設(shè)置接觸關(guān)系，生成模具與坯料間的摩擦因子為0.4。

8)擠壓行程總步長(zhǎng)設(shè)置為80步。

9)點(diǎn)擊生成按鈕，確認(rèn)無誤，生成仿真文件如圖4所示，退出前處理窗口，進(jìn)行模擬。

圖4 生成仿真文件

3 DEFORM有限元模型的結(jié)果分析

根據(jù)有限元方法看DEFORM軟件的后處理結(jié)果，主要從成形過程的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、速度場(chǎng)、坯料損傷、溫度場(chǎng)這幾個(gè)方面來分析。

3.1 成形過程等效應(yīng)力分析

當(dāng)坯料在擠壓筒里受到擠壓桿的推進(jìn)作用，坯料逐漸受力變形，在DEFROM塑性成形仿真軟件的后處理中可以看到等效應(yīng)力分布的全過程，如圖5所示[10]。

(a) 10步 (b) 30步

(c) 50步 (d) 70步

主要分4步完成，在坯料擠壓第10步時(shí)所受最大應(yīng)力為196 MPa(見圖5(a))；擠壓到第30步時(shí)最大應(yīng)力值為247 MPa(見圖5(b))；擠壓到第50步時(shí)應(yīng)力值無明顯變化(見圖5(c))[11]；擠壓到70步時(shí)應(yīng)力值均無明顯的變化(見圖5(d))。這說明坯料在擠壓成形剛開始階段，坯料受擠壓桿外力的推進(jìn)作用到接觸模具時(shí)有個(gè)過渡階段，之后再與模具接觸擠壓時(shí)一直到最后成形終了階段,應(yīng)力值分布幾乎沒有明顯變化，確保該產(chǎn)品承載能力在安全范圍內(nèi)。

3.2 成形過程等效應(yīng)變分析

根據(jù)后處理結(jié)果分析等效應(yīng)變變化如圖6所示。

坯料在最開始被擠壓成形階段的應(yīng)變變化較小，隨后在擠壓和反擠壓力的作用下稍有些變化，由于坯料在擠壓筒內(nèi)受擠壓，會(huì)發(fā)生一定的塑性變化，所產(chǎn)生的應(yīng)變值不同，也可以知道，在擠壓變形過程中，鋁棒(坯料)存在不均勻變形,最后到終了成形階段基本保持不變[12]。

(a) 10步 (b) 30步

(c) 50步 (d) 70步

3.3 成形過程速度場(chǎng)分析

在擠壓成形過程中對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行分析，如圖7所示。

(a) 10步 (b) 30步

(c) 50步 (d) 70步

從圖7可以看到,此過程分(a)、(b)、(c)、(d)四個(gè)坯料變形階段的復(fù)合擠壓流動(dòng)狀態(tài)和反向擠壓流動(dòng)狀態(tài)的速度展示情況。不難發(fā)現(xiàn)，在最后擠壓成形終了階段，坯料受外力作用首先填充下模具腔的邊角部分，之后填充上模具腔的邊角部分，最終所得到的工件邊角成形和整體成形都比較完整。

3.4 成形過程損傷分析

在坯料受擠壓成形過程中的損傷值變化如圖8所示。

(a) 10步 (b) 30步

(c) 50步 (d) 70步

從圖8可以觀察到整個(gè)擠壓過程分(a)、(b)、(c)、(d)四個(gè)變化階段。在擠壓前期的第一個(gè)階段受損傷值變化比較小，之后隨著擠壓過程的推進(jìn)到第二階段損傷值有明顯的上升趨勢(shì)，其主要原因是金屬與模具工作帶的摩擦作用，使金屬流速的大小和方向都發(fā)生了劇烈的變化，一直保持到第三階段才剛剛有下降的趨勢(shì)，擠壓成形進(jìn)行到第四階段時(shí)，損傷值明顯慢慢變小[13]。觀察全過程的損傷分析可知，從坯料開始被擠壓一直到成形終了階段，受模具工作帶摩擦作用的損傷值變化比較明顯，因此在模具設(shè)計(jì)時(shí)可增加圓弧R角過渡，這樣受損傷值會(huì)減小許多。

3.5 成形過程溫度場(chǎng)分析

在擠壓成形過程中，擠壓溫度對(duì)整個(gè)工藝流程來說扮演著非常重要的角色，擠壓溫度過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，使產(chǎn)品表面質(zhì)量降低，擠壓溫度過低時(shí)，金屬抵抗外力的作用比較大，很難擠壓。通常情況下，我們認(rèn)為在擠壓的全過程中,坯料通過進(jìn)模口和出?？谶@段行程的溫度始終保持不變是最理想的擠壓方式，這樣金屬的流速和抗變形能力也始終保持均勻。對(duì)擠壓成形過程溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，如圖9所示。

(a) 10步 (b) 30步

(c) 50步 (d) 70步

經(jīng)過觀察可知，由于坯料與擠壓筒有一定間隙，模具溫度與坯料的初始溫度有一定的溫度差，所以在成形過程中坯料的上下表面散熱比較快，導(dǎo)致坯料在剛開始階段溫度變化較小，到后來由于受擠壓的坯料變形加大，產(chǎn)生出能量，對(duì)于坯料中間部位沒有很好地散發(fā)出熱量，導(dǎo)致溫度升高[14]。同時(shí)也受變形速度不同的影響，變形速度越快，受到摩擦作用溫度會(huì)上升大些，變形速度越慢，同樣受摩擦作用溫度上升的小一些，所以在擠壓剛開始階段，擠壓溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)，到最后階段有著明顯上升趨勢(shì)[15]。從坯料的塑性觀點(diǎn)出發(fā)，溫度越高，變形越大；溫度越低，變形越??；在適當(dāng)?shù)臄D壓溫度范圍內(nèi)，溫度越高，產(chǎn)品成形的效果趨于最佳，觀看擠壓變形的全過程來說，模擬出的溫度場(chǎng)符合溫度的變化過程。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過使用DERFORM-3D有限元模擬軟件，對(duì)零件的成形工藝方案的擠壓過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)成形方案的等效應(yīng)力場(chǎng)、等效應(yīng)變場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和成形過程損傷進(jìn)行分析。由有限元模擬結(jié)果分析，從成形過程的應(yīng)力查看表面受力均勻，無特別的受力點(diǎn)。本次優(yōu)化的工藝線路保證了產(chǎn)品成形的尺寸精度，又使得成形后的外觀變得更好。為產(chǎn)品的批量生產(chǎn)提供了重要的參考依據(jù)，減少產(chǎn)品批量生產(chǎn)的報(bào)廢。綜合考慮文中所采用的模擬方案，最終擠壓成形工藝路線為：下料→軟化→擠壓材料終成形。

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