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X5214铝合金型材挤压过程的数值模拟

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2008年第4期

论文作者:林高用 周佳 郑小燕 冯迪 黄光法 彭大暑

文章页码:748 - 754

关键词:大挤压比;铝型材;导流孔形状;数值模拟;

Key words:large extrusion ratio; aluminum profile; deflector shape; numerical simulation

摘    要:

通过采用有限元法与有限体积法相结合,在MSC.SuperForge有限元商业软件上实现了挤压比λ=98.28的X5214铝型材挤压过程的数值模拟;对比了3种不同导流孔形状对型材挤出模口处z向的流速均匀性;获得该型材挤压过程的材料流动速度场、应力场和温度场分布图,并对金属的流动过程进行分析。模拟分析结果表明:对于X5214铝型材,采用对称导流模可获得较佳的流速均匀性。

Abstract: The finite element method (FEM) and the finite volume method (FVM) were used for numerical simulation of the extrusion process. The forming of a complex thin-walled aluminum profile X5214 with extrusion ratio of 98.28 was simulated in the new simulation system on the platform of MSC. SuperForge successfully. The uniformity of the velocity in z direction at the die orifice in three different deflector shapes was compared. The distributions of velocity field, effective stress field and temperature field during the extrusion process were discussed and the metal flowing process was analyzed. The results of numerical simulation show that, for X5214 aluminum profile, the most uniform flow velocity field can be obtained by adopting the symmetrical deflector.

基金信息:云南省省院省校科技合作计划项目



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X5214铝合金型材挤压过程的数值模拟

林高用,周  佳,郑小燕,冯  迪,黄光法,彭大暑

(中南大学 材料科学与工程学院,有色金属材料科学与工程教育部重点实验室,湖南 长沙,410083)

摘  要:通过采用有限元法与有限体积法相结合,在MSC.SuperForge有限元商业软件上实现了挤压比λ=98.28的X5214铝型材挤压过程的数值模拟;对比了3种不同导流孔形状对型材挤出模口处z向的流速均匀性;获得该型材挤压过程的材料流动速度场、应力场和温度场分布图,并对金属的流动过程进行分析。模拟分析结果表明:对于X5214铝型材,采用对称导流模可获得较佳的流速均匀性。

关键词:大挤压比;铝型材;导流孔形状;数值模拟

中图分类号:TG376.2        文献标识码:A         文章编号:1672-7207(2008)04-0748-07

Numerical simulation of extrusion process of X5214 aluminum alloy profile

LIN Gao-yong, ZHOU Jia, ZHENG Xiao-yan, FENG Di, HUANG Guang-fa, PENG Da-shu

(The Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering of Ministry of Education,

School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The finite element method (FEM) and the finite volume method (FVM) were used for numerical simulation of the extrusion process. The forming of a complex thin-walled aluminum profile X5214 with extrusion ratio of 98.28 was simulated in the new simulation system on the platform of MSC. SuperForge successfully. The uniformity of the velocity in z direction at the die orifice in three different deflector shapes was compared. The distributions of velocity field, effective stress field and temperature field during the extrusion process were discussed and the metal flowing process was analyzed. The results of numerical simulation show that, for X5214 aluminum profile, the most uniform flow velocity field can be obtained by adopting the symmetrical deflector.

Key words: large extrusion ratio; aluminum profile; deflector shape; numerical simulation

                    

铝合金型材因具有一系列优异特性而在航空、航天、汽车、建筑、电气、化工、机械制造等行业得到越来越广泛的应用。然而,传统的型材挤压工艺分析和模具设计主要是依靠工程类比和设计经验,经反复试模和修模,调整工艺以期消除挤压成形过程中的产品缺陷,显然,这已无法满足高速发展的型材加工业的要求,表明建立适当的“过程模拟”非常重要[1-2] 。随着计算机技术和有限元法的迅速发展,对挤压成形过程进行全面、系统的过程模拟已成为现实[3-6]

为了解决有限元法在用于研究大变形塑性变形中遇到的网格重划分问题,人们将应用于流体力学计算的有限体积法[7-10]引入到了金属塑性成形数值模拟中。近年开发的商业化分析软件MSC.SuperForge,用于模拟金属锻造成形问题,取得了一定的成功[11]。陈国学等[12]对平模和分流组合模铝型材挤压过程中金属流出工作带时的断面速度进行了研究;周飞等[13-16] 采用有限体积法对铝型材挤压成形进行了模拟,并与刚塑性有限元法结合进行计算,将实心铝型材挤压数值模拟挤压比提高到50。然而,对于大挤压比(平模挤压λ>60)薄壁(壁厚t<2 mm)的复杂型材挤压数值模拟在国内尚未见报道。在此,本文作者以国内某厂当前铝型材生产中,成模前试模次数较多、挤压成形困难的一种X5214卷闸门用铝型材为研究对象,对其进行数值模拟研究,分析大挤压比复杂薄壁铝型材挤压时不同导流孔形状对金属流出模口均匀性的影响以及挤压过程中金属流动规律、应力应变场、温度场和挤压流出速度的情况,以便为CAD/CAE/CAO/CAM智能系统在薄壁大挤压比铝型材挤压及其模具设计领域的应用奠定基础,提高铝型材生产中一次试模成功率,节省资源和能源,缩短产品开发周期,提高企业竞争力。

1  实验条件

数值模拟选用的X5214型材截面图如图1所示。该型材为非对称弯钩实心结构,采用有导流模的平模挤压成形,模具的工作带分布如图2所示。

单位:mm

图1  X5214型材截面图

Fig.1  Sectional view of X5214 profile

单位:mm

图2  X5214型材挤压模具工作带长度

Fig.2  Bearing length of extrusion die for X5214 profile

该型材挤压数值模拟在1台高性能计算机上进行数值模拟计算,以期获得X5214型材三维挤压过程的材料流动速度、应力、应变和温度分布图。模拟的初始条件见表1,型材挤压比λ=98.28,材料选用6063铝合金材料库。

表1  X5214铝型材挤压过程数值模拟初始条件

Table 1  Initial conditions of numerical simulation of extrusion processing of X5214 profile

在MSC.SuperForge软件平台上,采用有限元法(FEM)与有限体积法(FVM)相结合的分步计算方法。非对称弯钩铸锭压下高度h<3.9 mm时采用有限元法,h>3.9 mm时采用有限体积法。此分界线的确定与型材的预成形情况有关,根据初步试验,对该分流组合模挤压轴推进3.9 mm时,坯料预成形基本完成。在此之前因变形量较小,采用FEM可对网格进行稀疏和自动划分;在此之后变形大,网格畸变严重,采用FVM可避免网格重新划分,从而可显著提高计算速度。将这2种方法结合,可以最大限度地发挥这2种方法的优点。

2  实验结果与分析

2.1  金属流动分布分析

图3所示是采用3种不同导流孔形状挤压时模口处横截面z向(挤压轴向)流速分布。由图3可见,坯料流速离挤压中心越远,其值越小,型材形状简单处流速比复杂处流速快。表明坯料挤出的z向流速不仅与离挤压中心的距离有关,也与型材形状有关,这是受到摩擦力影响的缘故,离挤压中心近处,坯料与模具接触面积小于离挤压中心远处的摩擦力,受到的摩擦力也就较小;型材形状简单处周长小,坯料与模具的接触面积小,坯料受到的摩擦力也就越小,而在模口处摩擦力对坯料的流出起阻碍作用,故离挤压中心近处坯料流速快于离挤压中心远处流速,型材形状复杂处流速较其他地方慢。

(a) 采用(b)图中的简单导流孔; (b) 简单导流孔; (c) 采用(d)图中的仿形导流孔;(d) 仿形导流孔;

(e) 采用(f)图中的对称导流孔;(f) 对称导流孔

图3  采用不同导流孔形状模口横截面z向流速分布图

Fig.3  Velocity distribution in z direction at die orifice with different shape deflectors

对比图3(a),3(c)和3(e),可以发现,采用简单导流孔和仿形导流孔时,挤压出口的z向流速均匀性都不如采用对称导流孔的好。坯料挤出口处的流速不仅与挤压中心距离和型材形状有关,而且与模孔局部储存金属能力有关。通过调节导流孔的形状和大小可以控制坯料挤出口处的流速均匀性。采用图3(b)中的导流孔形状,虽然在模孔处储料较多,但未进行合理分配,两端弯钩处储料不够;采用图3(d)所示的仿形导流孔,金属分配较合理,但因结构不对称,也会影响挤出速度;对比而言,图3(e)所示的对应的导流孔,因在型材两端弯钩处集储了足够的金属,因而坯料在挤出口处流速较均匀。

图4所示为选用图3(e)所示的导流孔形状时进行模拟计算后得到的X5214型材挤压时金属流动景象和z向流速分布。由图4可知,坯料越靠近模口处流动越复杂,特别是模口形状突变处流动最复杂。这是因为在导流孔内坯料流向各异,因此,流动复杂,而形状突变的部位,坯料流速的方向差更大,坯料的流动就更加复杂。由于坯料交汇速度不一致,坯料与坯料间、坯料与模具间发生剧烈的摩擦作用更加剧了流动情况的复杂性,这也是模具模口处容易磨损的原因之一。进行模具和产品设计时应特别关注型材形状突变处,从坯料流动角度看,应尽可能选择较大圆角半径,以减小形状突变梯度。

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