空心铝材挤压过程的数值模拟精度分析|铝材挤压机
时间：2019-02-04 03:20:19 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要： 本文以Al6063空心铝材中方管铝材的热挤压成型过程为研究对象，分别建立有限元法和有限体积法数值模拟的数学模型，对方管铝材的热挤压过程进行模拟，比较了两种模拟方法针对空心型材成型过程的模拟精度，得出了有限体积法更适用于空心铝型材挤压模拟的结论。
关键词： 方管铝材 有限元法 有限体积法 数值模拟
1.引言
我国的铝型材加工企业在挤压模具设计过程中，仍很大程度上依赖设计人员的经验，导致模具设计周期长、成本高，且产品质量得不到保证。因此研究铝型材挤压过程的机理和金属流动规律，进而为工艺和模具设计提供理论指导，就显得尤为重要。研究发现，目前实心铝材的挤压模拟多采用有限元法和有限体积法，而针对空心铝材的数值模拟研究较少，因此研究空心型材挤压过程的数值模拟方法，对于合理设计挤压工艺和模具结构、减少试模时间和提高型材质量有着很重要的作用。现以方管铝材的热挤压过程为例，分别采用有限元法和有限体积法进行数值模拟，比较两种方法对于空心型材挤压模拟的模拟精度，为模具设计工作提供参考依据。
2.有限元法与有限体积法建模
利用有限元法对一般空心型材的挤压过程进行模拟时，常由于变形材料在焊合室内无法自接触，材料体积损失过大而造成模拟无法自动中断的问题（见图1）。为有效比较两种模拟方法的模拟精度问题，选择尺寸为50mm×50mm，壁厚4mm的方管为研究对象（见图2）。由于方管截面的对称性，在有限元法模拟时选取1/8截面进行模拟分析，利用焊合面即为对称面的特殊性，避免两股金属流的真实焊合模拟，可得出模拟结果。
方管型材采取平面分流模挤压成形，利用pro/E软件构建了一副四个对称异形分流孔模具如图3所示，设计挤压模具的工作带长度如图4所示。
坯料材料选择Al6063，坯料尺寸Φ200mm×60mm，设置预热温度为480℃；模具材料选择H13，预热温度450℃；选择常摩擦因子模型，m=0.33；挤压速度3mm/s；整个挤压过程的挤压比λ=31400/736=42.67。
对于矩形管挤压过程的有限元模拟，采用DEFORM-3D模拟软件，有限体积模拟则采用MSC Superforge软件。
在保证挤压进入稳定状态的前提下，有限元和有限体积模拟中均设置凸模压下量为48mm；有限元模拟的初始增量步长为0.3mm，由于方管壁厚为4mm，设置网格尺寸为2mm，当变形金属充满焊合室，准备流入工作带时，为保证模拟精度，须对网格进行局部细化，细化尺寸为1mm。同时为保证迭代求解的收敛，避免由于步长过大，使得金属网格刺入模具太深而使网格畸变过大，当金属流入工作带时，取上模的步长为最小网格的1/30左右，这样即使进行网格的重新划分，工件坯料的外形也不至于变形得很严重，使模拟能够顺利地进行下去。模拟过程中网格的重划分标准取最小网格长度的1/2，即0.5mm，在模拟的开始阶段，Newton-Rapson迭代法具有很好的迭代收敛性，模拟进入了稳定阶段，算法改为直接迭代法以缩短模拟的时间。有限体积模拟的网格尺寸为2mm。
3.模拟结果分析
有限元模拟后处理中利用镜像功能将1/8几何外形镜像成整体。有限体积法模拟计算时间总计18小时；有限元模拟计算时间总计54小时，其中挤压初期（变形材料经过分流孔进入焊合室阶段）花费时间20小时，挤压终期（变形材料充满焊合室内并挤出工作带阶段）花费时间34小时。原因在于当变形材料进入工作带后，有限元网格发生严重畸变，需要进行频繁的网格再划分，几乎每模拟一步都得进行网格再划分，有限元模拟计算的绝大部分时间花费在了网格再划分上。
图5为有限元和有限体积法模拟方管铝材的挤压过程，在不同压下量时金属的流动情况。可以看出在成形初期（压下量≤30mm，见图5（a、b）），有限元和有限体积所得到的金属流动情况基本相同。在挤压后期，由于在工作带部分，有限元数值模拟需要进行频繁的网格重划分，导致部分体积流失，使得有限元法模拟时金属的流动比有限体积法的慢（见图5（c、d））。
（a）压下量0mm；（b）压下量30mm；（c）压下量45mm；（d）压下量48mm的XZ视图
由图6给出的有限元和有限体积法模拟的金属流速对比情况可知，有限元模拟时方管制品前沿的流速为98.2mm/s，有限体积模拟时方管制品的前沿流速为105.5mm/s，由于模拟设置的挤压速度为3mm/s，总挤压比为42.67，因此理论上当挤压进入稳定状态后，制品前沿的速度应为3mm/s×42.67=128.1mm/s。这样有限元模拟带来的体积损失为23.34%，有限体积模拟带来的体积损失为17.64%，因此有限体积模拟方管铝型材挤压比有限元模拟的模拟精度要高。
4.结语
在对方管铝管的挤压成形过程进行有限元模拟时，采用几何对称回避了焊合问题，成功模拟出结果，并与有限体积法模拟结果进行对比。通过对挤压过程中金属流速的分布情况对比可见，有限体积法的模拟精度及运算效率都较有限元法的高，因此得出相较于有限元法，有限体积法可更有效地模拟空心铝型材热挤压过程的结论。
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