门企铝型材挤压过程数值模拟及模具结构优化研究

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铝合金材料具有比强度高、不易被腐蚀、易表面处理、密度小、高的回收利用性、导热性能好等优异性能,广泛应用在各行各业。在铝合金挤压工模具的设计中,采用传统的理论设计模具已无法满足铝合金挤压大型化、复杂化、精密化的发展趋势。而现今,采用数值模拟技术来研究挤压成形过程和优化模具结构已是主流。门企是一种用在窗户和门框的铝型材。本研究以门企分流组合模为案例,采用有限元软件HyperXtrude,求解分析挤压稳态过程。模拟结果显示型材出口流速均匀,上模分流桥根部会产生应力集中,其平均最大等效应力为1543Mpa,超过了H13钢的屈服强度。在实际挤压生产中,上模分流桥根部会产生裂纹导致模具失效,此模拟结果与实际挤压结果一致,验证了模拟的可行性和准确性。同时分析了分流桥根部开裂的原因,由于上模进口芯部处金属“死区”区域过大,使得挤压突破压力较大;分流桥底部的“拐向设计”,导致桥根部横向两侧的变形不均匀,产生了应力差;而分流桥根部处在截面变化的区域,容易产生应力集中,导致分流桥根部开裂失效。针对原始模具设计不足之处,本研究以降低挤压突破力和模具应力为目的,提出两种模具结构优化方案,即方案一——沉进口方案和方案二——蝴蝶桥方案,采用与原始方案同样的参数对两种方案进行有限元模拟,并与之对比,分析两种方案的结构优化效果。最后以方案一为算例,分析了不同挤压速度对挤压过程的影响。根据模拟结果对比,我们得出优化方案一——沉进口方案的改善效果较好,其中挤压力降低了5.5%,分流桥根部的平均最大应力降低了9.1%,下模最大应力降低了20.7%。同时随着挤压速度的增加,型材出口流速值、挤压力、模具变形、模具应力以及模具型材温度不断增大。此种模具结构对于提高模具寿命具有实际意义。
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