復雜鋁合金型材擠壓過程數(shù)值建模與模具優(yōu)化設(shè)計方法研究.pdf

1、鋁合金型材是應用最為廣泛的鋁合金產(chǎn)品，世界各國均將鋁合金型材擠壓技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)作為重點發(fā)展方向之一。鋁合金型材擠壓技術(shù)是擠壓筒內(nèi)的鋁錠材料在外力作用下發(fā)生塑性變形、流經(jīng)擠壓模具的導流室、分流孔、焊合室、工作帶并最終形成所要求的截面形狀的鋁合金型材的過程。鋁合金型材擠壓過程是一個復雜的大變形、高溫、高壓、摩擦等條件下的非線性熱力耦合成形過程。
　　鋁合金型材是實現(xiàn)高速列車、汽車、船舶、航空航天器等的輕量化和性能提升的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，目前

2、正在向高性能、大型化、復雜化、精密化、多品種、多規(guī)格、多用途方向發(fā)展，對鋁合金型材的結(jié)構(gòu)、力學性能、組織性能等的技術(shù)要求日益苛刻，這類型材具有中空薄壁、斷面形狀復雜、斷面尺寸大、力學性能高的特點，材料在變形中的流動行為復雜，增加了模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料流動行為分析和工藝模具參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計的難度，若模具設(shè)計和工藝參數(shù)選擇不合理，則極易造成型材扭擰、波浪、彎曲、開裂等缺陷，并影響模具使用壽命。因此，迫切需要研究鋁合金型材擠壓過程的數(shù)值建模方法，

3、研究材料變形規(guī)律，揭示工藝與模具參數(shù)的影響規(guī)律，探討復雜截面型材的模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法等，以便為鋁合金型材質(zhì)量控制提供理論指導。
　　本文首先針對帶有大長懸臂的復雜鋁合金型材擠壓過程中存在的常規(guī)平?；?qū)Я髂＝Y(jié)構(gòu)設(shè)計容易導致模具懸臂部位損壞的問題，提出并建立了一種偽分流模具結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及其長懸臂梁分解技術(shù)，建立了長懸臂梁鋁合金型材在偽分流模具中的擠壓變形數(shù)值模型，對比分析了常規(guī)模具設(shè)計與偽分流模具設(shè)計對鋁合金型材擠壓速度分布、溫度分

4、布、材料粒子運動軌跡等的影響規(guī)律，研究了不同模具結(jié)構(gòu)對其強度的影響規(guī)律。研究表明，采用偽分流模具不僅能夠大幅度降低模具應力，而且通過材料流動優(yōu)化可獲得良好的材料流動規(guī)律和型材質(zhì)量。最后總結(jié)提出了偽分流模具結(jié)構(gòu)的一般設(shè)計原則和方法。
　　復雜鋁合金型材往往需要二級焊合，本文研究了具有二級焊合室的鋁合金型材擠壓過程數(shù)值模擬建模方法和擠壓模具二級焊合室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，針對某一典型鋁合金型材，建立了以模具工作帶出口處型材截面流動速度均勻

5、性為目標、以二級焊合室的形狀和高度為設(shè)計變量和以滿足模具強度校核為限制條件的二級焊合室優(yōu)化模型。采用Box-Behnken試驗設(shè)計方法，建立了基于HyperXtrude的鋁合金型材擠壓過程的數(shù)值模型，分別獲得了不同試驗設(shè)計時的型材出口處流速、溫度等場量的分布規(guī)律，采用響應曲面方法，建立了目標函數(shù)的響應曲面公式，并采用遺傳算法作為優(yōu)化方法，實現(xiàn)了基于響應曲面法和遺傳算法的擠壓模具二級焊合室的優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化獲得了型材出口速度分布相對均勻的二

6、級焊合室的結(jié)構(gòu)尺寸，保障了鋁合金型材的擠壓質(zhì)量且滿足模具結(jié)構(gòu)強度要求。
　　高速列車車體壁板型材多為寬體多腔、薄壁超長的大截面型材，型材材料多為AA6N01和AA7N01，針對這類大斷面復雜鋁合金型材，本文首先進行了AA6N01和AA7N01鑄錠材料的熱模擬實驗，分別建立了材料的本構(gòu)關(guān)系模型，檢驗和分析了鑄錠材料的微觀組織。研究了高速列車車體壁板鋁合金型材擠壓過程數(shù)值建模方法，設(shè)計了壁板型材擠壓模具，以型材出口處流速為優(yōu)化目標，研

7、究揭示了模具結(jié)構(gòu)形狀對型材截面流速、筋部供料等的影響規(guī)律，分析了導致型材彎曲和扭擰變形的根本原因，對擋塊、焊合室結(jié)構(gòu)等進行了優(yōu)化設(shè)計，詳細分析了材料在優(yōu)化模具中的擠壓變形行為、流線分布、溫度分布以及模具變形和應力分布等，總結(jié)給出了壁板型材擠壓模具優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，進行了實際生產(chǎn)擠壓實驗，驗證了模具設(shè)計和工藝參數(shù)選擇的正確性，分別研究和對比了型材制品在擠壓方向、橫向和筋部的力學性能、顯微組織和斷口形貌，并揭示了型材在不同方向上的試樣斷裂機制，

8、結(jié)果表明，采用優(yōu)化設(shè)計的分流模具和選擇的擠壓工藝參數(shù)能夠獲得質(zhì)量優(yōu)異的車體壁板型材產(chǎn)品。
　　針對目前復雜截面鋁合金型材擠壓模具設(shè)計仍然依賴設(shè)計者的經(jīng)驗和缺少計算機CAD設(shè)計系統(tǒng)的問題，本文研究了鋁型材平面分流組合模的設(shè)計流程和關(guān)鍵技術(shù)，運用反推分析法，從模具結(jié)構(gòu)向工藝參數(shù)反推，構(gòu)建平面分流組合模CAD系統(tǒng)總體框架，分析了分流組合模具結(jié)構(gòu)實體建模方法，實現(xiàn)了各個模塊的具體設(shè)計，采用UF對象模型進行了逐步建模，開發(fā)了復雜截面鋁合金型

9、材分流組合模具CAD系統(tǒng)?；谠揅AD設(shè)計系統(tǒng)，對一典型的復雜截面鋁合金型材擠壓分流組合模具進行了CAD設(shè)計，進行了擠壓過程數(shù)值建模和分析，研究揭示了擠壓材料的流動規(guī)律和型材截面變形扭擰狀態(tài)，通過對引流槽、擋塊、工作帶的局部修正，優(yōu)化獲得了出口截面流動速度相對均勻的優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和形狀。結(jié)果表明，采用本文開發(fā)的平面分流組合模CAD系統(tǒng)設(shè)計的模具形狀完全可以作為初始模具設(shè)計方案，根據(jù)擠壓過程數(shù)值模擬結(jié)果并對模具進行局部優(yōu)化，能夠獲得使出口型