復(fù)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(yīng)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(dǎo)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(fù)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(fù)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(xué)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(fù)雜、斷面尺寸大、力學(xué)性能高的特點，材料在變形中的流動行為復(fù)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(fù)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(dǎo)。
　　本文首先針對帶有大長懸臂的復(fù)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(dǎo)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(qiáng)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(yīng)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(fù)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(biāo)、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(qiáng)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(yīng)曲面方法，建立了目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)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(yīng)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(qiáng)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(fù)雜鋁合金型材，本文首先進(jìn)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(biāo)，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(dǎo)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(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，詳細(xì)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(yīng)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(jìn)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(xué)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(jī)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(fù)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(jī)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(jìn)行了逐步建模，開發(fā)了復(fù)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(fù)雜截面鋁合金型材擠壓分流組合模具進(jìn)行了CAD設(shè)計，進(jìn)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(jìn)行局部優(yōu)化，能夠獲得使出口型