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散热器型材挤压模具的数值分析
本文TAG:铝型材  数值模拟  HyperXtrude  装配        2013/4/3
作者:陈彪彪  出处:Altair  阅读:1735  推荐:0
设计的某款散热器铝型材挤压模,对试模后的型材进行装配,水平度达不到要求;利用Altair公司的HyperXtrude软件建立有限元分析模型,对初始设计方案的稳态流动过程进行数值模拟,分析了型材出口处的位移、金属流动速度、温度、流动应力以及模具应力,指出模具挤压过程中潜在的问题;提出上模加大促流角,下模加阻流台,修改工作带的改进方案,并进行了第二次模拟挤压,有效地解决了初始模具设计中型材出口速度分布不均的问题,根据模拟结果进行模具修改,使用新模具生产出来的型材合格并可以装配使用;模拟结果与实际挤压结果较好的吻合,通过数值模拟方法,可以指导设计、修改模具。
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铝型材具有比强度高、外形美观、耐腐蚀、易于回收等优点,被广泛应用于建筑、铁路运输、航空航天及通信等领域。铝制散热器是由6063铝合金挤压、焊接或组装而成,已成为现代生活中逐步取代其他散热器产品的首选品种。Altair公司的HyperXtrude是一款模拟挤压工艺、指导挤压模具设计的专业软件,HyperXtrude可以模拟金属或聚合物(如橡胶、塑料)在挤压成型工艺中材料经历的复杂塑性变形、材料流动和传热过程[1]。本文选取实际生产中的一套模具为例,采用基于ALE算法的HyperXtrude软件,模拟金属在模具中的流动,分析了该模具在挤压过程中可能会遇到的问题。

1问题的描述

本文研究的散热器型材,外形尺寸较大,壁厚差大,扁宽形,左右不对称。散热片之间通过牙形咬合装配,对成型精度要求高,其生产难度较大。该产品主要应用于空调上的散热,它具有散热面积大,风冷散热性能优良,外形符合其散热空间的大小的特点。如图1a所示为初次试模的料头。初步判断,型材两边流速快,带螺丝孔的地方流速也较快,中间两条筋位稍慢,导致型材不能很好的成型。图1b所示为试模挤压出来的中段料,经过拉伸矫直后,型材达不到装配要求。图1c所示为型材的装配要求,要求水平度为180 。可见,型材存在的主要问题是形状及尺寸公差问题。

传统的型材挤压模具设计主要依靠工程类比和设计经验,造成大量人力与物力的浪费,而且严重影响生产效率和产品质量。将数值模拟技术引入挤压模具设计中,通过在计算机上模拟试模,数值仿真的方法可以模拟实际的挤压过程,得到速度、温度、应力和应变等现场难以测量的物理量,由此可以判断型材产品有无扭拧、弯曲、波浪等缺陷,从而评价工艺及模具结构设计是否合理,及时修改工艺和设计参数,代替费时费力的试模及返修过程[2-4]。

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2 有限元模型建立

2.1 网格划分

对挤压过程进行数值模拟[5-6]。采用HyperMesh软件对模型进行前处理,工作带和型材出口处用三棱柱网格,模具采用四面体网格,坯料、分流孔和焊合室区域采用四面体网格,分析模型的单元尺寸由材料的变形程度确定,因工作带附近材料变形比较剧烈,单元划分比较细密,而在棒料部分的材料只发生墩粗变形,单元划分较粗,分流孔和焊合室的网格要适当过渡,这样既保证了分析精度,又有效地控制了单元数量,节省了计算时间,有限元网格模型如图2所示,网格参数如表1所示。

表1-1 模型有限元网格信息

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2.2 参数设置

挤压模具的约束通过边界条件进行设置[7~8]。挤压金属为AA6063,模具材料为H13;挤压筒温度设为430℃,模具预热至450℃,金属坯料预热温度取480℃,挤压速度设为5mm/s;模具与金属材料间的摩擦状况:工作带区域使用库仑摩擦模型,摩擦系数取0.3,挤压筒和模具表面用Stick摩擦模型。

3模拟结果分析

3.1位移分布

如图3所示为型材出口的X方向的位移云图。型材蓝色部分往X负方向偏摆,最大位移达到-2.5mm,红色部分向X正方向偏摆,最大位移达到3.028mm。偏摆是导致后续挤压出来的型材不能进行装配的重要原因,可能是由于此处的上下模工作带设计不够合理,导致型材的内外壁不能同时从模孔中流出来。型材的其他部分的位移偏差较均匀,不会对装配有影响。

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3.2流速分布

图4所示为金属流经分流孔、焊合室区域的速度矢量分布图。模孔设计成有一定的宽展角度,金属相当于在模孔中以爬坡的形式向前流动,由于摩擦的作用,靠近模壁的金属几乎粘着在模具表面,金属流动更多的是铝跟铝的摩擦,阻力相对减少很多,由于中间分流孔的面积要小于四周分流孔面积,金属绕过分流桥流入分流孔时,流速也相应较低;当金属流经焊合室时,来自六个分流孔的金属在此聚集,金属延续了分流孔处的流动趋势,表现为周边的流速较慢,而中间的则相对较快,金属一致流向模孔出口处。大量金属的聚集,流动速度也较大,流动金属与模具表面摩擦剧烈,对模孔工作带的损伤也大。

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图5为型材出口速度分布图。流速较慢的区域造成压应力,较快的区域形成拉应力。中间两条筋的流动速度很慢,两个螺丝孔处的金属流速较大,中间部分成型时形成向内拉的力;两边的流速快,过渡区型材的金属流速平缓,为协调两边的流动,导致型材出口变形产生一定扭曲。出口的变形情况与试模的料头较好的吻合。

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3.3温度分布

如图6所示为分流孔、焊合室和工作带处的温度分布。型材两边部位的金属流动较快,金属的热量聚集更多,两边的温度更高;中间部位的金属,受到模芯的阻挡可以及时散热,金属流速较缓慢,因此温度相对较低;在出口工作带处,高温金属通过模孔成型,剧烈的摩擦会产生大量的热量,大部分保留在金属内,一小部分通过模具散热,温度最高。温度梯度的变化,对型材的质量有很大的影响,在温度分界处,极易产生型材挤压后续冷却时的色温,或者组织的不均匀,直接影响型材的质量。

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3.4模具分析

图7所示为模具的应力分布。模具整体应力分布较小并且较均匀,上模的应力比下模的小,应力集中在工作带处。在挤压正方向,模具受到挤压机的压力,型材流出模孔的拉力作用。上模受到挤压垫的挤压力,分流桥受到流动金属的剪切作用,模芯受到两端不等压力的作用,可能会产生偏摆,工作带是薄弱区域,受到流动金属的剧烈摩擦更容易受到损害。下模的工作带在挤压过程中,受到型材的拉应力作用,对悬壁处的工作带影响较大,应力的最大值出现在小悬臂处。

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4 修改

4.1修改意见

通过对数值模拟的分析,初步可以得出结论,中间两条筋的部位供料不足导致了流速缓慢,结合料头出料和模拟情况,对模具做了少许修改,通过对模具的应力分析可知,在工作带处存在局部应力集中的现象。对上模,可以有几种修改方案,首先可以适当加大中间两个分流孔的面积;其次是加大模芯下的倾斜度,使金属更容易往前流;最后是调整工作带。对下模,可以在模孔四边对应处设置阻流台以适当减缓金属流速,适当修改工作带尺寸。

加大分流孔的面积,容易造成流速的大波动,并且考虑到加工因素,故不建议采用;用电火花将下模模芯加大引流比较方便,适当减小中间两条筋部位的工作带高度,中间两条筋的工作带由2.8mm减小到2.4mm;对下模的四边加设阻流台,型材两边的工作带加大0.4mm。如图8所示为修改好的下模。

4.2、修改后的结果

对修改好的模具采用同样的工艺参数进行了稳态模拟。可以发现型材出口速度在出口断面处的速度梯度分布均匀,可以获得端面平齐的挤压件。如图9所示为模具修改后的型材出口流速分布图,经过修改后的模具实际试模后,流速梯度得到了改善。虽然两边稍快,中间还是有点慢,不过符合型材成形要求,可以顺利出材。型材经过喷涂处理后,两个型材可以很好地进行装配,如图10所示为最终的合格型材产品。

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5结论

1. 通过数值模拟,对挤压过程中的型材位移、金属流动速度、温度和模具受力进行分析,发现工作带是影响型材成形的重要因素。

2. 采用上模促流,下模增设阻流台和调整工作带长度的方法,可以有效地调节金属在模具内的流动状况,使型材出口截面速度分布更加均匀,型材的尺寸精度也得到了改善。

3. 通过Altair公司的HyperXtrude挤压仿真软件,模拟金属在模具内的流动情形,可以预测铝型材挤压过程中可能出现的问题,模具工作中可能发生失效的部位,进而有效地指导挤压模具设计。

6 参考文献

[1] 漆伟,曾神昌,洪清泉.HyperXtrude在铝型材挤压行业的应用[J]. Lw2010铝型材技术(国际)论坛文集:640~643.
[2] 谭炽东,刘静安,黄凯. 铝合金挤压工模具技术[M]. 冶金工业出版社. 2009.
[3] 刘静安. 铝合金挤压工模具技术的发展概况与趋势[J]. 铝加工. 2010(01):16~23.
[4] 方 刚,王飞,雷丽萍,曾攀.铝型材挤压数值模拟的研究进展[J].稀有金属,2007,5:682~688. 
[5] Engineering A. Altair HyperXtrude 9.0 User's Manual[S]. 2008.
[6] 黄珍媛,李文芳,吴锡坤等. HyperXtrude在铝型材挤压成形仿真中的应用[J]. 计算机应用与软件. 2010, 27(4): 143-145.
[7] 潘健怡,周照耀,王尧等. 复杂横截面铝型材挤压模具的设计与数值模拟分析[J]. 塑性工程学报. 2010,Vol.17.No.01:46~51.
[8] 吴锡坤. 铝型材加工实用技术手册[M]. 中南大学出版社, 2006.

 

Numerical Simulation and Analysis of Radiator's Extrusion Die
 Chen Biaobiao


Abstract:There is significant demand to reduce variations in the shape and mechanical properties of aluminum extrusion process to meet tighter tolerance requirements. In this article, aluminum radiator extrusion die has designed, profiles were assembled after tryout, but level degrees below standard; In order to find the specific reasons, numerical simulation was carried out to the initial design, finite element analysis model was established, steady state extrusion process were simulated, to study how the process parameters influence the extrusion condition, profile exports displacement, the metal flow velocity, temperature distribution, metal flow stress and die stress were analyzed. by analyzing, increase promote flow angle in up die, add baffles on the lower die and modify bearing length programs were proposed, then re-modeling and virtual simulation second time, the result shows effectively solve the initial die design problem which was non-uniform velocity distribution, final revamp the die and put into production. The final profiles produced were qualified and can be assembled to use. Simulation results good agreement with the production, by numerical simulation method, we can guide the die design and modified, instead of the tryout and rework process like before.
Key words:Aluminum  Numerical Simulation  HyperXtrude  Assembly

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