1 概述

 在现代建筑中随着人们对生活要求的不断提高，对建筑幕墙的要求也随之变化。这使幕墙建筑外观达到更高的审美观的同时，也使其向低碳环保发展。从而使幕墙铝型材的截面形状更趋于复杂。模具设计是铝型材生产的最主要环节^[1]，而模具的成功与否很大程度依赖设计者的经验，而且还要经过试模来验证模具设计的合理性。当模具在试模过程出现与设计者预期不一致的时候，只能对模具修改再进行试模。利用计算机仿真技术可以达到缩短设计周期，减少试模次数和节约生产成本的目的。本文采用Altair公司的HyperXtrude专业铝型材挤压工艺仿真和模具优化有限元软件，对模具设计进行分析，并根据结果修改模具结构。

 

2 几何模型及分析的挤压工艺参数

     挤压工艺参数设置直接影响仿真模拟的效果的准确性，挤压参数越贴近实际参数仿真模拟的效果越准确，同时给设计者提供了与实际相符合的数据，及时根据计算结果优化原有设计方案。型材截面和初始模具如图一、二所示：

 

 

2.1挤压工艺参数

棒料直径： 237mm                         挤压比：27.55

棒料温度：470℃                          挤压机吨位；2750T

模具温度：450℃                          挤压垫速度：36.2mm/sec

坯料与工作带间采用库仑摩擦模型, 摩擦系数取μ= 0.14 ^[1]

 

3仿真模拟结果

3.1流速仿真模拟结果

分流孔不同位置流速截面分布标示图及型材流速分布图：

 

从分流孔流速截面分布标示图可以知道分流孔1和5流速最快，直到铝合金流动到焊合室位置时，其流速还是过快。而其余四个分流孔的流速在截面分布标示图中都比较均匀；在仿真模拟系统中型材在焊合过程，颜色为蓝色的表示流速慢，红色的则为流速快。其中型材的中间筋条焊合速度太慢（红色框选处78mm/sec）。焊合速度最快为型材的蓝色框选处220mm/sec。其余部位平均流速：170mm/sec 。型材流速的不均匀会对型材的成形产生一定的影响，甚至影响模具的实用寿命。

 

3.2模具应力仿真结果

初始模具应力分布云图如图四、五所示：

 

 

从图中数据表明凸模桥位1、2、3所受最大应力为941Mpa，超过了模具的屈服强度，这几个桥位有裂桥的危险；而从凹模最大应力来看模具的强度是足够。计算输出文件的数据中稳定挤压力为1960T 。而所使用的挤压机吨位：2750 T，挤压相对比较容易进行。

 

4根据仿真模拟结果优化设计方案

4.1优化设计方案

 

 

鉴于仿真结果中中间筋条部分流速太慢，影响模具受力不均，甚至影响到型材在生产时成材率。模具设计工程师根据仿真模拟结果，对模具原有设计结构进行了优化调整。主要修改思路是修改中间筋条部分引料宽度（红色框选处），增加此处的供料，提高流速。而其余的地方不作任何修改。

 

4.2优化设计方案后仿真模拟结果

 

模具修改之后的模拟结果，如图七、八所示

 

 

设计方案优化后，模具应力在原来出现应力较大的地方相应减少，而中间筋条部分流速慢的地方因增加引料宽度，使流速加快、，但是变化不是太明显，而流速快的地方因没有进行修改，所以流速仍然较快，因此，最后实际模具试模挤压出来的型材形状达不到图纸要求。

 

5型材模具实际试模与仿真模拟对比分析

实际模具如图九所示：

试模结果如图十一所示。仿真模拟结果与实际试模结果大致相同。从实际试模料头显示和仿真模拟结果显示，还是长矩形侧边流速比较快，即仿真模拟结果中红色部分快。正由于此处流速过快，使此部位的流速和其他部位流速相差较大，造成了该处型材因达不到图纸要求的九十度，名为“射角”的缺陷。而中间筋条部分在料头中知道流速此处相对于其他部位慢，但在型材验收时其部位壁厚在公差合理范围内，因此中间筋条部分不列入修模范围考虑。

 

6结合仿真模拟和实际试模进行修模

修改之后的模具和挤压出来的型材如图十二、十三所示

 

模具返回车间后通过试模和仿真模拟数据相结合，对流速较快的地方（角位），导致“射角“的地方进行烧焊，即在凸模角位舌头处烧焊增加阻流台，降低此角位的流速；把另外两个桥位进行打尖，减少因桥位在该区域的死区，以加快这两个地方的流速；使型材的整体流速更趋向于均匀，提高型材的成形率。

 

7结论

1.   通过有限元分析, 尤其是对金属流动速度场的分析, 证明了HyperXtrude的数值模拟分析能有效指导铝合型材模具的设计, 可提高设计的成功率, 并降低模具的返修次数。

2.   模具设计的实质, 是通过模腔对金属的流动进行控制, 以获得出口速度均匀的型材。从对本型材的模具设计中, 分流孔的布局对金属流动存在一定的影响, 甚至影响模具的使用寿命，而通过数值模拟,获得了金属流动过程较直观的反映, 使设计人员能更好的完善设计思路。

 

8参考文献

[1 ]   吴锡坤. 铝型材加工实用技术手册[M]. 长沙：中南大学出版社，2006.

[2 ]   Altair Engineering. Altair HyperXtrude 9. 0 User’s Manual[ Z] , 2008.

 

 

 

 

 

 

 

 

Optimization Design of Construction Profile Extrusion Die

Wei Chaohua  Luo Yongming

 

Abstract: Based on the aluminum profile die hot extrusion simulation system of HyperXtrude, take construction curtain wall aluminum alloy profile for example, comparing three different analysis of stress field, velocity field and temperature field conditions, for optimizing the aluminum die and ensure the producing guide of the HyperXtrude aluminum profile die hot extrusion simulation system, to improve the mold design level and use life, thereby enhancing production efficiency. The HyperXtrude aluminum profile die hot extrusion simulation system initiates government low-carbon dioxide friendly environmental economic model’s requirement.

Key words: Construction Aluminum Profile  Optimization Design  HyperXtrude  

            Simulation