数值模拟技术在热挤压模具中的应用.docx
《数值模拟技术在热挤压模具中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数值模拟技术在热挤压模具中的应用.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
数值模拟技术在热挤压模具中的应用
内蒙古科技大学
本科生课程论文
题目：
数值模拟技术在热挤压模具中的应用
学生姓名：
学号：
专业：
班级：
指导教师：
数值模拟技术在热挤压模具中的应用
杨博
（内蒙古科技大学材料与冶金学院内蒙古包头014010）
[摘要]：
工程领域内常用的数值模拟方法主要是有限单元法。
利用数值模拟分析软件可以得到满足金属热挤压成型工程要求的数值解，解决金属热挤压成型工程中的结构分析问题且可缩短设计周期，降低设计成本。
文章主要介绍有数值模拟技术在热挤压模具中应用的概念、功能和典型应用。
同时对国际上数值模拟在热挤压模具等金属成型方面的的发展方向进行简要分析，并对国内其分析系统的发展前景进行了展望。
[关键词]：
热挤压；模具；数值模拟；应用
Theapplicationofnumericalsimulationtechnologyinhotextrusiondies
YangBo
（InnerMongoliauniversityofScienceandTechnology,Materialsandmetallurgyinstitute,InnerMongolia,Baotou,014010）
[Abstract]:
FiniteElementAnalysis（FEA）isamajormethodforaigitalvaluesimulationmainlyusedinthefieldofengineering.WecangettheDigitalvaluesimulationmettheneedsformetalhotextrusionmoldingengineering,andsolvetheproblemsforconstructionanalysisinmetalhotextrusionmoldingengineering,shortentheperiodandreducethecostofdesign.Thispapermainlyintroducestheconceptfunctionandtypicalofapplicationnumericalsimulationtechnologyinhotextrusiondies.Atthesametime,brieflyanalyzedofdevelopmentdirectionfortheinternationalnumericalsimulationinthehotextrusiondiesofmetalformingandmakealookingintothedistanceofthedevelopmentofdomesticDigitalvaluesimulationanalysissystem.
[Keywords]:
Hotextrusion;Mould;Digitalvaluesimulation;Application
金属成形过程非常复杂，不能像常规机械设计那样进行比较精确的设计计算。
现代制造业对塑性成形工艺分析和模具设计方而的高要求使得数值模拟技术在这一领域得到了广泛的应用。
通过在计算机上描述整个挤压成形过程，计算分析成形过程中影响较大的一些因素，通过逐步修改逼近过程，以检查模具设计是否合理，以避免起皱、充填不满、自山边变形不合要求等缺陷。
通过图象终端对分析结果及影响因素进行反复修改，以趋近最佳结果.最终达到代替或部分代替试验工作，提高设计效率和产品质量，节约资源以及人力、物力的目的。
1、数值模拟技术及热挤压模具的定义及概念
1.1数值模拟技术
1.1.1数值模拟技术的定义
数值模拟也叫计算机模拟。
它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。
数值模拟是在建立反映真实状态的本构方程基础上，在符合实际工作状态的边界条件下，采用某种数值方法计算分析研究力学性状的一种方法。
下图为数值模拟技术要框图【1】。
图1数值模拟技术系统简要框图
Figure1numericalsimulationtechnologysystembrieflydiagram
1.1.2数值模拟工具
目前所用的数值模拟工具在CAD/CAM方而有美国的ComputerVision公司开发的CDR4000系统，日立公司开发的多工位连续模CAD/CAM软件，国际上在板材成形方而有一定影响的有限元软件大约有60套，其中约有20套达到了商业化，其余的主要应用于大学。
各类软件又各有自己的所长，比如DEFORM软件主要是用于模拟体积成形问题，以及成形过程中的组织变化。
DYNAFORM则用于模拟板料成形。
ANSYS则是一种通用有限元分析软件，对各种成形问题都能模拟，但使用较为烦琐.在实际工作中应根据根据情况选用。
1.1.3数值模拟包含的步骤
首先要建立反映问题（工程问题、物理问题等）本质的数学模型。
具体说就是要建立数值模拟和数值学术交流会来反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。
这是数值模拟的出发点。
没有正确完善的数学模型，数值模拟就无从谈起。
牛顿型流体流动的数学模型就是著名的纳维—斯托克斯方程（简称方程）及其相应的定解条件。
数学模型建立之后，需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算方法。
由于人们的努力，目前已发展了许多数值计算方法。
计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件处理等。
在确定了计算方法和坐标系后，就可以开始编制程序和进行计算。
1.2热挤压模具
1.2.1热挤压模具的定义及概念
热挤压是塑性的金属坯料在压力的作用下通过挤压模具型腔形成所要求形状的型材或管材的过程。
热挤压模具是在高温、高压、磨损和热疲劳等恶劣条件下服役的磨具。
热挤压模具主要由挤压筒、压头、挤压顶头、垫块、凹磨和心棒（用于挤压管材）等主要部件组成。
热挤压模具的失效，主要是破裂、磨损、冲刷腐蚀、过热和热疲劳裂纹等原因造成的。
1.2.2模具的设计制造过程
模具设计和制造是模具生产过程中的两个不同的阶段，模具设计是一个很复杂的过程。
模具制造的基本工艺路线如图2所示，首先，根据制品的零件图或者实物进行估算，然后进行模具设计、零件加工、装配调整、试模，直到生产出符合要求的制品。
这个过程的时间、费用都是很高的，而且设计制造一副新模具的周期也很长，每制造一副模具，都必须从设计开始，大约需要一个月甚至几个月的时间才能完成，设计、制造周期都很长，然而在现代化生产模式下，企业与企业之间的竟争激烈，时间就是金钱，时间就是生命，因此时间对一个企业来说就显得极为重要。
如果在企业的模具设计制造的过程中引人数值模拟这个环节，就可以大大缩短模具的生产周期，从而降低模具的生产成本【2】。
图2模具制造的基本工艺路线
Figure2basictechnologyofmouldmanufacturingroute
2.数值模拟技术在热挤压等金属成形中的应用与发展
2.1数值模拟技术在热挤压等金属成形中的应用经历
目前国内外研究者对数值模拟在挤压成形中的应用做了大量研究，Duan等应用分析软件FNRGE2和FORGE3对挤压工艺进行了数值模拟研究，在尺度效应、多孔模设计以及等温挤压的研究中发挥了重要作用【3-5】。
Zhou等利用有限元软件DEFORM一3D进行了挤压工艺的模拟，分析了铝合金6061和7075的整个挤压过程挤压载荷的变化规律，等温挤压以及挤压速率和型材温度的关系等，并目_都通过了实验验证。
王锐等利用自主开发的软件AE-FVNI分析了典型薄壁铝型材挤压过程进行了模拟和模具优化。
近年来，数值模拟技术得到了迅猛的发展，已应用到国民经济各个领域。
它在塑性成形技术中的应用主要基于20世纪80年代发展起来的有限元数值计算方法。
80年代旱期，美国Battelle研究室在美国空军的资助下开发的有限元程序是塑性成行数值模拟技术的开始。
当时该技术只能分析平面问题和轴对称问题，不能划分网格，也没有考虑非线性问题。
但到1985年，美国已经有6家大公司使用该软件。
随后几年，开发人员将程序逐渐完善，发展成为商品化分析软件DE-FORM。
后来许多分析软件如:
ANSAYS、ABAQUS等也如雨后春笋般出现，数值模拟软件进入了快速发展时期。
当前塑性成形过程模拟在工业发达国家已经进入实用阶段。
正是由于计算机数值模拟技术已经走向实用阶段，经典的塑性加工理论真止达到了实际使用，使得塑性成形成为一门真正的科学。
通过数值模拟，可以回答经验设计时无法回答的问题，了解金属塑性成行的全过程，包括金属成形过程中各阶段材料一的填充情况、材料一变形的趋势、材料一内部的应力、应变、应变速率、成形载荷及速度矢量场。
这对金属塑性成形工艺设计、模具设计、金属毛坏的设计、压力机的选择以及成形质量的控制等具有很大的现实意义【6】。
因此，国际国内许多学者都对塑性成行过程的数值模拟进行了大量的研究，并取得了许多研究成果。
如美国二大汽车公司在汽车覆盖件模具设计制造中，都要求在设计完成后必须经过计算机模拟检验，才能投入试验软模的制造【7】。
2.2数值模拟技术在热挤压模具等金属塑性成形中的应用发展方向
（1）提高模拟的效率和精度塑性成行涉及到材料—载荷和边界条件的非线性，各种物理场的耦合等，因此属高度静不定问题，求解过程非常复杂，计算时间很长，提高计算效率是实现设计一分析的关键。
并且随着分析问题复杂性的增加，需要后处理的海量数据。
如何在知时间内完整有效地处理这些数据，就必须研究效率问题和涉及到可视化技术。
’
（2）提高分析模拟能力未来的塑性成行计算机模拟应该是变形、温度和微观组织演变的全面模拟，不但要求获得塑性成行过程中工件和模具的位移场、速度场、应变场、应力场和温度场，还能顶测工件微观组织和性能的变化，如结构的演化，微观损伤的形核、长大和聚合的过程，热加工中再结品的品粒度等。
同时利用计算机图形技术将这些分析结果直观地展现，从根木上改变以往由于缺乏对塑性成行过程的科学分析手段而只能凭经验设计模具的状况。
（3）CAD-FEM-CAM接口的研究理想情况是CAD模型可方便地转换为EFM分析模型，而在分析过程中对儿何参数的任何修改又可直接转换到CAD模型中，再由CAD到CAM。
并且这些转换都是“无缝”连接，无论是通过数据转换文件还是单一数据库，都不应有数据的丢失;数据的流向不是“单向”的，而是双向“互通”随时互相反馈，这样可实现设计一分析一制造的一体化和自动化。
（4）塑性理论发展目前我们对塑性的本质机理认识还不够，没有一种理想的物理模型或数学模型能圆满准确地描述塑性成行的基木过程。
虽然近年来发展的超塑性理论完善了塑性成形的本质机理，但还是停留在一个浅的层次，如对塑性成行中的摩擦效应就认识不够【8】。
（5）物理模拟与数值模拟的互相结合物理模拟有数值模拟方法难以替代的作用。
目前国际上止是朝着物理模拟与数值模拟方法互相结合的方向发展。
欧盟的许多塑性成形科研攻关项目都采用物理模拟为主要手段，兼以数值模拟手段和实测检验而我国近年来在物理模拟方面研究有所忽视，企业界应用不多。
应该注意的是，计算机方法的使用离不开实验背景，而物理模拟是建立在实验基础上的，还可以用于检验数值模拟结果的有效性。
适当开展物理模拟方法的研究和开发应用，既有利于提高生产效率、降低模具制造成木，也会避免这方面的研究少走弯路。
3.典型数值模拟在热挤压模具中的应用实例
3.1TC4钦合金框类零件热挤压数值模拟及工艺优化
钛合金热挤压属于二维大变形过程，成形过程中工件的弹性变形在整个变形中所占比例很小，所以一般采用刚塑性模型来进行模拟，忽略材料的弹性变形。
金属塑性成形有限元模拟中，基于有限体积的Euler方法描述的固定空间，材料流动时网格并不变化，无论材料发生多大的变形，不需进行网格重化，这样很好的避免了网格再发分的问题。
Msc/Superforge是基于Euler有限体积法的有限元软件在模拟热挤压变形时采用的是刚塑性模型。
本文运用该软件对某框类零件热挤压成形过程中的载荷曲线、温度场分布、等效应变分布等方而进行分析研究，评价工艺方案的可行性并得出适合的工艺参数【9】。
结果：
（1）运用有限元软件Msc/Superforge模拟了整体热挤压成形和分段热挤压成形两工艺方案成形过程。
从模拟得出的零件等效应变分布、温度场变化、载荷曲线可以看出整体热挤压成形该零件，将出现折皱，零件成形困难等缺陷，该工艺方案不可取;分段热挤压成形效果良好，适合制造该零件。
（2）通过模拟优化分段热挤压工艺，得出以挤压温度920℃、挤压速率3mm/s为成形该零件的合适条件【10】。
3.2高温合金热挤压过程的数值模拟和一分析
某些难变形的高温合金如GH742,GH698等因塑性很差，很容易在普通的开坯锻造时开裂，材料利用率很低，最好需要在三向压应力状态的热挤压工艺进行开坯。
粉末高温合金采用热挤压工艺比采用国内常用的热等静压处理能更有效地提高粉末高温合金的组织和性能。
难变形高温合金及粉末高温合金的热挤压工艺过程与常见的铝合金、铜合金的热挤压L17不同，其变形抗力大，挤压变形温度高，而且对应变速率十分敏感，为了保证其热挤压的挤压筒和模具有足够的高温强度和其他耐高温性能，需要对难变形高温合金及粉末高温合金的热挤压开坯的工艺过程在不同的工艺参数条件下进行有限元法模拟计算，得到热挤压的变形过程、温度场分布及挤压筒的应力场、温度场，为挤压筒及模具的材料选择和结构设计提供依据。
Marc2005有限元软件对变形高温合金GH4169热挤压、FGH95的不锈钢包套热挤压过程进行了温度场耦合的刚塑性和弹塑性有限元法数值模拟计算和分析，在模拟计算和分析中已考虑了高温合金材料在挤压变形时的塑性功转化为热量、挤压坯料与挤压筒和模具间的摩擦、摩擦生热及接触热交换等热边界条件，得到了不同挤压参数条件下GH4169高温合金、FGH95粉末高温合金的等效应变场、塑性应变速率场、温度场等数值结果，因此能够较容易地进行高温合金挤压筒和挤压模具的强度计算和校核。
结果：
（1）高温合金热挤压时挤压锥角、挤压速度对挤压变形过程的影响很大，依靠有限元法模拟分析计算可得到高温合金和粉末高温合金的挤压过程的应力场、应变场、应变速率场、温度场的分布的数值和变化情况，并确定出合适的挤压工艺参数。
（2）粉末高温合金不锈钢包套热挤压时，不锈钢包套能起到明显的保温作用，但不锈钢包套容易破裂。
（3）在确定高温合金及粉末高温合金的热挤压温度、挤压速度时，必须考虑到其屈服应力对速度、应变速率的敏感性，热挤压过程中挤压坯料与挤压筒和挤压模具接触、摩擦所带来挤压筒和模具温度的升高，挤压筒本身的强度等问题【11】。
3.3AZ80镁合金变形特性及管材挤压数值模拟研究
利用Gleeble热模拟机研究了AZ80合金的高温变形特。
结果表明，流变应力取决于变形温度和变形速率。
当应变速率一定时，流变应力随变形温度的升高而降低;当温度一定时，流变应力随着应变速率的升高而增大。
根据AZ80镁合金真应力一真应变曲线，建立了其流变应力模型。
采用刚塑性有限元法对AZ80镁合金管材挤压过程进行热力耦合数值模拟，并分析了高温挤压成形过程中变形力及金属流动规律，着重探讨了变形温度和挤压速度等挤压工艺参数对挤压力、应变场以及应力场的分布及变化情况的影响。
模拟的结果为AZ80镁合金管材挤压工艺参数的制定、优化提供了科学依据【12】。
变形镁合金AZ80强度高且具有相当高的延展性以及良好的耐腐蚀、耐氧化性和良好的焊接性能。
因此，AZ80镁合金可以制成板材、带材、型材、棒材、管材、锻件和模锻件等用来制造中等载荷的零件和结构。
此外，板材还可以用作飞机及导弹的蒙皮、壁板及内部构件。
但是由于镁合金为密排六方结构，其变形性能较差且零件的塑性成形比较困难。
因此，对塑性变形比较困难的镁合金而言，往往是借助数值模拟技术先对金属成形过程进行模拟，通过模拟发现热变形过程中可能出现的工艺问题，这样可以大大降低研制周期和研制成木，并为工业化生产确定工艺提供依据。
本文对AZ80镁合金进行等温热压缩以获得在不同温度、不同应变速率下的应力一应变曲线，并根据实验数据建立流变应力模型。
利用有限元软件对金属挤压过程进行数值模拟，获得最佳的变形温度和速度为模具设计、变形温度、变形速度和挤压设备的选择提供科学依据。
结果：
（1）AZ80镁合金在高温变形时的流变应力取决于变形温度和变形速率。
应变速率一定时，随变形温度的升高而降低;温度一定时，流变应力随着应变速率的升高而增大。
高温变形时的流变应力模型为:
（2）挤压变形过程分为二个阶段:
开始阶段、稳态阶段和终了挤压阶段。
开始阶段，挤压力在坯料未充满凹模型腔时逐渐增大，当坯料充满凹模型腔流出工作带一段距离时挤压力达到峰值;在此后的稳态阶段时，挤压力变化不大，并且缓慢减小。
（3）在AzBo镁合金管材挤压过程中，在其它条件相同的情况下，随着变形温度的升高，最大等效应力明显减小，其分布也趋于均匀化，同时挤压力也随之降低。
因此最后拟选变形温度为350℃
（4）在AZ80镁合金管材挤压过程中，在其它条件相同的情况下，随着变形速度的增大，变形不均匀性增大，而挤压力随之降低。
因此拟采用挤压速度为10mm/s
3.4铝合金拉杆热挤压过程数值模拟
分析了铝合金拉杆的热挤压成形工艺及模具设计。
新工艺采用杆部反挤头部正挤的复合热挤压工艺进行生产，使材料利用率和生产率大大提高。
运用Deform-2D软件对铝合金拉杆零件热成形过程进行了数值模拟，通过数值模拟获得铝合金拉杆挤压过程中材料内部温度场、应变场、塑性应变场等参数的变化规律。
实际生产试验结果表明，对棒料进行热挤压成形是可行的。
铝合金材料不仅导电导热性好、力学性能优良，而且比强度高、密度小，因而在高压电器零部件的制造中，除采用铜及其合金外，大量采用铝合金。
综合性能要求较高的一类功能件，如拉杆、接头、导体等，通常采用铝合金挤压棒经切削加工制成，常用的合金材料是2ASOo2A50合金在热态下具有良好的可塑性，工艺性较好，并可通过铸造、挤压等变形工艺改善组织，提高性能，还可以作热处理强化。
因而，目前已成为高压开关类零部件的首选材料。
挤压过程中变形材料的流变特征、应力、应变状态等参数不仅对挤压制品的组织与性能有显著影响，而且与挤压工模具的受力、磨损及使用寿命有着密切联系。
热挤压时挤压筒、挤压杆、穿孔针及挤压模具等均与工件直接接触，受力复杂，磨损严重。
因此，在实际生产中对挤压工艺、挤压工模具的选材与结构设计提出了更高的要求。
高速成形是现代材料加工行业追求的目标之一。
在保持挤压温度和变形程度不变的情况下研究温度、挤压速度对变形过程的影响，对快速挤压技术的发展意义重大。
因此，本文采用Deform-2D有限元软件，对铝合金拉杆热挤压过程进行了数值模拟分析，研究了温度、挤压速度对变形过程中热力学参数的影响规律【13】。
结果：
通过数值模拟获得铝合金拉杆挤压过程中材料内部温度场、应变场、塑性应变场等参数的变化规律。
分析结果表明，随着初始温度、挤压速度的提高，变形材料内部的温升和等效应力明显提高。
而分析结果可为实际挤压工艺的制定与挤压模具的设计提供参考。
3.5提高热锻模寿命的研究
通过采用DEFORM3D三维有限元分析软件对万向节叉热成形过程凸模进行数值模拟研究，可得如下结论【14】:
（1）在加工过程中，提高润滑质量，改进冷却方式，使模具能得到充分润滑、
冷却，可减小模具表层温度升高和热扩散层深度，提高模具使用寿命。
（2）适当提高锻压设备速度，使坯料与模具表层的传导时间缩短，可有效地减
小模具表层温度升高和热扩散层深度。
（3）为提高模具使用寿命，模具表面硬化层深度应大于其软化层深度。
（4）选用优质模具钢，提高其红硬性和回火稳定性，可有效地提高模具的使用
寿命。
（5）在模具表面涂覆硬化层，抵消部分热扩散的影响，可防止模具过早软化
4.展望
根据金属成形的实际情况，通过合理地简化模型并选择合适的数值模拟工具进行开发和研究，设计者能够比较容易地调整温度、摩擦系数、成形速度、下料尺寸、模具设计等参数，以获得比较满意的成形效果，然后再投入试验，可极大地提高工艺设计效率.同时，使设计者获得实际制造过程中那些和设计密切相关的参数，如挤压力、接触应力、以及挤压过程金属的流动情况等，为今后的理论分析打下了坚实的基础。
5.结论
（1）通过数值模拟技术可以有效的将热挤压工艺过程数学模型化，给问题的求解带来了很大的方便并推动了新技术的发展和应用。
（2）数值模拟技术在热挤压模具中的应用具有普遍性并不会因为材料不同而限制，可以使得问题的处理过程更系统更方便。
（3）数值模拟可以直观的反应热挤压模具过程中的温度场，力，力矩等参数的动态变化并以图表的形式反映出来。
从而可以更容易对工艺过程进行设定和调整。
（4）通过数值模拟可以更清楚的了解问题的本质，给热挤压模具的制造应用等工艺优化带来很大的提高。
（5）数值模拟技术在热挤压模具中的应用可以很大的提高模具的精度，寿命等性能。
参考文献
[1]陈昆，陈定方，张博，陈沛.数值模拟技术在金属成形过程中的应用[J].湖北工业大学学报，2007，（6）:
64一66
[2]尹红灵，委臻亮，孙吉先.数值模拟技术在新产品模具设计中的应用[J].模具技术，2003，（5）:
5一8
[3]DuanXJ,VelayX,SheppardT.Applicationoffiniteelementmethodinthehotextrusionofaluminiumalloys[J].Mater.SciandEng.A,2004,369:
66
[4]PengZ,SheppardT.Individualinfluenceofformingparametersonsurfacerecrystallizationduringaluminiumextrusion[J].ModelingSmiulMaterSciEng.,2004,12:
43
[5]PengZ,SheppardT.Smiulationofmulti-holedieextrusion[J].Mate.rSciEng.A,2004,367:
329
[6]崔丽华,王宝雨,胡止寰.数值模拟技术在塑性成形中的应用与发展[J].机械制造，2005，（10）:
17一18
[7]董湘怀，黄树槐，李志刚，夏巨湛，李德群.塑性加工技术的发展趋势[J].中国机械工程，2000，（9）:
1074一1077
[8]王克智，杜庆柏，马世宁.我国塑性加工摩擦学研究展望[J].中国表面工程，1995，
（1）:
33一37
[9]JIA,尼克里斯基.钛合金的模锻与挤压[M].北京:
国防工业出版社.1982
[10]林尧，陈伟，陈明和，李枫.TC4钛合金框类零件热挤压数值模拟及工艺优化[J].宇航材料工艺，2001，（3）:
26一29
[11]林好转，郭灵.高温合金热挤压过程的数值模拟和分析[J].高温合金化合物738一744
[12]李庆波，周海涛，刘志超，温盛发.AZ80镁合金变形特性及管材挤压数值模拟研究[J].金属铸锻焊技术，2010，（3）:
31一35
[13]
升级会员 