第一章 绪 论
1.1 引言
铝型材作为一种密度小、光泽度高易着色、耐腐蚀、外形美观、可塑性好、强度大、不易氧化、易回收的金属材料，具有其他金属不具备的优点，目前被广泛运用于机械、建筑、航空、汽车、冷凝器等行业[1]。 随着全球铝型材产品用途的不断增加，世界各国对铝型材的需求量也越来越大[2]。进入 21 世纪，从产能来看，世界上有 95 个国家或地区生产企业约 2000多家，其中我国的铝型材产品的生产占全球总产能 50%以上，稳居世界第一。世界铝型材的消耗量逐年增长，且增长的速度超过 7.5%，预计 2016 年全球铝型材消费量将超过 2000 万 t。从地区来看，我国对铝合金产品的越来越依赖，而欧洲和美国等发达国家的消耗量呈现下降的趋势，截至 2009 年，我国消费量占世界总量的 47%，而欧洲、日本、美国和分别仅占 21%、6%、5%。预计在未来 10年，我国铝型材的消费量将持续的增长，铝型材产品在世界的占比将继续增加，而目前在建筑方面铝型材生产成本较为透明，产品的附加值不高[3]。因此，如何增加附加值的同时使生产制造符合低碳环保的要求，是当下铝型材行业的发展的使命。 对于铝型材挤压技术而言，模具的设计结构参数和挤压参数由为重要，合理的设计能够要保证型材的质量、缩短生产周期。当下中国铝型材产品的消耗量越来越大，但挤压成型的技术还处于相对落后的阶段，模具的设计结构和工艺参数的选择大多还是依靠设计员的经验水平，需要进行反复的试模和修模后才能投入生产[4]。这样一来难以保证模具的寿命和产品的质量，同时这种生产方式大大降低了铝加工企业的生产效率。所以改善传统的挤压模的设计方法，提高其开发速度、节省开发成本，已成为铝型材成型工业生产发展的急切需求。计算机辅助工程 CAD/ CAE/ CAM 系统一体化技术的运用，大大提高了挤压模具制造精度，提高模具的设计效率，从而有效的减少试模和修模的次数、缩短生产周期、降低生产成本，使得有限元数值模拟分析技术的运用成为趋势[5]。
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1.2 铝型材挤压成型技术概述
铝型材挤压成型技术是将铝棒或坯料通过热熔、挤压使其从模具模孔中流出获得金属材料型材截面模型[6]。铝型材挤压成型原理图如图 1-1。在挤压过程中，将预热的铝型材棒料放入挤压筒内，通过挤压机强大的压力作用下，挤压杆和挤压垫片将力传导到棒料，迫使棒料发生塑性变形从模孔挤出，从而得到拥有一定力学性能的铝合金挤压型材的形状和尺寸[7]。 铝型材挤压成型过程是在高温、高压下进行的，型材截面的变形过程与金属的流动速度有着非常密切的关系。在挤压前坯料要先经过一定程度的预热，预热温度大约会在 400-480。C 之间，而挤压过程中还会不断的产生摩擦热变形功热效应，会使得金属的变形温度进一步提高。因此，挤压筒、挤压垫片、模具等直接与高温金属坯料接触的表面局部温度可高达 550℃。其承受高温时间则是从几分钟至几个小时，在长时间处于高温环境下，使得挤压工具与坯料金属之间的摩擦条件严重恶化，模具材料的强度会大大降低，甚至因大变形而导致破损[8]。 在挤压过程中，铝合金坯料和挤压工具还需要承受很高的压力。而挤压成型过程本身又是一个间歇操作的过程，具有一定周期性，在这个过程中挤压工具需要承受高压，并在非工作时被突然卸载，为了满足在挤出过程中不断变化的受载条件以及复杂的应力状态，模具材料必须符合以下要求[9]。 (1)高的强度和硬度。对挤压模材料的选择上必须满足，在常温条件下的抗拉强度不低于 1500MPa，硬度不低于 HRC47-52。 (2)高的耐热性能和断裂韧性。对铝型材挤压，当挤压模材料温度在 500。C左时，一般屈服应力 σs 不能低于 1000MPa，而在 500。C 以下时，要求其不发生退火或回火现象。
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第二章 有限元分析的基本理论及 Hyper Xtrude 介绍
2.1 引言
随着计算机中有限元数值技术的不断发展，使挤压模具的工艺参数和结构参数通过数值仿真技术进行优化成为现实，为研究人员跟踪和描述金属在模具中的流动情况提供了便利，也为提高产品质量提供了好的方法。铝型材挤压成型是一个复杂金属流动过程，是多个参数在热力耦合的作用下发生非线性和大变形。传统的解析法很难将这些问题进行简化，无法保证求解精度。而采用实验法进行研究则难以对在封闭式的模腔内的坯料流动过程进行监测，无法测量模具内部的应力、温度、速度场等物理量。 模拟仿真的基本思想是通过对挤压模具进行数值模拟结果的分析，获得在模具内金属的流动规律。目前在塑性成形领域运用最广的数值模拟方法主要有有限元法，有限分析法和有限体积法[34]。本章将对有限元法中任意拉格朗日-欧拉法(Arbitrary Lagrange Euler mcthod)的基本理论和有限元模拟软件 Hyper Xtrude 进行介绍。
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2.2 数值仿真介绍
随着有限元在工程分析中的广泛运用，经过几十年的发展，有限元基本理论日益完善，计算机辅助制造已成为产品设计过程中相对重要的环节，相关有限元软件也越来越多如， Ansys、Abaqus、Forge、Deform、Hyperworks 等。有限元法可分类为：线弹性有限元法以及非线性有限元法，在运用非线性基本原则中，会用到材料成型、几何分析、接触分析等上述两种或三种非线性的情况。 有限元法最初是以变分原理为理论基础而发展起来，它将建立的计算模型划分为有限的互不重合的单元，并在单元的内部选择一定数量的单元节点进行插值计算来解出函数，这样一来微分方程中的变量就转变成了由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，最后借助于变分原理，将微分方程离散求解。因此它在以拉普拉斯方程、泊松方程等所描述的各类物理场中有着十分广泛的应用。近年来，研究人员在流体力学中应用加权余量法得到有限元方程[35]。
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第三章 多孔模具的设计及工艺参数对型材成型过程的影响...... 19
3.1 引言..... 19
3.2 多孔模具的设计........... 19
3.2.1 多孔薄壁型材的设计.......... 19
3.2.2 模具种类选择..... 19
3.2.3 模孔及分流桥设计..... 20
3.2.3 焊合室设计........ 21
3.2.4 工作带的设计.... 21
3.3 有限元模型的建立....... 23
3.4 工艺参数对型材挤压成型过程的影响........... 24
3.5 本章小结..... 31
第四章 复杂空心模结构参数对挤压过程的影响........ 33
4.1 引言.... 33
4.2 焊合室深度对复杂空心模挤压过程的影响............ 33
4.3 分流桥宽度对挤压成型过程的影响...... 38
4.4 本章小结..... 40
第五章 基于自适应响应面法的工作带长度优化设计......... 41
5.1 引言.... 41
5.2 铝合金挤压成型的金属流速和变形...... 41
5.3 工作带优化的数学模型........ 42
5.4 工作带长度的优化....... 43
5.4.1 建立优化模型.... 43
5.4.2 工作带长度优化......... 45
5.5 本章小结..... 47
第五章 基于自适应响应面法的工作带长度优化设计
5.1 引言
在铝型材挤压成型过程中，平面分流组模工作带设计对挤压型材成型质量影响很大，且比一般平流模要复杂很多。模具工作带长度合理的设计，能使金属出口速度的均匀性更好变形量更小，从而避免型材表面的麻点、刀弯、波浪、扭拧等缺陷。在现实的企业生产制造里，工作带长度的变大或变小，直接影响金属出口的流速。现在工作带长度的确定一般是根据实际过程中总结出来的经验法和补充应力法。这些方法在实际过程中，通常通用性很小，在新的模具投产中需反复试模修模，影响了挤压成型的质量成本和时间成本[47-49]。 本章以上文中空心铝型材为研究的目标，采用自响应响应面法基于 Hyper Study 平台[50]进行数值模拟分析，通过对工作带长度进行优化，优化结果和原始结果进行比较可知，金属出口处的流速更加均匀型材的变形量更加小，为平面分流模工作带的设计提供了方法和指导依据。通过上章铝合金挤压过程分析可知，焊合室高度和分流桥宽度的合理设计，大大降低了模具的应力应变，提高了金属出口处的流速和焊合质量。为了进一步提高金属材料的出口处的流动速度和进一步减小型材的变形量。图 5-1 所示为上章中优化后的金属出口速度分布图和材料变形分布图，由图可以知道，在金属挤压速度为 5mm/s 时，金属材料出口的截面速度各不相同，型材的最大速度为145mm/s，最小速度为 132.6mm/s，最大和最小的速度差为 12.4mm/s，型材变形量为 9.231mm。为的得到更高质量的金属型材成品，对工作带的优化非常有必要。
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结论
本文采用基于有限元法中任意拉格朗日-欧拉法(Arbitrary Lagrange Euler mcthod)的算法在唯一专业挤压软件 Hyper Xtrude，对几组不同类型的多孔空心组合模具的型材分别进行挤压过程数值模拟分析，得出型材出口截面的金属流动规律、模具的最大应力和最大变形量等结果。为改进初始模具分析结果，分别对其中一组模具的工艺参数进行优化和另一组模具结构参数进行优化，得出最优解；再采用自适应响应面法对工作带长度进行优化设计，得出一下结论：合理的模具结构设计需按照设计规范进行，高质量的网格划分和工艺参数的选择直接影响模具挤压结果。 不同的挤压速度，对型材截面出口速度是随着速度的增加先减小后增加，出口处的均匀性也是先减小后增加；模具的应力是随着挤压速度的增加是一直增加而后趋于平稳；挤压温度也是随着挤压速度的增加而增加后趋于平稳。在挤压速度为 2mm/s 时，金属的流动均匀性最好，挤压应力和挤压温度也趋于平稳，为最佳挤压速度。 不同的模具预热温度，对金属的流动应力和挤压力是随着预热温度的增加而减小后趋于平稳，模具的最大应力和变形量是随着预热温度的增加是先减小后增加；在模具预热温度为 450℃时，模具的最大应力和变形量最小，有利于模具的使用寿命。 不同棒料的预热温度，对模具的温度是随着预热温度的增加变化不打大，模具的最大应力和变形量是随着预热温度的增加是而减小；考虑到经济成本，在棒料预热温度为 450℃时，模具的最大应力和变形量适中，有利于节约棒料升温过高浪费能量，又有利于模具使用寿命。
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参考文献(略)