HyperXtrude實(shí)現(xiàn)數(shù)字化模具設(shè)計及及制造

HyperXtrude實(shí)現(xiàn)數(shù)字化模具設(shè)計制造在模具制造早期如何預(yù)測和分析各種潛在的模具設(shè)計缺陷，對于提高模具制造質(zhì)量和縮短模具制造周期至關(guān)重要。使用HyperXtrude有限元擠壓成形軟件對模具設(shè)計進(jìn)行驗證，可以指導(dǎo)和解決擠壓模具設(shè)計和制造中出現(xiàn)的多種問題。

鋁擠壓模具在設(shè)計和制造的早期對于技術(shù)人員的經(jīng)驗要求較高，傳統(tǒng)的設(shè)計方法存在設(shè)計周期長、成本高和質(zhì)量不易保證等缺點(diǎn)。隨著有限元數(shù)值模擬技術(shù)（即CAE技術(shù)）在鋁擠壓制造業(yè)的成功應(yīng)用，為擠壓模具的設(shè)計和制造帶來了革命性的飛躍，將擠壓模具的設(shè)計和制造帶進(jìn)了一個嶄新的發(fā)展階段。這種基于數(shù)值模擬技術(shù)的設(shè)計和制造理念，具有多方面優(yōu)勢：在模具初始設(shè)計后，在計算機(jī)上以虛擬試模代替物理試模，降低模具設(shè)計成本；大幅縮短模具設(shè)計和制造周期，確保交付時間；為設(shè)計人員提供精確的計算結(jié)果，分析、評價和優(yōu)化模具設(shè)計方案，從而提高了模具設(shè)計質(zhì)量；有利于設(shè)計知識和經(jīng)驗的積累。

HyperXtrude是Altair工程軟件公司的一款專業(yè)的針對擠壓生產(chǎn)過程中分析材料流動和傳熱的有限元應(yīng)用軟件。HyperXtrude采用穩(wěn)健的求解算法，功能強(qiáng)大、計算精度高，已在鋁型材擠壓模具設(shè)計和制造中得到了成功應(yīng)用。

創(chuàng)建擠壓模具有限元模型

以一個實(shí)際的擠壓空心分流模為例，詳細(xì)介紹HyperXtrude軟件實(shí)現(xiàn)材料流動有限元分析的模型創(chuàng)建過程，圖1所示為模具圖和型材截面形狀。

圖1空心分流模具圖和型材形狀1.擠壓模具的材料流動有限元模型

為了分析和研究材料沿擠壓模具的流動性能，首先將材料流經(jīng)的模具和擠壓筒的內(nèi)表面幾何抽取出來，然后分別創(chuàng)建如圖2所示的有限元模型。主要包括四個部分：棒料、分流孔和焊合腔、工作帶和型材。根據(jù)材料在擠壓過程中變形程度及其對流動結(jié)果的影響，各部分網(wǎng)格單元的大小和密度要求不同，比如在模具出口附近，材料變形最劇烈，因此該區(qū)域的單元較密，而對于棒料中的單元尺寸應(yīng)盡量大。這種網(wǎng)格單元的分配，一方面確保計算精度，另一方面可以盡量減少整個模型的大小，提高計算效率。

圖2流經(jīng)模具內(nèi)的材料有限元網(wǎng)格模型2.邊界條件的創(chuàng)建

圖3所示為擠壓工藝示意圖，包括工具中的不同部分和材料。根據(jù)材料在擠壓過程中流經(jīng)工具的不同區(qū)域及其相互接觸情況，分別創(chuàng)建各自的邊界條件及其參數(shù)。主要包括：

圖3擠壓模具和材料的邊界條件定義（1）擠壓塊與棒料之間的接口；

（2）擠壓筒和棒料之間的接口；

（3）模具與棒料之間的接口；

（4）工作帶表面的邊界條件；

（5）型材表面的邊界條件；

（6）型材出口邊界條件；

（7）擠壓筒和模具外部。

3.材料的選擇和創(chuàng)建

HyperXtrude軟件支持多種材料和材料的結(jié)構(gòu)關(guān)系模型，內(nèi)置的材料庫中包含有5大類和70余種材料數(shù)據(jù)。分析人員可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的材料，并分配給相應(yīng)的模型。同時軟件包含一個易用的材料編輯器，可以根據(jù)需要對材料性能數(shù)據(jù)進(jìn)行修改或創(chuàng)建新的材料，并將其保存在材料庫中，易于以后使用。圖4所示為AA6061材料性能參數(shù)。

圖4材料性能參數(shù)4.擠壓工藝參數(shù)的輸入和求解控制

根據(jù)實(shí)際擠壓工藝條件來定義擠壓工藝參數(shù)，主要包括：棒料預(yù)熱溫度、模具的初始溫度、擠壓筒的初始溫度，擠壓筒的內(nèi)徑、棒料的長度和擠壓塊速度等。求解控制主要包括：分析類型、擠壓類型、計算類型、收斂誤差、迭代次數(shù)、時間步長及作業(yè)提交類型等。根據(jù)該例需要，主要對模具設(shè)計進(jìn)行驗證，分析材料流動并預(yù)測型材變形。如圖5所示選擇相應(yīng)的參數(shù)和求解控制。

圖5擠壓工藝參數(shù)和求解控制的選擇結(jié)果分析和評價

圖6為壓力場和溫度場分布圖，圖7示意潛在的焊合問題將會導(dǎo)致型材上局部溫度分布不均，并引起型材的局部變薄。

圖6壓力場和溫度場分布

圖7潛在的焊合問題引起局部溫度分布不均勻及型材變薄圖8所示速度場分布，左圖為型材的速度分布，可以看出材料流速很不均勻，導(dǎo)致材料流動的不平衡，并引起型材的變形。右圖為分流孔內(nèi)的材料沿擠壓方向的流速分布，材料在分流孔內(nèi)速度不均將會影響型材的變形。

圖8速度不均勻?qū)е虏牧狭鲃硬黄胶夂妥冃胃鶕?jù)上述計算結(jié)果與分析評價，并與實(shí)際擠壓結(jié)果相比較，HyperXtrude能夠準(zhǔn)確地預(yù)測擠壓模具初始設(shè)計方案的潛在缺陷，從而進(jìn)一步提出改進(jìn)方案，成功地驗證和解決了實(shí)際擠壓生產(chǎn)中的問題。

結(jié)束語

通過使用HyperXtrude擠壓成形模擬軟件，成功地預(yù)測了擠壓模具設(shè)計的潛在不足，真正能夠幫助模具設(shè)計人員解決了現(xiàn)存的實(shí)際難題。實(shí)踐證明，HyperXtrude軟件將給鋁擠壓制