熱擠壓模的壓力分析和優(yōu)化設(shè)計帥詞俊肖剛倪正順（中國長沙中南大學(xué)機電工程學(xué)院410083）摘要熱擠壓模的三維模型是用ANSYS軟件和其二次開發(fā)編程語言ANSYS參數(shù)設(shè)計語言創(chuàng)建的。模型的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計完成后，三維壓力圖顯示應(yīng)力集中在擠壓模的邊緣，并且應(yīng)力分布很不均勻。通過優(yōu)化設(shè)計結(jié)果可得出擠壓模的最佳高度為89.596mm，最佳的澆道口半徑為65.048mm和80.065mm,與沒有優(yōu)化前相比應(yīng)力集中減少27%。關(guān)鍵詞：三維方法；建模；熱擠壓模；優(yōu)化設(shè)計簡介隨著日常生活標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)不斷地發(fā)展，鋁制品被廣泛地應(yīng)用到生活的每一個角落。產(chǎn)品也要求越來越多樣化，復(fù)雜程度和精密度的要求也越來越高。擠壓模是基本的擠壓成形過程。它不僅決定產(chǎn)品的形狀、尺寸、精度和表面狀況，而且影響產(chǎn)品的性能。所以熱擠壓模是擠壓成形技術(shù)的關(guān)鍵。通常情況下，我們都是通過把三維有限元簡化成二維模型來研究擠壓模具以改進模具的質(zhì)量和延長模具的使用壽命。但這僅僅適用于結(jié)構(gòu)簡單的模具。在不進行三維有限元分析的情況下，分析的結(jié)果不能給產(chǎn)品的制造帶來切實地幫助和有用的信息。本文將以鋁板沖壓模為例來進行優(yōu)化設(shè)計。1、實體模型圖1所示為一熱沖壓平面結(jié)合模具的公模簡圖。其外徑為227.000mm，高度為80.000mm，其它參數(shù)如圖1所示。其建模方法如下：11坐標(biāo)點P1和P5直線L（bkxy）和圓（222Ryx）的交點坐標(biāo)為：1)(1()(222225,1kRbkkbkbx（1）bkxy5,15,1（2）圖1熱擠壓模具簡圖12坐標(biāo)點P2和P6直線L1（bkxy）和直線L2（1Sy）的交點P2坐標(biāo)為：kbSx12（3）12Sy（4）直線L2（bkxy）和直線L2（2Sy）的交點P6坐標(biāo)為：26Sx（5）bkxy26（6）13坐標(biāo)點P3、P4、P7和P8P3和P1關(guān)于y軸對稱，P4和P2也關(guān)于y軸對稱；P7和P5關(guān)于x軸對稱，P8和P6也關(guān)于x軸對稱。14方程中的變量在方程式（1）-（6）中，對于點P1和P2，1221Tkkb，R=R1；對于點P5和P6，2221Tkkb，R=R2。R1、R2、T1、T2、S1和S2都是隨著高度H變化的，可表示為：)(11zfR、)(22zfR、)(31zfT、)(42zfT、)(51zfS、)(62zfS；,0Hz。15特定高度的截面形狀連接點P1-P4和P5-P8，用弧線連接P1到P8這些交點集即可獲得特定高度的截面形狀。16任意高度的截面形狀高度H被分為等高面的INUM（INUM由精確度確定，INUM越高，精確度也越高）。任意高度的截面形狀如圖2示：圖2截面曲線圖17光滑曲面應(yīng)用ANSYS軟件中的SKIN命令，光滑曲面將沿曲線生成，該曲面即為澆道口表面。應(yīng)用VA命令，系統(tǒng)將根據(jù)以上曲面生成實體。18模具的對稱性用布爾邏輯的添加和拭除等操作完成模具主要實體和中心的創(chuàng)建（如圖3）。模具的對稱性有助于模具1/4實體有限元分析的計算（如圖4）。圖3模具實體模型圖4四分之一實體模型2、模型的計算以沖壓鋁合金（6063AL-Mg-Si）的平面模具為例。鋁的熔點為657，而鋁合金AL+Mg2Si的熔化溫度為558，考慮到注射的壓力和產(chǎn)品的質(zhì)量，將工作溫度定為450。模具材料為4Gr5MoSiV1(H13)。溫度在450以下時，其初態(tài)模數(shù)與熱熔比分別為210GaMP和0.25，其屈服強度為1200aMP，摩擦系數(shù)為0.3。將固態(tài)92的三維元素進行自由嚙合。為了承載注射時的摩擦力，表面154繪制成規(guī)則的四邊形（如圖5），對于1600噸的擠壓機，擠壓強度可按方程式7計算，計算數(shù)值如表1示。)()(21dzzdtzzTTRTTTRPPP(7)圖5摩擦力負(fù)荷圖表1模具各部分強度表zRzTtTdTzRzTdTP83.4227.41222.7219.53191.8053.2314.38612.54模具經(jīng)常發(fā)生邊緣斷裂，其強度主要取決于模具的高度和分流孔的分布。本文中，高度H和分流孔的半徑R1及R2為設(shè)計變量，當(dāng)量極限壓力（max）為設(shè)計的目標(biāo)功能。設(shè)計變量的范圍列于表2中。表2設(shè)計參數(shù)變化范圍mmR/1mmR/2mmH/)/(1)/(265-8580-9860-9020-4020-403、計算結(jié)果圖6為當(dāng)量應(yīng)力圖，從圖中我們可以得出，在邊緣處壓應(yīng)力最大。圖表3中從大到小列出24個當(dāng)量壓應(yīng)力值。數(shù)據(jù)顯示，最大的當(dāng)量壓應(yīng)力為1006.5aMP，其高度比第二數(shù)值912.0aMP在14.5%，其壓應(yīng)力在邊緣處收斂嚴(yán)重，該部分容易了生裂縫。設(shè)計參數(shù)R1、R2、H、1和2的初始值分別為75.000mm，88.000mm，80.00