基于QFormextrusion結(jié)合建模軟件的擠壓模具設(shè)計(jì)及改進(jìn)方法AUTOMATEDEXTRUSIONDIEDESIGNINTEGRATEDWITHSIMULATIONOFMATERIALFLOWNikolayBiba1,SergeyStebunov1,AndreyLishny1,AlexeyDuzhev1,劉寒龍21QuantorFormLtd.,Moscow,Russia2北京創(chuàng)聯(lián)智軟科技有限公司關(guān)鍵詞:擠壓,鋁合金，模擬，模具，焊合，設(shè)計(jì)，型材摘要：經(jīng)過(guò)多年的集中發(fā)展擠壓數(shù)值模擬已經(jīng)達(dá)到一定的成熟度和實(shí)用性。精確的擠壓模擬要求高質(zhì)量的三維CAD模型，但是目前許多模具制造商仍然使用2D圖紙并使用不完整的3D模型生產(chǎn)產(chǎn)品。為了彌補(bǔ)模擬需求和工廠實(shí)際的局限性之間的差距，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的3D模具設(shè)計(jì)的建模工具。這個(gè)工具不僅可以加速3D模具模型的創(chuàng)建，并且和仿真軟件QForm提供了接口，可以對(duì)新設(shè)計(jì)的模具和材料流動(dòng)提供快速分析，提高實(shí)際生產(chǎn)前的模擬修正設(shè)計(jì)。本論文介紹了該方法的基本原理，并用工業(yè)案例說(shuō)明了這種組合模具設(shè)計(jì)和仿真過(guò)程。Keywords:extrusion,aluminium,simulation,dies,weld,design,profilesAbstract.Afteryearsofintensivedevelopmentthenumericalmodellingofextrusionhasreachedacertainmaturityandpracticalapplicability.Anessentialrequirementforeffectiveextrusionsimulationistheavailabilityofreasonablygoodquality3DCADmodelsofdieshowevermanydiemakersstillproducetheirproductsusing2Ddrawingsanddonothavenotfull3Dmodelsofthem.Tobridgethegapbetweenrequirementsofsimulationandlimitationsofindustrialpracticeanewautomatedsystemof3Ddiedesignhasbeendeveloped.Thissystemnotonlyspeedsupthecreationof3DmodelsofthediesbutalsohasaninterfacetosimulationsoftwareQForm-Extrusionthatprovidesrapidanalysesofthematerialflowinnewlydevelopeddiesandallowsimprovingthedesignbyvirtualcorrectionsbeforeactualmanufacturing.Thepaperpresentsbasicprinciplesofthisapproachandanindustrialcasestudythatillustratesallstagesofsuchcombineddiedesignandsimulationprocedure.概述我們之前展示過(guò)對(duì)于薄壁復(fù)雜鋁型材的耦合模具變形的擠壓模擬案例分析，其中考慮工藝中的多種實(shí)際參數(shù)。數(shù)值模型基于拉格朗日-歐拉混合方法。使用歐拉模型來(lái)計(jì)算坯料在模具中的部分，開(kāi)始設(shè)置為全部充滿(mǎn)。另外擠出端使用拉格朗日模型，這部分材料可以增長(zhǎng)。模擬可以預(yù)測(cè)未知的料頭形狀和找到減少變形的方法。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)與模擬的載荷，材料流動(dòng)，型材溫度和模具變形對(duì)軟件進(jìn)行了驗(yàn)證[1]。并在2007年，2009年，2011年和2013年的國(guó)際擠壓算例大會(huì)中對(duì)模擬結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合對(duì)比分析。目前我們可以考慮模具變形進(jìn)行耦合分析。我們知道在某些情況下模具表面的變形會(huì)對(duì)金屬流動(dòng)起到非常大的影響[2]。工作帶表面的傾斜角度可能會(huì)發(fā)生變化，在局部區(qū)域生成阻礙角或者促流角。雖然角度不是很大，但是會(huì)影響金屬流動(dòng)速度。此外由于模具變形，上?？赡軙?huì)發(fā)生橫向變形影響實(shí)際型材形狀，并對(duì)金屬流動(dòng)速度分布產(chǎn)生很大影響。當(dāng)我們考慮耦合模具變形的時(shí)候，會(huì)面對(duì)一些困難。工作帶相對(duì)的兩側(cè)位置發(fā)生的相對(duì)線性位移可能接近0.5mm或更多，這取決于模具的彈性變形。型材上非常小的有限元網(wǎng)格不可避免的會(huì)發(fā)生變形，初始網(wǎng)格不能再繼續(xù)使用。我們已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)金屬域網(wǎng)格的自動(dòng)重劃分，在模具耦合變形分析中提供了最好的網(wǎng)格質(zhì)量[3]。在獲得金屬流動(dòng)的精確預(yù)測(cè)之后，我們期望滿(mǎn)足工業(yè)實(shí)際的高要求。不幸的是我們?cè)跀D壓廠和模具廠會(huì)面對(duì)一些實(shí)際的問(wèn)題阻止模擬的廣泛應(yīng)用。很多模具設(shè)計(jì)仍然采用2D幾何，而不建立3D模型。導(dǎo)致有些模具的CAD模型不能方便的劃分網(wǎng)格。僅有一些模具幾何可以精確的劃分網(wǎng)格。在有些模具模型中相鄰面的間隙和面之間的重疊導(dǎo)致網(wǎng)格不能生成。這種情況下需要使用幾何清理手動(dòng)修復(fù)幾何，有時(shí)會(huì)花費(fèi)比模擬求解更長(zhǎng)的時(shí)間。在這種情況下開(kāi)發(fā)一個(gè)擠壓模具建模和修復(fù)的幾何工具是非常有意義的。我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為“QForm-ExtrusionDieDesigner(QExDD”的擠壓模具建模工具來(lái)加速幾何建模。它也可以通過(guò)2D幾何快速自動(dòng)生成3D模具模型。這個(gè)工具是在SpaceClaim軟件基礎(chǔ)上做的二次開(kāi)發(fā)。它與QForm擠壓模塊有幾何接口，使得幾何轉(zhuǎn)換工作高效簡(jiǎn)單。這個(gè)工具從型材的2D草圖開(kāi)始，增加一些分流橋及模墊的輔助線，見(jiàn)圖1a。ab圖1帶有輔助線的模具2D草圖(a，生成3D模型之后的模具組合體導(dǎo)入到模擬中(b案例分析：在QExDD中進(jìn)行模具設(shè)計(jì)QExDD是一個(gè)用于實(shí)心和空心型材的擠壓模具的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。QExDD基于ANSYS公司的SpaceClaim，采用直接建模技術(shù)。生成的3D模型可以導(dǎo)入到模擬系統(tǒng)中進(jìn)行擠壓模擬，最終用于模具加工的CAM系統(tǒng)。下模是工模具組合體中的主要部分，所以參數(shù)化設(shè)計(jì)方法從下模開(kāi)始。為了建立下模我們需要型材的輪廓線，焊合室和模具外部輪廓。然后使用控制面板(圖2a和2D草圖(圖2b，經(jīng)過(guò)幾個(gè)操作步驟我們定義所有的參數(shù)最終獲得模具的3D模型(圖2c。a.b.c.圖2幾何生成控制界面(a，模具的2D輪廓線(b，模具的3D模型(c第二步是上模參數(shù)化設(shè)計(jì)，需要擠壓型材的工作帶形狀，模具的外部輪廓和定義分流橋位置的輔助線。這些線是位于分流橋的中心(圖3b。為了快速建立模型，如果分流橋形狀和尺寸一致可以同時(shí)建立。選擇中線后在控制面板中定義分流橋參數(shù)(圖3a，我們可以預(yù)覽我們的設(shè)計(jì)(圖3c。使用內(nèi)外輪廓線和合適的參數(shù)簡(jiǎn)單的生成空刀等位置的實(shí)體模型。a.b.c.圖3上模控制面板（a），分流橋2D草圖（b），上模與分流橋?qū)嶓w模型（c）在參數(shù)化設(shè)計(jì)中，QExDD提供了使用輪廓線和一些參數(shù)如偏置和拔模角，自動(dòng)生成模墊。程序中有一個(gè)工作帶編輯器可以生成不同長(zhǎng)度的工作帶。此外也可以自動(dòng)設(shè)計(jì)工作帶長(zhǎng)度。這種方法基于一些經(jīng)驗(yàn)。工作帶長(zhǎng)度隨著型材厚度，模具幾何中心距離，相鄰的型材形狀和焊合室而變化。當(dāng)然在設(shè)計(jì)階段生成的工作帶長(zhǎng)度是初始的假設(shè)，但是它為下文基于流動(dòng)模擬結(jié)果的工作帶優(yōu)化提供了非常好的開(kāi)始。所有生成的實(shí)體部分都要合并在一起形成上模和下模。上模中所有需要導(dǎo)角的位置都要進(jìn)行導(dǎo)角，在分流橋區(qū)域形成平滑的連接。最終我們得到模具組合體的實(shí)體模型，如圖4b。a.b.圖4上模各區(qū)域合并前單獨(dú)顯示（a），完全的模具組合體合并成一個(gè)實(shí)體后（b）案例分析：通過(guò)模擬改進(jìn)模具設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)工作的最后一步是保存模具組合體的實(shí)體模型（圖4b）為特定格式，導(dǎo)入到QForm中進(jìn)行網(wǎng)格生成和模擬。使用QShape模塊進(jìn)行網(wǎng)格生成，也生成金屬域模型。金屬域充滿(mǎn)模具內(nèi)表面包括工作帶區(qū)域和擠壓筒。工作帶長(zhǎng)度在QExDD中生成并導(dǎo)入，顯示為3D曲線，如圖5。圖中在工作帶編輯器窗口中可以看到沿著工作帶展開(kāi)線的工作帶長(zhǎng)度。這種顯示可以使我們清晰的顯示工作帶，并且可以使用QShape的內(nèi)置工具快速修改。最終的長(zhǎng)度可以保存為IGES文件，用于模具加工。圖5金屬域參數(shù)及工作帶長(zhǎng)度參數(shù)化顯示（右側(cè)），左側(cè)為沿著型材輪廓展開(kāi)線的工作帶長(zhǎng)度分布其他的工藝參數(shù)如下：材料AA6061，坯料溫度450℃，模具溫度400℃，擠壓墊速度5mm/s。第一次模擬后可以看到材料流動(dòng)結(jié)果，“腳”的位置比其他位置擠出速度更快（圖6）。這種大的差異是由于材料流動(dòng)在“腳”的位置相應(yīng)的分流孔流出較多引起的，很明顯初始設(shè)計(jì)是失敗的。圖6初始工作帶設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的材料流動(dòng)結(jié)果，分流孔和焊合位置顯示在左下角讓我們改變分流橋的位置來(lái)減少材料流動(dòng)不均。我們僅需要旋轉(zhuǎn)分流橋的中線即可（如圖7a）。然后重新刷新所有的設(shè)計(jì)步驟就可以得到改進(jìn)后的模具組合體的實(shí)體模型，見(jiàn)圖7b，網(wǎng)格模型見(jiàn)圖7c。a.b.c.圖7改變分流橋設(shè)計(jì)的草圖（a），3D模型（b），金屬域網(wǎng)格模型（c）模擬第二種設(shè)計(jì)后我們得到更為均勻的擠出速度，如圖8。即使“腳”的位置仍然較快，但是可以通過(guò)改變工作帶的長(zhǎng)度來(lái)改善。我們可以從工作帶草圖看到型材“腳”的位置工作帶已經(jīng)夠長(zhǎng)，無(wú)法繼續(xù)加長(zhǎng)。一個(gè)更為有效的方法是改變這些區(qū)域的角度，改變型材“腳”的位置的外表面的角度，圖9a。a.b.c.圖8第二次設(shè)計(jì)工作帶長(zhǎng)度后的結(jié)果：分流孔(a，焊合線位置（b），材料料頭形狀和速度分布（c）a.b.圖9使用QExDD的工作帶設(shè)計(jì)，改變型材“腳”的位置的角度（a），修改工作帶設(shè)計(jì)之后進(jìn)行第三次模擬（b）a.b.c.圖10第三次模擬的材料流動(dòng)結(jié)果：剛擠出時(shí)（a），料頭形狀（b），第四次改變工作帶設(shè)計(jì)后的模擬結(jié)果（c）改變工作帶設(shè)計(jì)后運(yùn)行模擬可以立即看到模擬工作帶對(duì)擠出的影響結(jié)果?！澳_”的位置和其他區(qū)域擠出速度相差不多，隨后中間的橋稍微走快，如圖10a。為了證明我們的修改有效，繼續(xù)模擬后發(fā)現(xiàn)型材稍微彎曲，如圖10b。這也是為什么修改圖9b中藍(lán)色高亮圖框位置的傾斜角度的原因。最終得到均勻擠出的料頭，如圖10c。注意所有的模擬都使用模具耦合變形，考慮了模具的變形和模具角度變化。模具的軸向位移顯示在圖11a，圖11b顯示工作帶區(qū)域由于模具偏斜引起的角度分布。圖11c中顯示的是模具截面上的有效應(yīng)力。a.b.c.圖11模具的軸向位移分布（a），模具變形引起的工作帶偏斜角度（b），模具的有效應(yīng)力（c）結(jié)論1.QForm可以模擬擠壓過(guò)程，提供材料流動(dòng)，料頭形狀，載荷，溫度和模具應(yīng)力等結(jié)果。2.模具的3D模型質(zhì)量較差阻礙了模擬軟件的廣泛應(yīng)用。為了加速3D模具設(shè)計(jì)和更好的應(yīng)用到模擬，開(kāi)發(fā)了QExDD模具設(shè)計(jì)工具。3.通過(guò)空心型材的案例說(shuō)明了模具設(shè)計(jì)工具QExDD聯(lián)合模擬軟件的效益。4.通過(guò)案例說(shuō)明了通過(guò)幾何建模軟件和模擬配合來(lái)修改模具設(shè)計(jì)，達(dá)到生產(chǎn)合格型材的目的。參考文獻(xiàn)[1]S.Stebunov,A.Lishnij,N.Biba,DevelopmentandindustrialverificationofQForm-ExtrusionprogramforsimulationprofileextrusioninProceedingofInternationalConferenceonExtrusionandBenchmark,Dortmund,Germany,2009,pp.41-42.[2]S.Stebunov,N.Biba,A.Vlasov,A.Maximov,ThermallyandMechanicallyCoupledSimulationofMetalFormingProcessesinProceedingsofth