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空心型材分流模优化设计的有限元模拟

邓小民1张军2

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（安徽工业大学材料学院马鞍山钢铁公司安徽省马鞍山市243002）

摘要：利用UGNX软件建立分流模实体模型，利用MSC.supeform有限元模拟

软件对分流模挤压过程进行热力藕合有限元模拟，研究了挤压过程中模芯的变形

情况。结果表明，即便是对称性较好的矩形管分流模，模芯在横向上也会发生一

定量的偏移及扭转，影响型材的尺寸精度。对于绝大多数空心型材来说，其断面

往往都是不对称的，仅依靠设计者的经验和判断是很难避免模芯变形的，而采用

有限元模拟的方法，则可以较为方便地找到解决这种变形的方法，为设计提供科

学的依据。

关键词：分流模设计，有限元模拟，模芯变形，MSC.supeform软件

在铝合金空心型材生产中，分流模得到了最广泛的应用。然而，受模桥强度、

分流孔的大小、形状及分布、分流孔壁的摩擦条件、模芯的强度及稳定性、模芯

周围受力的均匀性以及锭坯加热的均匀性等多种因素的影响，在挤压过程中，模

芯往往会发生一定的变形，从而影响挤压制品的尺寸精度和模具的使用寿命。

传统的挤压模具设计，是根据设计者的经验和判断进行的。设计者根据所提

供的型材断面图，结合现场的工艺、设备等条件，设计出所需要的模具。这种设

计方法，对于普通精度的、断面形状较简单的型材来说，是可以满足要求的，但

对于尺寸精度要求高、断面形状复杂的型材，特别是空心型材来说，由于挤压过

程中金属变形流动的复杂性和设计者经验、知识的局限性，往往很难达到理想的

效果。对于一个新加工好的模具，通常需要经过反复试模、修模，才能生产出合

格的制品。计算机技术的飞速发展，为模具变形的研究，科学、合理设计复杂断

面型材模具提供了新的手段[1～6]，促进了挤压模具技术的发展。

利用UGNX软件建立分流模实体几何模型，利用MSC.supeform有限元模拟软

件，对矩形管分流模挤压过程进行了热力藕合有限元模拟，分析了挤压过程中模

芯的变形情况。

1建立有限元模拟模型

1.1建模条件

铝型材断面形状尺寸：矩形管，断面尺寸为39×26×1.3mm。

模具：4个扇形分流孔，分流孔的外圆直径为85mm；分流桥的断面为矩形

倒角形，桥宽20mm，桥高32mm；蝶形焊合室，焊合室高度15mm；模孔尺寸：

短边26.26mm,长边39.39mm；工作带长度4mm；凸台式模芯尺寸：短边23.66

mm，长边36.79mm，模芯伸出工作带长度2mm，模芯总长度21mm；下模出口

空刀2mm；上下模厚度均为32mm，模子外圆直径113mm。

材质：型材为6063铝合金，模具材质为H13钢，材料的有关参数取自

MSC.supeform材料库。

挤压工艺参数：挤压温度：450℃～480℃，挤压筒直径为95mm，挤压比为

43.68,挤压速度（金属流出速度）取20mm/s；模具加热温度为380℃～400

℃，挤压筒温度为350℃。

1.2分流模实体造型

根据分流模结构，上模实体构造包括：圆柱体结构、分流孔结构、分流桥的

结构、模芯及工作带结构等；下模包括：圆柱体结构、焊合室结构、模孔结构、

模子工作带及空刀结构等。利用UGNX软件所建立的平面分流模实体儿何模型如

图1所示。

1.3建立有限元模拟模型

为了保证有限元模拟过程的进行，在建模时做如下假设：

(1)对于摩擦问题不做过深的探讨，只选取对于挤压比较适合的剪切摩擦模

型，即，F＝mT，其中取摩擦因子m=0.33;

yield

(2）在整个挤压过程中，挤压速度保持不变；

(3）坯料长度对于模拟结果影响很小。

在本挤压过程模拟中，不仅工件为变形体，模具也是变形体，如果对整个模

型进行单元划分，单元数目会非常多，加之模拟过程中需要网格重划分，单元数

会更加庞大，受计算机运算速度等的限制，模拟会非常困难。考虑到模具结构具

有对称性，因此，只取模具的l/4建立模型。建立的有限元模型如图2所示

1.4单元类型选择及网格生成

分流模网格划分采用有限元软件MSC.supeform