铝合金建筑幕墙外框挤压模具的有限元分析

刘文彬 陈吉阳 刘达辉 潘健怡

（华南理工大学广州学院，广州 510800）

铝合金建筑幕墙外框挤压模具的有限元分析

刘文彬 陈吉阳 刘达辉 潘健怡

（华南理工大学广州学院，广州 510800）

本文介绍平面分流组合模的模具设计原则，讨论任意拉格朗日欧拉的基本原理与方程，分析型号QA4781建筑幕墙外框挤压模具。一方面分析模具设计方案；另一方面，利用SolidWorks建立其上下模的三维图，并通过拉格朗日欧拉算法在HyperXtrude软件上进行模拟分析。最红，利用分析结果，对模具设计进行改进优化。

铝型材 挤压模具 数值模拟 HyperXtrude

引言

经济的快速发展，促使铝型材的市场需求量不断增加。铝型材的生产通过模具挤压生产，致使挤压模具的消耗也不断增加。传统的只靠经验的设计生产方法并不能满足市场的大需求量，这需要在设计中缩短供货周期。CAE技术的有限元分析软件的成功应用，将会改善设计周期的困境。所以，在经验设计的同时，运用数值模拟方法，对设计出来的挤压模具进行评估，通过评估、修改、评估的流程，最后生产，这是国内外企业挤压模具设计发展的大趋势。所以，现阶段只靠经验的模具设计者，需要学习CAE技术并将其运用到设计中，这样才能短周期内设计出低成本、高寿命的模具。

因此，在未来挤压模具设计领域中，经验设计和数值模拟是模具设计的主流。通过这样的设计方法，能够合理设计挤压模具，对提高挤压产品的质量、生产效率和成品率具有非常重要的意义。

本文通过对某一款大型幕墙型材模具的设计进行有限元分析，对模具设计进行优化改进。通过本设计课题了解和初步掌握铝合金挤压模具的设计方法和设计流程，以及有限元方法及HyperXtrude软件在铝合金挤压成型上的应用。

此课题研究方法如下：

（1）根据QA4781铝合金建筑幕墙外框挤压模具的CAD二维图，用SolidWorks构建三维模型；

（2）使用HyperXtrude软件进行有限元分析；（3）分析结果及改良方案。

1 课题的主要研究内容与优化方案

1.1 挤压模具有限元分析参数的设置

此次课题分析的是铝合金建筑幕墙外框挤压模具，采用平面分流组合模进行挤压生产。在数值模拟分析中，模具选用H13模具钢，选取AA6063合金为型材的材料；模具预热温度为430℃，铝棒预热温度为480℃，挤压筒温度为430℃，挤压速度为3mm/s；流经挤压筒和挤压模具表面采用粘着模型，挤压模具和工作带使用库伦摩擦模型，摩擦因子为0.3；挤压模具与铝合金之间的热传递系数为3000W/m2℃。

1.2 工作带金属流动速度分析

图1为工作带金属流动速度分布图。由图1（a）中可以看出，工作带处的金属流动速度并不均匀，流动速度最大的有120.5mm/s，而流动速度最小是24.25mm/s。其中，流动速度的大的位置是四个工作带间距最大的突出部分。

金属流动速度较大处，工作带间隙明显比其他区域大；而相对间隙尺寸小的工作带，在挤出型材的过程中，对金属的阻力相对要小很多，也更易于金属的流动，从而导致整体的金属流动不均匀。

工作带长度可以影响金属在工作带处受到的摩擦力。由图1（b）所示，金属流动速度慢的区域形成压应力，流动速度较快的的区域形成拉应力；型材厚度较大的区域的金属流动速度比较快，其余区域的流动速度比较平缓。为了协调工作带整体的流动，造成了型材在挤出产生扭曲变形。

工作带的长度直接影响工作带处的金属流动速度，故可通过修改各区域的工作带长度来使整体的流动速度均匀。如图2所示，有尺寸标示部分。

图1 工作带金属流动速度分布图

图2 工作带长修改区域

1.3 上模偏移分析

1.3.1 型芯在X轴与Y轴方向的偏移量

在挤压过程中，随着坯料压入挤压模具中，坯料对挤压模具的压力也越来越大。在压力作用下，挤压模具会发生偏移变形。

图3为上模在X和Y方向发生的偏移情况。图3（a）是上模在X轴方向的位移分布。模具蓝色部分向着X轴的负方向偏移，最大位移达到0.1325mm。图3（b）为上模在Y轴方向的位移分布。模具蓝色部分向着Y轴的负方向偏移，最大位为7.24×10-2mm。

X轴方向的偏移，受影响最大的是型芯的两个凸台部分；而Y轴方向的偏移，受影响最大的是四个分流桥部分。

图3 上模位移分布

1.3.2 对型芯偏移的优化

此挤压模具型芯在X轴方向，两个突出区域的偏移量较多，向两边挤压弯曲，如图4所示。由于挤压变形，导致挤出的型材在此处的壁厚发生改变，无法达到所需尺寸。为解决这个问题，应对模孔尺寸进行调整。

图4 偏移方向

此模具在X轴方向最大偏移量为0.1325mm，模孔初始制造尺寸为2.995mm。为抵消偏移带来的误差，在模具薄厚变厚的地方，其模孔尺寸等于模孔初始制造尺寸减偏移量，如T=2.995mm-0.1325mm-2.8625mm，反之则相加。

1.4 上模压力分析

1.4.1 压力分布

在挤压过程中，型芯和分流桥会发生弹性变形，压力分布不均会影响型材的质量，还会降低模具的使用寿命。

图5为上模所受的压力分布图。由图5可以看出，上模在挤压过程中，受到的压力分布不均，最大值为1144MPa，最小值为0.44MPa。上模的四个分流桥以及与分流桥相接的型芯部分所受的压力大于其他区域。

图5 上模压力分布

1.4.2 优化方案

此模具与铝棒的接触面是平的，挤压压力直接作用于这个面，导致所受压力偏大。为解决此问题，可对这个面的形状结构进行修改，把接触的地方倒圆角，圆弧有利于卸掉部分压力，大幅降低模具受到的平均挤压力，提高模具寿命。

2 结 论

本课题使用基于Arbitrary Lagrange-Euler算法的HyperXtrude，对一款铝合金建筑幕墙外框挤压模具进行有限元分析。

通过此次研究，得出以下结论。

（1）原工作带长度的设计会导致工作带处金属流动速度不均匀。因此，可缩短流速较慢区域的工作带长度，从而使流速趋于均匀。

（2）在挤压过程中，模具在压力作用下会发生偏移，导致挤出型材的尺寸存在误差。此时，可通过调整型芯尺寸和模孔尺寸来减小误差。

（3）原模具设计方案中，铝棒与模具的接触面为平面。这种直接接触使模具受到的压力较大，而将此接触面改成圆弧凹面，可卸掉部分压力，减小模具受到的平均压力，从而提高模具寿命。

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Aluminum Alloy Frame Finite Element Analysis of Extrusion Die for Building Curtain Wall

LIU Wenbin, CHEN Jiyang, LIU Dahui, PAN Jianyi
(Guangzhou college, South China University of Technology, Guangzhou 510800)

This paper introduces the principle of the die design of porthole die, discussed the basic principle and equation of arbitrary Lagrange Euler model QA4781 analysis, building curtain wall frame extrusion die. On the one hand, analysis of the mold design program; on the other hand, the use of SolidWorks to establish the three-dimensional map of the upper and lower modules, and through the Lagrange Euler algorithm in the HyperXtrude software simulation analysis. The most red, through the analysis of the results, to improve the mold design and optimization.

aluminum profile, extrusion die, numerical simulation, HyperXtrude

2016年广东大学生科技创新培育专项资金资助项目（攀登计划）。