带长悬臂结构空心截面铝型材挤压过程数值模拟及模具/工艺优化

作     者：曾文浩 

作者单位：西华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏刚

授予年度：2017年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：长悬臂结构 模具结构 工艺参数 数值模拟 试模 

摘      要：铝型材挤压制品因其比重小、力学性能优良和耐腐蚀等优点,广泛应用于民用建筑、轨道交通、航空航天和船舶等领域。目前,轨道交通的高端装备对铝型材提出了更高的要求,铝型材断面已从原来的简单截面转向大型、多腔复杂截面。传统上,以工程类比为主的模具结构设计和以反复调试为主的工艺参数设置已经无法满足该类铝型材的挤压生产需求。本文选取某轨道车辆用长悬臂结构空心截面铝型材为研究对象,借助模拟软件HyperXtrude13.0对其挤压过程进行数值模拟分析,优化得到合理的模具结构和工艺参数,并根据优化结果进行实际生产。首先,介绍铝型材及其挤压技术的简要内容,并阐述基于任意拉格朗日欧拉法的模拟软件HyperXtrude13.0及其理论基础。其次,针对某带长悬臂结构空心截面铝型材分析其成形工艺性,根据平面分流组合模设计原则设计初始模具结构尺寸,基于HyperXtrude13.0建立有限元分析模型并进行稳态模拟分析。针对出现的型材出口流速极差大且分布不均的问题,先后对模具结构进行了3次优化,改善了型材出口截面流速分布均匀性,模具结构优化合理。结果表明:通过调整初始模具的挤压中心、分流孔布局、焊合室轮廓、工作带长度分布后,型材出口流速极差从75.37mm/s骤降至14.50mm/s,降低幅度高达80.76%,型材出口流速分布较为理想。随后在模具结构优化的基础上,采用正交试验法考察工艺参数（挤压速度、棒料预热温度、挤压筒预热温度、模具预热温度、棒料直径、棒料长度）对型材出口流速均方差（SDV）和型材出口温度均方差（SDT）的影响规律。对试验数据进行极差和方差分析,找到最优工艺参数方案,即挤压速度1mm/s,棒料预热温度440℃,挤压筒预热温度420℃,模具预热温度400℃,棒料直径150mm,棒料长度450mm。最优方案下的SDV值和SDV值分别为1.37与1.91,型材挤出温度范围为557.98℃65.54℃,上模和下模最大偏移量分别为0.041mm与0.031mm,上模和下模最大应力分别为714MPa与762MPa,上模和下模工作温度范围分别为328℃74℃与301℃82℃,均在良好范围内。最后,根据模具结构和工艺参数的最优方案进行生产试模实验,对挤出型材料头和产品进行检测,发现模拟结果与实验结果的吻合较好。验证了采用HyperXtrude13.0进行挤压过程数值模拟对该类复杂截面铝型材模具结构及工艺参数优化有较好指导价值。