基于QForm extrusion结合建模软件的挤压模具设计及改进方法

挤压模具;模具设计;挤压模拟;模具优化

基于QForm extrusion结合建模软件的挤压模具设计及改进方法

AUTOMATED EXTRUSION DIE DESIGN INTEGRATED WITH SIMULATION OF MATERIAL

FLOW 11Nikolay Biba, Sergey Stebunov, Andrey Lishny1, Alexey Duzhev1,刘寒龙2

1)QuantorForm Ltd., Moscow, Russia 2) 北京创联智软科技有限公司

关键词: 挤压,铝合金，模拟，模具，焊合，设计，型材

摘要：经过多年的集中发展挤压数值模拟已经达到一定的成熟度和实用性。精确的挤压模拟要求高质量的三维CAD模型，但是目前许多模具制造商仍然使用2D图纸并使用不完整的3D模型生产产品。为了弥补模拟需求和工厂实际的局限性之间的差距，我们开发了一个新的3D模具设计的建模工具。这个工具不仅可以加速3D模具模型的创建，并且和仿真软件QForm提供了接口，可以对新设计的模具和材料流动提供快速分析，提高实际生产前的模拟修正设计。本论文介绍了该方法的基本原理，并用工业案例说明了这种组合模具设计和仿真过程。

Keywords: extrusion, aluminium, simulation, dies, weld, design, profiles

Abstract. After years of intensive development the numerical modelling of extrusion has reached a certain maturity and practical applicability. An essential requirement for effective extrusion simulation is the availability of reasonably good quality 3D CAD models of dies however many die makers still produce their products using 2D drawings and do not have not full 3D models of them. To bridge the gap between requirements of simulation and limitations of industrial practice a new automated system of 3D die design has been developed. This system not only speeds up the creation of 3D models of the dies but also has an interface to simulation software QForm-Extrusion that provides rapid analyses of the material flow in newly developed dies and allows improving the design by virtual corrections before actual manufacturing. The paper presents basic principles of this approach and an industrial case study that illustrates all stages of such combined die design and simulation procedure.

概述

我们之前展示过对于薄壁复杂铝型材的耦合模具变形的挤压模拟案例分析，其中考虑工艺中的多种实际参数。数值模型基于拉格朗日-欧拉混合方法。使用欧拉模型来计算坯料在模具中的部分，开始设置为全部充满。另外挤出端使用拉格朗日模型，这部分材料可以增长。模拟可以预测未知的料头形状和找到减少变形的方法。通过对比试验与模拟的载荷，材料流动，型材温度和模具变形对软件进行了验证[1]。并在2007年，2009年，2011年和2013年的国际挤压算例大会中对模拟结果和试验测量数据进行了综合对比分析。

目前我们可以考虑模具变形进行耦合分析。我们知道在某些情况下模具表面的变形会对金属流动起到非常大的影响[2]。工作带表面的倾斜角度可能会发生变化，在局部区域生成阻碍角或者促流角。虽然角度不是很大，但是会影响金属流动速度。此外由于模具变形，上模可能会发生横向变形影响实际型材形状，并对金属流动速度分布产生很大影响。

当我们考虑耦合模具变形的时候，会面对一些困难。工作带相对的两侧位置发生的相对线性位移可能接近0.5mm或更多，这取决于模具的弹性变形。型材上非常小的有限元网格不可避免的会发生变形，初始网格不能再继续使用。我们已经解决了这个问题，通过对金属域网格的自动重划分，在模具耦合变形分析中提供了最好的网格质量[3]。

在获得金属流动的精确预测之后，我们期望满足工业实际的高要求。不幸的是我们在挤压厂和模具厂会面对一些实际的问题阻止模拟的广泛应用。很多模具设计仍然采用2D几何，而不建立3D模型。导致有些模具的CAD模型不能方便的划分网格。仅有一些模具几何可以精确的划分网格。在有些模具模型中相邻面的间隙和面之间的重叠导致网格不能生成。这种情况下需要使用几何清理手动修复几何，有时会花费比模拟求解更长的时间。

挤压模具;模具设计;挤压模拟;模具优化

在这种情况下开发一个挤压模具建模和修复的几何工具是非常有意义的。我们开发了一个名为“QForm-Extrusion Die Designer (QExDD)”的挤压模具建模工具来加速几何建模。它也可以通过2D几何快速自动生成3D模具模型。这个工具是在SpaceClaim软件基础上做的二次开发。它与QForm挤压模块有几何接口，使得几何转换工作高效简单。这个工具从型材的2D草图开始，增加一些分流桥及模垫的辅助线，见图1a。

a b

图1 带有辅助线的模具2D草图(a)，生成3D模型之后的模具组合体导入到模拟中(b)

案例分析：在QExDD中进行模具设计

QExDD是一个用于实心和空心型材的挤压模具的参数化设计系统。QExDD基于ANSYS公司的SpaceClaim，采用直接建模技术。生成的3D模型可以导入到模拟系统中进行挤压模拟，最终用于模具加工的CAM系统。

下模是工模具组合体中的主要部分，所以参数化设计方法从下模开始。为了建立下模我们需要型材的轮廓线，焊合室和模具外部轮廓。然后使用控制面板(图2a)和2D草图(图2b)，经过几个操作步骤我们定义所有的参数最终获得模具的3D模型(图2c)。

a. b. c.

图2 几何生成控制界面(a)，模具的2D轮廓线(b)，模具的3D模型(c)

第二步是上模参数化设计，需要挤压型材的工作带形状，模具的外部轮廓和定义分流桥位置的辅助线。这些线是位于分流桥的中心(图3b)。为了快速建立模型，如果分流桥形状和尺寸一致可以同时建立。选择中线后在控制面板中定义分流桥参数(图3a)，我们可以预览我们的设计(图3c)。使用内外轮廓线和合适的参数简单的生成空刀等位置的实体模型。

挤压模具;模具设计;挤压模拟;模具优化

b. c.

图3 上模控制面板（a），分流桥2D草图（b），上模与分流桥实体模型（c）

在参数化设计中，QExDD提供了使用轮廓线和一些参数如偏置和拔模角，自动生成模垫。程序中有一个工作带编辑器可以生成不同长度的工作带。此外也可以自动设计工作带长度。这种方法基于一些经验。工作带长度随着型材厚度，模具几何中心距离，相邻的型材形状和焊合室而变化。当然在设计阶段生成的工作带长度是初始的假设，但是它为下文基于流动模拟结果的工作带优化提供了非常好的开始。

所有生成的实体部分都要合并在一起形成上模和下模。上模中所有需要导角的位置都要进行导角，在分流桥区域形成平滑的连接。最终我们得到模具组合体的实体模型，如图4b。

a.

a. b.

图4 上模各区域合并前单独显示（a），完全的模具组合体合并成一个实体后（b）

案例分析：通过模拟改进模具设计

设计工作的最后一步是保存模具组合体的实体模型（图4b）为特定格式，导入到QForm中进行网格生成和模拟。使用QShape模块进行网格生成，也生成金属域模型。金属域充满模具内表面包括工作带区域和挤压筒。工作带长度在QExDD中生成并导入，显示为3D曲线，如图5。图中在工作带编辑器窗口中可以看到沿着工作带展开线的工作带长度。这种显示可以使我们清晰的显示工作带，并且可以使用QShape的内置工具快速修改。最终的长度可以保存为IGES文件，用于模具加工。

挤压模具;模具设计;挤压模拟;模具优化

图5 金属域参数及工作带长度参数化显示（右侧），左侧为沿着型材轮廓展开线的工作带长度分布

其他的工艺参数如下：材料AA6061，坯料温度450 ℃，模具温度400 ℃，挤压垫速度5 mm/s。第一次模拟后可以看到材料流动结果，“脚”的位置比其他位置挤出速度更快（图6）。这种大的差异是由于材料流动在“脚”的位置相应的分流孔流出较多引起的，很明显初始设计是失败的。

图6 初始工作带设计对应的材料流动结果，分流孔和焊合位置显示在左下角

让我们改变分流桥的位置来减少材料流动不均。我们仅需要旋转分流桥的中线即可（如图7a）。然后重新刷新所有的设计步骤就可以得到改进后的模具组合体的实体模型，见图7b，网格模型见图7c。

挤压模具;模具设计;挤压模拟;模具优化

a. b. c.

图7 改变分流桥设计的草图（a），3D模型（b），金属域网格模型（c）

模拟第二种设计后我们得到更为均匀的挤出速度，如图8。即使“脚”的位置仍然较快，但是可以通过改变工作带的长度来改善。我们可以从工作带草图看到型材“脚”的位置工作带已经够长，无法继续加长。一个更为有效的方法是改变这些区域的角度，改变型材“脚”的位置的外表面的角度，图9a。

a. b. c.

图8 第二次设计工作带长度后的结果：分流孔(a)，焊合线位置（b），材料料头形状和速度分布（c）

a. b.

图9 使用QExDD的工作带设计，改变型材“脚”的位置的角度（a），修改工作带设计之后进行第三次模拟（b）

挤压模具;模具设计;挤压模拟;模具优化

a. b. c.

图10 第三次模拟的材料流动结果：刚挤出时（a），料头形状（b），第四次改变工作带设计后的模拟结果（c）

改变工作带设计后运行模拟可以立即看到模拟工作带对挤出的影响结果。 “脚”的位置和其他区域挤出速度相差不多，随后中间的桥稍微走快，如图10a。为了证明我们的修改有效，继续模拟后发现型材稍微弯曲，如图10b。这也是为什么修改图9b中蓝色高亮图框位置的倾斜角度的原因。最终得到均匀挤出的料头，如图10c。注意所有的模拟都使用模具耦合变形，考虑了模具的变形和模具角度变化。模具的轴向位移显示在图11a，图11b显示工作带区域由于模具偏斜引起的角度分布。图11c中显示的是模具截面上的有效应力。

a. b. c.

图11 模具的轴向位移分布（a），模具变形引起的工作带偏斜角度（b），模具的有效应力（c） 结论

1. QForm可以模拟挤压过程，提供材料流动，料头形状，载荷，温度和模具应力等结果。

2. 模具的3D模型质量较差阻碍了模拟软件的广泛应用。为了加速3D模具设计和更好的应用到

模拟，开发了QExDD 模具设计工具。

3. 通过空心型材的案例说明了模具设计工具QExDD联合模拟软件的效益。

4. 通过案例说明了通过几何建模软件和模拟配合来修改模具设计，达到生产合格型材的目的。 参考文献

[1] S. Stebunov, A. Lishnij, N. Biba, Development and industrial verification of QForm-Extrusion program for simulation profile extrusion in Proceeding of International Conference on Extrusion and Benchmark, Dortmund, Germany, 2009, pp. 41-42.

[2] S. Stebunov, N. Biba, A. Vlasov, A. Maximov, Thermally and Mechanically Coupled Simulation of Metal Forming Processes in Proceedings of the 10th International Conference on Technology of Plasticity, Aachen, Germany, 2011, pp 171-175.

[3] N. Biba, S. Stebunov, A. Lishnij, Simulation of material flow coupled with die analysis in complex shape extrusion, Key Engineering Materials, Vol. 585 (2014), pp. 85-92.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qct1.html