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摘要：本文借助MSC.Marc与MSC.SuperForge等计算分析平台，对材料挤压和模具应力分布变化两个关键环节实施了数据模拟与分析。通过对模拟方法的合理运用，达到减少试模和修模数量，保证模具结构合理性，并延长模具使用寿命的目的，从而为铝合金材料挤压成形工艺的优化设计提供可靠的参考依据。
关键词：铝合金挤压成形；模具负载；数值模拟
铝合金材料挤压是一个动态过程，具有很高的复杂性，其最终目标为获得理想的型材，满足厚度均匀和使用性能要求等。而想要加工出合格的型材，需要使用模具，并对加工过程中的每一个环节和参数进行严格控制。数值模拟是实现正式加工前掌握最佳工艺方法和生产参数的重要手段，它的应用能最大限度的规避错误和不合理，确定材料和模具在正式生产时可能发生的变化，从而为模具结构设计调整、生产工艺优化调整等提供可靠的依据。
1数值模拟方法——有限体积法
有限体积法又称有限容积法，是指将待模拟区域分为若干控制体积，各控制体积均建立一个节点进行表达。采用控制方程处理各控制体积得到离散方程，在这一过程当中，须对被求函数和一阶导数组成给出相应的假设，此组成方式即为该方法的离散格式。借助有限体积法得到的离散方程能使其有良好守恒性[1]。
质量、动量与能量的守恒方程分别为：
式（1）～（3）中，ρ表示材料密度；vi表示速度矢量；Sij表示应力张量；E表示内能。
2数值模拟建模
2.1有限元模型
对规格尺寸为（30×30）mm的型材施以分析，以此提出具体数值模拟方法。
2.2参数设置
材料参数如表1所示。
表1 材料参数统计表
在材料的摩擦方面，主要选择塑性剪切模型，该模型摩擦系数为0.9。材料本构关系可表示为：
式（4）中，σy表示流动应力；σs表示屈服应力，在12.5MPa-15.0MPa范围内；C表示屈服常量，在22.5MPa-23.0MPa范围内；M表示应变速率的硬化指数，取0.15；N表示应变的硬化指数，取0.11；ε表示应变；挤压速度确定为10mm/s。
计算选型设置：RET交换类型以work为主，有限体积比确定为0.25，每完成20%进行一次交换，折叠的最小角度为5°；加速选项以标准形式为主[2]。
2.3负载计算
模具工作过程中，由于受到机械应力与热应力的同时作用，所以通常以弹性变形为主，如果模具设计不合理，或受其它因素的影响，使负载情况较差时，模具将有很大几率产生塑性变形，致使模具失去效用。在有限的弹性变形限度中，应变和应力的分量应符合虎克定律。模具材料参数如表2所示。
表2 模具材料参数统计表
3模拟结果与分析
3.1变形
在挤压时，金属必定会发生不同程度的变形。从变形的过程中可以看出，当挤压刚到分流孔处时，整体应力负载相对较大，当进入到分流孔以内时，在模腔前端，塑性变形暂时停止，这一部分的应力负载明显减小，而入口位置上的应力负载未发生变化，依然是最大值。在金属整体完全进入到焊合腔内，并和其底面实现接触以后，前端由于受到阻碍，产生了一定程度的横向流动，同时开始进行焊合。在这一过程当中，金属应力按先升后降的顺序发生变化。当金属处于模具的工作带时，其实际应力数值往往会达到极限值。但在完全挤出型材之后，金属的应力负载将显著降低[3]。
通过对挤压全过程的了解可发现，当金属经过阶段面变形与拐角等处时，其应力负载情况都表现出增加的趋势。而各时刻金属塑性应变情况说明，当金属处在分流孔入口处，以及在焊合室中进行焊合以前，其塑性应变速率明显变大。相同的情况在完全进入工作带以內再次发生。可见，金属成形过程中发生的应力变化是造成其应变速率变化的主要原因，二者存在紧密的联系。如果金属变形发生明显的突变，使应变速率间接变大，则金属应力也有所增加。
3.2应力
模具应力变化情况为：
（1）模具入口表面的应力分布情况：在分流孔圆角处，应力负载增加到1440MPa，是整个过程的最大值。由此可以看出，此圆角部位在设计过程中欠缺考虑，致使应力集中，缩短磨具使用寿命；
（2）距离磨具入口30mm处断面的应力分布情况：在上模各截面处，应力存在明显差别，但整体变化趋势保持一致；
（3）距离模具入口65mm处断面的应力分布情况：该处应力负载明显大于棉芯处；
（4）焊合腔底面的应力分布情况：其应力负载大于其它截面。此外，整个模具除了分流孔的圆角，其余所有部位或截面的应力分布情况都较为均匀，并且处在安全范围以内。
以此为基础分析在不同的挤压时刻，模具实际应力所受影响，结果表明：（1）在坯料进入焊合室以后，模具整体应力出现下降；（2）在焊合金属的过程中，模具整体应力较之前状态有所增大；（3）当金属从模孔不断向外挤出时，应力大幅增加[4]。
3.3结果分析
模具自身结构对金属受到的挤压作用力与挤压是材料发生的应力变化有直接影响，但也也影响到模具使用寿命，所以在模具结构设计过程中应进行综合考虑，注重金属应力的同时尽可能延长模具使用寿命，减少或避免应力集中，使其所受挤压力达到最低。
通过对本次试验模拟和实际生产过程中的数据对比发现，二者情况基本吻合，因此，采用数据模拟和分析的方法，可为模具结构设计与生产过程中的参数调控提供可靠参考依据。如果金属材料的实际出口速度在一定范围中平稳变化，则可在很大程度上确保成品质量，避免因设计问题导致废品的产生。通过对模具实际受力状态的分析与校核，可预防模具因设计不合理而出现的断裂或崩塌，进而从根本上保证了生产过程顺利完成[5]。
4总结
（1）在对金属材料进行挤压成形时，有相对较大塑性变形现象的部位，其等效应力也很大。从材料自身性质角度讲，其等效应力和应变是存在一定关联的。
（2）对模具而言，在挤压成形过程中，除了分流孔圆角，其余所有部分的应力都能达到均匀分布，并且处在设计要求的安全范围以内。为了预防应力集中等问题的发生，需在设计过程中增加此处半径，实践表明，这种做法是能有效避免应力集中的。
（3）采用数值模拟等方法，对模具实际受力状况进行分析和校核，可以防止因设计问题造成的模具断裂或崩塌等现象，并在满足生产基本要求的前提下延长模具使用寿命，降低生产成本，改良生产工艺，使成品更具经济价值。
参考文献：
[1]贾康凯，张宝红，李国俊，骆无思，陈艳.5056铝合金桥形零件挤压成形研究[J].兵器材料科学与工程，2017（02）：72-76.
[2]潘卫国，刘静.空心铝型材蝶形模设计与挤压过程有限元数值模拟研究[J].模具工业，2016（04）：5-14.
[3]秦升学，邢国良，娄淑梅，任莉新，苗双双.基于DEFORM-3D的空心铝型材挤压过程有限元分析[J].热加工工艺，2013（05）：81-83.
[4]李淼林.铝合金挤压成形过程及模具负载的数值模拟[J].热加工工艺，2010（13）：110-113.
[5]娄淑梅，赵国群，王锐，等.有限体积法在三维非稳态钊合金挤压过程模拟中的应用[J].机械工程学报，2015（02）：122-126.
关键词：铝合金挤压成形；模具负载；数值模拟
铝合金材料挤压是一个动态过程，具有很高的复杂性，其最终目标为获得理想的型材，满足厚度均匀和使用性能要求等。而想要加工出合格的型材，需要使用模具，并对加工过程中的每一个环节和参数进行严格控制。数值模拟是实现正式加工前掌握最佳工艺方法和生产参数的重要手段，它的应用能最大限度的规避错误和不合理，确定材料和模具在正式生产时可能发生的变化，从而为模具结构设计调整、生产工艺优化调整等提供可靠的依据。
1数值模拟方法——有限体积法
有限体积法又称有限容积法，是指将待模拟区域分为若干控制体积，各控制体积均建立一个节点进行表达。采用控制方程处理各控制体积得到离散方程，在这一过程当中，须对被求函数和一阶导数组成给出相应的假设，此组成方式即为该方法的离散格式。借助有限体积法得到的离散方程能使其有良好守恒性[1]。
质量、动量与能量的守恒方程分别为：
式（1）～（3）中，ρ表示材料密度；vi表示速度矢量；Sij表示应力张量；E表示内能。
2数值模拟建模
2.1有限元模型
对规格尺寸为（30×30）mm的型材施以分析，以此提出具体数值模拟方法。
2.2参数设置
材料参数如表1所示。
表1 材料参数统计表
在材料的摩擦方面，主要选择塑性剪切模型，该模型摩擦系数为0.9。材料本构关系可表示为：
式（4）中，σy表示流动应力；σs表示屈服应力，在12.5MPa-15.0MPa范围内；C表示屈服常量，在22.5MPa-23.0MPa范围内；M表示应变速率的硬化指数，取0.15；N表示应变的硬化指数，取0.11；ε表示应变；挤压速度确定为10mm/s。
计算选型设置：RET交换类型以work为主，有限体积比确定为0.25，每完成20%进行一次交换，折叠的最小角度为5°；加速选项以标准形式为主[2]。
2.3负载计算
模具工作过程中，由于受到机械应力与热应力的同时作用，所以通常以弹性变形为主，如果模具设计不合理，或受其它因素的影响，使负载情况较差时，模具将有很大几率产生塑性变形，致使模具失去效用。在有限的弹性变形限度中，应变和应力的分量应符合虎克定律。模具材料参数如表2所示。
表2 模具材料参数统计表
3模拟结果与分析
3.1变形
在挤压时，金属必定会发生不同程度的变形。从变形的过程中可以看出，当挤压刚到分流孔处时，整体应力负载相对较大，当进入到分流孔以内时，在模腔前端，塑性变形暂时停止，这一部分的应力负载明显减小，而入口位置上的应力负载未发生变化，依然是最大值。在金属整体完全进入到焊合腔内，并和其底面实现接触以后，前端由于受到阻碍，产生了一定程度的横向流动，同时开始进行焊合。在这一过程当中，金属应力按先升后降的顺序发生变化。当金属处于模具的工作带时，其实际应力数值往往会达到极限值。但在完全挤出型材之后，金属的应力负载将显著降低[3]。
通过对挤压全过程的了解可发现，当金属经过阶段面变形与拐角等处时，其应力负载情况都表现出增加的趋势。而各时刻金属塑性应变情况说明，当金属处在分流孔入口处，以及在焊合室中进行焊合以前，其塑性应变速率明显变大。相同的情况在完全进入工作带以內再次发生。可见，金属成形过程中发生的应力变化是造成其应变速率变化的主要原因，二者存在紧密的联系。如果金属变形发生明显的突变，使应变速率间接变大，则金属应力也有所增加。
3.2应力
模具应力变化情况为：
（1）模具入口表面的应力分布情况：在分流孔圆角处，应力负载增加到1440MPa，是整个过程的最大值。由此可以看出，此圆角部位在设计过程中欠缺考虑，致使应力集中，缩短磨具使用寿命；
（2）距离磨具入口30mm处断面的应力分布情况：在上模各截面处，应力存在明显差别，但整体变化趋势保持一致；
（3）距离模具入口65mm处断面的应力分布情况：该处应力负载明显大于棉芯处；
（4）焊合腔底面的应力分布情况：其应力负载大于其它截面。此外，整个模具除了分流孔的圆角，其余所有部位或截面的应力分布情况都较为均匀，并且处在安全范围以内。
以此为基础分析在不同的挤压时刻，模具实际应力所受影响，结果表明：（1）在坯料进入焊合室以后，模具整体应力出现下降；（2）在焊合金属的过程中，模具整体应力较之前状态有所增大；（3）当金属从模孔不断向外挤出时，应力大幅增加[4]。
3.3结果分析
模具自身结构对金属受到的挤压作用力与挤压是材料发生的应力变化有直接影响，但也也影响到模具使用寿命，所以在模具结构设计过程中应进行综合考虑，注重金属应力的同时尽可能延长模具使用寿命，减少或避免应力集中，使其所受挤压力达到最低。
通过对本次试验模拟和实际生产过程中的数据对比发现，二者情况基本吻合，因此，采用数据模拟和分析的方法，可为模具结构设计与生产过程中的参数调控提供可靠参考依据。如果金属材料的实际出口速度在一定范围中平稳变化，则可在很大程度上确保成品质量，避免因设计问题导致废品的产生。通过对模具实际受力状态的分析与校核，可预防模具因设计不合理而出现的断裂或崩塌，进而从根本上保证了生产过程顺利完成[5]。
4总结
（1）在对金属材料进行挤压成形时，有相对较大塑性变形现象的部位，其等效应力也很大。从材料自身性质角度讲，其等效应力和应变是存在一定关联的。
（2）对模具而言，在挤压成形过程中，除了分流孔圆角，其余所有部分的应力都能达到均匀分布，并且处在设计要求的安全范围以内。为了预防应力集中等问题的发生，需在设计过程中增加此处半径，实践表明，这种做法是能有效避免应力集中的。
（3）采用数值模拟等方法，对模具实际受力状况进行分析和校核，可以防止因设计问题造成的模具断裂或崩塌等现象，并在满足生产基本要求的前提下延长模具使用寿命，降低生产成本，改良生产工艺，使成品更具经济价值。
参考文献：
[1]贾康凯，张宝红，李国俊，骆无思，陈艳.5056铝合金桥形零件挤压成形研究[J].兵器材料科学与工程，2017（02）：72-76.
[2]潘卫国，刘静.空心铝型材蝶形模设计与挤压过程有限元数值模拟研究[J].模具工业，2016（04）：5-14.
[3]秦升学，邢国良，娄淑梅，任莉新，苗双双.基于DEFORM-3D的空心铝型材挤压过程有限元分析[J].热加工工艺，2013（05）：81-83.
[4]李淼林.铝合金挤压成形过程及模具负载的数值模拟[J].热加工工艺，2010（13）：110-113.
[5]娄淑梅，赵国群，王锐，等.有限体积法在三维非稳态钊合金挤压过程模拟中的应用[J].机械工程学报，2015（02）：122-126.