（材料加工工程专业论文）基于cad平台的铝型材挤压模数值模拟及参数优化.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 挤压工艺和模具是铝型材挤压的核心技术。目前，我国铝型材生 产仍采用传统的“试模修模 方法，生产效率低，成本高，而且产品 质量很难保证。本文在分析了各种挤压模具结构特点及先进模具设计 经验的基础上，基于模具c a d 平台，模拟了型材挤压成形过程，并 对模具的关键参数进行了优化设计。 1 采用i d e f 分析，建立了型材挤压c a d c a e c a o 系统总体结 构模型。 2 根据国内外先进铝型材挤压模具设计、生产的实际经验和数 据，按照c a d 系统结构框架，利用面向对象的设计思想，首次在p r o e 三维软件平台上，采用p r o t o o l k i t 二次开发技术以及v c + + 编程语 言，开发了铝型材挤压模c a d 系统，将成组技术运用到系统中，构 建了较完整的挤压模c a d 数据库，实现了系统数据共享，和现有型 材及模具的规范化管理。 3 在挤压模c a d 系统的基础上，运用d e f o r m 3 d 有限元软件， 模拟了实心型材、大宽厚比型材以及简单空心型材的挤压过程，获得 了金属流动、等效应力应变和温度场的变化情况。 4 采用人工神经网络和遗传算法，基于m a t l a b ，开发了型材 挤压模具c a o 系统。并结合不对称槽形型材和方管型材的案例，进 行了模具参数的优化设计。 关键字铝型材，挤压模，数据库，数值模拟，参数优化 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t i nt h ep r o c e s so fp r o f i l ee x t r u s i o n ，t h ec o r et e c h n o l o g i e sa r e e x t r u d e dp a r a m e t e r sa n dm o u l do p t i m i z a t i o n a ld e s i g n a tp r e s e n t ，t h e a l u m i n u mf a c t o r i e sh a v es t i l la d o p t e dt h et r a d i t i o n a l “t r i a la n de r r o r p a t t e r nt od e s i g na l u m i n u mp r o f i l em o u l d s i nt h i sp a p e r , t h ec l a s s i c a l m o u l d sa led e s i g n e db yu s i n gc a ds o f t w a r ep r o ea n dt h ep r o c e s so f e x t r u s i o na l es i m u l a t e db yd e f o i t m t h em a i nt a s kc a r lb ed e s c r i b e di n t h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： b a s e do ng r a s p i n ga n da n a l y z i n gt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r so ft h e e x t r u s i o nm o u l d sa n dd e s i g np r i n c i p l e s ，t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo fap r o f i l e e x t r u s i o nm o u l d sc a d c a e c a os y s t e mi se s t a b l i s h e du s i n gi d e f ( i c a m d e f i n i t i o nm e t h o d ) c o l l e c t i n gal o to fi n f o r m a t i o na b o u tt h ef o r m u l ao fm o u l d sd e s i g n ， a n dt h ep r a c t i c ee x p e r i e n c e ，t h ee x t r u s i o nm o u l d sc a ds y s t e mi sr e a l i z e d w i t ht h eh e l po fp r o t o o l k i tr e d e v e l o p i n gi n t e r f a c e sa n dv c + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，w h i c ha d o p t e so b j e c to r i e n t a lt e c h n o l o g yo nt h e p r o ed e v e l o p m i n ge n v i r o m e n tf o rt h ef i r s tt i m e a sap a r to fc a d s y s t e m ，t h ed a t a b a s eb a s e do na c c e s su s i n gg r o u pt e c h n o l o g yc a n t r a n s f e rt h ed a t aa n da c h i e v ep r o f i l ea n dm o u l d sd r a w i n gs t a n d a r d i z a t i o n m a n a g e m e n t t h ee x t r u s i o np r o c e s so ft h r e et y p i c a lp r o f i l e s - s o l i dp r o f i l e ，p r o f i l e w i t hl a r g ew i d t ht h i c kr a t i oa n ds i m p l eh o l l o wp r o f i l ea l es i m u l a t e do n d e f o r m 一3ds o f t w a r e t h ed i s t r i b u t i o no fv e l o c i t yf i e l d ，e f f e c t i v es t r e s s f i e l da n de f f e c t i v es t r a i na r eo b t a i n e d p r o f i l ee x t r u s i o n p a r a m e t e r sc a os y s t e mi sd e v e l o p e du s i n g a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka n dg e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do n 脚l a b a n d t h ek e yp a r a m e t e r so fa s y m m e t r i cu s h a p ep r o f i l ea n ds q u a r et u b e s p r o f i l ea r eo p t i m i z e d k e yw o l m s ：a l u m i n u mp r o f i l e ，e x t r u s i o nm o u l d ，d a t a b a s e ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 铝作为仅次于钢铁的第二大金属，以其质量轻、比强度高、可加工性能好， 物理和力学性能优良，耐腐蚀，耐高低温，延展性好，导电、导热性能优良等良 好的特性，自出现之日起就成为极具竞争力的工程材料，获得人们的青睐。上世 纪5 0 年代随着我国第一家铝加工企业的建立，铝合金型材挤压技术得到了迅猛 的发展。挤压模具作为型材挤压成形中必不可少的工具，其设计与制造一直是制 约我国型材挤压技术发展的一大难题。至今为止，在挤压模具设计方面，都还没 有完整的理论体系，许多方面要靠经验设计，因此，为改善这种局面，挤压模具 c a d c a e c a m 技术得到越来越多的关注，利用c a d c a e c a m 技术能显著提 高模具寿命，缩短供货周期，降低成本，提高经济效益，同时也能减轻设计者的 劳动强度，挤压模具c a d c a e c a m 技术已成为推动模具及铝材挤压工业发展 的一个重要手段。 1 1 铝合金型材发展及应用现状 随着科学技术的进步和现代化经济的高速发展，铝合金型材已由2 0 世纪 5 0 6 0 年代民用建筑型材为主体，扩展到了航空航天、汽车船舶、交通运输、电 力电子、石油化工、机械制造、家用电器等各行各业和人们日常生活各个方面。 挤压工艺是于2 0 0 年前随着第一台简单铅挤压机的发明而发展起来的【1 1 。中 国铝挤压型材起源于上世纪5 0 - - 一7 0 年代，1 9 5 6 年东北1 0 1 厂的建成投产【2 1 ，经 历了1 9 5 2 1 9 7 9 年的奠定发展阶段、1 9 8 0 1 9 9 1 年的调整发展阶段和1 9 9 2 年 至今的高速发展阶段。1 9 9 1 年到2 0 0 2 年，铝型材产量连续1 1 年以2 4 2 的速度 增长，2 0 0 2 年达到1 7 6 万t ，已超过美国( 1 5 4 万t ) 而居世乔产量的第一位【3 】。 进入2 1 世纪以后，中国铝型材产量连年大幅攀升。图1 1 和图1 2 分别是1 9 9 6 - - 一 2 0 0 7 年我国铝挤压材和铝型材产量增长情况【2 】，可以看出我国铝型材工业正以雄 厚的实力、坚实的步伐，稳步健康地前景发展。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 o 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 o 1 9 9 61 9 9 71 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 02 0 0 l2 0 0 2 2 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 图l 一11 9 9 6 2 0 0 7 年挤压材年产量，万吨【2 】 1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 图卜21 9 9 6 - 2 0 0 7 年铝型材产量年增长情况， 万吨 2 】 在铝型材产品方面，据不完全统计，目前世界上型材已达5 万种，其中包括 各种具有复杂外形的型材、逐渐变断面型材和阶段变断面型材、大型整体带筋壁 板及异形空心型材。型材最大宽度可达2 5 0 0 m m ，最大断面积可达1 5 0 0 c m 2 ，最 大长度可达2 5 - - 一3 0 m ，最重可达2 t 左右，铝型材不断向大型化、扁宽化、薄壁 化、高精度化、复杂化、多用途、多功能、多品种、长寿命等方向发展。随着经 济的快速发展和人民生活水平的不断提高，目前世界上铝型材产量的一半以上是 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 软铝合金型材，主要用于建筑门窗、玻璃幕墙骨架构件、装潢饰件的等民用产业， 而军用硬铝合金挤压型材所占比例已下降到1 5 以下【】。表1 1 所示为我国2 0 1 0 年预计各行业对大中型铝合金挤压材的需求量。当然，与工业发达国家相比，我 国的铝合金挤压技术还有一定的差距。努力缩小差距，提高国际竞争力，满足国 民经济高速发展的需要，是我国未来2 0 年乃至更长时间内挤压技术发展的根本 任务。 表1 - 12 0 1 0 年各行业对大中型铝合金挤压材的需求量( 预计) 【2 1 随着航空工业的飞速发展，对铝合金挤压产品提出了越来越高的要求，特别 是高速军用与民用飞机要求采用最合理的挤压产品，以使各个部分的结构更趋合 理，保证结构重量最轻，强度和刚度最大，同时大幅度减少部件数量，减少组装、 接合和维修等的费用，获得完善美观的表面。因此，大型特种铝合金型材成为各 国竞相研究开发的重点之一。目前大型、复杂、整体的特种铝合金挤压型材已成 为航空航天工业中必不可少的重要结构材料。每架空中客车飞机使用几十吨厚铝 板和型材【7 1 ，大多数空中发射巡航导弹的壳体是用高性能铝合金型材和锻件制造 的。在火箭及航天器上主要用铝材制造燃料箱、助燃剂箱等们。 在交通运输方面，高速、节能、安全、舒适、环保是交通运输业的重要课题， 而轻量化是实现上述目标的最有效途径。轻量化除了在设计上对结构、发动机等 采用新的技术以外，在材料上选用铝合金材料则是其主要对策。经过多年的对比 研究，设计师、工艺师、冶金师和经济师们得出一致的结论：用铝材制作交通运 3 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 输工具，特别是现代车辆和船舶，较之木材、塑料、复合材料、耐候钢和不锈钢 等更具有科学性、先进性和经济性。因此，自2 0 世纪8 0 年代以来，铝材在交通 运输业上倍受青睐。在工业发达国家，交通运输业用铝量占铝总消费量的2 8 5 左右，其中汽车用铝量约占1 5 。主要用于制造汽车，地铁车辆、市郊铁路客车 和火车，高速客车和双层客车的车体结构件、车窗板、蒙皮板和轮毂，以及各种 客船、渔船和各种业务船、专用船的结构、部件等【l h1 2 】。 建筑业是铝材的三大用户( 容器包装业、建筑业、交通运输业) 之一，其用 量占世界铝材总消费量的2 3 以上。另外在机械制造业、电子电器及家用电器上 以及很多其他方面都可看到铝材的应用【l3 1 4 1 。 1 2 铝型材挤压技术概述 1 2 1 铝型材挤压基本原理 挤压就是对放置在挤压筒中的铸锭一端施加压力，使之通过模孔以实现塑性 变形的一种压力加工方法。挤压技术的原理如图1 3 所示。将加热到一定温度的 铸锭或坯料3 放入到挤压筒2 中，挤压筒的一端用装在模支撑中的模子5 封住， 在另一端放入挤压垫片1 ，通过挤压垫片将挤压杆4 上的压力传递给坯料。当与 挤压机主柱塞联结在一起的挤压轴处于工作行程时，铸锭金属开始从模孔流出， 并得到与模孔孔型相同的产品。挤压结束时，用挤压杆推出挤压坯料，将制品和 坯料剪断，然后由垫片分离机构把挤压残料与垫片分离。挤压机的各工具和部件 退回到原始状态，进行下一个挤压周期。 4 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 图1 - 3 挤压过程原理图 卜垫片2 一挤压筒3 一坯料4 一挤压杆5 一模 1 2 2 铝合金型材挤压变形主要特点 ( 1 ) 塑性变形大且不均匀 在各种塑性加工工艺中，铝型材挤压的变形程度比起锻造、冲压等工艺要剧 烈得多，而且变形更为复杂不均匀。对普通民用建筑铝型材而言，一般挤压用铝 合金铸锭直径在a 1 0 1 2 0 0i i l f l l 之间，长度在4 0 0 7 0 0m i l l 之间。而挤压成形的铝型 材壁厚大部分只有0 5 3 衄，型材外接圆直径一般在a 1 0 0 姗左右，挤压比通常达 3 0 以上，甚至更高，变形量非常大，同时变形主要集中在模口附近的狭小区域， 变形极为剧烈但也极为不均匀【1 5 】。如图1 4 所示为挤压棒材子午面上坐标网格变 化情况，在锭坯轴向上靠近模口端变形大于靠近挤压杆端，径向上锭坯变形从锭 坯边缘区域向锭坯中心区域增大，变形最剧烈的区域集中在模口附近的狭小区 域。型材截面越复杂，变形的不均匀性越显著，截面上各部分金属在挤出模孔时 就越容易以不同的速度流出，从而造成型材的扭拧、波浪、弯曲及裂纹等缺陷而 报废，模具也极易损坏【1 6 】。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 图l _ 4 挤压时坐标网格变化图 ( 2 ) 金属流动规律复杂 金属在挤压时的塑性流动规律非常复杂，因为它与挤压制品的组织、性能、 表面质量、外形尺寸和形状精度以及工模具设计原则、工模具的寿命等有着十分 密切的关系。金属的性能、挤压方法、工艺条件和模具结构等不同，挤压时金属 的流动情况有很大的差异。影响铝型材挤压过程中金属流动的主要因素有金属的 本性、挤压方法、摩擦润滑条件、工模具与铸锭 的加热温度、工模具的结构与形状、变形程度等。 挤压过程中，按金属流动特征和挤压力的变 化规律，一般可以将挤压过程分为三个阶段，如 8 图1 5 所示。i 阶段为开始挤压阶段，又称填充 箱 挤压阶段。金属在受挤压轴的压力后，首先镦粗 充满挤压筒和模孔，挤压力急剧直线上升至最大 值。i i 阶段为基本挤压阶段，也叫平流( 稳定) 图1 5 正寡差1 鐾羹压力变化例 挤压阶段。靠近挤压垫处和模子与挤压筒内铸锭 出，金属尚未参与流动，形成难变形区。一般，筒内的铸锭金属不发生中心层与 外层的紊乱流动，即铸锭外层金属出模孔后仍在制品外层，不会流到制品中心， 金属流动相当于无数同心薄壁圆管的流动。i i i 阶段为终了挤压阶段或紊流挤压阶 段。在此阶段中，随着挤压垫片( 已进入变形区内) 与模子间距离的缩小，迫使 变形区内的金属沿着挤压轴线方向由周围向中心发生剧烈的横向流动，同时，两 个难变形区内的金属也开始向模孔流动，从而易产生挤压加工汇中特有的“挤压 缩尾”缺附1 6 】。 ( 3 ) 多参数耦合作用【l 7 j 型材挤压成形是一个多参数耦合作用的过程，型材的形状参数、尺寸参数直 接决定了挤压工艺、模具、工具和铸锭技术参数的选择。在挤压过程中，模具的 结构、尺寸和精度参数以及挤压速度和温度等工艺参数又对挤压成形过程和产品 6 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 质量产生直接的耦合影响。 总之，型材挤压成形是一个变形大、金属流动规律复杂、封闭式的高压型腔 内成形的复杂工艺过程，这决定了它是一个研究难度极大的问题。而挤压数值模 拟恰能虚拟再现挤压成形过程，并能够借助数值模拟分析软件强大的后处理功能 进行任意截面物理场量进行切片分析，而且费用比试验研究要低，故近年来得到 了迅猛的发展。 1 2 3 铝合金型材挤压特点 挤压加工在轻合金工业体系中占有特殊的地位。随着科学技术的不断进步和 国民经济的飞速发展，使用部门对产品的精度、形状、表面光洁度等各种质量指 标提出了新的要求，面向用户保证供应符合各种质量要求的轻合金产品，采用挤 压加工技术生产比其他压力加工方法( 如牟l s j j 、锻造等) 有更大的优越性和可靠 性。归纳起来，挤压加工有下列特点【1 8 】： 在挤压过过程中，被挤压金属在变形区能获得比车l s j j 、锻造更为强烈和均匀 的三向压缩应力状态，这就可充分发挥被加工金属本身的塑性。因此，用挤压法 科加工那些用轧制法或锻造法加工有困难甚至无法加工的低塑性难变形金属或 合金。对于某些必须用轧制或锻造法进行加工的材料，如粉末钛材、l f 6 、l c 4 、 i v l b 5 等合金的锻件等，也常用挤压法对铸锭进行开坯，以改善其组织，提高其 塑性。目前，挤压仍然是可以用铸锭直接生产产品的最优越的方法。 挤压法不但可以生产断面形状较简单的管、棒、型、线产品，而且可生产断 面变化，形状极复杂的空心型材和变截面管材、多孔管材等，这类产品用轧制法 或其他压力加工方法生产是很困难的，甚至是不可能的。异型整体型材可简化为 冷变形、铆焊、切削等简单的工艺过程，这对于减少设备投资。节能、提高金属 利用率、降低产品的总成本具有重大的社会经济效益。 挤压加工灵活性很大，只需要更换模具等挤压工具即可以在一台挤压设备上 生产形状、规模和品种不同的型材制品，更换挤压工具的操作简便易行，费时少， 功效高。这种加工方法对订货批量小、品种规格多的轻合金材料加工生产厂最为 经济适用。 挤压加工可生产出比热轧、锻造更高精度，更优表面质量的型材，这可有效 地减少总工作量，简化生产工序，同时也提高了被挤压金属材料的综合利用率和 成品率。 挤压过程对金属的力学性能也有良好的影响，特别是对某些具有挤压效应的 铝合金来说，其挤压制品在淬火失效后，纵向强度性能远比其他方法加工的同类 7 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 产品要好。这对挖掘铝合金材料潜力，满足特殊使用要求具有实用价值。 轻金属及轻合金具有良好的挤压特性，特别适合于挤压加工，如铝及铝合金 可以通过多种挤压工艺和多种模具结构进行加工。平面分流组合模的出现后，通 过焊合挤压法来生产复杂的空心铝制品获得了广泛的应用。 尽管用挤压法生产铝合金制品仍存在集合废料损失较大，挤压速度远低于轧 制速度，生产效率低，组织和性能的不均匀程度较大，挤压力大，工模具消耗量 较大等尚待改进的缺点，但随现代化科技迅猛发展，新挤压工艺、设备和新结构 模具的出现，上述缺点也正在被迅速克服中，尤其对轻合金来说，挤压加工方法 仍不失为一种确保产品质量、综合效益很好的先进加工方法。 1 3 挤压模具在挤压过程中的关键作用 挤压模具是使铸锭完成最终的塑性变形并获得所需形状的工具，其作用主要 体现在以下几个方面【1 9 】： l 、合理的模具结构是实现任何一种挤压工艺过程的基础。 在挤压过程中，挤压筒中的铸锭在挤压轴输出的压力作用下，因承受强烈的 三向压应力而产生变形，模具是使金属产生挤压变形和传递挤压力的关键部件， 是使金属最后完成塑性变形获得所需形状的工具。在目前的条件下，还不能想象 无挤压筒、无模具的挤压工艺。 2 、挤压模具是保重产品形状、尺寸和精度的基本工具。 只有结构合理、精度和硬度合格的挤压模具，才能实现产品的成形并具有精 确的内外廓形状和断面尺寸。同时，合理的模具和工具( 包括模垫、支承环和导 路等) 设计能保证产品仅有最小的翘曲和扭曲、最小的纵向弯曲和横向波浪度。 3 、模具是保证产品内外表面质量最重要的因素之一 挤压模具本身的表面粗糙度、表面硬度对产品的内外表面粗糙度有着决定性 的影响，只有通过精磨抛光和氮化处理或表面硬化处理的模具，才能挤压出具有 光亮表面的挤压制品，经过表面处理后可获得色调美观、厚度均匀、附着牢固的 表面氮化膜。 4 、合理的模具结构、形状和尺寸，在一定程度上可控制产品的内部组织和 力学性能，特别是在控制空心制品的焊缝组织与力学性能方面，分流孔的大小和 形状及其分布位置、焊合腔的形状和尺寸、模芯的结构等起着决定性的作用。 5 、合理的模具设计与制造能大大提高模具的使用寿命，这对于降低产品成 本有着十分重要的意义。 因此，合理地设计与制造模具，对于提高生产效率，提高产品的质量，减少 8 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 能耗等有着重大的意义。不同类型的型材需要采用不同的挤压工艺和工具【1 7 1 ， 如表1 2 所示。 表1 - 1 常用型材的挤压模具类型 型材类型 名称特点挤压模具类型 i 级实心型材“l ”、“t ”形 简单型材 i i 级实心型材 “u ”形 平面模 i 、i i 级以外的所有 级实心型材 实心型材 有一个或多个半封闭 形状半空心型材分流模+ 导流模 的内腔 异型材 有一个或多个全封闭 空心型材分流模 的内腔 异型材 变断面型材断面沿长度方向变化变断面挤压模 薄壁型材壁厚t 3 m 大周长面积比型材 周长面积比( p a ) 较大 尺寸 大宽厚比型材 断面宽厚比( b t ) 1 3 0 导流模 异型材 断面各部分尺寸相差 大截面差型材 很大 1 4 挤压模具c a d c a e c a o 研究 计算机辅助设计( c a d ，c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，计算机辅助分析( c a e ， c o m p u t e ra i d e de n g i n e ) 以及计算机辅助优化( c a o ，c o m p u t e ra i d e do p t i m i t i o n ) 技术是最近2 0 3 0 年来迅速发展起来的一门新兴的综合性计算机应用技术，它的 出现，几乎推动了一切领域的设计革命，已成为衡量一个国家自动化和工业现代 化程度的重要标志之一。国内外科研工作割2 0 - 6 2 在研究模具几何形状和其他挤压 参数对挤压型材的组织和力学性能、坯料流动形式、模具强度等的影响方面已做 了大量工作。 在挤压模具的c a d ( 计算机辅助设计) 方面，从2 0 世纪7 0 年代中期开始， 工业发达国家已将c a d c a m 技术应用于型材挤压模具的设计与制造。美国著 名的b a t t l e - c o l u m b u s 实验型2 0 】于1 9 7 7 年报道了一个铝型材挤压模的c a d c a m 系统“a l e x t r ；同期，英国的b n f ( b r i t i s hn i o n f e r r o u sm e t a l st e c h n o l o g y c e r i s e ) 金属技术中心也研制了热挤压有色金属型材模具的c a d c a m 系统【2 ， 使铝型材平模的设计效率提高了4 倍；意大利s i g e x c o 公司于1 9 8 5 年开发了 9 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 o l i v e t t ic a d 系统【捌等；何德林【2 3 】利用i d e f 0 方法开发了能对平面模和分流模 进行优化设计的c a d c a m 系统；王孟君四】以a u t o c a d1 2 0 为图形支撑环境， v i s u a lb a s i c4 0 为开发工具开发了平模c a d 系统，可以有效地从事挤压平 模的各项计算，从而对设计结果进行优化；刘汉武【2 5 提出智能c a d 概念，并基 于智能化语言a u t o l i s p 开发了铝型材挤压模具的交互式参数化实时设计系统， 实现了参数化程序绘图。 在挤压模具的c a e ( 计算机辅助分析) 方面，刘汉武【2 6 】利用a n s y s 软件对 分流组合模挤压铝型材进行了有限元分析和计算，找出了原模具设计中不易发现 的结构缺陷：田晓风【2 7 】等针对挤压时平面分流组合模模芯变形对空心型材壁厚 影响的问题，利用a n s y s 软件对分流组合模上模进行了三维有限元分析，获得 了模芯在受力作用下的偏移变形量及模芯沿挤压方向的变形量。刘剑【2 8 】等运用 有限元分析软件a n s y s5 7 模拟计算间隙配合与过盈配合两种不同模具结构凹 模实际工况下所受的应力，得到凹模表明应力分布云图；g i a r d i n i 2 9 】在有限元程 序中使用m c c l i n t o c k 破坏准则，研究了挤压锻造过程中，模具几何形状( 倾角 和圆弧半径) 和润滑条件对材料流动的影响。林高用【3 0 】等人利用软件s u p e r f o r g e ， 通过有限元法和有限体积法相结合的方法解决了大挤压比型材数值模拟时的关 键技术。 在挤压模具的c a o ( 计算机辅助优化) 方面，a l e s 3 1 】于有限元离散化和非 线性数学规划技术，以成形能耗最小和面积压缩最大为优化目标，对以多项式表 示的模具几何形状在稳态挤压条件下进行了优化设计；j o 【3 2 】和l e e 【3 3 】为提高产品 的力学性能，以使产品获得均匀显微组织分布( 平均晶粒尺寸和实际晶粒尺寸之 间的最小二乘偏差最小) 为优化目标，使用y a d a 和s e n u m a 显微组织演化模型 预测显微组织演化，对用b e z i e r 曲线定义的热挤压和热锻压模具轮廓进行了优 化设计；c h i t k a r a 3 4 】和c e l i k t 3 5 】将基于上限理论开发的、用于任意形状模具的三维 偏心挤压设计的分析方法分别应用于初始圆形坯料的t 形截面挤压和方形截面 偏心挤压，对于给定的面积压缩比、模具长度、偏心位置和摩擦条件，获得了使 上限解最小的最佳模具设计；k u s i a k 和t h o m p s o n 3 6 】以挤压杆载荷最小并使挤出 的双金属圆棒的出口速度一致为优化目标，根据通过直接差分法( d d m ) 计算 的设计灵敏度优化了挤压模具形状；田晓风旧采用三次样条函数插值和b e z i e r 曲线拟合两种方法来完成挤压模具型腔轮廓形状的优化设计，以挤压表面载荷沿 凹模型腔轮廓表面均匀分布来提高模具寿命为优化目标，运用刚塑性有限元分析 和修正的序列二次规划算法相结合的方法，获得了各自优化了的凹模型腔轮廓曲 线；w i f i 3 7 】使用增量片状法( i n c r e m e n t a ls l a bm e t h o d ) 获得了任意曲线模具圆棒 正向热挤压的挤压力，建立了两种不同的运算法则，获得了使挤压载荷和工具 1 0 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 工件界面间应力最小的最佳模具轮廓，并发现最佳曲线模具轮廓的形状依赖于挤 压比和库伦摩擦系数，而不受挤压速度的影响：a e d d ) j 3 8 】将上限法和刚塑性有限 元法结合在一起，建立了轴对称热挤压过程中的热力有限元模型( t m f e m ) ，获 得了各种工艺条件下使挤压功率最小的模具优化轮廓，优化后的模具轮廓能防止 产品内部缺陷的出现；z h a n t ”】根据最小变形原理，利用刚塑性有限元法对挤压 和挤拉的稳态变形阶段进行了分析，并对模具半锥角进行了优化，优化结果与实 验结果吻合良好；王英、邹琳【柏- , 1 2 1 以模具型腔缩径部分表面载荷均匀分布和挤压 力最小为优化目标，建立了气门热挤压凹模型腔轮廓曲线优化设计的数学模型， 并采用修正的序列二次规划法( s q p ) 进行了优化计算，从而使缩径部分均匀磨 损，以利于提高模具寿命；刘汉武【2 5 】对铝型材挤压模具强度进行了有限元分析， 并利用人工神经网络技术与遗传算法相结合的方法，对模具结构进行了优化；杨 鑫华【4 3 】对连续挤压生产中产生的弯曲、扭曲等产品质量问题从模具型腔结构特 点上进行了分析，提出了以汇合室一焊合室过渡处金属轴向流速均匀为目标的型 腔几何参数优化方案，通过型腔内金属流动规律的模拟实验分析，建立了汇合室 塑变区的速度场数学模型，在此基础上，分析了型腔各几何参数对金属流动规律 的影响，采用正交试验和一维搜索法对型腔几何参数进行了优化；j o u n t a q 和 h w a n 矿4 5 】提出了含设计约束的稳态成型中的工艺优化设计的通用公式，通过伴随 变量法( a v m ) 计算了设计灵敏度u l y s s e 使用解析灵敏度和数学编程技术确定最 佳工作带长度，以达到一致的模具出口速度，并在解析灵敏度公式中引入热效应； m a n i a t t y 和c h e r t 4 6 】通过a v m 求形状灵敏度的值，以研究加工几何形状对成型所 需能量和平面应变拔丝中的内部状态变量的影响；a n t u n c z 和k l e i b e r t 4 7 】使用 d d m 对挤压和轧制进行了形状灵敏度分析；j o u n 4 3 】针对三维形状金属挤压，提 出了三维罚刚一粘性有限元法作为分析模型，描述了模具形状优化设计问题的数 学公式，重点放在定义能适应从圆棒挤出的零件的复杂构形的模具形状，基于设 计灵敏度进行了模具形状的优化，该法用于确定包括多边形和t 型截面在内的 各种横截面的零件挤压的模具形状；k r i s h n a k u m a 一4 9 1 以作用在模具表面的法向应 力的最大值或工件中出现的最大和最小有效应变之差最小化为目标函数，利用微 遗传算法对多通道拔丝的模具形状进行优化设计；c h u n g 5 0 】提出了与有限元法结 合在一起的遗传算法，以模具最大压力最小化作为目标函数，对挤压流线模轮廓 进行了优化设计，该法包括有限元分析模型以预测目标函数值，设计模型使模具 轮廓与设计变量和基于遗传算法的优化过程联系起来；k i m 5 l 】以轴对称热挤压过 程中变形区内应变率分布尽可能更一致为优化目标，使用柔性多面体搜索( f p s ) 法作为优化方法，对由b e z i e r 曲线定义的挤压模轮廓进行了优化设计；田柱平【5 2 】 以三维刚塑性有限元分析为基础，以获得均匀流动为目标，提出了一种铝型材挤 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 压模工作带形状的数值设计方法；w u 5 3 】利用有限元法分析了锥角和圆角半径对 挤压锻造变形的影响，并使用两组不同形状的模具进行了实验，其结果与同样变 形模式下有限元法的预测结果进行了比较；k o 矧研究了相对间隙高度和模角半 径等模具几何参数对径向冷挤压工艺的影响；缪德建【5 5 】详细介绍了利用单一数 据库的c a d c a e c a m c a t 技术进行模具的一体化设计、分析和加工的方法， 并指出利用该法可缩短模具设计、制造的周期，提高产品质量，降低生产成本， 是模具制造的发展方向；陈泽中【l8 】通过系统集成和二次开发，建立了基于u g 和 a n s y s 的铝型材挤压模c a d c a e c a m 系统，并对分流组合模进行了 c a d c a e c a m 研究，有效提高了模具设计制造效率；同时，在当前的研究工 作中，综合的上限法有限元法被用于求取流动应力依赖于温度和应变率的轴对 称热挤压的最佳模具轮廓【1 9 1 。 上述研究者所做的工作说明，挤压模具c a d c a e c a o 技术正受到越来越 多的关注，逐步成为铝型材挤压模具设计优化的重要手段之一。 1 5 研究意义和主要研究内容 挤压工艺和模具是铝合金型材挤压的核心技术，直接影响产品质量、生产效 率及生产成本，因此，合理的挤压工艺、先进的模具技术和优秀的人才成为铝型 材加工业竞争的焦点。目前，我国绝大多数铝型材加工企业，其挤压工艺与模具 设计主要是依靠经验与试验相结合的方式。这种方式对于已经成熟的产品来讲是 可以满足要求的，但这种经验试错法( 瓢a 1a n de r r o r ) ，对于新产品的开发、工 艺改进等存在设计周期长、试模次数多、成材率低、生产成本高等缺点。近年来， 随着计算机技术的飞速发展，模具c a d c a m 系统逐渐引起人们的关注。然而 现有的型材挤压模具c a d c a m 系统，虽然借助计算机大幅度提高了设计效率， 但其设计方法大部分仍是对传统经验公式的程序化，基本不能在设计时对参数进 行优化。为此，必须借助当代计算机技术，实现型材挤压工艺和模具的c a d ( 计 算机辅助设计) c a e ( 计算机辅助仿真) c a o ( 计算机辅助优化) c a m ( 计算机辅助制造) 的一体化，逐步减少乃至消除“试错 模式中费时费力的试 挤修模工作，提高生产效率和产品质量。 本课题在已有的挤压模具c a d 系统的基础上，借助人工神经网路、数值模 拟仿真等技术，初步建立一套完整的挤压模具“c a d c a e c a o c a m 系统， 不仅可以应用于金属挤压成形研究领域，而且可以应用于模具设计、虚拟制造、 并行工程等先进制造技术中，具有改造传统工艺、提高产品质量、提升企业竞争 力等方面的实际意义。 1 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 具体的研究内容包括以下三个部分： ( 1 ) 基于p r o e 二次开发技术p r o j 哟o l k i t ，运用v c + + 开发语言，在p r o e 软件平台上构建铝型材挤压模具c a d 系统，完成人机交互界面的设计，建立模 具设计以及制造过程中的相关技术参数数据库。 ( 2 ) 研究型材挤压模具c a e 基本原理和关键技术，分别对实心型材平面挤 压、大宽厚比型材导流挤压以及空心型材分流挤压的挤压过程进行了数值模拟， 分析其在挤压过程中的金属流动、等效应力应变分布以及温度场等的变化规律。 ( 3 ) 研究型材挤压模具c a o 的基本原理和关键技术，在m a t l a b 软件平 台上，采用人工神经网络和遗传算法等技术，开发c a o 系统人机交互界面，对 模具设计参数进行优化处理，并根据优化结果进行型材挤压模具c a e 分析，验 证该系统的正确性和有效性。 中南大学硕士学位论文第二章铝型材挤压模具c a d c a e c a o 系统的总体结构 第二章铝型材挤压模具c a d c a e c a o 系统的总体设计 2 1 系统的总体设计方案 铝型材挤压模具c a d c a e c a o 系统为解决型材挤压生产中存在的试挤修 模现象提供了一条新的途径。系统主要由三部分组成，即计算机辅助设计 ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，c a d ) 、计算机辅助分析( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ， c a e ) 和计算机辅助优化( c o m p u t e r a i d e do p t i m i z a t i o n ，c a o ) 。总体设计思 路是：将现实中存在的“图纸设计一根据图纸加工样品一根据样品试生产效果， 反复修改图纸，再重新加工新的样品，直到满意为止一正式投产 这条传统的 费时费财的技术路线，转移到计算机中进行，借助计算机的高速自动和智能优 势，实现产品的虚拟设计一虚拟分析一虚拟优化，直到获得满意的虚拟样品为 止。由于计算机的速度越来越快，仿真能力越来越高，这种新技术无疑会大大 缩短设计周期，降低生产成本，减轻设计者的劳动强度，是传统制造技术向现 代先进制造技术演化的必由之路。 2 2 系统二次开发的基本原理 系统的二次开发是构建铝型材挤压模具c a d c a e c a o 系统的关键环节。所 谓的二次开发是指在现有软件的基础上，为了提高和完善软件功能，使之更加 符合用户需求，而对软件做的开发工作。其目的是提高设计质量和效率。二次 开发将应用对象的设计规范、结构描述、设计方法等以约束关系的形式集成到 通用软件平台中去，以使应用对象的设计智能化、集成化。在二次开发过程中 要遵循工程化、模块化、标准化和继承性等一系列原则。开发基本过程可概括 为系统分析、系统设计、程序编写、系统测试四个阶段【6 3 1 。 ( 1 ) 系统分析 主要任务是分析、理解整个系统设计的基本要求，在系统分解的基础上确 定整个系统的基本框架，并在此基础上，形成表达系统基本要求及框架的系统 说明书。 ( 2 ) 系统设计 包括系统总体设计( 完成模块说明书) 和建立数据库与数据库管理系统。 1 4 中南大学硕士学位论文第二章铝型材挤压模具c a d c a e c a o 系统的总体结构 ( 3 ) 程序编写 将模块说明书转换成用某种软件编写的程序。 ( 4 ) 系统测试 可分为三步进行，模块测试、综合测试和验收测试。图2 - 1 所示为二次开 发的一般过程。 图2 - 1 二次开发的基本过程 软件二次开发的好坏，主要是看所开发的环境是否能合理的满足用户的需 求，简单快捷地上手，因此在开发过程中应注意以下几点关键技术【鼬5 】： ( 1 ) 用户化界面技术 用户化界面是指在通用化软件系统中嵌入部分二次开发工作的接口和界 面，这种二次开发界面将便于系统的操作和维护，对于系统的实用性和应用效 果具有重要的作用。用户界面的好坏是评价一个软件性能的重要标志之一。 ( 2 ) 数据库生成技术 建立数据库的关键是模具标准件和特定参数的存储和处理，有两种方法： 一种是使用数据文件的形式存放参数值；另一种是使用数据库关系系统建立新 系统的数据库。使用第二种方法既安全可读，又具有很好的开放性，是用户建 立数据库的理想选择。 ( 3 ) 二维工程图的自动生成技术 现有知名c a d 系统在三维模型转换为施工图的功能方面，都具有很强的二 维参数化功能，可以自动高效的生成所需要视图。但是对于一些复杂结构，存 在着不能完整表达产品信息的问题；国内大多数生产厂家仍是按施工图样进行 1 5 中南大学硕士学位论文第二章铝型材挤压模具c a d c a e c a o 系统的总体结构 制造，这就需要对系统二维工程图的自动生成进行二次开发。国外通用的c a d 系统在常用符号、标注等方面都是依照国际标准，与国家标准有所不同，如尺 寸标注、形位公差符号、表面粗糙度符号等，这就需要对其符号进行二次开发， 处理程序可以通过软件自带的二次开发语言，也可以利用其他高级语言编制。 ( 4 ) 产品设计智能化开发技术 智能化是把人工智能的思想、方法和技术引入传统的软件系统中，分析归 纳设计、工艺知识，模拟人脑推理分析，提出设计、工艺方案，从而提高设计、 工艺水平，缩短周期，降低成本。 2 3 型材挤压c a d c a e c a o 系统功能模型 i d e f ( i c a md e f i n i t i o nm e t h o d ) 2 s 】是一种描述系统功能活动关系的结构优 化分析方法，在分析系统的过程中，严格的按照自顶向下，逐层分解的方式来 构造系统模型。其主要功能是在顶层说明，然后逐层分解得到明确范围的细节 表示。初始图形( a - 0 图) 可最一般或抽象地描述整个系统，由一系列简单的盒 子及箭头表示，如图2 2 所示。图中的方盒代表系统功能活动，箭头分别代表输 入、控制、输出和机制。输入表示该活动所需要的信息，控制说明了该活动的 条件或约束，输出为该功能模块所产生的数据，机制则指执行活动的人或设备。 输入 功能 匕输出 图2 - 2i d e f 0 功能模型的表示方法 采用i d e f 方法建立的模型功能图具有明确的目标。明确的输入信息( 前一 阶段的结果) 、明确的行为( 对输入进行处理所要达到的本阶段的目标) 、明确 的输出( 本阶段得到的结果描述) 。因此在全面地分析了铝型材挤压模的结构特 点和设计原则的基础上，根据i d e f 的建模思想，建立了型材挤压c a d c a e c a o 系统功能图，如图2 3 所示。 1 6 中南大学硕士学位论文第二章铝型材挤压模具c a d c a e c a o 系统的总体结构 对不合理设计的优化 图2 - 3 铝型材挤压c a d c a