基于QFormetrusion结合建模软件的挤压模具设计及改进方法.docx

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1、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 FLOWNikolay Biba1, Sergey Stebunov1, Andrey Lishny1, Alexey Duzhev1,刘寒龙2 1)QuantorForm Ltd., Moscow, Russia2) 北京创联智软科技关键词: 挤压,铝合金，模拟，模具，焊合，设计，型材摘要：经过多年的集中进展挤压数值模拟已经到达肯定的成熟度和有用性。准确的挤压模拟要求高 质量的三维CA

2、D模型，但是目前很多模具制造商仍旧使用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模具模型的创立，并且和仿真软件QForm供给了接口，可以对设计的模 具和材料流淌供给快速分析，提高实际生产前的模拟修正设计。本论文介绍了该方法的根本原理， 并用工业案例说明白这种组合模具设计和仿真过程。Keywords: extrusion, aluminium, simulation, dies, weld, design, profilesAbstract. After years of intensi

3、ve 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

4、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 interfa

5、ce 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 a

6、ll stages of such combined die design and simulation procedure.概述我们之前展现过对于薄壁简单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局部， 开头设置为全部布满。另外挤出端使用拉格朗日模型，这局部材料可以增长。模拟可以推测未知的 料头外形和找到削减变形的方法。通过比照试验与模拟的载荷，材料流淌，型材温度和模具变形对 软件进展了验证1。并在2023年，2023年，2023年和2023年的国际挤压算例大会中对模拟结果和试 验测量数据进展了

7、综合比照分析。目前我们可以考虑模具变形进展耦合分析。我们知道在某些状况下模具外表的变形会对金属流淌起到格外大的影响2。工作带外表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，但是会影响金属流淌速度。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外形，并对金属流淌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。型材上格外小的有限元网格不行避开的会发 生变形，初始网格不能再连续使用。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

8、析中供给了最好的网格质量3。在获得金属流淌的准确推测之后，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挡模拟的广泛应用。很多模具设计仍旧承受 2D几何，而不建立3D 模型。导致有些模具的CAD模型不能便利的划分网格。仅有一些模具几何可以准确的划分网格。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。这种状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。在这种状况下开发一个挤压模具建模和修复的几何工具是格外有意义的。我们开发了一个名为“QForm-Extrusion Die Designer (QExDD)”的挤压模具建模工具来

9、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软件根底上做的二次开发。它与QForm挤压模块有几何接口，使得几何转换工作高效简洁。这个工具从型材的2D草图开头，增加一些分流桥及模垫的关心线，见图1a。ab图1 带有关心线的模具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中进展模具设计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，承受直接建模技术。生成的3D模型可以导入到模拟系统中进展挤压模拟，最终用于模具加工的CAM系统。下模是工模具组合体

10、中的主要局部，所以参数化设计方法从下模开头。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。然后使用掌握面板 (图2a)和2D草图(图2b)，经过几个操作步骤我们定义全部的参数最终获得模具的3D模型(图2c)。a.b.c.图2 几何生成掌握界面(a)，模具的2D轮廓线(b)，模具的3D模型(c)其次步是上模参数化设计，需要挤压型材的工作带外形，模具的外部轮廓和定义分流桥位置的 关心线。这些线是位于分流桥的中心(图3b)。为了快速建立模型，假设分流桥外形和尺寸全都可以 同时建立。选择中线后在掌握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)。使用内外轮廓线和适宜的参数简

11、洁的生成空刀等位置的实体模型。a. b.c.图3 上模掌握面板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供给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 于一些阅历。工作带长度随着型材厚度，模具几何中心距离，相邻的型材外形和焊合室而变化。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淌模拟结果的工作带优化供给 了格外好的开头。全部生成的实体局部都要合并在一起形成上模和下模。上模中全部需要导角的位置都要进展导角，在分流桥区域形成平滑的连接。最终我们得到模

12、具组合体的实体模型，如图4b。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终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中进展 网格生成和模拟。使用QShape模块进展网格生成，也生成金属域模型。金属域布满模具内外表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开放线的工作带长度。这种显示可以使我们清楚的显示工作带， 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。图5 金

13、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开放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淌结果，“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淌在“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淌结果，分流孔和焊合位置显示在左下角让我们转变分流桥的位置来削减材料流淌不均。我们仅需要旋转分流桥的中线即可如图7a。然后重刷全部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。a.b.c.图7

14、转变分流桥设计的草图a，3D模型b，金属域网格模型c模拟其次种设计后我们得到更为均匀的挤出速度，如图8。即使“脚”的位置仍旧较快，但是可以通过转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，无法连续加长。一个更为有效的方法是转变这些区域的角度，转变型材“脚”的位置的外外表的角度，图 9a。a. b.c.图8 其次次设计工作带长度后的结果：分流孔(a)，焊合线位置b，材料料头外形和速度分布ca. b.图9 使用QExDD的工作带设计，转变型材“脚”的位置的角度a，修改工作带设计之后进展第三次模拟ba.b.c.图10 第三次模拟的材料流淌结果：刚挤出时a，料头外形b

15、，第四次转变工作带设计后的模拟结果c转变工作带设计后运行模拟可以马上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，随后中间的桥略微走快，如图10a。为了证明我们的修改有效，连续模拟后觉察型材略微弯曲，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缘由。最终 得到均匀挤出的料头，如图10c。留意全部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

16、具的有效应力c 结论1. QForm可以模拟挤压过程，供给材料流淌，料头外形，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白模具设计工具QExDD联合模拟软件的效益。4. 通过案例说明白通过几何建模软件和模拟协作来修改模具设计，到达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 progra

17、m for simulation profile extrusion in Proceeding of International Conference on Extrusion and Benchmark, Dortmund, Germany, 2023, 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, 2023, 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 (2023), pp. 85-92.