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热挤压模的压力分析和优化设计 帅词俊 肖刚 倪正顺 （ 中国 长沙 中南大学机电 工程学院 410083） 摘要 热挤压模的三维模型是用 型的有限元分析和优化设计 完成 后， 三维压力图显示应力集中在 挤压 模的边缘，并且应 力分布很不均匀。通过优化设计 结果可 得出 挤压模 的最佳高度为 佳的浇道口半径为 没有优化前相比 应力集中减少 27%。 关键词 ：三维方法；建模； 热挤压模 ；优化设计 简介 随着日常生 活标准的持续不断地发展，铝制品被广泛地应用到生活的每一个角落。产品也要求越来越多样化，复杂程度和精密度的要求也越来越高。挤压模是基本的挤压成形过程。它不仅决定产品的形状、尺寸、精度和表面状况，而且影响产品的性能。所以热挤压模是挤压成形技术的关键。 通常情况下，我们都是通过把三维有限元简化成二维模型来研究挤压模具以改进模具的质量和延长模具的使用寿命。但这仅仅适用于结构简单的模具。在不进行三维有限元分析的情况下，分析的结果不能给产品的制造带来切实地帮助和有用的信息。本文将以铝板冲压模为例来进行优化设计。 1、 实体模 型 图 1所示为一热冲压平面结合模具的公模简图。其外径为 它参数如图 1所 示。其建模方法如下： 1 1 坐标点 5 直线 L（ ）和圆（ 222 ）的交点坐标为： 1)(1()(222225,1 （ 1） 5,15,1 （ 2） 图 1 热挤压模具简图 1 2 坐标点 6 直线 ）和直线 1）的交点 k 12（ 3） 12 （ 4） 直线 ）和直线 2）的交点 26 （ 5） 26 （ 6） 1 3 坐标点 8 1关于 2也关于 5关于 6也关于 1 4 方程中的变量 在方程式（ 1） -（ 6）中，对于点 2，122 1 ， R=于点 22 1 ， R=2都是随着高度 表示为： )(11 、 )(22 、 )(31 、 )(42 、 )(51 、 )(62 ；,0 。 1 5 特定高 度的截面形状 连接点 5弧线连接 8这些交点集即可获得特定高度的截面形状。 1 6 任意高度的截面形状 高度 确度也越高）。任意高度的截面形状如图 2示： 图 2 截面曲线图 1 7 光滑曲面 应用 滑曲面将沿曲线生成，该曲面即为浇道口表面。应用 统将根据以上曲面生成实体。 1 8 模具的对称性 用布尔逻辑的添加和拭除等操作完成模具主要实体和中心的创建（如图 3）。模具的对称性有 助于模具 1/4实体有限元分析的计算（如图 4）。 图 3 模具实体模型 图 4 四分之一实体模型 2、 模型的计算 以冲压铝合金（ 6063平面模具为例。铝的熔点为 657，而铝合金 58，考虑到注射的压力和产品的质量，将工作温度定为 450。 模具材料为 413)。温度在 450以下时，其初态模数与热熔比分别为 210屈服强度为 1200擦系数为 固态 92的三维元素进行自由啮合。为了承载注射时的摩擦力，表面 154绘制成规则的四边形（如图 5），对于 1600吨的挤压机，挤压强度可按方程式 7计算，计算数值如表 1示。 )()( 21 (7) 图 5 摩擦力负荷图 表 1 模具各部分强度表 P 具经常发生边缘断裂，其强度主要取决于模具的高度和分流孔的分布。本文中，高度 1及 量极限压力（为设计的目标功能。设计变量的范围列于表 2中。 表 2 设计参数变化范围 1 2 )/(1 )/(2 650000、 计算结果 图 6为当量应力图，从图中我们可以得出，在边缘处压应力最大。图表 3中从大到小列出 24个当量压应力值。数据显示，最大的当量压应力为 高度比第二数值 其压应力在边缘处收敛严重，该部分容易了生裂缝。 设计参数 H、 1 和 2 的初始值分别为 最大当量应力 21次迭代中，第 18次迭代最为适宜。此时设计参数分别为 H= =, 2 =,最大当量应力 =733.1 减少了 27%。迭代结果如表 4所示。 图 6 最大当量应力图 表 3 结点压力值 结点 971 528 719 698 3950 714 P/点 1156 702 727 710 723 700 P/点 739 708 706 731 759 1178 P/点 704 747 690 743 694 696 P/计参数 H、 1 和 2 的初始值分别为 最大当量应力 21次迭代中，第 18次迭代最为适宜。此时设计参数分别为 H= =, 2 =,最大当量应力 =733.1 减少了 27%。迭代结果如表 4所示： 表 4 优化过程 参数值 迭代次数 1 2 3 4 5 6 1 2 (1 (2 数值 迭代次数 7 8 9 10 11 12 1 2 (1 (2 参数值 迭代次数 13 14 15 16 17 18 1 2 (1 (2 数值 迭代次数 19 20 21 1 2 )/(1 )/(2 4、 结论 1） 在 二次开发设计语言 2） 三维的应力分布极为不均。热挤压模的边缘处是危险应力集中的地方。最理想的几何设计可使最大应力下降 27%。一个好的冲模不仅仅是要减少冲量的数 量，而且要减少在设变中消耗的时间，这样才能有效的提高生产力。 参考文献 1 in of of in 2001, 10: 37(2 i. on on 2002, 4: 305(3 of 2000, 28: 34(4 in 2003, 22(1): 149(5 . of 1998, 2: 4636 . 1994, 7: 2717 2001. (8 1999. (9 1993. (10 ia1986. (
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