1、大型整體壁板和空心薄壁鋁型材擠壓模具設計關鍵技術莫建虎1 李落星1 李光耀2 鐘志華21. 湖南大學材料科學與工程學院 長沙 4100822. 湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室 長沙 410082摘要：模具設計是大型整體壁板和空心薄壁鋁型材制造的關鍵技術，傳統的模具設計主要依靠人的經驗和反復試模與修模來完成。計算機技術和塑性加工技術的發展，促進了擠壓模具CAE技術的發展。本文總結了大型整體壁板和空心薄壁鋁型材的模具設計方法，以及各種CAE技術在模具設計中的應用，最后提出了關于此類研究的發展瓶頸和發展方向。關鍵詞：大型整體壁板 空心薄壁鋁型材 模具設計 CAE技術中圖分類號：TG376

2、0 前言隨著科學技術的進步和現代化經濟的高速發展，鋁合金型材正向著大型化和整體化、薄壁扁寬化、尺寸高精度化、形狀復雜化、外形輪廓美觀化的方向發展。車輛輕量化,特別是高速雙層客車和地鐵列車的輕量化是鐵道運輸現代化的中心議題,而大量采用鋁合金材料是提高車輛輕量化的最有效的途徑，其主要的方法就是采用大型整體壁板和空心薄壁鋁合金型材。為了適應這種市場需求趨勢，各國都在加速建設重型擠壓機或大型型材擠壓生產線。 大型的整體結構部件，過去用數塊小型材組裝拼接而成，或用軋制板材彎曲加工而成，而用大型整體壁板鋁型材代替之后，可以節約模具設計、制造費用，提高擠壓生產效率；使機械部件的結構變得更加合理，改善結構的工

3、藝性；密封性好，可獲得完善的部件表面。 大型材多采用正擠壓生產,需要大型的擠壓機,大型的工模具(擠壓筒、擠壓模等)以及大型的生產設備。其技術特點是:采用擠壓性能好、強度適中、耐腐蝕性能和焊接性優良的鋁合金，采用大型臥式油壓機，采用高比壓的圓擠壓筒和扁形擠壓筒，以及開發適合于大型斷面的擠壓生產工藝和模具技術。大型鋁合金型材斷面形狀復雜，長度可達30m，是多功能的集合體。擠壓成形過程非常復雜，大型整體壁板和空心薄壁鋁型材的擠壓都屬于三維流動大變形問題。型材斷面越復雜，變形的不均勻性越顯著，如果模具設計不合理，截面上各部分的金屬流動不均勻，造成在擠出模孔時就越容易以不同的速度流出，從而使型材產生扭擰

4、、波浪、彎曲以及裂紋等缺陷而報廢，模具也極容易損壞。另外在以往的設計中靠經驗居多，然后進行重復的修模試模，多者超過5-7次，造成模具成本高到不可接受。1 大型整體壁板和空心薄壁鋁型材的模具設計1.1 大型整體壁板的擠壓特點及擠壓方法鋁合金擠壓型材的“大型”或“小型”，主要是以其外形尺寸或斷面積界定。一般來說，大型型材應滿足以下條件1： 型材的寬度或外接圓直徑大于250mm； 型材斷面積大于20cm2； 型材交貨長度大于lOm。 799壁板是車輛的一種結構單元，具有材料分配合理、自重輕、結構效率高、表面光滑、氣動外形和密封性能好等優點。大型整體壁板是一種斷面寬度很寬，厚度很薄（即斷面寬厚比很大）

5、，帶有縱向筋條等的特殊型材，用來作為新型的整體結構材料。根據斷面形狀和生產難易程度不同，大型整體壁板可以分為三類： 對稱型壁板，即壁板的筋條相對于垂直于板面的軸線呈對稱分布，如圖1所示。 不對稱型壁板,即壁板兩側的筋條的數目、尺寸不相等，甚至筋條集中于一側，另外一側完全沒有筋條，如圖2 所示。 完全不對稱型壁板，即沿壁板寬度方向上底板有明顯的截面形狀與尺寸變化，如圖3 所示。圖1 對稱型壁板圖2 不對稱型壁板圖3 完全不對稱型壁板因為大型整體壁板型材的寬厚比大，一般在50100以上2，形狀復雜，單位橫截面上的表面積又很大，所以可擠壓性比較低。尤其是寬厚比大于100mm，寬度大于800mm，壁厚

6、小于3mm，長度大于10m的壁板，擠壓時必須采用一些特殊的工藝措施和特殊結構的模具，才能生產出合格的產品。大型整體壁板型材擠壓成產的方法很多，根據產品的種類、規格、合金牌號等不同，可分別采用圓擠壓筒擠壓法、扁擠壓筒擠壓法、寬展模擠壓法等。1）圓擠壓筒擠壓法：用實心圓坯擠壓扁平型材的壁板是最簡單的方法。主要缺點是限制了擠壓壁板的寬度。計算結果表明，在80MN擠壓機上可以用硬鋁合金（2024、7075、5A06等）的實心圓坯生產寬度不超過460mm的壁板，用軟合金（6061、6005、6063）實心圓坯生產寬度不超過650mm的壁板3。2）扁擠壓筒擠壓法：采用扁擠壓筒擠壓，是扁平壁板型材的先進生產

7、方法之一，圖4為扁擠壓筒擠壓壁板的示意圖。 800圖4 扁擠壓筒擠壓法用扁擠壓筒擠壓壁板的最大允許寬度取決于擠壓機的結構特征，而不是擠壓力的限制。用扁擠壓筒擠壓可獲得寬度范圍內腹板厚度不同而截面不對稱的壁板，而且加強筋的高度和形狀不受限制。用扁擠壓筒擠壓大型整體壁板的主要優點是3：a 可以獲得具有不同形狀橫截面的壁板和型材，其中包括對稱性很差的壁板和沿其寬度方向的腹板和加強筋的厚度有急劇變化的壁板；b 可以在主柱塞行程受研制的簡單型棒擠壓機上進行擠壓；c 由于擠壓是在無潤滑的條件下進行的，壁板表面質量高；d 精整處理相當簡單，可以采用擠壓車間的普通設備進行精整；用扁擠壓筒擠壓大型整體壁板的主要

8、缺點：a 壁板寬度仍受到限制，一般不超過擠壓筒外徑的3040；b 制品的流出速度低，生產效率低；c 擠壓筒的壽命相當低。3）寬展模擠壓法：寬展模擠壓是一種新型的擠壓方法。該方法的實質是在圓擠壓筒工作端前加設一個寬展模，使圓坯進行展寬成近似于型材截面的預變形，厚度變薄，寬度逐漸增加到大于圓擠壓筒直徑，起到扁擠壓筒作用的一種擠壓方法。如圖5所示為寬展模擠壓原理圖。1壓型嘴 2后環 3中環 4前環 5型材模 6寬展模 7擠壓筒 8坯料 9擠壓墊 10擠壓軸圖5 寬展模擠壓原理圖采用寬展模擠壓法可以生產寬度比圓擠壓筒直徑Dt大1030的壁板型材，寬展率(B2 -B1)/ B1×100%以15

9、30為宜，寬展角一般取15°45°,常用2030o，出口寬度一般取比型材的成形模最寬處大20mm 左右。但寬展模擠壓的缺點是，總擠壓力比一般擠壓時增高2530，因此生產擠壓比大、長度尺寸大的硬鋁合金扁平壁板時比較困難4。1.2 大型整體壁板擠壓模具的設計根據大型整體壁板的種類、規格、被擠壓的合金以及擠壓方法的不同，應選擇不同的模具結構。常用的有扁模結構系統、圓模結構系統、寬展模結構系統、分流組合模結構系統以801及帶筋管擠壓工具結構系統等。一般采用分流組合模、寬展模和導流模等。1.3 空心薄壁鋁型材的擠壓特點及擠壓方法型材的寬厚比(即型材的寬度W與壁厚t之比Wt)是表征型材

10、扁寬化和薄壁化的重要指標，也是反映型材加工難易程度的主要指標。當Wt130時，在現代擠壓技術條件下，能較順利地生產出合格地產品；若當Wt130時，則可能由于成型困難，斷面尺寸各形狀精度難于保證等原因，使產品質量大為降低，生產率和成品率急劇下降，生產成本大為提高3。空心薄壁鋁型材根據型材的斷面形狀可以分為三大類，即實心型材、半空心型材和空心型材，如圖6所示。利用空心型材代替實心型材能夠帶來明顯的經濟效益，同實心型材相比，空心型材顯著地降低了金屬消耗，提高了結構材料的性能指標，減少了機械加工的勞動量。圖6 型材按截面分類圖空心薄壁鋁型材的擠壓方法可以采用大型整體壁板的方法，即采用圓擠壓筒擠壓法、扁

11、擠壓筒擠壓法、寬展模擠壓法等。另外，還有穿孔擠壓法。1.4 空心薄壁鋁型材擠壓模具的設計1.4.1平面分流組合模的特點和優點空心薄壁鋁型材一般采用分流組合模、寬展模、穿孔擠壓模，另外還有大懸臂半空心型材模、階段變斷面型材模等。由于分流組合模具是最常用的，在這里對此類模具的設計作一介紹。平面分流組合模(簡稱分流模)結構特征如圖7，是在橋式舌形模基礎上發展起來的，實質上是一種改進，即把凸橋改為平面橋，近年來得到了迅速的發展，并廣泛應用于不帶穿孔系統的擠壓機上生產各種規格和形狀的管材和空心型材，特別是民用建筑空心型材。1-模外套， 2分流橋， 3模芯， 4焊合室， 5模子， 6分流橋， 7分流孔，

12、8-擠壓制品圖7 平面分流模平面分流模工作時，實心鑄錠在擠壓機的作用下，金屬在經過分流孔時被劈成幾股金屬流，匯集于焊合室，在高溫、高壓、高真空的模腔內重新被焊合，然后通過模芯與模子之間的間隙流出，而形成符合一定尺寸要求的管材和空心型材5。分流模擠壓法的主要優點是： 8021）可以擠壓雙孔或者多孔的內腔十分復雜的空心型材和管材，也可同時生產多根空心制品，所以生產效率高，這一點是橋式很難甚至無法實現的；2）可以擠壓懸臂梁很大、平模很難生產的半空心型材；3）可拆模，易加工，成本較低；4）易分離壓余，操作簡單，輔助時間短，可在普通的型棒擠壓機上用普通的工具完成擠壓周期，同時壓余短，成材率高；5）可實現

13、連續擠壓，根據需要截取任意長度的制品；6）可改變分流孔的數目、大小和形狀，使斷面形狀比較復雜、壁厚差較大、難以用工作帶、阻礙角和促流角等調節流速的空心型材容易成型；7）可以用帶錐度的分流孔，實現較小的擠壓機上擠壓外形較大的空心制品，且能夠保證有足夠的變形量。但分流模擠壓也有一些缺點：1）焊縫較多，可能會影響制品的組織和性能；2）要求模子的加工精度高，特別是對于多孔空心型材，要求上下模嚴格對中；3）與平面模相比（實心型材模）相比，變形阻力大，擠壓力一般比平面模高30-40%，比橋式舌形模高15-20%，一般只限于生產軟鋁合金。4）殘料分離不干凈，有時會影響產品質量，而且不便于修模。1.4.2 平

14、面分流組合模的主要結構要素設計分流模的主要設計要素有分流比、分流孔的形狀、大小和布置位置、分流橋、模芯、焊合室、工作帶、模孔空刀的結構形狀和尺寸等6。1.5 國內外對大型整體壁板和空心薄壁鋁型材擠壓模具設計的研究大型整體壁板和空心薄壁鋁型材擠壓模具由于具有復雜的結構，一般都是靠人工經驗，反復修模和試模，最后設計出合理的模具。國內外對大型整體壁板和空心薄壁鋁型材擠壓模具設計進行過一定的研究：韓國Jung Min Lee等7對空心薄壁鋁型材擠壓進行了研究，對金屬流動、焊合力、擠壓力、芯模的偏轉作了深入探討。結果表明，焊合室高度和焊合室底部斜度增加越多，由于內部巨大摩擦和內部坯料大的剪切變形擠壓力變

15、得更大；在空心模具擠壓過程中，由于在分流階段分流橋的彈性變形而造成的舌芯的偏轉，舌芯工作帶提前表現出扇形成形。意大利 L. Donati8對空心薄壁AA6082鋁合金擠壓型材的模具設計、產品質量和生產效率進行了研究，并對通過具有中心焊合線的模具在不同的分流孔長度、焊合室高度、坯料溫度合擠壓速度下的擠壓產品分別進行了力學性能的測試。結果表明大尺寸的分流孔允許在高的擠壓速度下有高的生產速度和更寬的擠壓情況變化。但它要受到分流模的分流橋的尺寸限制。相同的效果可以通過增加焊合室的高度來獲得。，國內西南鋁業劉靜安等910對車輛鋁合金大型材模具的設計與制造工藝研究，以典型的難度較大的底板型材GDX-11為

16、例，對大型模具的結構參數和尺寸設計進行了深入分析，并對模具材料、熱處理工藝、模具制造工藝和修模等進行了討論。研制出了合格的GDX-11鋁合金大型材。但基于多次修模，成本及時間花費很大。型材斷面和分流模分別如圖8和圖9所示。 803圖8 GDX-11型材斷面圖 圖9 GDX-11型材分流模設計圖， 西南鋁業劉靜安，鄧小三等1112對地鐵車輛用6005A大型鋁合金型材的研制與開發。研究了6005AT6 鋁合金大型材的技術要求,化學成分和擠壓工藝、熱處理工藝優化等問題。制定出了合理的生產工藝,并成功地研制出供車輛使用的6005A2T6 大型特種型材。最后得出大型6005AT6 鋁合金空心型材的主要生

17、產工藝參數如下：優化合金成分，控制Mn和Cr的含量；鑄錠均熱后進行快冷處理；擠壓溫度530550,擠壓筒溫度490500,模具加熱溫度490510，擠壓速度13m/min；制品出前梁后立即進行在線淬火,對于壁厚2.5mm以下的型材可考慮用強風冷卻淬火,壁厚2.5 mm以上的型材必須用水霧淬火處理；制品經拉伸矯直,拉伸率1.0%2.0%；制品經人工時效處理,時效制度為1758h；時效前型材的停放時間不超過8h。山東叢林集團安學利等13對地鐵特寬空心型材模具設計與擠壓工藝進行了研究。詳細介紹了地鐵特寬空心型材模具設計、擠壓工藝, 尤其是橫向平直度控制的技術關鍵是控制金屬質點的均速流動和隨機淬火溫度

18、520,擠壓速度2 3m/min的控制,對高速列車用特寬及大型鋁合金空心型材的批量生產具有指導意義和典型產品的代表意義。東南大學劉偉14對最寬處達136mm，壁厚2mm的6063鋁合金空心薄壁型材進行了研究。通過三維造型軟件Pro/Engineer創建了多腔壁板鋁型材平面分流組合模型，利用剛塑性模擬軟件對型材擠壓過程進行了模擬，得出了工作帶長度與金屬流速的關系以及局部擠壓比、模孔位置、模孔的擠壓帶面積和工作帶長度之間的關系，從而實現了對模具參數的優化。如圖10圖12。(a) 三維模型圖 (b) 型材截面圖圖10 多腔壁板型材圖804圖11 實際擠壓模上模分流孔寬展圖 圖12 實際擠壓模上模分流

19、孔入口珠江鋼管集團黃克堅等15利用有限體積數值模擬技術到寬展擠壓模具設計中，在MSC Superforge 商業應用軟件平臺上, 對某公司寬厚比為80的鋁型材產品FDAWDD7的擠壓變形進行了過程模擬。通過工業試驗證明, 金屬流出速度的模擬結果與實際情況比較相符, 利用這種技術指導一般的非空心型材擠壓模具設計在生產上是可行的（圖13和圖14）。圖13 FDAWDD7型材產品截面圖 圖14 FDAWDD7 型材制品， 上海交通大學陳澤中等1617對大寬厚比薄壁異型材 (壁薄1.2mm，最薄只有1mm)擠壓多工藝參數優化研究。在應用型材擠壓CADCAE技術建立型材擠壓CAD 模型，并對其成形過程及

20、其參數變化規律進行CAE仿真的基礎上，采用基于正交試驗、人工神經網絡和遺傳算法的型材擠壓多工藝參數計算機輔助優化技術建立型材擠壓多工藝參數與擠壓質量間的關系映射模型，并預測不同參數值搭配對擠壓質量的影響，進而確定多工藝參數最優解。試驗證明取得了良好的效果（圖15和圖16）。圖15 大寬厚比薄壁型材截面圖 圖16 模具優化后生產的產品南昌大學鄭榮等18對空心薄壁鋁型材導流模的設計進行了研究。通過正交法把由經驗公式和工藝要求確定的初步模具參數設計成實驗樣木。基于此，以UG為平臺進行模具CAD造型，然后導入有限元軟件SuperForge模擬，得到SDV值作為優化變量，最后用神經網絡建805立模具參數

21、的數學模型，遺傳算法優化模具參數。由此設計出的模具一次試模成功，為設計導流模提供了一種行之有效的方法。西北工業大學劉漢武等19在VB 開發環境下開發了鋁型材模具交互式參數化實時設計系統,可實現對鋁型材擠壓模具強度進行有限元分析的實時處理、人工神經網絡技術與遺傳算法相結合的結構優化及基于智能化語言Auto LISP 的參數化程序繪圖。并對一大型空心薄壁型材擠壓模具的設計作為范例，系統功能強, 模塊通用性好, 圖形庫擴展性強, 對實際鋁型材擠壓生產過程有重要的指導意義。2 大型整體壁板和空心薄壁鋁型材擠壓模具CAE技術從前面可以看出，目前我國擠壓模具設計還停留在傳統的依靠工程類比和設計經驗的積累上

22、，所設計的模具必須經過反復的試模和修模來調整工藝參數，造成企業經常停工待模，生產能力低；另外，造成擠壓產品質量不高，降低安全性和使用壽命。改進傳統的模具設計方法已經成為發展大型整體壁板和空心薄壁鋁型材的迫切需求。而CAE（計算機輔助工程）技術的產生，給擠壓模具的設計帶來了革命性的改變。鋁型材擠壓模CAE 技術是利用CAD 中建立的擠壓產品模型、結合擠壓工藝與控制參數、完成其成形過程分析和相應模具優化設計的一種數值技術20。目前，國內外對大型整體壁板和空心薄壁鋁型材擠壓模具CAE技術的研究主要集中在利用有限元法（FEM）、有限體積法（FVM）、有限元與有限體積法分步進行和ALE有限元法進行數值模

23、擬。應用數值模擬方法對鋁型材擠壓的變形、溫度場、摩擦與潤滑等問題進行分析，在此基礎上對擠壓模具進行優化設計與開發。2.1 有限元法有限元法采用更新的Lagrangian方法。在更新的Lagrangian方法中計算網格固定在物體上隨物體一起運動，即網格點與物質點在物體的變形過程中始終保持重合，簡化了控制方程的求解過程，得到了廣泛地應用。但是在大型整體壁板和空心薄壁鋁型材擠壓過程中產生大變形，有限元網格出現嚴重扭曲畸變，不僅需要網格重劃分，而且嚴重地影響結果的精度，另外所需劃分的網格數量大。因此目前很少人用這種方法研究大型整體壁板和空心薄壁鋁型材擠壓過程和模具設計優化。上海交通大學周飛等21對薄壁

24、型材擠壓過程分別用有限元軟件和有限體積法軟件進行了研究，型材截面如圖17所示。對比模擬結果表明,FEM計算效率高,但在模擬終成形階段時,由于頻繁的網格再劃分,造成模擬結果嚴重失真；FVM避免了網格再劃分問題,模擬精度高,但計算時間長。提出了采用FEM模擬鋁型材擠壓預成形,FVM模擬終成形的復合模擬方法,解決了料厚而壁薄這類鋁型材擠壓成形的數值模擬問題。圖17 薄壁型材的橫截面2.2 有限體積法 806有限體積法采用Eulerian算法，在Eulerian算法中網格固定在空間中，即計算網格在物體的變形過程中保持不變，對處理大變形問題比較理想。所以，針對大型整體壁板和空心薄壁鋁型材擠壓過程和模具設

25、計優化國內外學者進行了很多的研究。有限體積法的缺點是在FVM 模擬中, 有限體積網格需要事先占據材料所要經過的所有空間. 對于大型整體壁板和空心薄壁鋁型產品, 需要劃很多的網格，而且網格劃分很細, 因此采用FVM 模擬會占用大量計算機內存, 如果對成形進行一步模擬, 往往會因為內存不足導致計算無法進行下去. 如果采用較粗網格, 雖然占用內存少, 但是模擬精度又不能得到保證。模擬效率較低，另外對處理移動邊界和互相作用問題也十分困難。上海交通大學李大勇等22對薄壁鋁型材擠壓用有限體積分步法進行了模擬，建立了鋁型材擠壓成形有限體積法分步模擬系統，研究了有限體積分步求解方法關鍵技術, 實現了各分步有限

26、體積模擬系統的數據傳遞和信息繼承。在每一分步計算中, 占用相對較少的計算機資源, 可劃分更為細致的有限體積網絡。利用該方法成功地模擬了薄壁類鋁型材擠壓成形過程, 并對成形中應力、應變及溫度場分布的演化進行了分析。研究結果表明,有限體積分步法是模擬薄壁類鋁型材擠壓成形過程的有效方法。，南昌大學黃克堅等2324利用有限體積法對卷閘門用鋁合金薄壁型材的擠壓變形規律進行了研究，然后優化模具的設計。通過6063鋁合金坯料在擠壓模具中變形的過程模擬，分別得到不同時刻的、與實際情況接近的材料變形的速度場、溫度場等；該模擬結果反映了擠壓時金屬的實際變形規律（圖18和圖19）。圖18 FD-JLB8001 產品

27、圖 （比例：1：4）圖19 優化后的Z向金屬流動速度山東大學吳向紅等25對空心薄壁鋁合金管材擠壓過程進行了數值模擬與模具的結構優化（圖20圖21）。用基于有限體積法的Msc/SuperForge軟件模擬了空心薄壁鋁合金管材，模擬顯示使用初始設計的模具在出模口橫截面上金屬的流動是不均勻的。對三種不同修改方案進行模擬后得出優化的模具，即修改上模分流孔內斜度角度，如圖21所示。 807圖20 優化前后的上模設計圖21 下模設計2.3 有限元與有限體積法分步進行有限元法和有限體積法有自身的缺點難于克服，因此有學者研究出一種結合兩者之長的方法來解決擠壓過程模擬。上海交通大學周飛26提出采用有限元法和有限

28、體積法相結合、基于統一求解模式的復合模擬方法，即采用有限元法模擬擠壓預成型，采用有限體積法模擬擠壓終成型的方法，來解決復雜薄壁鋁型材擠壓的數值模擬問題。并對窗戶鎖扣型材地平模擠壓和圓管型材地分流模擠壓成形過程進行了數值模擬，模擬結果和實際生產證明了該復合模擬技術的高效性和實用性。中南大學羅超等27對薄壁鋁型材擠壓成形的一種有效模擬方法進行了研究。基于大變形彈塑性有限元理論和有限體積法基本原理, 建立金屬塑性成形的彈塑性UL有限元列式以及塑性流動中的有限體積控制方程. 提出有限元模擬系統到有限體積模擬系統的數據傳遞和信息繼承方法, 建立鋁型材擠壓成形有限元與有限體積法復合模擬系統, 對鋁型材擠壓

29、過程進行了數值模擬, 預示金屬在成形中的塑性變形行為。2.4 ALE有限元法近年來，ALE有限元方法（the Arbitrary Lagrangian-Eulerian）被引進用來處理金屬的大，變形成形研究 2829。ALE有限元方法在材料構型和網格構型的同時，引入參考構型，使得網格和材料運動分離，存在一個對流運動。這樣，ALE有限元方法充分吸收了更新的808Lagrangian方法和Eulerian算法各自的優點，同時將它們的缺陷降至最低，這樣在保持表面的節點接觸邊界時能減少網格的畸變，從而不需要網格重劃分，計算量大大減少，有效地解決了擠壓大變形問題。國外應用ALE有限元法對大型整體壁板和空

30、心薄壁鋁型材擠壓模具進行了研究。通過ALE算法，分荷蘭H.G.Mooi等30對大型薄壁圓管金屬分流和模具變形做了研究。析了鋁合金擠壓的模具設計和控制參數。使用二維計算可在允許范圍內確定擠壓過程中施加在模具上的正應力和剪切力，模具的變形主要是彈性，而永久變形可以歸為蠕變。，荷蘭J.Lof3132對復雜薄壁鋁型材擠壓模具的工作帶區域金屬流動做了數值模擬研究。利用彈塑性本構模型，用ALE有限元算法，對二維擠壓中的材料行為、摩擦系數、工作帶長度和工作帶角度做了詳細的研究。結果表明在粘塑性和彈粘塑性模型下，平行工作帶處幾乎沒有塑性變形，所以彈性變形起主要影響作用；工作帶的長短影響接觸的發生。， 荷蘭J.

31、Lof 等3133對復雜薄壁鋁型材擠壓進行了有限元模擬。在前處理階段,通過使用一種等效載荷模型來代替真實載荷,從而減少了單元的數量和運算時間。采用ALE有限元算法對擠壓過程進行了數值模擬，使得設計的模具與生產實際結果一致。韓國D.Y.Yang等34利用ALE有限元方法對多種熱擠壓復雜鋁合金型材生產工藝進行了模擬,獲得了模具設計參數。分析了各種模具設計參數，如分流孔、分流橋和分流模對產品的質量的影響。模擬結果顯示，相對變化的模具工作帶和分流導向會使金屬變形區有更加均勻的速度分布。見圖22。圖22 軌道車輛下框橫截面韓國D.Y.Yang 等35利用ALE有限元方法對多種三維復雜薄壁鋁型材擠壓生產過

32、程進行數值模擬，并優化了模具的設計，分析了擠壓產品的力學性能。模擬結果顯示，優化的模具工作帶和分流導向可使金屬變形區有更加均勻的速度分布。從力學性能和織構演變的角度通過材料性能來控制生產更好的型材。以上的研究主要針對于鋁型材擠壓成形過程中工件的變形模擬及分析,研究工件在成形過程中的應力應變、位移、溫度和摩擦等的分布特點及變化規律。但是對擠壓模受力變形的研究很少；在模具工況分析的基礎上,采用有限元模擬軟件對鋁型材擠壓過程中模具的變形進行模擬分析,如模具表面力的分析、溫度的分布情況、疲勞強度等，并以此進行模具優化的研究更是很少。3 存在的問題與展望3.1 存在的問題1） 大型整體壁板和空心薄壁鋁型

33、材擠壓模具設計還是離不開經驗和傳統設計方法。2） CAE技術由于自身的缺陷，不成熟，還有許多技術問題不能很好地解決。3） 沒有建立統一的擠壓技術基本數據庫。3.2 展望1） 大型整體壁板和空心薄壁鋁型材擠壓專家系統的建立：針對大型整體壁板和空心薄壁鋁809型材的特殊性，建立CAD/CAE/CAM/CIMS系統有機結合的專家系統體系，使得模具的設計更加合理與科學。三維圖紙建立后能貫穿整個過程。2） 對金屬擠壓過程進行模擬分析，參數化的確定各部位各形狀的金屬流動情況。根據型材的形狀和金屬流動的參數化值能高效的確定模具的各個參數，這樣可以充分利用好CAE在模具設計中的優勢并能避免其劣勢，實現擠壓模具

34、高效和準確的設計。同時可以實現經驗設計向參數化設計的有效轉變。3） 數值模擬中邊界條件，包括摩擦和熱邊界條件能充分的確定。計算算法和計算機性能能夠得到提高。4） 宏觀擠壓工藝，微觀組織變化和力學性能之間關系的確定，建立一定的準則，為高質量的生產直接作指導。5） 提高模具材料的性能，優化擠壓生產工藝達到簡化模具設計的目的。（如對于半開口式中空型材如果減少了擠壓力可以不用選擇分流模擠壓）。參 考 文 獻1 劉靜安, 王嘉欣.大型鋁合金型材及其用途.有色金屬加工,2002(6):40-46.2 王均,劉全坤.鋁型材整體壁板擠壓的進展和應力分析及舉措.黑龍江科技學院學報,2002(3):810. 3

35、劉靜安,謝建新.大型鋁合金型材擠壓技術與工模具優化設計.北京:冶金工業出版社,2003(6):52. 4 賈俐俐,高錦張.鋁合金型材寬展擠壓應用研究.南京工程學院學報(自然科學版),2003(12): 2833. 5 賈俐俐.擠壓工藝與模具設計.北京：機械工業出版社，2004:194-241.6 劉靜安.鋁型材擠壓模具設計、制造、使用及維修. 北京：冶金工業出版社,1999(2):118-126. 7 Jung Min Lee , Byung Min Kim, Chung Gil Kang.Effects of chamber shapes of porthole die on elastic

36、 deformation and extrusion process in condenser tube extrusion. Materials and Design 2005 (26)：327336. 8 L. Donati ,L. Tomesani.The effect of die design on the production and seam weld quality ofextruded aluminum profiles, Journal of Materials Processing Technology ,2005 (164165): 10251031. 9 劉靜安.車輛

37、鋁合金大型材模具的設計與制造工藝研究.輕合金加工技術,2003(9):24-27.10 饒茂, 劉靜安.軌道車輛大型鋁合金型材模具的設計與制造技術.鋁加工,2003(3):1-5.11 鄧小三,劉靜安.地鐵車輛用6005A大型鋁合金型材的研制與開發.鋁加工,2004(4):19-26.12 劉靜安.6005A鋁合金大型特種型材的研制.輕合金加工技術2004(4):36-41.13 安學利,張培棟,王光敏等.地鐵特寬空心型材模具設計與擠壓工藝研究.鋁加工,2004(5):46-52. 14 劉偉,鋁型材擠壓過程數值模擬及模具參數優化.東南大學碩士學位論文,2006(1).15 黃克堅,包忠詡,阮

38、峰.有限體積數值模擬技術在寬展擠壓模具設計中的運用.塑性工程學報,2005(12):34-37.16 陳澤中,包忠詡,阮雪榆等.大寬厚比薄壁異型材擠壓多工藝參數優化研究.機械工程學報,2004(4):144-148.17 Z.Z. Chen, Z.L. Lou , X.Y. Ruan .Finite volume simulation and mould optimization of aluminum profileextrusion .Journal of Materials Processing Technology , 2007(190):382-386.18 鄭榮,周天瑞,包忠詡等.

39、鋁型材擠壓導流模設計.南昌大學學報（工科版）,2004（9）:15-18. 19 劉漢武,張蓉,嚴衛東.鋁型材擠壓模具交互式參數化實時設計系統的研究. 西北工業大學學報,2003(4)：131-135.20 彭必友,傅建,李樹平.鋁型材擠壓模具CAD/CAM/CAE 系統研究.電加工與模具,2003(5):37-39. 21 周飛,蘇丹,彭穎紅.鋁型材擠壓有限元和有限體積對比模擬.上海交通大學學報,2003(7):1072-1076. 22 李大永,王洪俊,羅超等.薄壁鋁型材擠壓有限體積分步模擬.上海交通大學學報,2005(1):6-9.23 黃克堅,包忠詡,周天瑞.有限體積數值模擬技術在型材

40、擠壓變形規律研究中的運用.輕合金加工技810術,2003(4):29-31.24 黃克堅,包忠詡,陳澤中等.有限體積法在擠壓模具設計中的運用.稀有金屬材料與工程,2004(8):855-857. 25. Wu Xianghong,Zhao Guoqun,Luan Yiguo等.Numerical simulation and die structure optimization of analuminum rectangular hollow pipe extrusion process. Materials Science and Engineering A 2006 (435436) 26

41、6274.26 周飛.鋁型材擠壓有限元/有限體積復合數值模擬技術研究.上海交通大學博士學位論文,2002(5)27 羅超,李大永,尹紀龍等.薄壁鋁型材擠壓成形的一種有效模擬方法.上海交通大學學報,2004(7):1134-1137. 28 王躍先,陳軍,阮雪榆.ALE有限元方法在金屬塑性加工中的應用.模具技術,2001(3):1-4;29 M.S. Gadala, M.R. Movahhedya, J. Wangb. On the mesh motion for ALE modeling of metal forming. FiniteElements in Analysis and Desi

42、gn 2002 (38) 435459.30 H.G. Mooi, P.T.G. Koenis and J. Huétink .An effective split of flow and die deformation calculations ofaluminium extrusion. Journal of Materials Processing Technology, 1999(4):67-76.31 Joeri Lof.Developments in finite element simulations of aluminium extrusion.University Twente ,doctoraldegree thesis,2000.32 J Lof .Elasto-viscoplastic FEM simulations of the aluminium flow in the bearing area for extrusion ofthin-walled sections. Journal of Materials Processing Technology, 2001(