外文翻譯--熱擠壓模的壓力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)-12頁(yè)[英文為PDF]-----中文：2266字【中英文文獻(xiàn)譯文】
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熱擠壓模的壓力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)
帥詞俊 肖剛 倪正順
（中國(guó) 長(zhǎng)沙 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院410083）
摘要
熱擠壓模的三維模型是用ANSYS軟件和其二次開發(fā)編程語(yǔ)言—ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言創(chuàng)建的。模型的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后，三維壓力圖顯示應(yīng)力集中在擠壓模的邊緣，并且應(yīng)力分布很不均勻。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果可得出擠壓模的最佳高度為89.596mm，最佳的澆道口半徑為65.048mm和80.065mm,與沒有優(yōu)化前相比應(yīng)力集中減少27%。
關(guān)鍵詞：三維方法；建模；熱擠壓模；優(yōu)化設(shè)計(jì)
簡(jiǎn)介
隨著日常生活標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)不斷地發(fā)展，鋁制品被廣泛地應(yīng)用到生活的每一個(gè)角落。產(chǎn)品也要求越來(lái)越多樣化，復(fù)雜程度和精密度的要求也越來(lái)越高。擠壓模是基本的擠壓成形過程。它不僅決定產(chǎn)品的形狀、尺寸、精度和表面狀況，而且影響產(chǎn)品的性能。所以熱擠壓模是擠壓成形技術(shù)的關(guān)鍵。
通常情況下，我們都是通過把三維有限元簡(jiǎn)化成二維模型來(lái)研究擠壓模具以改進(jìn)模具的質(zhì)量和延長(zhǎng)模具的使用壽命。但這僅僅適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的模具。在不進(jìn)行三維有限元分析的情況下，分析的結(jié)果不能給產(chǎn)品的制造帶來(lái)切實(shí)地幫助和有用的信息。本文將以鋁板沖壓模為例來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1、 實(shí)體模型
圖1所示為一熱沖壓平面結(jié)合模具的公模簡(jiǎn)圖。其外徑為227.000mm，高度為80.000mm，其它參數(shù)如圖1所示。其建模方法如下：
1．1 坐標(biāo)點(diǎn)P1和P5
直線L（）和圓（）的交點(diǎn)坐標(biāo)為：
（1）
（2）
圖1 熱擠壓模具簡(jiǎn)圖
1．2 坐標(biāo)點(diǎn)P2和P6
直線L1（）和直線L2（）的交點(diǎn)P2坐標(biāo)為：
（3）
（4）
直線L2（）和直線L2（）的交點(diǎn)P6坐標(biāo)為：
（5）
（6）
1．3 坐標(biāo)點(diǎn)P3、P4、P7和P8
P3和P1關(guān)于y軸對(duì)稱，P4和P2也關(guān)于y軸對(duì)稱；P7和P5關(guān)于x軸對(duì)稱，P8和P6也關(guān)于x軸對(duì)稱。
1．4 方程中的變量
在方程式（1）-（6）中，對(duì)于點(diǎn)P1和P2，，R=R1；對(duì)于點(diǎn)P5和P6，，R=R2。R1、R2、T1、T2、S1和S2都是隨著高度H變化的，可表示為：、、、、、；。
1．5 特定高度的截面形狀
連接點(diǎn)P1-P4和P5-P8，用弧線連接P1到P8這些交點(diǎn)集即可獲得特定高度的截面形狀。
1．6 任意高度的截面形狀
高度H被分為等高面的INUM（INUM由精確度確定，INUM越高，精確度也越高）。任意高度的截面形狀如圖2示：
圖2 截面曲線圖
1．7 光滑曲面
應(yīng)用ANSYS軟件中的SKIN命令，光滑曲面將沿曲線生成，該曲面即為澆道口表面。應(yīng)用VA命令，系統(tǒng)將根據(jù)以上曲面生成實(shí)體。
1．8 模具的對(duì)稱性
用布爾邏輯的添加和拭除等操作完成模具主要實(shí)體和中心的創(chuàng)建（如圖3）。模具的對(duì)稱性有助于模具1/4實(shí)體有限元分析的計(jì)算（如圖4）。
圖3 模具實(shí)體模型 圖4 四分之一實(shí)體模型
2、 模型的計(jì)算
以沖壓鋁合金（6063AL-Mg-Si）的平面模具為例。鋁的熔點(diǎn)為657℃，而鋁合金AL+Mg2Si的熔化溫度為558℃，考慮到注射的壓力和產(chǎn)品的質(zhì)量，將工作溫度定為450℃。
模具材料為4Gr5MoSiV1(H13)。溫度在450℃以下時(shí)，其初態(tài)模數(shù)與熱熔比分別為210G和0.25，其屈服強(qiáng)度為1200，摩擦系數(shù)為0.3。將固態(tài)92的三維元素進(jìn)行自由嚙合。為了承載注射時(shí)的摩擦力，表面154繪制成規(guī)則的四邊形（如圖5），對(duì)于1600噸的擠壓機(jī)，擠壓強(qiáng)度可按方程式7計(jì)算，計(jì)算數(shù)值如表1示。
(7)
圖5 摩擦力負(fù)荷圖
表1 模具各部分強(qiáng)度表
83.42
27.41
222.72
19.53
191.80
53.23
14.38
612.54
模具經(jīng)常發(fā)生邊緣斷裂，其強(qiáng)度主要取決于模具的高度和分流孔的分布。本文中，高度H和分流孔的半徑R1及R2為設(shè)計(jì)變量，當(dāng)量極限壓力（）為設(shè)計(jì)的目標(biāo)功能。設(shè)計(jì)變量的范圍列于表2中。
表2 設(shè)計(jì)參數(shù)變化范圍
65-85
80-98
60-90
20-40
20-40
3、 計(jì)算結(jié)果
圖6為當(dāng)量應(yīng)力圖，從圖中我們可以得出，在邊緣處壓應(yīng)力最大。圖表3中從大到小列出24個(gè)當(dāng)量壓應(yīng)力值。數(shù)據(jù)顯示，最大的當(dāng)量壓應(yīng)力為1006.5，其高度比第二數(shù)值912.0在14.5%，其壓應(yīng)力在邊緣處收斂嚴(yán)重，該部分容易了生裂縫。
設(shè)計(jì)參數(shù)R1、R2、H、和的初始值分別為75.000mm，88.000mm，80.000mm，30.000°和30.000°，最大當(dāng)量應(yīng)力=1006.5。在21次迭代中，第18次迭代最為適宜。此時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)分別為R1=65.048mm，R2=80.065mm，H=89.596mm，=30.642°, =20.045°,最大當(dāng)量應(yīng)力=733.1，減少了27%。迭代結(jié)果如表4所示。
圖6 最大當(dāng)量應(yīng)力圖
表3 結(jié)點(diǎn)壓力值
結(jié)點(diǎn)
971
528
719
698
3950
714
1006.5
912.0
832.7
800.6
804.4
795.3
結(jié)點(diǎn)
1156
702
727
710
723
700
789.9
778.8
775.8
769.0
763.6
763.5
結(jié)點(diǎn)
739
708
706
731
759
1178
769.3
756.8
755.9
739.8
739.1
736.0
結(jié)點(diǎn)
704
747
690
743
694
696
734.3
715.9
706.4
700.3
700.1
695.6
設(shè)計(jì)參數(shù)R1、R2、H、和的初始值分別為75.000mm，88.000mm，80.000mm，30.000°和30.000°，最大當(dāng)量應(yīng)力=1006.5。在21次迭代中，第18次迭代最為適宜。此時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)分別為R1=65.048mm，R2=80.065mm，H=89.596mm，=30.642°, =20.045°,最大當(dāng)量應(yīng)力=733.1，減少了27%。迭代結(jié)果如表4所示：
表4 優(yōu)化過程
參數(shù)值
迭代次數(shù)
1
2
3
4
5
6
75.000
81.943
77.358
80.855
67.249
80.441
88.000
88.229
95.261
90.478
89.535
89.983
80.000
71.640
60.100
80.854
89.684
74.327
30.000
33.847
29.382
21.400
32.633
36.729
30.000
30.751
26.406
26.946
23.018
36.729
/
1066.5
1167.4
1323.2
1229.7
882.5
1241.7
參數(shù)值
迭代次數(shù)
7
8
9
10
11
12
67.365
65.591
65.184
65.172
65.067
65.048
93.661
82.791
93.753
80.604
80.153
80.070
81.409
65.297
61.478
84.955
88.627
65.808
31.816
37.644
39.474
33.861
34.052
30.585
21.267
20.325
24.740
20.113
20.058
23.479
/
882.4
866.8
943.9
756.0
749.7
780.0
參數(shù)值
迭代次數(shù)
13
14
15
16
17
18
65.047
65.048
65.048
65.047
65.048
65.048
80.063 3
93.506
83.63
84.987
80.070
80.065
85.141
88.116
87.945
88.978
89.598
89.596
32.456
35.414
27.786
33.231
23.144
30.642
22.214
20.044
35.941
20.046
20.045
20.045
/
769.6
760.4
788.0
795.8
769.0
723.1
參數(shù)值
迭代次數(shù)
19
20
21
65.043
65.042
65.042
80.045
80.044
80.045
89.867
66.840
89.839
30.250
27.556
31.341
20.042
20.042
20.042
/
741.3
821.3
751.3
4、 結(jié)論
1） 在ANSYS軟件的基礎(chǔ)上，其二次開發(fā)設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL用來(lái)開發(fā)擠壓鋁件的熱擠壓模的三維模型已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。
2） 三維的應(yīng)力分布極為不均。熱擠壓模的邊緣處是危險(xiǎn)應(yīng)力集中的地方。最理想的幾何設(shè)計(jì)可使最大應(yīng)力下降27%。一個(gè)好的沖模不僅僅是要減少?zèng)_量的數(shù)量，而且要減少在設(shè)變中消耗的時(shí)間，這樣才能有效的提高生產(chǎn)力。
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