外文翻譯--熱擠壓模的壓力分析和優(yōu)化設計-12頁[英文為PDF]-----中文：2266字【中英文文獻譯文】
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熱擠壓模的壓力分析和優(yōu)化設計
帥詞俊 肖剛 倪正順
（中國 長沙 中南大學機電工程學院410083）
摘要
熱擠壓模的三維模型是用ANSYS軟件和其二次開發(fā)編程語言—ANSYS參數設計語言創(chuàng)建的。模型的有限元分析和優(yōu)化設計完成后，三維壓力圖顯示應力集中在擠壓模的邊緣，并且應力分布很不均勻。通過優(yōu)化設計結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)化前相比應力集中減少27%。
關鍵詞：三維方法；建模；熱擠壓模；優(yōu)化設計
簡介
隨著日常生活標準的持續(xù)不斷地發(fā)展，鋁制品被廣泛地應用到生活的每一個角落。產品也要求越來越多樣化，復雜程度和精密度的要求也越來越高。擠壓模是基本的擠壓成形過程。它不僅決定產品的形狀、尺寸、精度和表面狀況，而且影響產品的性能。所以熱擠壓模是擠壓成形技術的關鍵。
通常情況下，我們都是通過把三維有限元簡化成二維模型來研究擠壓模具以改進模具的質量和延長模具的使用壽命。但這僅僅適用于結構簡單的模具。在不進行三維有限元分析的情況下，分析的結果不能給產品的制造帶來切實地幫助和有用的信息。本文將以鋁板沖壓模為例來進行優(yōu)化設計。
1、 實體模型
圖1所示為一熱沖壓平面結合模具的公模簡圖。其外徑為227.000mm，高度為80.000mm，其它參數如圖1所示。其建模方法如下：
1．1 坐標點P1和P5
直線L（）和圓（）的交點坐標為：
（1）
（2）
圖1 熱擠壓模具簡圖
1．2 坐標點P2和P6
直線L1（）和直線L2（）的交點P2坐標為：
（3）
（4）
直線L2（）和直線L2（）的交點P6坐標為：
（5）
（6）
1．3 坐標點P3、P4、P7和P8
P3和P1關于y軸對稱，P4和P2也關于y軸對稱；P7和P5關于x軸對稱，P8和P6也關于x軸對稱。
1．4 方程中的變量
在方程式（1）-（6）中，對于點P1和P2，，R=R1；對于點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P1-P4和P5-P8，用弧線連接P1到P8這些交點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。應用VA命令，系統將根據以上曲面生成實體。
1．8 模具的對稱性
用布爾邏輯的添加和拭除等操作完成模具主要實體和中心的創(chuàng)建（如圖3）。模具的對稱性有助于模具1/4實體有限元分析的計算（如圖4）。
圖3 模具實體模型 圖4 四分之一實體模型
2、 模型的計算
以沖壓鋁合金（6063AL-Mg-Si）的平面模具為例。鋁的熔點為657℃，而鋁合金AL+Mg2Si的熔化溫度為558℃，考慮到注射的壓力和產品的質量，將工作溫度定為450℃。
模具材料為4Gr5MoSiV1(H13)。溫度在450℃以下時，其初態(tài)模數與熱熔比分別為210G和0.25，其屈服強度為1200，摩擦系數為0.3。將固態(tài)92的三維元素進行自由嚙合。為了承載注射時的摩擦力，表面154繪制成規(guī)則的四邊形（如圖5），對于1600噸的擠壓機，擠壓強度可按方程式7計算，計算數值如表1示。
(7)
圖5 摩擦力負荷圖
表1 模具各部分強度表
83.42
27.41
222.72
19.53
191.80
53.23
14.38
612.54
模具經常發(fā)生邊緣斷裂，其強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為設計變量，當量極限壓力（）為設計的目標功能。設計變量的范圍列于表2中。
表2 設計參數變化范圍
65-85
80-98
60-90
20-40
20-40
3、 計算結果
圖6為當量應力圖，從圖中我們可以得出，在邊緣處壓應力最大。圖表3中從大到小列出24個當量壓應力值。數據顯示，最大的當量壓應力為1006.5，其高度比第二數值912.0在14.5%，其壓應力在邊緣處收斂嚴重，該部分容易了生裂縫。
設計參數R1、R2、H、和的初始值分別為75.000mm，88.000mm，80.000mm，30.000°和30.000°，最大當量應力=1006.5。在21次迭代中，第18次迭代最為適宜。此時設計參數分別為R1=65.048mm，R2=80.065mm，H=89.596mm，=30.642°, =20.045°,最大當量應力=733.1，減少了27%。迭代結果如表4所示。
圖6 最大當量應力圖
表3 結點壓力值
結點
971
528
719
698
3950
714
1006.5
912.0
832.7
800.6
804.4
795.3
結點
1156
702
727
710
723
700
789.9
778.8
775.8
769.0
763.6
763.5
結點
739
708
706
731
759
1178
769.3
756.8
755.9
739.8
739.1
736.0
結點
704
747
690
743
694
696
734.3
715.9
706.4
700.3
700.1
695.6
設計參數R1、R2、H、和的初始值分別為75.000mm，88.000mm，80.000mm，30.000°和30.000°，最大當量應力=1006.5。在21次迭代中，第18次迭代最為適宜。此時設計參數分別為R1=65.048mm，R2=80.065mm，H=89.596mm，=30.642°, =20.045°,最大當量應力=733.1，減少了27%。迭代結果如表4所示：
表4 優(yōu)化過程
參數值
迭代次數
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
參數值
迭代次數
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
參數值
迭代次數
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
參數值
迭代次數
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、 結論
1） 在ANSYS軟件的基礎上，其二次開發(fā)設計語言APDL用來開發(fā)擠壓鋁件的熱擠壓模的三維模型已經可以實現。
2） 三維的應力分布極為不均。熱擠壓模的邊緣處是危險應力集中的地方。最理想的幾何設計可使最大應力下降27%。一個好的沖模不僅僅是要減少沖量的數量，而且要減少在設變中消耗的時間，這樣才能有效的提高生產力。
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