铝型材挤压模工作带长度和模孔配置的优化设计

铝型材挤压模工作带长度和模孔配置的优化设计 铝型材挤压模工作带长度和模孔配置的优 化设计 一 2 第28卷第2期南京航空航天大学Vot.28No.2 1996年4月JournalofNanjingUniversityofAeronautics&AstronauticsApr.1996 铝型材挤压模工作带长度 和模孔配置的优化设计 修模工作量.cA 关键词童王匡蛰计算机辅助设计垡里垩工作带堡!!堡 中围分类号:TG盯;TG375.4 引言 铝型材挤压模的工作带用来最后形成型材的几何形状尺寸和调整金属流动速度.工作 带长度设计不当会造成金属流出挤压模孔的速度不均,从而引起型材的歪扭,弯曲,波浪,裂 纹等缺陷,因此对于铝型材挤压模的设计主要在于寻求模孔的最佳配暨和计算工作带长度. 铝型材在挤压过程中的变形状态是十分复杂的.迄今为止,挤压模工作带长度的设计是基于 设计人员长期积累的经验,并通过试挤和修模来校正工作带长度,既花贵人力和物力,又影 响模具质量. CAD/CAM技术现已广泛应用于挤压模的设计,制造中,但这些铝型材挤压模CAD/ CAM系统中(如英国BNF金属技术研究中心和美国哥伦布实验室研制的CAD/CAM系 统0)往往不提供工作带长度的设计或者仅依据简单模型进行设计.为弥补这方面的不足, 本文首先提出了一个设计与优化挤压模工作带长度和模孔配置的数学模型,该模型不仅反 映了模孔形状而且考虑了模孔位置对金属流动的影响.据此模型在CADDS5上开发了铝型 材挤压模工作带长度和模孔配置的计算机辅助设计和优化系统. ? 收稿日期:1995—08—29;修改稿收到日期:1995一II-22 第一作者黄翔男.博士研究生,1963年6月生. 南京航空航天大学第28卷 1挤压模工作带长度和模孔配置的优化设计 1.1挤压模工作带长度设计的数学模型 工作带长度可由补充应力法确定0.如图1依型材截面各部分厚度的差异,将其分成若 干区段1,2,…,根据古布金关于挤压力计算的演变形式,各 区段质点流经模孔时的应力 = I(1’ctH+}+-){).一}+m一]c.z,…, (1)图1型材截面分区示意图 其中 4一—一+——一一1 COST.tgfflCOS 鲁 一n+号) 口1—90.一卢 式中,为区段金属质点的流动应力;为在挤压温度下金属质点流经模孔时的真实变形 抗力;f…F分别为i区段模孔工作带长度,截面周长和面积Ifb,厂|分别为毛坯和型材的截 面积}为金属与模孔工作带的摩擦系数}I9为挤压时金属的自然流动角.为避免型材的歪 扭,弯曲,波浪,裂纹等缺陷,必须使型材截面上金属流动速度均匀,也就是型材截面上金属 质点的流动应力应相等,即 1—2=d3一…(2) 考虑f,J两区段,将式(1)代人式(2)可得 (3) 这就是文Z3-5]等采用的挤压模工作带长度计算的一般公式.在推导该式时采用许多假设. 主要的一点是忽略了模孔位置对金属流动的影响.因此用该设计工作带长度往往不能 很好地平衡金属的流动. 为反映模孔位置对金属流动的影响?对该模型作如下修正 MiD(4) 式中.?D.为,两区段问的距离,为反映模孔位置对工作带长度的影响系数,根据实际设 计经验对建筑铝合金型材挤压可按表1选取. 在实际生产的铝型材中,各区段的长度往往比型材开口宽度大得多,因而式(4)可简化 为 f. 一 ,一地D(5) 式中,.,,分别为i,两区段的开口宽度. 用上式计算工作带长度时,首先应给定一个区段的工作带长度作为 参考值.一般给定型 玲 第2期黄翔等铝型材挤压模工作带长度和模孔配置的优化设计249 材开口宽度最小,离挤压中心最远处的最小工作带长度L(一般为 2,5mm) 其折算成挤压中心处单位开口宽度的工作带长度Lo L.一LJ一2D 式中,,D分别为给定区段的开口宽度以及其 到挤压中心的距离.因此式(5)可进一步简化为 . = .L.一2D.(7) 式中,D为区段到挤压中心的距离. 式(7)用于计算挤压矩形截面型材模具的工 作带长度,对于其他一些形状需在此基础上作一 定修正,常见的修正形式如下(见图2): (1)型材两边交接处有过渡圆角(图2(a)). 由于过渡圆角的存在使这部分金属的流动较容 易,因此需根据R的大小适当增大工作带的长 度,一般可取lmm. (2)型材模孔的端部(图2(b)). 型材模孔的端部三面受阻,因此该处 工作带长度应取计算值的80左右. (3)圆头处(图2((c)).圆头处工 作带长度可下式计算 L一0.8×P×/(8) 式中是在开孔的配置和工作带长度的设计应在一个统一的模型中考虑. 合理的模孔配置应在保证模具强度的前提下获得最佳的金属流动均衡性.也就是在此 模孔配置下,为平衡金属流速而采用不等长的工作带长度的波动应该最小.根据该原则,参 阅图3可得出如下计算工作带长度和模孔配置的优化模型: (1)优化目标一 一 f一(9) 取最小值.式中…f分别为计算的最长和最短工作带长度值. . (2)优化变量R,a, R为型材截面的外接圆圆心到挤压中心的距离,为型材截面绕外接圆圆心的方位角, 卢为外接圆圆心绕挤压中心的方位角.- 250南京航空航天大学第28卷 (3)约束条件 为保证模具强度,型材模孔间距离应不 小于允许的最小距离s.同时为避免起皮和 分层等缺陷,保证制品质量,模孔与挤压筒 壁间也应保持一定的最小距离.模孔问, 模孔与挤压筒壁的最小距离由以下约束条 件得到保证一 d】+d2?l(10) Rb—R一?2(11) 上述二式中,R为挤压筒内半径,R为模 孔与挤压中心问的最远距离,d-,d:为模孔 与两条毛坯分界线问的最短距离.为计算方 便,式(1.)的条件已作了适当放松.的取 值应保证模具强度,它与模具材料和挤压筒 比压有关.对于常用的国内挤压模材料(如 图3模孔配置几何关系 3CrW8V等)可按下列选择:8000t以上的大型挤压取60mm以 上,5000t挤压机取35, 50ram,而对于2000t以下的挤压机可取20~30mm.s2可按表2选取. 表2横孔与挤压筒壁问的最小距离单位:mm 几何约束条件为 0?口?2,T/Nl 一 ,??户?,VNz ?,VN ‘p2?,VN2 (12) (13) (14) (15) 式(12--15)中?.为型材的对称轴数,?z为模孔数,,含义见图3.若是单孔模则式(10. 14,15)的约束应解除. 根据以上优化模型,采用文[73介绍的优化方法,可以优化出决定模孔配置的三个参数 R,a,I9,并计算其工作带长度. 2挤压模工作带长度的计算机辅助设计和优化 根据上面介绍的挤压模工作带长度的优化设计模型,在SUNSPARC工作站上,以美国 CV公司的CADDS5作为支撑软件开发了铝挤压平模工作带长度的计算机系统流程图 包括输人挤压机参数,模孔数等以及计算型材图形的截面积,周长,外接圆,重心和挤压 比等. (3)模孔配置’ 模孔除可按重心,优化方式配置外,设计师还可借助于系统提供的配置工作适当的平移 和旋转. (4)212作带长度计算和结果输出 根据工作带设计的数学模型计算工作带长度,并对其计算结果进行多种处理,除以数字 形式输出各处工作带长度外,还以图形的方式直观表示工作带的分布.并标出过大过小的工 作带位置,以便用户在适当的部位设计促流角,阻碍角等. 该系统的用户界面良好,其功能均以图形菜单的形式实现,使用方便,基本上可以脱离 键盘操作. 3设计实例 以一模二腔挤压角材为例说明在模孔优化配置下设计工作带长度的实际效果(图5)a 图5(a)是初始配置,图5(b)是以图5(a)的初始配置进行优化后的配置.图5(a)的工作带长 度的最大差值为O.47mm,而在如图5(b)的优化配置下,工作带长度的最大差值为0?14 mm,这说明在优~gditT,工作带长度分布较均匀.这同文[3,4,6]的研究 结果以及生产实 际相符. 利用本系统对广州冶~’-rgkN究所根据经验设计并在现场经过修整的生产中使用良好 的模具进行工作带长度再设计表明.无论在定性上还是在定量上均能很好地相吻合.因此由 该系统设计的模具工作带长度不需修正,或只需稍加修正就可以使用.图6为设计的某型材 的工作带长度分布图. 4结论 (1)建立的铝合金型材挤压模工作带长度优化设计模型将工作带长度的设计和模孔配 置统一在同一模型下,实现了在模孔优化配置下的工作带长度设计. 252南京航空航天大学第28卷 (a)初始配置(b)优化配置 图5角材模孔配置图6工作带长度分布图 (2)利用计算机辅助设计挤压模的工作带长度,不必修正或只需稍加修正就能挤压出合 格的型材.因而减少了试模,修模的工作量,提高了模具质量,缩短了其设计制造周期,降低 了生产成本. 参考文献 1MalesnComputer—aideddesignofdiesforhotextrusion. fflanllfacture.1978.1—9 2NagpalV.Automateddesignofextrusiondiesbycomputer 74 AluminumExtrusionTechnologySeminar.1977.2:69— In{Proeofeonfoncomputeraided In:ProeoftheSecondInternational 3刘静安.轻合金挤压工具与模具(上册).北京:冶金工业出版 社.1990.311—317 43叶尔曼诺克等着.铝合金型材挤压.李西铭等译.北京:国防工业出 版社,1982.219--231 5钱玉祥.铝合金型材挤压模工作带高度设计.横具工 业.1989.(3):38--39 6LotzenhiserC.Dielayoutanddesign.In:ProeoftheSecondInternationalAl uminumExtrusion TechnologySeminar.1977.2:57—63 7JacobHG着.静态和动态的计算机辅助优化法.邓建华译.西安:西Jtr 业大学出版社, 1988.192,212 ComputerAidedOptimumDesignofDieBearing LengthandLayoutforAluminiumProfiIeExtrusion HuangXiangChenWenllangHongdian (DepartmentofMechanicalEngineering,NUAANanjlng,210016) AbstractAmathematicalmodelforoptimumdesignofdiebearinglengthandopeningshyout foraluminiumprofileextrusionisproposed.TheeffectOfsectionshapeanddieopeningshyout onmetalflowcharacteristicshasbeenconsideredinthismode1.Basedonthism0delacomput— eraidedoptimumdedgnsystemofdiebearinglengthandopeningslayoutforalumlnlumprofile extrusionisdeveloped.Ithasbeenprovedthatdiebearinglengthandopeningslayoutdesigned bythissystemCanbalancemetalflowvelocityindieopenings.Asaresultbendcrackandtwist etefauhsandtimesofdietrialsandcorrectionscanbereduced. Keywords:extrusiondi;computeraideddesign;optimumdesign;aluminiumprofile;die bear[n8;openingslayout