1 概述

　　懸臂類實心鋁型材模具，三面懸空，一面為懸臂，懸臂受力大，在擠壓過程中長時間的高溫高壓、激熱激冷、反復(fù)循環(huán)應(yīng)力的作用;偏心載荷和沖擊載荷作用;高溫高壓下的摩擦作用。及其容易引起疲勞斷裂，從而使模具報廢失效。利用Altair公司的擠壓仿真軟件HyperXtrude的強度分析功能，可以準確的計算出模具在擠壓過程中的模具所受的應(yīng)力場和應(yīng)變場。從而可以用來分析大懸臂的平模設(shè)計的厚度和懸臂位置斷裂的危險臨界應(yīng)力值之間的關(guān)系。并通過實際模具使用跟蹤，找到其應(yīng)力值與擠壓制品實際通過噸數(shù)之間的相應(yīng)關(guān)系，通過其相對應(yīng)的關(guān)系，指導(dǎo)模具設(shè)計所需要取模具厚度的最佳值。在滿足生產(chǎn)需要的強度的情況下，盡量節(jié)約模具材料，降低模具使用成本。

　　2 擠壓模具使用的材料，工作條件及失效的主要原因

　　通常在擠壓鋁合金制品時，模具要承受長時間的高溫高壓、激熱激冷、反復(fù)循環(huán)應(yīng)力的作用;偏心載荷和沖擊載荷作用;高溫高壓下的摩擦作用。因此，鋁型材擠壓模具的主要失效形式有磨損超差、鋁型材與模具材料的粘著磨損、疲勞斷裂、龜裂等。

　　H13鋼是空冷硬化熱作模具鋼，屬超高強度鋼。它具有良好的淬透性、熱強性、耐磨性、塑性及較高的沖擊韌性、抗冷熱疲勞性、熱處理變形小，抗裂紋擴展性好，擠壓的型材表面粗糙度好，修模省力，使用壽命長，這些特征標準是鋁型材擠壓模具的最好材料。

　　3 優(yōu)化擠壓模具厚度設(shè)計過程

　　對于懸臂類實心鋁型材擠壓模具的厚度直接影響模具的強度，模具的強度直接影響擠壓制品的通過量和制品尺寸。模具強度確實是越厚越好，但是對于模具制造和擠壓使用過程而言模具卻是越薄越好，模具越薄越容易加工，模具越薄在擠壓過程中所受的摩擦力也越小。同時模具減薄可以有效的節(jié)約模具材料，降低成本。

　　3.1設(shè)計試驗方案

　　根據(jù)如下斷面圖(圖1)，結(jié)合擠壓模具基本設(shè)計方法導(dǎo)流孔與斷面形狀相似，工作帶按同心圓原則結(jié)合斷面壁厚的原則。可得到如下的設(shè)計方案模具為φ227×(x+80)其中x為型模厚度(圖2)：

　　圖1 試驗用斷面圖

　　圖2 擠壓模具型模設(shè)計圖

　　根據(jù)模具設(shè)計圖紙，分別取型模厚度為：(1)30mm;(2)60mm;(3)80mm;(4)100mm配合80mm的專用模墊，再根據(jù)不同的厚度型模和專用模墊的組合，建立建立精確的三維模型如(圖3)。

　　圖3 擠壓模具三維模型

　　把三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件HyperXtrude中，進行網(wǎng)格劃分，得到如下圖的模型(圖4)，并加入具體的擠壓工藝參數(shù)(如表1)，提交進行有限元分析計算。可得到如(表2)所示的結(jié)果。

　　圖4 有限元分析準備模型

　　表1 擠壓工藝參數(shù)

　　表2 擠壓仿真分析結(jié)果

　　3.2 模擬結(jié)果分析

　　根據(jù)分析結(jié)果可以分別得到，當(dāng)型模厚為30mm時：其最大應(yīng)力值808Mpa，模具整體變形最大值為0.35mm;當(dāng)型模厚度為60mm時：其最大應(yīng)力值為654Mpa，模具整體變形最大值位0.27mm;當(dāng)型模厚度為80mm時：其最大應(yīng)力值為573Mpa，模具整體變形最大值位0.17mm;當(dāng)型模厚度為100mm時：其最大應(yīng)力值為516Mpa，模具整體變形最大值位0.16mm。這些最大應(yīng)力值都出現(xiàn)在懸臂的根部，表明根部是最容易斷裂的危險截面處。而變形最大的地方則相反在懸臂的最尾端，容易造成尺寸的偏離，顧在設(shè)計時要預(yù)偏其壁厚，以擬補變形引起的壁厚偏小。由上面得到的壁厚和最大應(yīng)力值，以及壁厚和變形量之間的關(guān)系制成圖標可得到如下表3的關(guān)系。

　　表3 型模厚度與最大變形量的關(guān)系

　　3.3 優(yōu)化設(shè)計

　　由表2和表3的曲線可以很明顯的看到其變化趨勢，1、隨著模具厚度的不斷增加其模具所受最大應(yīng)力值不斷減小，開始是減小趨勢快，到后面趨于緩慢;2、隨著模具厚度的不斷增加其模具的最大變形量不斷減小，開始趨勢比較快，后面趨于緩慢。由此可見當(dāng)從模具應(yīng)力和變形來看，模具厚度是越厚越好，當(dāng)其材料使用也最多，費用最高。顧從成本和模具強度雙重考慮選擇型模厚度為80mm比較合理。

　　3.4 結(jié)果跟蹤

　　按照試驗方案分別制作模具型模厚度為30mm一片;型模厚度60mm兩片;型模厚度80mm兩片;型模厚度100mm一片;模墊厚度為80mm三片。跟蹤擠壓結(jié)果分別記錄其上機擠壓通過量。30mm的型模一上機就斷裂，直接報廢;60mm的型模分別通過8T和11T后模具產(chǎn)生裂紋報廢;80mm的型模分別通過30T和32T，由于面粗劃痕等表面質(zhì)量原因，模具報廢;100mm的型模通過34T，由于面粗等表面質(zhì)量原因，模具報廢。數(shù)據(jù)整理如下表。

　　表4 型模厚度與其通過量的關(guān)系

　　分析表4，取60mm的型模1和模2的平均值為9.5T;取80mm的型模的平均通過量31T。根據(jù)模具厚度與其通過量關(guān)系制成(圖表5)。

　　由此可見模具厚度越厚其通過量越高，模具厚度不夠是容易斷裂失效，模具厚度到一定值時，擠壓產(chǎn)品通過量隨著厚度增加而增加緩慢，容易以表面粗、劃痕或尺寸超差等形式失效使模具報廢。

　　4 結(jié)論

　　a、試驗結(jié)果表明模具厚度越厚其模具應(yīng)力值越小，變形也越小，實際擠壓通過量越大;模具厚度的不斷增加到一定值后其應(yīng)力和變形減小緩慢;模具厚度的增加到一定值后其擠壓通過量增加緩慢甚至不增加。顧本次試驗?zāi)＞吆穸热?0mm比較合理。

　　b、利用Altair公司的有限元分析軟件HyperXtrude平臺，對擠壓模具強度進行有限元分析模擬技術(shù)，可以用于優(yōu)化擠壓模具厚度設(shè)計方案。優(yōu)化設(shè)計的過程是可行的，優(yōu)化結(jié)果是有效的，大大減少了試模次數(shù)。

　　c、試驗結(jié)果表明：合理的選擇模具厚度，及可以保證模具強度滿足擠壓需要，又可以有效的節(jié)約模具成本。