一種高效的型材擠壓模具設計方法
2023-05-04 23:26:31
一種高效的型材擠壓模具設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種高效的型材擠壓模具設計方法，屬於有色金屬材料加工【技術領域】。首先將準備擠壓生產的型材截面特徵輸入到專家知識庫模塊，通過專家知識庫獲得初始模具設計方案，並根據模具設計方案自動生成數值模擬所需的前處理文件，輸入到數值模擬模塊進行擠壓過程的模擬，數值模擬結果作為模具結構優化的依據，模擬結束後將模擬結果與優化目標函數進行對比，如存在誤差則利用工藝優化模塊，進行工藝最優方案的設計，然後再通過數值模擬進行驗證，最終獲得最優的工藝設計方案。本發明的方法可顯著提高型材擠壓模具設計的效率和水平，實現型材擠壓模具的高效設計。
【專利說明】一種高效的型材擠壓模具設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高效的型材擠壓模具設計方法，尤其是一種高效的、適用於鋁、鎂合金型材擠壓模具的設計方法，屬於有色金屬材料加工【技術領域】。
【背景技術】
[0002]模具設計是型材擠壓生產的關鍵技術，也是制約其生產的瓶頸之一。型材擠壓時，由於受到模具端面、分流孔、焊合腔、死區以及工作帶的強烈摩擦作用，金屬流動的不均勻現象十分嚴重，導致型材製品中產生很大的附加壓力，從而產生各種缺陷，如尺寸不穩定、扭擰、彎曲、波浪等，嚴重時會引起工模具產生磨損、塑性變形、疲勞破壞和開裂等失效或損壞。因此，合理的設計與製造能大大延長模具的使用壽命，對提高生產效率、降低成本和能耗具有重要的意義。
[0003]模具設計一般包括結構的設計計算、尺寸的確定、強度的校核和材料的選擇記憶經濟技術指標的評價等，模具是直接參與金屬變形的工具，其設計不同於一般的機械零件設計，而是介於機械加工與壓力加工之間的一種工藝設計。除了要考慮機械設計所遵循的原則以外、尚需考慮熱擠壓條件下各種工藝因素，因此，要設計出合理而經濟的擠壓模具是一件十分複雜而困難的工作。長期以來，國內對於型材擠壓模具的設計基本停留在傳統的依靠工程類比和設計經驗的積累上，新設計的模具要經過反覆的試模-修模-再試模的過程，導致模具開發周期長、成本高，且產品質量難以保證。隨著鋁型材產品不斷向大型化、扁寬化、薄壁化、高精化和複雜化發展，傳統的模具設計方法已無法滿足新產品開發模式的需求。
[0004]近年來，也有採用數值模擬方法對型材擠壓過程進行分析，根據數值模擬結果來修改模具設計，代替車間昂貴的試模過程，但目前數值模擬的應用還處在較大的局限性，一是型材擠壓過程是及其複雜的塑性大變形過程，尤其是對於大型複雜斷面型材，採用傳統的數值模擬方法進行模擬運算的時間長、效率低、模擬精度不高；二是目前基於數值模擬的擠壓模具設計其實也是一種「試錯」的方法，還需要根據模擬結果，依賴設計人員的工程經驗反覆修改模具設計方案進行計算機模擬以驗證其合理性，這也要消耗大量的計算時間；三是採用商業模擬軟體進行數值模擬時模擬模型的設置過程較為複雜，不僅要求設計人員具備專業模具設計、加工工藝等專業知識，還要熟練掌握相關的塑性成形理論及有限元模擬技術。因此，單純基於數值模擬的型材擠壓模具設計方法難以在實際生產中得到推廣和應用。
【發明內容】
[0005]本發明針對傳統「試錯」模具設計方法導致的設計周期長、產品質量難以控制，以及現有的數值模擬軟體對操作人員的能力要求高，且模擬精度較低、計算時間長等問題，提出了一種基於專家知識庫、數值模擬技術和優化算法相結合的型材擠壓模具高效設計方法。[0006]本發明首先將準備擠壓生產的型材截面特徵輸入到專家知識庫模塊，通過專家知識庫獲得初始模具設計方案，並根據模具設計方案自動生成數值模擬所需的前處理文件，輸入到數值模擬模塊進行擠壓過程的模擬，數值模擬結果作為模具結構優化的依據，模擬結束後將模擬結果與優化目標函數進行對比，如存在誤差則利用工藝優化模塊，進行工藝最優方案的設計，然後再通過數值模擬進行驗證，最終獲得最優的工藝設計方案，使工藝方案符合設計目標。
[0007]本發明採用以下的技術方案:
[0008]一種高效的型材擠壓模具設計方法，包括如下步驟:
[0009](I)獲取型材特徵信息:首先提取型材特徵信息輸入到專家知識庫中；
[0010]型材特徵信息輸入有兩種方式:一是直接從專家知識庫中檢索出同類型的型材產品，並進行相關的特徵修改；二是直接導入型材產品的二維工程圖文件，並通過嚮導輸入相關的型材的特徵信息。
[0011](2)基於專家知識庫的工藝設計:以獲取的型材特徵信息為關鍵詞在專家知識庫中檢索相似的實例，如果檢索到相似案例，則直接調出模具設計的工藝方案；如檢索不到相似案例，則通過專家知識庫所提供的工藝設計準則及經驗知識交互完成擠壓模具設計。
[0012](3)數值模擬分析:根據型材截面特徵的不同選用不同數值模擬方法，然後自動生成數值模擬系統所需的前處理文件並自動導入到數值模擬軟體中，利用計算機完成試模過程，最後自動輸出數值模擬結果。
[0013](4)數值修模:通過數值模擬結果判定模具設計方案是否合理，並依據模擬結果制定擠壓模具的優化方案，指導實際擠壓過程中的修模。
[0014]所述型材特徵信息包括產品材料(鋁合金或鎂合金)、形狀特徵、型材橫截面面積、最大外接圓直徑、最大和最小壁厚、內孔個數和截面複雜係數。
[0015]所述的專家知識庫包含模具設計案例庫(包含擠壓模具設計實例)、工藝知識庫(包含型材擠壓模具設計準則與經驗知識)和材料資料庫(包含型材產品分類資料庫、鋁合金/鎂合金材料資料庫)等。
[0016]所述的數值模擬方法是採用有限元法或有限體積法和任意拉格朗日-歐拉法相結合的計算方法，根據型材截面特徵的不同，在型材擠壓的非穩態階段採用有限元法或有限體積法進行模擬，而穩態擠壓階段一律採用任意拉格朗日-歐拉法進行模擬。
[0017]所述的數值模擬結果包括金屬的流動變形、擠壓型材出口流速、擠壓力和擠壓模具的應力等。
[0018]所述的修模的目標函數是型材出口流速均方差、擠壓過程中最大擠壓力、模具最大應力，即擠壓模具優化設計的目標函數是:
[0019](I)擠壓型材出口流速均方差S.D.〈0.1，S.D.的計算公式如下:
[0020]
【權利要求】
1.一種高效的型材擠壓模具設計方法，包括如下步驟: (1)獲取型材特徵信息:首先提取型材特徵信息輸入到專家知識庫中； (2)基於專家知識庫的工藝設計:以獲取的型材特徵信息為關鍵詞在專家知識庫中檢索相似的實例，如果檢索到相似案例，則直接調出模具設計的工藝方案；如檢索不到相似案例，則通過專家知識庫所提供的工藝設計準則與經驗知識交互完成擠壓模具設計； (3)數值模擬分析:根據型材截面特徵的不同選用不同數值模擬方法，然後自動生成數值模擬系統所需的前處理文件並導入到數值模擬軟體中，利用計算機完成試模過程，最後自動輸出數值模擬結果； (4)數值修模:通過數值模擬結果判定模具設計方案是否合理，並依據模擬結果制定擠壓模具的優化方案，指導實際擠壓過程中的修模。
2.根據權利要求1所述的高效的型材擠壓模具設計方法，其特徵在於:所述型材特徵信息包括產品材料、形狀特徵、型材橫截面面積、最大外接圓直徑、最大和最小壁厚、內孔個數和截面複雜係數。
3.根據權利要求1所述的高效的型材擠壓模具設計方法，其特徵在於:所述的型材特徵信息輸入包括兩種方式:一是直接從專家知識庫中檢索出同類型的型材產品，並進行相關的特徵修改；二是直接導入型材產品的二維工程圖文件，並通過嚮導輸入相關的型材的特徵信息。
4.根據權利要求1所述的高效的型材擠壓模具設計方法，其特徵在於:所述的專家知識庫包含型材產品分類資料庫、鋁合金/鎂合金材料資料庫、型材擠壓模具設計準則和擠壓模具設計實例。
5.根據權利要求1所述的高效的型材擠壓模具設計方法，其特徵在於:所述的數值模擬方法是採用有限元法或有限體積法和任意拉格朗日-歐拉法相結合的計算方法，根據型材截面特徵的不同，在型材擠壓的非穩態階段採用有限元法或有限體積法進行模擬，而穩態擠壓階段採用任意拉格朗日-歐拉法進行模擬。
6.根據權利要求1所述的高效的型材擠壓模具設計方法，其特徵在於:所述的數值模擬結果包括金屬的流動變形、擠壓型材出口流速、擠壓力和擠壓模具的應力。
7.根據權利要求1所述的高效的型材擠壓模具設計方法，其特徵在於:所述修模的目標函數為: (1)擠壓型材出口流速均方差s.D.〈0.1，S.D.的計算公式如下:
【文檔編號】G06F17/50GK103810306SQ201210440992
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月7日 優先權日:2012年11月7日
【發明者】程磊, 黃國傑, 米緒軍, 謝水生 申請人:北京有色金屬研究總院