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、反復循環(huán)應力的作用;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力場和應變場。從而可以用來分析大懸臂的平模設計的厚度和懸臂位置斷裂的危險臨界應力值之間的關系。并通過實際模具使用跟蹤，找到其應力值與擠壓制品實際通過噸數(shù)之間的相應關系，通過其相對應的關系，指導模具設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、反復循環(huán)應力的作用;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設計試驗方案

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

　　圖1 試驗用斷面圖

　　圖2 擠壓模具型模設計圖

　　根據(jù)模具設計圖紙，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 擠壓仿真分析結果

　　3.2 模擬結果分析

　　根據(jù)分析結果可以分別得到，當型模厚為30mm時：其最大應力值808Mpa，模具整體變形最大值為0.35mm;當型模厚度為60mm時：其最大應力值為654Mpa，模具整體變形最大值位0.27mm;當型模厚度為80mm時：其最大應力值為573Mpa，模具整體變形最大值位0.17mm;當型模厚度為100mm時：其最大應力值為516Mpa，模具整體變形最大值位0.16mm。這些最大應力值都出現(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，顧在設計時要預偏其壁厚，以擬補變形引起的壁厚偏小。由上面得到的壁厚和最大應力值，以及壁厚和變形量之間的關系制成圖標可得到如下表3的關系。

　　表3 型模厚度與最大變形量的關系

　　3.3 優(yōu)化設計

　　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。由此可見當從模具應力和變形來看，模具厚度是越厚越好，當其材料使用也最多，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量原因，模具報廢;100mm的型模通過34T，由于面粗等表面質量原因，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 結論

　　a、試驗結果表明模具厚度越厚其模具應力值越小，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。顧本次試驗模具厚度取80mm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，可以用于優(yōu)化擠壓模具厚度設計方案。優(yōu)化設計的過程是可行的，優(yōu)化結果是有效的，大大減少了試模次數(shù)。

　　c、試驗結果表明：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。