空心铝型材分流组合挤压模CAD系统开发

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空心铝型材分流组合挤压模CAD系统开发
摘要：利用面向对象的设计思想，采用对象模型技术(object rmdeling technolcgy,CNT)方法，确定了铝型材分流组合挤压模CAD系统的整体构架。用ug/open api接口和UG／oFEN GRIP语言的功能，开发了空心铝型材分流组合挤压模CAD系统。实例证明，利用该系统可以方便地设计出参数化的铝型材分流组合挤压模。用有限体积法模拟铝型材挤压过程，分析金属流动、应力的变化，为优化挤压模结构提供依据。
关键词：空心铝型材；分流组合挤压模；面向对象；有限体积法

- G% M, C; o7 a' g1引言
  H+ N- F3 w# U% F% U) p7 L  传统铝型材挤压模设计制造都要经过试模、修模，耗费大量的经费和时间。因此，开发高精度、高寿命、低成本的挤压模成了企业追求经济效益的重要手段。随着铝型材的广泛应用，研究零试模的模具设计制造技术成了当前铝型材加工行业的热点。实现零试模的关键在于挤压模的正确设计与制造ulo经采用面向对象的设计方法。以通用CAD／CAM软件1．13为开发平台，利用其API函数接口和Q冲语言等二次开发工具，开发铝型材挤压模CAD系统，设计出了参数化的、三维的典型分流组合
模。在此基础上，通过基于有限体积法的CAE模拟，获取典型空心铝型材分流组合挤压成型的金属流动、应力分布规律，为优化模具结构参数，实现零试模提供依据。
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2分流组合挤压模CAD系统的设计
  基于面向对象的设计思想，在系统分析和设计的基础上，采用ovir方法，建立了铝型材分流挤压模CAD系统。根据铝型材挤压模设计的原理和挤压模的结构特点伫j建立了铝型材挤压模CAD系统的对象类和系统功能模型，系统设计的具体思想可参见文献【3。4】。确定的系统的主要对象类、特征属性和操作见表1。

1 t/ ]1 A4 U+ @2 A9 T    由表l可知，依据面向对象的设计思想，该挤压模CAD系统将分流组合模结构划分为：截面图形类、工艺参数类、模具外形类、分流孔类、分流桥类、模芯类、焊合室类、模孔类、区段类、工作带类和空刀类等。以分流模结构的这些对象类的定义为基础，理清各类之间的结构关系，就可以构造出分流组合模的系统功能模型，如图1所示。

3 |3 [# h% A, \; Q! b  功能模型是在对象类模型的基础上建立的，它明确了系统中发生的事件，描述了系统内数据的转移，说明了对象模型中操作的含义，且易于扩充。各对象实质上正是通过自身的操作对相关事件做出响应，最终生成三维铝型材挤压模.
3 CAD系统的实现
    以UG作为开发平台，利用UG二次开发工具——UG／OPEN API和UG/OPEN GRIP语言，根据系统的对象类模块和功能模型，结合用户开发的系统界面，实现铝型材分流组合挤压模CAD系统的设计。
5 D6 l$ E5 \2 Q, W3．1用户界面的实现
    用户界面可以根据系统的功能模型图或模具设计过程进行设计。利用UG/OPEN MenuScript和UG/OPEN UIStyler具体实现菜单的设置和系统功能对话框的创建。MenuScript是一种用于定义UG菜单的脚本语言，可创建用户自定义菜单。通过对系统运行环境进行适当的设置，使UG在启动时将用户写的MenuScript文件加载到系统中，便可在UG环境中展现出用户菜单。图2即为用MenuScript生成的平面分流挤压模CAD系统的菜单，其每一个菜单项的响应，都是通过构建的与菜单相应的动态链接库程序来实现的。
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/ \- u1 `3 [: ?3．2模具外形模块类的实现
  模具外形对象的实现主要是根据分流组合挤压的特点，选用圆柱形的外形口j依据工艺计算结果，选择合适的模具外径和高度即可。
9 _# w0 d7 p9 }) x) @+ A3．3上模结构设计
" x1 S- I9 ~6 ]' b% ^& K8 f" Z    模具外形确定后，就可以在上模布置分流孔、分流桥、桥墩和模芯。对于分流孔的创建，归纳其特征参数，根据经验选择形状、数目和合适的分流比，然后由API调用其特征参数完成创建，图3所示为分流孔特征参数对话框。按照经验选取或者直接按经验公式计算分流桥宽，桥高按相应生产工艺规格选取。然后进行校核修正。模芯尺寸按照经验公式进行计算和修正，最后调用UG建模功能完成造型。

$ s0 z, A- G3 _0 S  上模设计中，最关键的是必须保证模芯形心与模具中心重合，利用UG王冲的二维分析功能计算确定其模芯形心，可通过API回调其计算结果，完成模芯形心与模具中心配合定位，从而保证二者重合。
3．4下模结构设计
    下模布置有焊合室、模孔、工作带和空刀区段.对于焊合室的设计，根据经验数据和形状特征抽取其特征参数，由API函数调用其特征参数创建模型。利用经验公式对模孔尺寸进行修正，由特征参对话框传递数据，完成其计算，也可以手工直接修正。模孔区段很难实现自动化划分，全部通过人机交互方式完成。通过交互对话框选择对应的空刀区段和模孔区段，由工作带特征函数调用，即可完成模孔工作带和空刀区段的创建。图4为工作带计算对话框。
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3．5设计实例
% u) `+ ~3 X8 Q    利用上述二次开发的铝型材分流组合挤压模CAD系统，设计40,rmX 30m，厚度为2m-n的矩形管。首先输入截面图形，计算其外接圆直径等几何信息。在此基础上，选择挤压设备和模具外径。根据所选的设备，按照CAD系统流程进行设计，最后得到相应的分流挤压模CAD模型的上、下模结构(如图5所示)。
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4空心型材分流组合挤压成型CAE
    由空心型材分流组合挤压成型的原理可知，其挤压过程存在一个金属先劈开后焊合的过程。若采用Lagrange有限元法进行模拟，网格需要先劈开，后整合，难度较大。采取Eluer网格有限体积法能够有效避免Lagrange有限元法难以处理又无法回避的三维网格重画和自由液面跟踪问题。所以选用基于有限体积法的SuperForge软件，通过二次开发材料模型模拟空心铝型材分流组合挤压过程。
) v% z6 U4 s. \* d4．1分流组合挤压模的CAD／CAE建模
* w, g! h5 {6 O4 M( U9 @    以铝矩形管(尺寸40rrm×30rma,壁厚2mm)的分流组合挤压成型为研究对象，挤压温度为480--500℃，挤压材质为6063-T5合金，参阅文献【4，8】中的6063-T5合金在挤压温度范围内的最小屈服应力值和材质特性值，利用SuperForge提供的二次开发接口添加材料模型。
" o0 R) V! O( G. a7 W/ C  }    将上述分流组合模CAD系统创建的模具CAD模型(见图5)通过适当数据转换，导入SuperForge，作为CAE分析的挤压下模。取挤压杆尺寸为105mmX20mm,作为SuperFoIge分析中的挤压上模。在模拟过程中，为了便于单元网格的划分和模具定位，简化了模具外形上不影响模具性能的一些结构，如卡槽结构等。按照挤压工艺要求，选择6MNl的挤压力，挤压筒直径为≯105nm，挤压坯料尺寸为声10lmm~106 mm为节省模拟计算时间，选择原铸锭长度的20％进行模拟，挤压速度为0．015m／s。
4．2分流组合挤压CAE模拟后处理分析
  x: i! _  s# ]% ]0 J$ K  经过模拟，矩形管挤压成型过程中的金属流动速度、等效应力等参数的变化规律如下。
4．2．1金属流动速度
    图6为铝矩形管分流组合挤压成型时的金属流动速度分布。由图6可知：

- a2 W/ t! P- K5 `' O" _      (1)从金属流动情况来看，金属进入分流孔到流出模孔前，受到阻碍，速度减慢；当金属充满焊合室后，由于静水压力作用，金属高速流出模孔，速度达到了O．242m／s。
: K1 L1 Y9 i* g9 [: ^2 p7 o    (2)从铝型材成型情况来看，模孔处金属的流速并不均匀。受工作带长度影响，在矩形管的长边部分，金属流动快，而在4个拐角处流速慢，使挤压形状呈现弧形凸边。所用的模具是分流组合模的CAD系统自动建模所形成的工作带长度，未进行修整。
    (3)成型的铝型材有轻微的内弯曲，除了与工作带的长度有关外，还与挤压速度、预热温度等有关。
- L. Q' B8 c1 @, L8 u* ]& k0 q! q! u4．2．2等效应力分布
' @$ I9 Y1 s0 x/ G( V) L8 A    图7为铝矩形管分流组合挤压成型时的等效应力分布。由图7可知：金属被分流孔劈开时，等效应力增大；随着金属流入分流孔和焊合室，等效应力减小；当焊合后金属从模孔流出时，受到模孔的阻碍，等效应力急剧增大到34．22MPa的最大值。最大等效应力发生在模孔拐角处的工作带处。
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- H+ X; m: w- ]3 e* ]+ G: S 5结束语
  通过以上研究，获得以下主要结论：
. A1 S! ~4 V# [" n9 w    (1)运用OTM方法，建立了空心铝型材分流组合挤压模CAD系统功能模型，确立了主要对象模块类及其特征属性和操作特征。
4 Q" S! `; X' U    (2)采用UG的0pen API和GRIP等二次开发技术，开发了空心铝型材分流组合挤压模CAD系统。实例证明，利用该CAD系统，用户可以方便地设计出所需的空心铝型材分流组合挤压模。
    (3)采用FVM方法，在SuperForge平台上，通过模具CAD模型导入和材料模型二次开发，成功模拟了铝矩形管的分流组合挤压成型过程。分析表明，由于静水压力作用，金属流出模孔的速度达到了0．242m／s；焊合后金属从模孔流出时应力急剧增大到34．22 MPa的最大值。模拟结果可为下一步优化模具结构参数提供依据。
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