一种高效的型材挤压模具设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种高效的型材挤压模具设计方法，属于有色金属材料加工【技术领域】。首先将准备挤压生产的型材截面特征输入到专家知识库模块，通过专家知识库获得初始模具设计方案，并根据模具设计方案自动生成数值模拟所需的前处理文件，输入到数值模拟模块进行挤压过程的模拟，数值模拟结果作为模具结构优化的依据，模拟结束后将模拟结果与优化目标函数进行对比，如存在误差则利用工艺优化模块，进行工艺最优方案的设计，然后再通过数值模拟进行验证，最终获得最优的工艺设计方案。本发明的方法可显著提高型材挤压模具设计的效率和水平，实现型材挤压模具的高效设计。
【专利说明】一种高效的型材挤压模具设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高效的型材挤压模具设计方法，尤其是一种高效的、适用于铝、镁合金型材挤压模具的设计方法，属于有色金属材料加工【技术领域】。
【背景技术】
[0002]模具设计是型材挤压生产的关键技术，也是制约其生产的瓶颈之一。型材挤压时，由于受到模具端面、分流孔、焊合腔、死区以及工作带的强烈摩擦作用，金属流动的不均匀现象十分严重，导致型材制品中产生很大的附加压力，从而产生各种缺陷，如尺寸不稳定、扭拧、弯曲、波浪等，严重时会引起工模具产生磨损、塑性变形、疲劳破坏和开裂等失效或损坏。因此，合理的设计与制造能大大延长模具的使用寿命，对提高生产效率、降低成本和能耗具有重要的意义。
[0003]模具设计一般包括结构的设计计算、尺寸的确定、强度的校核和材料的选择记忆经济技术指标的评价等，模具是直接参与金属变形的工具，其设计不同于一般的机械零件设计，而是介于机械加工与压力加工之间的一种工艺设计。除了要考虑机械设计所遵循的原则以外、尚需考虑热挤压条件下各种工艺因素，因此，要设计出合理而经济的挤压模具是一件十分复杂而困难的工作。长期以来，国内对于型材挤压模具的设计基本停留在传统的依靠工程类比和设计经验的积累上，新设计的模具要经过反复的试模-修模-再试模的过程，导致模具开发周期长、成本高，且产品质量难以保证。随着铝型材产品不断向大型化、扁宽化、薄壁化、高精化和复杂化发展，传统的模具设计方法已无法满足新产品开发模式的需求。
[0004]近年来，也有采用数值模拟方法对型材挤压过程进行分析，根据数值模拟结果来修改模具设计，代替车间昂贵的试模过程，但目前数值模拟的应用还处在较大的局限性，一是型材挤压过程是及其复杂的塑性大变形过程，尤其是对于大型复杂断面型材，采用传统的数值模拟方法进行模拟运算的时间长、效率低、模拟精度不高；二是目前基于数值模拟的挤压模具设计其实也是一种“试错”的方法，还需要根据模拟结果，依赖设计人员的工程经验反复修改模具设计方案进行计算机模拟以验证其合理性，这也要消耗大量的计算时间；三是采用商业模拟软件进行数值模拟时模拟模型的设置过程较为复杂，不仅要求设计人员具备专业模具设计、加工工艺等专业知识，还要熟练掌握相关的塑性成形理论及有限元模拟技术。因此，单纯基于数值模拟的型材挤压模具设计方法难以在实际生产中得到推广和应用。
【发明内容】
[0005]本发明针对传统“试错”模具设计方法导致的设计周期长、产品质量难以控制，以及现有的数值模拟软件对操作人员的能力要求高，且模拟精度较低、计算时间长等问题，提出了一种基于专家知识库、数值模拟技术和优化算法相结合的型材挤压模具高效设计方法。[0006]本发明首先将准备挤压生产的型材截面特征输入到专家知识库模块，通过专家知识库获得初始模具设计方案，并根据模具设计方案自动生成数值模拟所需的前处理文件，输入到数值模拟模块进行挤压过程的模拟，数值模拟结果作为模具结构优化的依据，模拟结束后将模拟结果与优化目标函数进行对比，如存在误差则利用工艺优化模块，进行工艺最优方案的设计，然后再通过数值模拟进行验证，最终获得最优的工艺设计方案，使工艺方案符合设计目标。
[0007]本发明采用以下的技术方案:
[0008]一种高效的型材挤压模具设计方法，包括如下步骤:
[0009](I)获取型材特征信息:首先提取型材特征信息输入到专家知识库中；
[0010]型材特征信息输入有两种方式:一是直接从专家知识库中检索出同类型的型材产品，并进行相关的特征修改；二是直接导入型材产品的二维工程图文件，并通过向导输入相关的型材的特征信息。
[0011](2)基于专家知识库的工艺设计:以获取的型材特征信息为关键词在专家知识库中检索相似的实例，如果检索到相似案例，则直接调出模具设计的工艺方案；如检索不到相似案例，则通过专家知识库所提供的工艺设计准则及经验知识交互完成挤压模具设计。
[0012](3)数值模拟分析:根据型材截面特征的不同选用不同数值模拟方法，然后自动生成数值模拟系统所需的前处理文件并自动导入到数值模拟软件中，利用计算机完成试模过程，最后自动输出数值模拟结果。
[0013](4)数值修模:通过数值模拟结果判定模具设计方案是否合理，并依据模拟结果制定挤压模具的优化方案，指导实际挤压过程中的修模。
[0014]所述型材特征信息包括产品材料(铝合金或镁合金)、形状特征、型材横截面面积、最大外接圆直径、最大和最小壁厚、内孔个数和截面复杂系数。
[0015]所述的专家知识库包含模具设计案例库(包含挤压模具设计实例)、工艺知识库(包含型材挤压模具设计准则与经验知识)和材料数据库(包含型材产品分类数据库、铝合金/镁合金材料数据库)等。
[0016]所述的数值模拟方法是采用有限元法或有限体积法和任意拉格朗日-欧拉法相结合的计算方法，根据型材截面特征的不同，在型材挤压的非稳态阶段采用有限元法或有限体积法进行模拟，而稳态挤压阶段一律采用任意拉格朗日-欧拉法进行模拟。
[0017]所述的数值模拟结果包括金属的流动变形、挤压型材出口流速、挤压力和挤压模具的应力等。
[0018]所述的修模的目标函数是型材出口流速均方差、挤压过程中最大挤压力、模具最大应力，即挤压模具优化设计的目标函数是:
[0019](I)挤压型材出口流速均方差S.D.〈0.1，S.D.的计算公式如下:
[0020]
【权利要求】
1.一种高效的型材挤压模具设计方法，包括如下步骤: (1)获取型材特征信息:首先提取型材特征信息输入到专家知识库中； (2)基于专家知识库的工艺设计:以获取的型材特征信息为关键词在专家知识库中检索相似的实例，如果检索到相似案例，则直接调出模具设计的工艺方案；如检索不到相似案例，则通过专家知识库所提供的工艺设计准则与经验知识交互完成挤压模具设计； (3)数值模拟分析:根据型材截面特征的不同选用不同数值模拟方法，然后自动生成数值模拟系统所需的前处理文件并导入到数值模拟软件中，利用计算机完成试模过程，最后自动输出数值模拟结果； (4)数值修模:通过数值模拟结果判定模具设计方案是否合理，并依据模拟结果制定挤压模具的优化方案，指导实际挤压过程中的修模。
2.根据权利要求1所述的高效的型材挤压模具设计方法，其特征在于:所述型材特征信息包括产品材料、形状特征、型材横截面面积、最大外接圆直径、最大和最小壁厚、内孔个数和截面复杂系数。
3.根据权利要求1所述的高效的型材挤压模具设计方法，其特征在于:所述的型材特征信息输入包括两种方式:一是直接从专家知识库中检索出同类型的型材产品，并进行相关的特征修改；二是直接导入型材产品的二维工程图文件，并通过向导输入相关的型材的特征信息。
4.根据权利要求1所述的高效的型材挤压模具设计方法，其特征在于:所述的专家知识库包含型材产品分类数据库、铝合金/镁合金材料数据库、型材挤压模具设计准则和挤压模具设计实例。
5.根据权利要求1所述的高效的型材挤压模具设计方法，其特征在于:所述的数值模拟方法是采用有限元法或有限体积法和任意拉格朗日-欧拉法相结合的计算方法，根据型材截面特征的不同，在型材挤压的非稳态阶段采用有限元法或有限体积法进行模拟，而稳态挤压阶段采用任意拉格朗日-欧拉法进行模拟。
6.根据权利要求1所述的高效的型材挤压模具设计方法，其特征在于:所述的数值模拟结果包括金属的流动变形、挤压型材出口流速、挤压力和挤压模具的应力。
7.根据权利要求1所述的高效的型材挤压模具设计方法，其特征在于:所述修模的目标函数为: (1)挤压型材出口流速均方差s.D.〈0.1，S.D.的计算公式如下:
【文档编号】G06F17/50GK103810306SQ201210440992
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月7日 优先权日:2012年11月7日
【发明者】程磊, 黄国杰, 米绪军, 谢水生 申请人:北京有色金属研究总院