鋁型材擠壓是指將鋁合金高溫鑄坯通入專用模具內，在擠壓機提供的強大壓力作用下，按給定的速度，將鋁合金從模腔中擠出，從而獲得所需形狀、尺寸以及具有一定力學性能的鋁合金擠壓型材。鋁型材擠壓成型過程非常復雜，除了圓形和圓環形截面鋁型材的擠壓屬于二維軸對稱問題外，一般而言，其它形狀的鋁型材擠壓屬于三維流動大變形問題。因此，擠壓模具的設計制作質量和其使用壽命就成了擠壓過程是否經濟可行的關鍵之一。合理的設計與制造能大大延長模具壽命，對于提高1生產效率、降低成本和能耗具有重要意義。
目前，我國型材擠壓模具設計基本上還停留在傳統的依靠工程類比和設計經驗的積累上。而實際上，型材斷面越復雜，其擠壓變形的不均勻性就越顯著，從而造成新設計的模具很難保證坯料一次性的均勻流出，導致型材因扭擰、波浪、彎曲及裂紋等缺陷而報廢，模具也極易損傷，必須經過反復試模、修模才能投入正常使用，造成資金、人力、時間、資源等方面的浪費[1]。因此，隨著鋁型材產品不斷向大型化、扁寬化、薄壁化、高精化、復雜化和多用途、多功能、多品種、長壽命方向發展，改進傳統的模具設計方法已成為當前鋁型材工業發展的迫切需求。
1鋁型材擠壓模CAE研究的意義
鋁型材擠壓模CAE技術是利用CAD中建立的擠壓產品模型、結合擠壓工藝與控制參數、完成其成形過程分析和相應模具優化設計的一種數值技術。
具體做法為:在擠壓模初步設計的基礎上，根據事先擬定的工藝試驗方案，利用計算機仿真整個擠壓成形過程，獲得擠壓變形體內的應力、應變、溫度、流速等物理量分布，以及擠壓各階段的壓力、溫度、速度等工藝參數變化情況；確定擠壓模工作帶斷面和分流孔、焊合腔、導流槽等模具結構對成形鋁材流動的影響，模具使用過程中可能出現的變形、塌陷、崩刃、裂口、磨損、”粘著”和疲勞等缺陷及其位置；提出分析報告并向設計人員推薦合適的擠壓條件，設計人員再根據CAE分析結果修正模具設計方案。經過數次反復，直到模具設計方案滿足產品設計要求和產品質量要求為止[2]。這實際上是將生產現場的”試模-修模-試模”過程轉移到計算機上完成，以部分替代模具設計制造過程中費時費事的試模工作，從而減少該階段的材料和能源消耗，降低生產成本，并據此設計出高質量的鋁型材擠壓模具。
雖然CAE技術已在鋁型材擠壓模具設計制造領域得到了某些成功的應用，但真正面向模具工程師的應用卻很少。這主要是由于目前國內外還沒有專門針對鋁型材擠壓模開發的CAE軟件，所以，當模具工程師借助一些通用或專用CAE軟件(如ANSYS/LSDYNA、MARC/AutoForge、Deform等)進行模具設計方案和模具結構分析時，除要求使用者具備扎實的擠壓工藝和擠壓模設計制造專業知識、熟悉擠壓模各零部件在耦合場環境中的工作狀況外，還要求他對數值模擬技術及相應有限元分析方法必須有較深入的了解，這對于工作在生產第一線的工程技術人員而言是比較難的，這也是CAE技術在擠壓模具行業中得不到廣泛應用的重要原因之一。
鋁型材擠壓模CAE的應用可以縮短模具的設計制造周期，提高模具的質量，增強企業市場競爭力。然而，只有解決了上述問題，才能使CAE技術真正在擠壓模具行業中得到廣泛應用。這正是鋁型材擠壓模CAE技術研究的意義。
2鋁型材擠壓模優化設計現狀
由于要設計出結構合理且經濟實用的擠壓模具是一件十分復雜而困難的工作，因此，世界各國的擠壓工作者對模具設計理論和方法(特別對優化理論和方法)進行了大量的研究工作。
在擠壓技術發展的初期，一般根據機械設計原理，利用傳統強度理論并結合設計者的實踐經驗來進行模具設計。隨著彈塑性理論和擠壓理論的發展，許多新型的實驗理論和方法、計算理論和方法已開始用于擠壓模具設計制作領域。如，工程計算法、金屬流動坐標網格法、光彈光塑法、密柵紋云法、滑移線法、上限元理論和有限元理論等被廣泛用于模具應變場的確定和各種強度的校核，進而優化其結構和工藝要素。隨著計算機技術的發展，擠壓模具的CAD/CAM技術在最近2030年中得到迅速發展，且很大一部分技術集中在模具設計的優化方面。何德林等人[3]利用IDEF0方法開發出能對平面模和分流模進行優化設計的CAD/CAM系統；王孟君等人[4]以AUTOCAD120為圖形支撐環境，VISUALBASIC4.0為開發工具，開發的CAD系統，可以有效地從事擠壓平模的各項計算，從而對設計結果進行優化；閆洪等人[5]將CAE概念引入模具設計過程，指出了優化設計的方向；劉漢武等人[6]提出智能CAD概念，為模具設計智能化提供了一些思路。此外，國內外科研人員運用理論解析、物理模擬和數值模擬等方法，對鋁型材擠壓的變形過程、應力場和溫度場分布及變化、摩擦與潤滑等問題進行了大量的分析和實驗，并根據其研究成果對擠壓模具進行了優化。例如，趙云路和劉靜安[7]對各類擠壓模具的優化設計進行了系統論述。國內還有部分科研人員用有限元法結合實驗方法對擠壓模具最佳輪廓線及模具結構進行了分析和優化。
3鋁型材擠壓模CAE國內外發展現狀和趨勢
對鋁型材的擠壓過程進行數值模擬可以預測實際擠壓過程中可能出現的缺陷，及早優化模具結構設計、調整擠出工藝參數和有針對性的指明技術解決方案。國內外研究者們對此已做了許多工作。韓國的HyunWooShin等[8]在1993年對非軸對稱擠壓過程進行了有限元分析，他們利用二維剛塑性有限元方法結合厚板理論將三維問題進行了簡化，對整個擠壓過程進行了不失準確的數值模擬，同時也減少了計算量。對于變形模擬，于滬平等[9]采用塑性成型模擬軟件DEFORM，結合剛粘塑性有限元法函數法對平面分流模的擠壓變形過程進行了二維模擬，得出了擠壓過程中鋁合金的應力、應變、溫度以及流動速度等的分布和變化。劉漢武等[10]利用ANSYS軟件對分流組合模擠壓鋁型材進行了有限元分析和計算，找出了原模具設計中不易發現的結構缺陷。周飛等[11]采用三維剛粘塑性有限元方法，對一典型鋁型材非等溫成型過程進行了數值模擬，分析了鋁型材擠壓的三個不同成形階段，給出了成形各階段的應力、應變和溫度場分布情況以及整個成形過程中模具載荷隨成形時間的變化情況。對于壓力場，閆洪等[12]在2000年利用ANSYS軟件作為平臺，對壁板型材擠壓過程進行了三維有限元模擬和分析，獲得了型材擠壓過程的位移場、應變場、應力場。對實際型材擠壓中工藝參數選擇和模具結構尺寸的修正起到了重要指導作用。對于擠壓過程的摩擦與潤滑分析，1997年，俄羅斯的VadimL.Bereshnoy等[13]對摩擦輔助在直接和間接擠壓成型硬質鋁合金中的技術進行了研究。該技術的發展和應用使生產效率和質量都得到了大大提高。美國的PradipK.Saha[14]在1998年對鋁型材擠壓成型中熱動力學和摩擦學進行了研究。他采用熱力學數值模擬法構造了3種不同的實驗模型，分析了模具工作帶和流動金屬接觸面上的摩擦特性，還對坯料溫度和擠壓過程中產生的熱量對模具工作帶所產生的溫升的影響、并進行了實際測量驗證；研究表明，擠壓過程中的摩擦對型材的精度和表面質量有直接影響，模具工作帶的磨損過程取決于擠壓過程中的熱動力學性能，擠壓熱動力學性能又受到擠壓變量的嚴重影響。
在二次開發方面，國內的一些研究進展也值得關注。陳澤中、包忠詡等[15]通過系統集成和二次開發，建立了基于UG和ANSYS的鋁型材擠壓模CAD/CAE/CAM系統，并對分流組合模進行了CAD/CAE/CAM研究，有效提高了模具設計制造效率。深圳大學的李積彬[16]用C語言編寫了鋁型材擠壓模具參數設計的程序，以流程圖的形式詳細引導鋁型材擠壓模具的設計過程；以人機對話的形式實現鋁型材擠壓模具參數的優化設計。蘭州鐵道學院的段志東[17]通過ANSYS提供的強大的前后處理和求解功能平臺，通過在ANSYS應用程序中添加自己的鉚釘有限元程序，介紹并總結了用UIDL對ANSYS進行圖形用戶界面二次開發的一般步驟和規律，為用戶在擴充ANSYS功能、建立自己專用程序的同時建立起對應的圖形驅動界面提供了有益的幫助。江蘇戚墅堰機車車輛工藝研究所的盛偉[18]以ANSYS軟件為平臺，進行金屬塑性成形過程模擬軟件的二次開發，并應用該軟件對鍛件塑性成形過程進行了模擬，為提高鍛件質量、預測金屬成形中的缺陷、制定合理工藝提供了理論依據。
但總的說來，這些研究多側重于理論化，一種真正適合普通設計制造人員使用的擠壓模有限元分析軟件在國內幾乎還沒有。有些二次開發在具體應用上也有很大的局限性，所以對現行有限元軟件的用戶化研究，使之能更好的應用于擠壓模具的設計就成為當務之急。
4結論
提高鋁型材擠壓模具設計與制造水平是改善產品質量和增強市場競爭力之關鍵所在，而鋁型材擠壓模CAE技術在鋁型材擠壓模具設計優化中起著十分重要的作用。
國內外同行借助鋁型材擠壓模CAE對優化鋁型材擠壓模具(包括擠壓過程和擠壓工藝)進行了有益嘗試，取得了不少科研和應用成果，這種動向值得注意。
盡快把最新的有限元分析技術應用到整個擠壓模具設計與制造過程中，讓更多的模具工程師掌握這種優化設計方法，以提高我國鋁型材擠壓行業及其模具制造業的市場競爭力。
根據經驗，CAE各階段所用的時間為：40%～45%用于模型的建立和數據輸入，50%～55%用于分析結果的判讀和評定，而真正的分析計算時間只占5%左右。CAE采用CAD技術來建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數據的輸入，通常稱此過程為CAE的前處理。同樣，CAE的結果也需要用CAD技術生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應用、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，我們稱這一過程為：CAE的后處理。
目前，我國型材擠壓模具設計基本上還停留在傳統的依靠工程類比和設計經驗的積累上。而實際上，型材斷面越復雜，其擠壓變形的不均勻性就越顯著，從而造成新設計的模具很難保證坯料一次性的均勻流出，導致型材因扭擰、波浪、彎曲及裂紋等缺陷而報廢，模具也極易損傷，必須經過反復試模、修模才能投入正常使用，造成資金、人力、時間、資源等方面的浪費[1]。因此，隨著鋁型材產品不斷向大型化、扁寬化、薄壁化、高精化、復雜化和多用途、多功能、多品種、長壽命方向發展，改進傳統的模具設計方法已成為當前鋁型材工業發展的迫切需求。
1鋁型材擠壓模CAE研究的意義
鋁型材擠壓模CAE技術是利用CAD中建立的擠壓產品模型、結合擠壓工藝與控制參數、完成其成形過程分析和相應模具優化設計的一種數值技術。
具體做法為:在擠壓模初步設計的基礎上，根據事先擬定的工藝試驗方案，利用計算機仿真整個擠壓成形過程，獲得擠壓變形體內的應力、應變、溫度、流速等物理量分布，以及擠壓各階段的壓力、溫度、速度等工藝參數變化情況；確定擠壓模工作帶斷面和分流孔、焊合腔、導流槽等模具結構對成形鋁材流動的影響，模具使用過程中可能出現的變形、塌陷、崩刃、裂口、磨損、”粘著”和疲勞等缺陷及其位置；提出分析報告并向設計人員推薦合適的擠壓條件，設計人員再根據CAE分析結果修正模具設計方案。經過數次反復，直到模具設計方案滿足產品設計要求和產品質量要求為止[2]。這實際上是將生產現場的”試模-修模-試模”過程轉移到計算機上完成，以部分替代模具設計制造過程中費時費事的試模工作，從而減少該階段的材料和能源消耗，降低生產成本，并據此設計出高質量的鋁型材擠壓模具。
雖然CAE技術已在鋁型材擠壓模具設計制造領域得到了某些成功的應用，但真正面向模具工程師的應用卻很少。這主要是由于目前國內外還沒有專門針對鋁型材擠壓模開發的CAE軟件，所以，當模具工程師借助一些通用或專用CAE軟件(如ANSYS/LSDYNA、MARC/AutoForge、Deform等)進行模具設計方案和模具結構分析時，除要求使用者具備扎實的擠壓工藝和擠壓模設計制造專業知識、熟悉擠壓模各零部件在耦合場環境中的工作狀況外，還要求他對數值模擬技術及相應有限元分析方法必須有較深入的了解，這對于工作在生產第一線的工程技術人員而言是比較難的，這也是CAE技術在擠壓模具行業中得不到廣泛應用的重要原因之一。
鋁型材擠壓模CAE的應用可以縮短模具的設計制造周期，提高模具的質量，增強企業市場競爭力。然而，只有解決了上述問題，才能使CAE技術真正在擠壓模具行業中得到廣泛應用。這正是鋁型材擠壓模CAE技術研究的意義。
2鋁型材擠壓模優化設計現狀
由于要設計出結構合理且經濟實用的擠壓模具是一件十分復雜而困難的工作，因此，世界各國的擠壓工作者對模具設計理論和方法(特別對優化理論和方法)進行了大量的研究工作。
在擠壓技術發展的初期，一般根據機械設計原理，利用傳統強度理論并結合設計者的實踐經驗來進行模具設計。隨著彈塑性理論和擠壓理論的發展，許多新型的實驗理論和方法、計算理論和方法已開始用于擠壓模具設計制作領域。如，工程計算法、金屬流動坐標網格法、光彈光塑法、密柵紋云法、滑移線法、上限元理論和有限元理論等被廣泛用于模具應變場的確定和各種強度的校核，進而優化其結構和工藝要素。隨著計算機技術的發展，擠壓模具的CAD/CAM技術在最近2030年中得到迅速發展，且很大一部分技術集中在模具設計的優化方面。何德林等人[3]利用IDEF0方法開發出能對平面模和分流模進行優化設計的CAD/CAM系統；王孟君等人[4]以AUTOCAD120為圖形支撐環境，VISUALBASIC4.0為開發工具，開發的CAD系統，可以有效地從事擠壓平模的各項計算，從而對設計結果進行優化；閆洪等人[5]將CAE概念引入模具設計過程，指出了優化設計的方向；劉漢武等人[6]提出智能CAD概念，為模具設計智能化提供了一些思路。此外，國內外科研人員運用理論解析、物理模擬和數值模擬等方法，對鋁型材擠壓的變形過程、應力場和溫度場分布及變化、摩擦與潤滑等問題進行了大量的分析和實驗，并根據其研究成果對擠壓模具進行了優化。例如，趙云路和劉靜安[7]對各類擠壓模具的優化設計進行了系統論述。國內還有部分科研人員用有限元法結合實驗方法對擠壓模具最佳輪廓線及模具結構進行了分析和優化。
3鋁型材擠壓模CAE國內外發展現狀和趨勢
對鋁型材的擠壓過程進行數值模擬可以預測實際擠壓過程中可能出現的缺陷，及早優化模具結構設計、調整擠出工藝參數和有針對性的指明技術解決方案。國內外研究者們對此已做了許多工作。韓國的HyunWooShin等[8]在1993年對非軸對稱擠壓過程進行了有限元分析，他們利用二維剛塑性有限元方法結合厚板理論將三維問題進行了簡化，對整個擠壓過程進行了不失準確的數值模擬，同時也減少了計算量。對于變形模擬，于滬平等[9]采用塑性成型模擬軟件DEFORM，結合剛粘塑性有限元法函數法對平面分流模的擠壓變形過程進行了二維模擬，得出了擠壓過程中鋁合金的應力、應變、溫度以及流動速度等的分布和變化。劉漢武等[10]利用ANSYS軟件對分流組合模擠壓鋁型材進行了有限元分析和計算，找出了原模具設計中不易發現的結構缺陷。周飛等[11]采用三維剛粘塑性有限元方法，對一典型鋁型材非等溫成型過程進行了數值模擬，分析了鋁型材擠壓的三個不同成形階段，給出了成形各階段的應力、應變和溫度場分布情況以及整個成形過程中模具載荷隨成形時間的變化情況。對于壓力場，閆洪等[12]在2000年利用ANSYS軟件作為平臺，對壁板型材擠壓過程進行了三維有限元模擬和分析，獲得了型材擠壓過程的位移場、應變場、應力場。對實際型材擠壓中工藝參數選擇和模具結構尺寸的修正起到了重要指導作用。對于擠壓過程的摩擦與潤滑分析，1997年，俄羅斯的VadimL.Bereshnoy等[13]對摩擦輔助在直接和間接擠壓成型硬質鋁合金中的技術進行了研究。該技術的發展和應用使生產效率和質量都得到了大大提高。美國的PradipK.Saha[14]在1998年對鋁型材擠壓成型中熱動力學和摩擦學進行了研究。他采用熱力學數值模擬法構造了3種不同的實驗模型，分析了模具工作帶和流動金屬接觸面上的摩擦特性，還對坯料溫度和擠壓過程中產生的熱量對模具工作帶所產生的溫升的影響、并進行了實際測量驗證；研究表明，擠壓過程中的摩擦對型材的精度和表面質量有直接影響，模具工作帶的磨損過程取決于擠壓過程中的熱動力學性能，擠壓熱動力學性能又受到擠壓變量的嚴重影響。
在二次開發方面，國內的一些研究進展也值得關注。陳澤中、包忠詡等[15]通過系統集成和二次開發，建立了基于UG和ANSYS的鋁型材擠壓模CAD/CAE/CAM系統，并對分流組合模進行了CAD/CAE/CAM研究，有效提高了模具設計制造效率。深圳大學的李積彬[16]用C語言編寫了鋁型材擠壓模具參數設計的程序，以流程圖的形式詳細引導鋁型材擠壓模具的設計過程；以人機對話的形式實現鋁型材擠壓模具參數的優化設計。蘭州鐵道學院的段志東[17]通過ANSYS提供的強大的前后處理和求解功能平臺，通過在ANSYS應用程序中添加自己的鉚釘有限元程序，介紹并總結了用UIDL對ANSYS進行圖形用戶界面二次開發的一般步驟和規律，為用戶在擴充ANSYS功能、建立自己專用程序的同時建立起對應的圖形驅動界面提供了有益的幫助。江蘇戚墅堰機車車輛工藝研究所的盛偉[18]以ANSYS軟件為平臺，進行金屬塑性成形過程模擬軟件的二次開發，并應用該軟件對鍛件塑性成形過程進行了模擬，為提高鍛件質量、預測金屬成形中的缺陷、制定合理工藝提供了理論依據。
但總的說來，這些研究多側重于理論化，一種真正適合普通設計制造人員使用的擠壓模有限元分析軟件在國內幾乎還沒有。有些二次開發在具體應用上也有很大的局限性，所以對現行有限元軟件的用戶化研究，使之能更好的應用于擠壓模具的設計就成為當務之急。
4結論
提高鋁型材擠壓模具設計與制造水平是改善產品質量和增強市場競爭力之關鍵所在，而鋁型材擠壓模CAE技術在鋁型材擠壓模具設計優化中起著十分重要的作用。
國內外同行借助鋁型材擠壓模CAE對優化鋁型材擠壓模具(包括擠壓過程和擠壓工藝)進行了有益嘗試，取得了不少科研和應用成果，這種動向值得注意。
盡快把最新的有限元分析技術應用到整個擠壓模具設計與制造過程中，讓更多的模具工程師掌握這種優化設計方法，以提高我國鋁型材擠壓行業及其模具制造業的市場競爭力。
根據經驗，CAE各階段所用的時間為：40%～45%用于模型的建立和數據輸入，50%～55%用于分析結果的判讀和評定，而真正的分析計算時間只占5%左右。CAE采用CAD技術來建立CAE的幾何模型和物理模型，完成分析數據的輸入，通常稱此過程為CAE的前處理。同樣，CAE的結果也需要用CAD技術生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應用、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，我們稱這一過程為：CAE的后處理。
