CN112948988A - 流线型自弯曲挤压模具及其设计方法 - Google Patents

流线型自弯曲挤压模具及其设计方法 Download PDF

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CN112948988A CN202110101523.5A CN202110101523A CN112948988A CN 112948988 A CN112948988 A CN 112948988A CN 202110101523 A CN202110101523 A CN 202110101523A CN 112948988 A CN112948988 A CN 112948988A
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Abstract

本发明提供了一种流线型自弯曲挤压模具及其设计方法，涉及模具的技术领域，包括以下步骤：基于正弦函数设计模腔截面一侧的边界控制曲线；设计模腔截面的两侧边界控制曲线呈非对称；基于两侧的边界控制曲线进行光滑过渡，得到模腔的曲面控制函数；在挤压模具的模腔后面增设工作带结构，工作带结构的壁面与挤压方向平行；利用挤压模具的流线型模腔可以使材料挤压过程中发生不均匀流动进而得到自弯曲挤出的型材，流线型模腔的流动更接近于真实材料流动路径，流线型适应性模具能减小挤压载荷、减少模具的局部破坏；缓解了现有技术中存在的型材弯曲加工时回弹、起皱、截面变形的技术问题和降低挤压时的载荷的技术问题。

Description

流线型自弯曲挤压模具及其设计方法
技术领域
本发明涉及模具的技术领域，尤其是涉及一种流线型自弯曲挤压模具及其设计方法。
背景技术
弯曲铝型材广泛应用于航空航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业等领域中，随着工业经济的飞速发展，各领域对弯曲铝型材结构件的需求日益增多，通常弯曲型材的加工采用先挤压后弯曲的方式，传统的推弯、拉弯、折弯、滚弯等二次加工技术会带来铝型材开裂、截面畸变、失稳起皱、回弹等缺陷，严重影响弯曲铝型材的成型率。
现有技术中采用挤压弯曲一体化成型，在挤压模具后安装由环形圆盘或辊子组成的弯曲装置，金属挤出后直接进入弯曲装置，实现型材的弯曲变形；或者，在挤压模具后增设多个圆环作为导向装置，通过调节圆环的位置，控制挤出型材的曲率；相比传统工艺，该工艺结合了压力弯弧与滚压弯弧的优点，可使回弹、起皱弯弧不稳等缺陷减小，但横向力矩的存在使得这些缺陷不能根本上避免，而且弯曲通道外侧会对挤压出的金属产生阻力，弯弧较大或挤压速度较快时，型材外侧面受到较大应力容易导致截面变形。
另一方面，流线型挤压模具在特定的材料和工艺条件下，使挤压过程变成完美的材料流动，产生的应变能小，挤压载荷低，即具有适应性，但流线型挤压模具设计与加工较为困难，多用于简单对称型挤压模具的设计上，而且功能上只限于挤出直的铝型材。
发明内容
本发明的目的在于提供一种流线型自弯曲挤压模具及其设计方法，以缓解现有技术中存在的型材弯曲加工时回弹、起皱、截面变形的技术问题和降低挤压时的载荷的技术问题。
本发明提供的一种流线型自弯曲挤压模具的设计方法，包括以下步骤：
基于正弦函数设计模腔截面一侧的边界控制曲线；
以正弦函数设计的边界控制曲线为基础设计模腔截面另一侧的边界控制曲线的函数，设计模腔截面的两侧边界控制曲线呈非对称；
基于两侧的边界控制曲线进行光滑过渡，得到模腔的曲面控制函数；
在挤压模具的模腔后面增设工作带结构，工作带结构的壁面与挤压方向平行。
在本发明较佳的实施例中，基于正弦函数设计模腔截面一侧的边界控制曲线的步骤还包括：
挤压模具模腔的一侧边界曲线由正弦函数描述，一侧边界曲线的控制函数描述为：
Figure BDA0002914965460000021
式中，R为入口模孔直径，即坯料直径；r为出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔高度。
在本发明较佳的实施例中，以正弦函数设计的边界控制曲线为基础设计模腔截面另一侧的边界控制曲线的函数的步骤还包括：
基于反正切函数设计模腔截面另一侧的边界控制曲线；
挤压模具模腔的另一侧边界曲线由反正切函数描述，对反正切函数设计的边界控制曲线以加权过渡的方式设计挤压模具的流线型模腔，另一侧边界曲线的控制函数描述为：
Figure BDA0002914965460000031
式中，α为加权控制系数，A为
Figure BDA0002914965460000032
B为
Figure BDA0002914965460000033
在本发明较佳的实施例中，基于两侧的边界控制曲线进行光滑过渡，得到模腔的曲面控制函数的步骤还包括：
基于两侧边界控制曲线y1和y2作为边界轮廓，采用sin2+cos2＝1进行光滑过渡，得到模腔的曲面控制函数描述为：
Figure BDA0002914965460000034
在本发明较佳的实施例中，基于反正切函数设计模腔截面另一侧的边界控制曲线的步骤还包括以下步骤：
根据反正切函数的控制函数的图形，设定模腔的挤压出口处的斜率为0.01，利用MATLAB预设的边界条件，计算得A＝5.02429344，B＝0.6393208；α＝0，0.3，0.5。
在本发明较佳的实施例中，以正弦函数设计的边界控制曲线为基础设计模腔截面另一侧的边界控制曲线的函数的步骤还包括：
基于误差函数设计模腔截面另一侧的边界控制曲线；
挤压模具模腔的另一侧边界曲线由误差函数描述，对误差函数设计的边界控制曲线以加权过渡的方式设计挤压模具的流线型模腔，另一侧边界曲线的控制函数描述为：
Figure BDA0002914965460000041
式中，α为加权控制系数，A为
Figure BDA0002914965460000042
B为
Figure BDA0002914965460000043
在本发明较佳的实施例中，基于两侧的边界控制曲线进行光滑过渡，得到模腔的曲面控制函数的步骤还包括：
基于两侧边界控制曲线y1和y2作为边界轮廓，采用sin2+cos2＝1进行光滑过渡，得到模腔的曲面控制函数描述为：
Figure BDA0002914965460000044
在本发明较佳的实施例中，基于误差函数设计模腔截面另一侧的边界控制曲线的步骤还包括以下步骤：
根据误差函数的控制函数的图形，设定模腔的挤压出口处的斜率为0.01，利用MATLAB预设的边界条件，计算得A＝7.5015209，B＝0.13506689；α＝0，0.3，0.5。
在本发明较佳的实施例中，以正弦函数设计的边界控制曲线为基础设计模腔截面另一侧的边界控制曲线的函数的步骤还包括：
基于双曲正切函数设计模腔截面另一侧的边界控制曲线；
挤压模具模腔的另一侧边界曲线由双曲正切函数描述，对双曲正切函数设计的边界控制曲线以加权过渡的方式设计挤压模具的流线型模腔，另一侧边界曲线的控制函数描述为：
Figure BDA0002914965460000051
式中，α为加权控制系数，A为
Figure BDA0002914965460000052
B为
Figure BDA0002914965460000053
在本发明较佳的实施例中，基于两侧的边界控制曲线进行光滑过渡，得到模腔的曲面控制函数的步骤还包括：
基于两侧边界控制曲线y1和y2作为边界轮廓，采用sin2+cos2＝1进行光滑过渡，得到模腔的曲面控制函数描述为：
Figure BDA0002914965460000054
在本发明较佳的实施例中，基于双曲正切函数设计模腔截面另一侧的边界控制曲线的步骤还包括以下步骤：
根据双曲正切函数的控制函数的图形，设定模腔的挤压出口处的斜率为0.01，利用MATLAB预设的边界条件，计算得A＝7.5037178，B＝0.2404058；α＝0，0.3，0.5。
在本发明较佳的实施例中，还包括以下步骤：
预设坯料尺寸、挤压弯曲后的棒材尺寸和模具模腔的高度预设计出挤压模具；
对挤压模具进行模拟测试；
根据模拟测试结果确定挤压模具的设计结果。
在本发明较佳的实施例中，还包括以下步骤：
以坯料半径R＝20mm，模腔高度L＝40mm，模孔半径r＝5mm的棒材预设计出挤压模具；
将坯料直径为φ40mm，长度为85mm，挤压模具高度为40mm，工作带长度为3mm，挤压速度为10mm/s，挤压温度为450℃进行模拟测试；
经过模拟计算步数大于200步后，金属在挤压过程中发生自弯曲变形，得出挤压模具会形成向正弦函数控制的一侧的弯曲的型材。
本发明提供的一种流线型自弯曲挤压模具的制作方法，基于所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法进行制作。
本发明提供的一种流线型自弯曲挤压模具，通过所述的流线型自弯曲挤压模具的制作方法制作得到，包括：模具本体；
所述模具本体包括模腔和工作带结构；所述模腔具有自弯曲出口，所述工作带结构沿着所述模腔的自弯曲出口延伸，且所述工作带结构与所述模腔一体连接；
所述模腔的曲面控制函数：
Figure BDA0002914965460000061
其中，
Figure BDA0002914965460000062
Figure BDA0002914965460000063
R为入口模孔直径，即坯料直径；r为出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔高度；α为加权控制系数；A为
Figure BDA0002914965460000064
B为
Figure BDA0002914965460000065
本发明提供的一种流线型自弯曲挤压模具，通过所述的流线型自弯曲挤压模具的制作方法制作得到，包括：模具本体；
所述模具本体包括模腔和工作带结构；所述模腔具有自弯曲出口，所述工作带结构沿着所述模腔的自弯曲出口延伸，且所述工作带结构与所述模腔一体连接；
所述模腔的曲面控制函数：
Figure BDA0002914965460000071
其中，
Figure BDA0002914965460000072
Figure BDA0002914965460000073
R为入口模孔直径，即坯料直径；r为出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔高度；α为加权控制系数；A为
Figure BDA0002914965460000074
B为
Figure BDA0002914965460000075
本发明提供的一种流线型自弯曲挤压模具，通过所述的流线型自弯曲挤压模具的制作方法制作得到，包括：模具本体；
所述模具本体包括模腔和工作带结构；所述模腔具有自弯曲出口，所述工作带结构沿着所述模腔的自弯曲出口延伸，且所述工作带结构与所述模腔一体连接；
所述模腔的曲面控制函数：
Figure BDA0002914965460000076
其中，
Figure BDA0002914965460000077
Figure BDA0002914965460000078
R为入口模孔直径，即坯料直径；r为出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔高度；α为加权控制系数；A为
Figure BDA0002914965460000079
B为
Figure BDA00029149654600000710
本发明提供的一种基于所述的流线型自弯曲挤压模具的挤压方法，包括以下步骤：
将金属容置于所述模具本体的模腔内；
在模腔的入口处控制挤压金属的速度，在模腔的自弯曲出口和工作带结构的限定下，挤压金属形成预设曲率的弯曲型材。
本发明提供的流线型自弯曲挤压模具的设计方法；包括以下步骤：基于正弦函数设计模腔截面一侧的边界控制曲线；以正弦函数设计的边界控制曲线为基础设计模腔截面另一侧的边界控制曲线的函数，设计模腔截面的两侧边界控制曲线呈非对称；基于两侧的边界控制曲线进行光滑过渡，得到模腔的曲面控制函数；在挤压模具的模腔后面增设工作带结构，工作带结构的壁面与挤压方向平行；本发明通过将型材挤压弯曲一体化成形工艺与流线型挤压模具相结合，利用挤压模具的流线型模腔可以使材料的流动更接近于真实材料流动路径，使材料的使用率最大化，同时流线型适应性模具能减小挤压载荷、减少模具的局部破坏，延长模具寿命；利用正弦函数以及与正弦函数非对称函数的控制以及过渡生成的模腔使得材料在挤压过程中发生不均匀流动进而可得到自弯曲挤出的型材，缓解了现有技术中存在的型材弯曲加工时回弹、起皱、截面变形的技术问题和降低挤压时的载荷的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的流线型自弯曲挤压模具的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的流线型自弯曲挤压模具的整体结构示意图；
图3为图2实施例提供的流线型自弯曲挤压模具的内部结构示意图；
图4为本发明实施例提供的流线型自弯曲挤压模具的α＝0的模拟结构示意图；
图5为本发明实施例提供的流线型自弯曲挤压模具的α＝0.3的模拟结构示意图；
图6为本发明实施例提供的流线型自弯曲挤压模具的α＝0.5的模拟结构示意图；
图7为本发明实施例提供的流线型自弯曲挤压模具的挤压形成的型材进行数值计算的结果示意图。
图标：100-模具本体；101-模腔；102-正弦函数边界控制曲线；103-控制函数边界控制曲线；200-工作带结构；300-挤出的弯曲型材。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图7所示，一种流线型自弯曲挤压模具的设计方法，包括以下步骤：基于正弦函数设计模腔101截面一侧的边界控制曲线；以正弦函数设计的边界控制曲线为基础设计模腔101截面另一侧的边界控制曲线的函数，设计模腔101截面的两侧边界控制曲线呈非对称；基于两侧的边界控制曲线进行光滑过渡，得到模腔101的曲面控制函数；在挤压模具的模腔101后面增设工作带结构200，工作带结构200的壁面与挤压方向平行。
需要说明的是，本实施例提供的流线型自弯曲挤压模具的设计方法，将型材挤压弯曲一体化成形工艺与流线型挤压模具相结合，模拟实际材料流动，利用数值模拟得到了自弯曲挤出的弯曲型材300，进而能够验证流线型自弯曲挤压模具设计的合理性，为流线型自弯曲模具下一步的设计及制造提供理论参考依据。
其中，本实施例通过采用控制模腔101截面两侧边界函数，即将模腔101的截面分别通过正弦函数边界控制曲线102和控制函数边界控制曲线103，并且模腔101的曲面区域通过加权过渡的思想设计流线型模腔101，最后生成挤压模具。
其中，控制函数边界控制曲线103可以为反正切函数、误差函数或双曲正切函数边界控制曲线中的任一种。
本发明提供的流线型自弯曲挤压模具的设计方法；包括以下步骤：基于正弦函数设计模腔101截面一侧的边界控制曲线；以正弦函数设计的边界控制曲线为基础设计模腔101截面另一侧的边界控制曲线的函数，设计模腔101截面的两侧边界控制曲线呈非对称；基于两侧的边界控制曲线进行光滑过渡，得到模腔101的曲面控制函数；在挤压模具的模腔101后面增设工作带结构200，工作带结构200的壁面与挤压方向平行；本发明通过将型材挤压弯曲一体化成形工艺与流线型挤压模具相结合，利用挤压模具的流线型模腔101可以使材料的流动更接近于真实材料流动路径，使材料的使用率最大化，同时流线型适应性模具能减小挤压载荷、减少模具的局部破坏，延长模具寿命；利用正弦函数以及与正弦函数非对称函数的控制以及过渡生成的模腔101使得材料在挤压过程中发生不均匀流动进而可得到自弯曲挤出的型材，缓解了现有技术中存在的型材弯曲加工时回弹、起皱、截面变形的技术问题和降低挤压时的载荷的技术问题。
需要说明的是，本实施例提供的流线型自弯曲挤压模具的设计方法中，以正弦函数设计的边界控制曲线为基础设计模腔101截面另一侧的边界控制曲线的函数，设计模腔101截面的两侧边界控制曲线呈非对称，其中相对于正弦函数设计的边界控制曲线在模腔101截面另一侧的边界控制曲线的函数可以为反正切函数、误差函数和双曲正切函数。
在上述实施例的基础上，在本发明较佳的实施例中，基于正弦函数设计模腔101截面一侧的边界控制曲线的步骤还包括：挤压模具模腔101的一侧边界曲线由正弦函数描述，一侧边界曲线的控制函数描述为：
Figure BDA0002914965460000111
式中，R为入口模孔直径，即坯料直径；r为出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔101高度。
在本发明较佳的实施例中，以正弦函数设计的边界控制曲线为基础设计模腔101截面另一侧的边界控制曲线的函数的步骤还包括：基于反正切函数设计模腔101截面另一侧的边界控制曲线；挤压模具模腔101的另一侧边界曲线由反正切函数描述，对反正切函数设计的边界控制曲线以加权过渡的方式设计挤压模具的流线型模腔101，另一侧边界曲线的控制函数描述为：
Figure BDA0002914965460000121
式中，α为加权控制系数，A为
Figure BDA0002914965460000122
B为
Figure BDA0002914965460000123
在本发明较佳的实施例中，基于两侧的边界控制曲线进行光滑过渡，得到模腔101的曲面控制函数的步骤还包括：基于两侧边界控制曲线y1和y2作为边界轮廓，采用sin2+cos2＝1进行光滑过渡，得到模腔101的曲面控制函数描述为：
Figure BDA0002914965460000124
在本发明较佳的实施例中，基于反正切函数设计模腔101截面另一侧的边界控制曲线的步骤还包括以下步骤：根据反正切函数的控制函数的图形，设定模腔101的挤压出口处的斜率为0.01，利用MATLAB预设的边界条件，计算得A＝5.02429344，B＝0.6393208；α＝0，0.3，0.5。
可选地，MATLAB是一款数学软件，用于数据分析、无线通信、深度学习、图像处理与计算机视觉、信号处理、量化金融与风险管理、机器人和控制系统。
本实施例中，预设反正切函数：f＝A·arctan(B·z)，即得出函数的斜率为
Figure BDA0002914965460000131
设定模腔101的挤压出口处的斜率为0.01，运用MATLAB运行，计算得A＝5.02429344，B＝0.6393208；α＝0，0.3，0.5。
在本发明较佳的实施例中，还包括以下步骤：预设坯料尺寸、挤压弯曲后的棒材尺寸和模具模腔101的高度预设计出挤压模具；对挤压模具进行模拟测试；根据模拟测试结果确定挤压模具的设计结果。
另外，在本发明较佳的实施例中，以正弦函数设计的边界控制曲线为基础设计模腔101截面另一侧的边界控制曲线的函数的步骤还包括：基于误差函数设计模腔101截面另一侧的边界控制曲线；挤压模具模腔101的另一侧边界曲线由误差函数描述，对误差函数设计的边界控制曲线以加权过渡的方式设计挤压模具的流线型模腔101，另一侧边界曲线的控制函数描述为：
Figure BDA0002914965460000132
式中，α为加权控制系数，A为
Figure BDA0002914965460000133
B为
Figure BDA0002914965460000134
在本发明较佳的实施例中，基于两侧的边界控制曲线进行光滑过渡，得到模腔101的曲面控制函数的步骤还包括：基于两侧边界控制曲线y1和y2作为边界轮廓，采用sin2+cos2＝1进行光滑过渡，得到模腔101的曲面控制函数描述为：
Figure BDA0002914965460000135
在本发明较佳的实施例中，基于误差函数设计模腔101截面另一侧的边界控制曲线的步骤还包括以下步骤：根据误差函数的控制函数的图形，设定模腔101的挤压出口处的斜率为0.01，利用MATLAB预设的边界条件，计算得A＝7.5015209，B＝0.13506689；α＝0，0.3，0.5。
举例说明，由于同等模腔101高度且模腔101轮廓由S型曲线控制下，模腔101体积越小，变形越均匀，进而越具有适应性；S型曲线控制的区域为S1和S2，则S1与S2的面积之和最小与模腔101体积最小等价，寻找一个为S型的函数使S1与S2的面积之和最小，则此S型函数为适应性基函数；将S型函数端点处的斜率值定为0.01；以坯料直径40mm，模腔101高度40mm，模孔10mm的棒材挤出为例，利用MATLAB软件进行计算。
在本发明较佳的实施例中，以正弦函数设计的边界控制曲线为基础设计模腔101截面另一侧的边界控制曲线的函数的步骤还包括：基于双曲正切函数设计模腔101截面另一侧的边界控制曲线；挤压模具模腔101的另一侧边界曲线由双曲正切函数描述，对双曲正切函数设计的边界控制曲线以加权过渡的方式设计挤压模具的流线型模腔101，另一侧边界曲线的控制函数描述为：
Figure BDA0002914965460000141
式中，α为加权控制系数，A为
Figure BDA0002914965460000142
B为
Figure BDA0002914965460000143
在本发明较佳的实施例中，基于两侧的边界控制曲线进行光滑过渡，得到模腔101的曲面控制函数的步骤还包括：基于两侧边界控制曲线y1和y2作为边界轮廓，采用sin2+cos2＝1进行光滑过渡，得到模腔101的曲面控制函数描述为：
Figure BDA0002914965460000144
在本发明较佳的实施例中，基于双曲正切函数设计模腔101截面另一侧的边界控制曲线的步骤还包括以下步骤：根据双曲正切函数的控制函数的图形，设定模腔101的挤压出口处的斜率为0.01，利用MATLAB预设的边界条件，计算得A＝7.5037178，B＝0.2404058；α＝0，0.3，0.5。
在本发明较佳的实施例中，还包括以下步骤：以坯料半径R＝20mm，模腔101高度L＝40mm，模孔半径r＝5mm的棒材预设计出挤压模具；将坯料直径为φ40mm，长度为85mm，挤压模具高度为40mm，工作带长度为3mm，挤压速度为10mm/s，挤压温度为450℃进行模拟测试；经过模拟计算步数大于200步后，金属在挤压过程中发生自弯曲变形，得出挤压模具会形成向正弦函数控制的一侧的弯曲的型材。
此时可以根据模腔101的曲面控制函数对应具体数值进行模拟，此时的曲面方程为：
Figure BDA0002914965460000151
其中，θ为曲面对应不同位置的角度。
本实施例提供的一种流线型自弯曲挤压模具的制作方法，基于所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法进行制作。本实施例根据上述的设计方法，利用自弯曲挤压模具的模腔101壁面的曲面方程进行机械制作，进而能够制作成流线型自弯曲挤压模具。
本实施例提供的一种流线型自弯曲挤压模具，通过所述的流线型自弯曲挤压模具的制作方法制作得到，包括：模具本体100；所述模具本体100包括模腔101和工作带结构200；所述模腔101具有自弯曲出口，所述工作带结构200沿着所述模腔101的自弯曲出口延伸，且所述工作带结构200与所述模腔101一体连接；所述模腔101的曲面控制函数：
Figure BDA0002914965460000161
其中，
Figure BDA0002914965460000162
Figure BDA0002914965460000163
R为入口模孔直径，即坯料直径；r为出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔101高度；α为加权控制系数；A为
Figure BDA0002914965460000164
B为
Figure BDA0002914965460000165
本实施例提供的一种流线型自弯曲挤压模具，通过所述的流线型自弯曲挤压模具的制作方法制作得到，包括：模具本体100；模具本体100包括模腔101和工作带结构200；模腔101具有自弯曲出口，工作带结构200沿着模腔101的自弯曲出口延伸，且工作带结构200与模腔101一体连接；
模腔101的曲面控制函数：
Figure BDA0002914965460000166
其中，
Figure BDA0002914965460000167
Figure BDA0002914965460000168
R为入口模孔直径，即坯料直径；r为出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔101高度；α为加权控制系数；A为
Figure BDA0002914965460000169
B为
Figure BDA00029149654600001610
本实施例提供的一种流线型自弯曲挤压模具，通过所述的流线型自弯曲挤压模具的制作方法制作得到，包括：模具本体100；
模具本体100包括模腔101和工作带结构200；模腔101具有自弯曲出口，工作带结构200沿着模腔101的自弯曲出口延伸，且工作带结构200与所述模腔101一体连接；模腔101的曲面控制函数：
Figure BDA0002914965460000171
其中，
Figure BDA0002914965460000172
Figure BDA0002914965460000173
R为入口模孔直径，即坯料直径；r为出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔101高度；α为加权控制系数；A为
Figure BDA0002914965460000174
B为
Figure BDA0002914965460000175
本实施例中，增加工作带结构200能够使金属的变形协调性延长，在工作带结构200的通道内减小金属流动速度的差异，使挤出速度的不均匀程度减小，进而弯曲程度变小，因此增加工作带结构200，可以用来设计不同弯曲曲率型材的挤出。
本实施例提供的一种基于所述的流线型自弯曲挤压模具的挤压方法，包括以下步骤：将金属容置于所述模具本体100的模腔101内；在模腔101的入口处控制挤压金属的速度，在模腔101的自弯曲出口和工作带结构200的限定下，挤压金属形成预设曲率的弯曲型材。
本实施例中，挤压方法的工艺参数包括，坯料的材料选用AA6063铝合金，坯料预热温度为450℃，挤压筒预热温度为470℃，挤压模具预热温度为480℃，坯料与模具间采用剪切摩擦模型，摩擦因子设置为0.7，坯料与工作带间采用库伦摩擦模型，摩擦因子设为0.3，按照对称性对整个模型的1/2进行模拟，所有组件均划分为四面体单元，坯料网格数30000个，位移步长0.2mm。
如图7所示，对采用本发明实施例的流线型自弯曲挤压模具形成的挤出的弯曲型材300进行数值计算，模拟结果的变形体网格示意图，在挤压过程中模腔101出口处的金属流速呈线性分布，型材挤出时会自然的弯向正弦函数边界控制曲线102的一侧，实现棒型材铝合金的自然弯曲成形，进而一次性挤出有一定弧度的高质量产品，且挤压载荷相对传统模具低。
如图7所示，另外，当金属进入模具本体100后，在同一水平线上越往控制函数边界控制曲线103一侧应变总是越大，即金属在模具凸起边上的应变大于在模具凹下边的应变，在模具出口处达到最大值，所以控制函数边界控制曲线103一侧的变形总是大于正弦函数边界控制曲线102的一侧，由于金属的变形协调性，导致挤出型材向正弦函数边界控制曲线102的一侧方向弯曲。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (16)

1.一种流线型自弯曲挤压模具的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于正弦函数设计模腔截面一侧的边界控制曲线；
以正弦函数设计的边界控制曲线为基础设计模腔截面另一侧的边界控制曲线的函数，设计模腔截面的两侧边界控制曲线呈非对称；
基于两侧的边界控制曲线进行光滑过渡，得到模腔的曲面控制函数；
在挤压模具的模腔后面增设工作带结构，工作带结构的壁面与挤压方向平行。
2.根据权利要求1所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法，其特征在于，基于正弦函数设计模腔截面一侧的边界控制曲线的步骤还包括：
挤压模具模腔的一侧边界曲线由正弦函数描述，一侧边界曲线的控制函数描述为：
Figure FDA0002914965450000011
式中，R为入口模孔直径，即坯料直径；r为出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔高度。
3.根据权利要求2所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法，其特征在于，以正弦函数设计的边界控制曲线为基础设计模腔截面另一侧的边界控制曲线的函数的步骤还包括：
基于反正切函数设计模腔截面另一侧的边界控制曲线；
挤压模具模腔的另一侧边界曲线由反正切函数描述，对反正切函数设计的边界控制曲线以加权过渡的方式设计挤压模具的流线型模腔，另一侧边界曲线的控制函数描述为：
Figure FDA0002914965450000021
式中，α为加权控制系数，A为
Figure FDA0002914965450000022
B为
Figure FDA0002914965450000023
4.根据权利要求3所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法，其特征在于，基于两侧的边界控制曲线进行光滑过渡，得到模腔的曲面控制函数的步骤还包括：
基于两侧边界控制曲线y1和y2作为边界轮廓，采用sin2+cos2＝1进行光滑过渡，得到模腔的曲面控制函数描述为：
Figure FDA0002914965450000024
5.根据权利要求4所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法，其特征在于，基于反正切函数设计模腔截面另一侧的边界控制曲线的步骤还包括以下步骤：
根据反正切函数的控制函数的图形，设定模腔的挤压出口处的斜率为0.01，利用MATLAB预设的边界条件，计算得A＝5.02429344，B＝0.6393208；α＝0，0.3，0.5。
6.根据权利要求2所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法，其特征在于，以正弦函数设计的边界控制曲线为基础设计模腔截面另一侧的边界控制曲线的函数的步骤还包括：
基于误差函数设计模腔截面另一侧的边界控制曲线；
挤压模具模腔的另一侧边界曲线由误差函数描述，对误差函数设计的边界控制曲线以加权过渡的方式设计挤压模具的流线型模腔，另一侧边界曲线的控制函数描述为：
Figure FDA0002914965450000031
式中，α为加权控制系数，A为
Figure FDA0002914965450000032
B为
Figure FDA0002914965450000033
7.根据权利要求6所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法，其特征在于，基于两侧的边界控制曲线进行光滑过渡，得到模腔的曲面控制函数的步骤还包括：
基于两侧边界控制曲线y1和y2作为边界轮廓，采用sin2+cos2＝1进行光滑过渡，得到模腔的曲面控制函数描述为：
Figure FDA0002914965450000034
8.根据权利要求7所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法，其特征在于，基于误差函数设计模腔截面另一侧的边界控制曲线的步骤还包括以下步骤：
根据误差函数的控制函数的图形，设定模腔的挤压出口处的斜率为0.01，利用MATLAB预设的边界条件，计算得A＝7.5015209，B＝0.13506689；α＝0，0.3，0.5。
9.根据权利要求2所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法，其特征在于，以正弦函数设计的边界控制曲线为基础设计模腔截面另一侧的边界控制曲线的函数的步骤还包括：
基于双曲正切函数设计模腔截面另一侧的边界控制曲线；
挤压模具模腔的另一侧边界曲线由双曲正切函数描述，对双曲正切函数设计的边界控制曲线以加权过渡的方式设计挤压模具的流线型模腔，另一侧边界曲线的控制函数描述为：
Figure FDA0002914965450000041
式中，α为加权控制系数，A为
Figure FDA0002914965450000042
B为
Figure FDA0002914965450000043
10.根据权利要求9所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法，其特征在于，基于两侧的边界控制曲线进行光滑过渡，得到模腔的曲面控制函数的步骤还包括：
基于两侧边界控制曲线y1和y2作为边界轮廓，采用sin2+cos2＝1进行光滑过渡，得到模腔的曲面控制函数描述为：
Figure FDA0002914965450000044
11.根据权利要求10所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法，其特征在于，基于双曲正切函数设计模腔截面另一侧的边界控制曲线的步骤还包括以下步骤：
根据双曲正切函数的控制函数的图形，设定模腔的挤压出口处的斜率为0.01，利用MATLAB预设的边界条件，计算得A＝7.5037178，B＝0.2404058；α＝0，0.3，0.5。
12.根据权利要求1-11任一项所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：
预设坯料尺寸、挤压弯曲后的棒材尺寸和模具模腔的高度预设计出挤压模具；
对挤压模具进行模拟测试；
根据模拟测试结果确定挤压模具的设计结果。
13.根据权利要求12所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：
以坯料半径R＝20mm，模腔高度L＝40mm，模孔半径r＝5mm的棒材预设计出挤压模具；
将坯料直径为φ40mm，长度为85mm，挤压模具高度为40mm，工作带长度为3mm，挤压速度为10mm/s，挤压温度为450℃进行模拟测试；
经过模拟计算步数大于200步后，金属在挤压过程中发生自弯曲变形，得出挤压模具会形成向正弦函数控制的一侧的弯曲的型材。
14.一种流线型自弯曲挤压模具，通过如权利要求1-13任一项所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法制作得到，其特征在于，包括：模具本体；
所述模具本体包括模腔和工作带结构；所述模腔具有自弯曲出口，所述工作带结构沿着所述模腔的自弯曲出口延伸，且所述工作带结构与所述模腔一体连接；
所述模腔的曲面控制函数：
Figure FDA0002914965450000051
其中，
Figure FDA0002914965450000052
Figure FDA0002914965450000053
R为入口模孔直径，即坯料直径；r为出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔高度；α为加权控制系数；A为
Figure FDA0002914965450000054
B为
Figure FDA0002914965450000055
15.一种流线型自弯曲挤压模具，通过如权利要求1-13任一项所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法制作得到，其特征在于，包括：模具本体；
所述模具本体包括模腔和工作带结构；所述模腔具有自弯曲出口，所述工作带结构沿着所述模腔的自弯曲出口延伸，且所述工作带结构与所述模腔一体连接；
所述模腔的曲面控制函数：
Figure FDA0002914965450000061
其中，
Figure FDA0002914965450000062
Figure FDA0002914965450000063
R为入口模孔直径，即坯料直径；r为出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔高度；α为加权控制系数；A为
Figure FDA0002914965450000064
B为
Figure FDA0002914965450000065
16.一种流线型自弯曲挤压模具，通过如权利要求1-13任一项所述的流线型自弯曲挤压模具的设计方法制作得到，其特征在于，包括：模具本体；
所述模具本体包括模腔和工作带结构；所述模腔具有自弯曲出口，所述工作带结构沿着所述模腔的自弯曲出口延伸，且所述工作带结构与所述模腔一体连接；
所述模腔的曲面控制函数：
Figure FDA0002914965450000066
其中，
Figure FDA0002914965450000067
Figure FDA0002914965450000071
R为入口模孔直径，即坯料直径；r为出口模孔直径，即棒材直径，L为模腔高度；α为加权控制系数；A为
Figure FDA0002914965450000072
B为
Figure FDA0002914965450000073
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