材料專業(yè)DEFORM課設(shè)

1、材料控制專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)報(bào)告指導(dǎo)教師 程俊偉.專業(yè)班級(jí) 1206091.姓名 柳子巖.學(xué)號(hào) 學(xué)0609121.第一章坯料及工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)1實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 了解認(rèn)識(shí)DEFORM-3D件的窗口界面。2） 了解DEFORM-3D面中功能鍵的作用。3）掌握利用DEFORM-3D限元建模的基本步驟。4）學(xué)會(huì)對(duì)DEFORM-3D擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。1.1 坯料尺寸的確定坯料尺寸的確定十分重要。坯料尺寸選擇的是否合理，直接影響到擠壓制品的質(zhì)量、 成品率、生產(chǎn)率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。坯料尺寸（直徑和長(zhǎng)度）越大，制品越長(zhǎng)，從而使切頭 尾、切壓余的幾何損失和擠壓周期內(nèi)的輔助時(shí)間所占的比例降低。對(duì)壓余所導(dǎo)致的金

2、屬幾 何損失，增大直徑或者增加長(zhǎng)度對(duì)成品率的影響不同。坯料體積一定時(shí)，增大直徑和減短 長(zhǎng)度使幾何損失增加，減小直徑增加長(zhǎng)度，幾何損失減小。1.1.1 坯料直徑設(shè)計(jì)選擇坯料直徑時(shí)，一定要在滿足制品斷面機(jī)械性能要求和均勻性要求的前提下，盡可 能采用較小的擠壓比。查熱擠壓各種金屬材料時(shí)的工藝參數(shù)值表可知，黃銅DIN-CuZn40Pb2擠壓比 =10R02曳評(píng)D2（300400）之間，取 =65,則根據(jù)式(1-1)F0 F?式中，F(xiàn)o 擠壓筒橫斷面積（mm2）;F1 制品橫斷面積（mm2）;Do 擠壓筒內(nèi)徑（mm）;Di 制品直徑（mm）。18 mm=145mm已知D1=18mm,從而有D0D165為

3、了便于操作/監(jiān)測(cè)和維修，本設(shè)計(jì)臥式擠壓機(jī)，則坯料直徑可根據(jù)擠壓筒直徑計(jì)算, 取直徑差SD =5mm,則有D p = D0 AD = (145 5) mm=140mm1.1.2 坯料長(zhǎng)度設(shè)計(jì)在進(jìn)行工藝計(jì)算時(shí)，不同產(chǎn)品可選取不同坯料長(zhǎng)度，以提高成品率。對(duì)重金屬棒型材坯料最大長(zhǎng)度為 23.5D0,因此，坯料長(zhǎng)度在290507.5mm范圍內(nèi), 本設(shè)計(jì)取坯料長(zhǎng)度為300mm。1.2 工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)確定擠壓工藝參數(shù)時(shí)，可以綜合考察金屬與合金加工時(shí)的可擠壓性和對(duì)制品質(zhì)量的要求（尺寸與形狀的允許偏差，表面質(zhì)量，組織和性能等），以滿足提高成品率與生產(chǎn)率的需要。熱擠壓過(guò)程的基本參數(shù)是擠壓溫度和擠壓速度（或金屬出口

4、速度），兩者構(gòu)成了對(duì)擠壓過(guò)程控制十分重要的溫度-速度條件。在選擇擠壓工藝參數(shù)時(shí)，一般是在理論分析的 基礎(chǔ)上進(jìn)行各種工藝試驗(yàn)，考察產(chǎn)品質(zhì)量，并參考實(shí)際生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)值。1.2.1 摩擦系數(shù)的確定在橫斷面上，由于外層金屬在擠壓筒內(nèi)受摩擦阻力作用而產(chǎn)生剪變形，使外層金屬的 晶粒遭到較大破碎，且在擠壓制品斷面會(huì)出現(xiàn)組織的不均勻性。在制品的長(zhǎng)度上，也是由 于外摩擦的作用，出現(xiàn)組織的不均勻性。因此，設(shè)計(jì)合理的摩擦系數(shù)，對(duì)于成功實(shí)現(xiàn)擠壓 模擬十分重要。在滿足一定條件下，本設(shè)計(jì)取擠壓墊摩擦系數(shù)為0.3,擠壓筒與擠壓模摩擦系數(shù)均取0.5。1.2.2 擠壓速度的確定擠壓時(shí)的速度一般可分為三種：擠壓速度一一擠壓機(jī)主柱塞

5、、擠壓桿與擠壓墊的移動(dòng) 速度；金屬流出速度金屬流出模孔時(shí)的速度；金屬變形速度（也稱變形速率）單 位時(shí)間內(nèi)變形量變化的大小。通常擠壓速度越大，不均勻性流動(dòng)加劇，副應(yīng)力增大，在擠壓制品上會(huì)引起周期性周 向裂紋或破裂。擠壓速度的影響通過(guò)以下三個(gè)方面起作用：第一，擠壓速度高，流動(dòng)更不 均勻，副應(yīng)力增大；第二，擠壓速度提高來(lái)不及軟化，加快了加工硬化，使金屬塑性降低； 第三，擠壓速度的提高，增加了變形熱效應(yīng)，是鑄錠溫度上升，可能進(jìn)入高溫脆性區(qū)，降 低金屬加工塑性。綜上，擠壓速度的確定需在一個(gè)允許的范圍內(nèi)，因此在黃銅的允許擠壓速度范圍內(nèi)去 擠壓速度值為20 mm s 1 o1.2.3 工模具預(yù)熱溫度的確定擠

6、壓時(shí)，工模具需要進(jìn)行預(yù)熱，如果不預(yù)熱的話，坯料與擠壓模具間溫差較大，會(huì)產(chǎn) 生較大的熱轉(zhuǎn)遞，從而使坯料的溫度分布不均勻，影響成品件的性能。本小組課程設(shè)計(jì)的 主要任務(wù)即是關(guān)于工模具預(yù)熱溫度不同對(duì)擠壓結(jié)果的影響，考慮到任務(wù)書所給的范圍是 0500C,分配任務(wù)時(shí)，以50c為梯度，各自采用所選擇的實(shí)驗(yàn)溫度進(jìn)行試驗(yàn)。第二章模具尺寸的確定2.1 擠壓工模具示意圖2.2 模具尺寸的確定根據(jù)擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)/用途以及所生產(chǎn)的制品類別的不同，擠壓工具的組成和結(jié)構(gòu)形式 也不一樣。擠壓工具一般包括：模子、穿孔針或芯棒、擠壓墊、擠壓桿和擠壓筒。止匕外， 還包括其他一些配件如：模墊、支撐環(huán)、壓力環(huán)、沖頭、針座和導(dǎo)路等。本設(shè)計(jì)

7、主要針對(duì) 基亞通、擠壓模、擠壓墊進(jìn)行結(jié)構(gòu)及尺寸的設(shè)計(jì)。2.2.1 模子的結(jié)構(gòu)及其尺寸的確定模子是擠壓生產(chǎn)中最重要的工具。它的結(jié)構(gòu)形式、各部分的尺寸，以及所用的材料和 加工處理方法，對(duì)擠壓力、金屬流動(dòng)均勻性、制品尺寸的精度、表面質(zhì)量及其使用壽命都 有極大的影響。模子可以按照不同的特征進(jìn)行分類，根據(jù)?？椎钠拭嫘螤羁煞譃槠侥?、流 線模、雙錐模、錐模、平錐模、碗形模和平流線模七種。模子的主要參數(shù)如下：(1)模角a模角是模子的最基本的參數(shù)之一。它是指模子的軸線與其工作端面間所構(gòu)成的夾角。根據(jù)已知條件擠壓模錐角a=60。(2)工作帶長(zhǎng)度hg工作帶又稱為定徑帶，是用以穩(wěn)定制品尺寸和保證制品表面質(zhì)量的關(guān)鍵部分

8、。倘若定 徑帶過(guò)短，則模子易磨損，同時(shí)會(huì)壓傷制品表面導(dǎo)致出現(xiàn)壓痕和橢圓等缺陷。但是，如果 工作帶過(guò)長(zhǎng)，又極易在其上粘結(jié)金屬，使制品表面上產(chǎn)生劃傷、毛刺、麻面等缺陷。根據(jù)已知條件工作帶長(zhǎng)度hg =20mm。 g(3)工作帶直徑dg模子工作帶直徑與實(shí)際所擠出的制品直徑并不相等。設(shè)計(jì)時(shí)通常是用裕量系數(shù)Ci來(lái)考 慮各種因素對(duì)制品尺寸的影響。C1查表2-1可得。表2-1裕量系數(shù)C1查表2-1可知，本設(shè)計(jì)C1值在0.0140.016之間，取C1=0.015合金C1值含量不超過(guò)65%的黃銅0.0140.016紫銅、青銅及含銅量大于 65%的黃銅0.0170.020純鋁、防銹鋁及鎂合金0.0150.020硬鋁

9、和鍛鋁0.0070.010擠壓棒材的工作帶直徑dg用下式計(jì)算: gdg=dm+gdm(2-1)式中，dm一棒材的名義直徑(mm)。代入數(shù)據(jù)，則有dg=dm+Gdm= (1+C1)dm=(1+0.015) X18mm=18.27mm取整，則dq =19mm。 g（ 4)出口直徑dch模子的出口直徑一般應(yīng)比工作帶直徑大 35mm,因過(guò)小會(huì)劃傷制品的表面。又因?yàn)?3 -dg=19mm, dch的范圍是2224mm之間，本設(shè)計(jì)取dch=23mm。（ 5）入口圓角半徑r入口圓角半徑 r 的作用是為了防止低塑性合金在擠壓時(shí)產(chǎn)生表面裂紋和減輕金屬在進(jìn)入工作帶時(shí)所產(chǎn)生的非接觸變形，同時(shí)也是為了減輕在高溫下擠壓

10、時(shí)模子的入口棱角被壓頹而很快改變模孔尺寸用的。入口圓角半徑 r 值得選取與金屬的強(qiáng)度、擠壓溫度和制品的尺寸有關(guān)：對(duì)紫銅和黃銅取25mm。且根據(jù)已知條件，?？走^(guò)渡圓角半徑為 5mm。（ 6）模子的外心尺寸D 和 H模子的外圓直徑和厚度主要是根據(jù)其強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)系列化來(lái)考慮的。它與所擠壓的型材類型、男擠壓的程度及合金的性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)棒材、管材、帶材和簡(jiǎn)單的型材，模子外徑可按照式（2-2）進(jìn)行計(jì)算D = （1.251.45） Dw（2-2）式中，D3一擠壓棒材的外接圓直徑（mm）。根據(jù)已知條件，Dw=140mm,取系數(shù)值1.35,則D=1.35 X140mm=189mm模子的厚度H 值近年來(lái)趨向

11、于減薄，其強(qiáng)度主要靠模墊和其他支撐環(huán)來(lái)保證。但是，從提高模子剛度和減輕彈性變形方面考慮， H 值又應(yīng)增大。一般根據(jù)擠壓機(jī)能力的大小取H 值分別為20、 25、 30、 40、 50、 70 和 100 毫米。2.2.2 擠壓墊的結(jié)構(gòu)及尺寸確定擠壓墊是用來(lái)防止高溫的錠坯直接與擠壓桿接觸，消除其端面磨損和變形的工具。擠壓時(shí)，一般用規(guī)格相同的一組擠壓墊輪流使用，以防止其過(guò)熱。墊片的外徑應(yīng)比擠壓筒內(nèi)徑小山 值，R太大時(shí)，可能造成局部脫皮擠壓，從而影響制品質(zhì)量；山值也不能過(guò)小，以防與擠壓筒內(nèi)襯套摩擦加速其磨損。墊片的厚度可等于其直徑的 0.20.7倍。因?yàn)閿D壓墊的尺寸需利用擠壓筒的數(shù)據(jù)，故稍后進(jìn)行具體計(jì)

12、算。2.2.3 擠壓筒的結(jié)構(gòu)及尺寸確定擠壓筒是所有擠壓工具中最貴重的部件，由兩層或三層以上的襯套以過(guò)盈配合組裝在一起構(gòu)成的。之所以將擠壓筒制成多層，是為了使筒壁中的應(yīng)力分布均勻些和降低應(yīng)力的峰值；同時(shí)，在磨損后只需更換內(nèi)襯套而不必?fù)Q掉整個(gè)擠壓筒，從而可節(jié)約大量的合金鋼材。擠壓筒尺寸的確定包括：筒內(nèi)徑、筒長(zhǎng)和各層襯套的厚度。（ 1）擠壓筒內(nèi)徑D 0計(jì)算錠坯直徑時(shí)，可按公式（2-3）計(jì)算Dp=D0 R（2-3）式中， D p 錠坯外徑（ mm） ；D 0 擠壓筒內(nèi)徑（mm） ；山一一使錠坯順利送入又不產(chǎn)生縱向裂紋的間隙值。2-4）計(jì)算(2-4)Do = Dp+ AD已求得Dp=140mm,查表2-

13、2可知，山=5mm,代入式（2-4）,有D0 = Dp+R =（140+5） mm=145mm（2）擠壓筒長(zhǎng)度Lt擠壓筒長(zhǎng)度通常可用兩種方法來(lái)求得。一是按照式（2-5）計(jì)算Lt=（Lmax+L）+t+S + li（2-5）式中，Lmax 錠坯最大長(zhǎng)度（mm）,對(duì)重金屬棒型材為23.5D。，對(duì)重金屬管材1.52.5D。, 對(duì)鋁合金可取46D ,其中對(duì)管材不大于4.5D。,對(duì)扁擠壓筒錠坯則最大長(zhǎng) 度 Lmax =35H ；L錠坯穿孔時(shí)金屬增加的長(zhǎng)度（mm）;t模子進(jìn)入擠壓筒的深度（mm）；S擠壓墊厚度（mm）。二是通過(guò)選擇擠壓機(jī)型號(hào)，從而確定擠壓筒長(zhǎng)度。本設(shè)計(jì)采取方法二，經(jīng)計(jì)算最終確定選擇倒三角內(nèi)

14、置臥式擠壓機(jī)。從而知道擠壓筒長(zhǎng)度為L(zhǎng)t =560mm。因?yàn)椴捎玫氖桥P式擠壓機(jī)，所以 山在0.51.5mm,本設(shè)計(jì)取 2=1mm。因此，擠壓 墊的外徑為144mm。擠壓墊的厚度為其直徑的0.20.7倍，取系數(shù)為0.5,則有擠壓墊厚度 為 72mm。2.3擠壓工模具尺寸圖第三章擠壓模擬試驗(yàn)根據(jù)給定的幾何尺寸，運(yùn)用 CAD或Pro/E分別繪制擠壓墊、擠壓模/擠壓筒和坯料的幾何實(shí)體，文件名稱分別為“ jiyadian、“jiyamo、“jiyatong、“piliao，輸出STL格式。程序-DEFORM6.1 - New ProblemNext一填入名稱一 Finish 一進(jìn)入前處理界面。3.1 前處

15、理3.1.1 添加對(duì)象連續(xù)3次點(diǎn)擊Insert Object按鈕，添加4個(gè)對(duì)象。3.1.2 單位制度選擇點(diǎn)擊 Simulation Control-Main一Units 一SI 一Mode4 Deformation 及 Heat Transfer 。3.1.3 導(dǎo)入和定義材料并設(shè)置對(duì)稱面在對(duì)象樹上選擇 Work pieces點(diǎn)擊General按鈕-Assign Temperature填入溫度為350點(diǎn)擊OK一單擊 已 按鈕，選擇材料庫(kù)中的DINCuZn40Pb2,單擊Load,完成材料基本屬性 界面。單擊Geometry-生經(jīng)E_|按鈕，在彈出的對(duì)話框中選擇事先畫好的 CAD或CAE造型文件。

16、導(dǎo)入后單擊 ,對(duì)幾何體進(jìn)行幾何檢查，結(jié)果質(zhì)量合格，單 擊OK鍵。其他同上，但是不需要定義材料種類，且在定義溫度時(shí)，要根據(jù)各自工模具預(yù) 熱溫度分別定意擠壓墊/擠壓模及擠壓筒的溫度。需點(diǎn)擊同4.mi ，點(diǎn)擊添加坯料的兩直角面；擠壓墊、擠壓模、擠壓筒的直角面，點(diǎn)Fileion. Tool Vi ew Opt idit Ue ipNew Pirobl emCi rl*N擊Symmetric Surface添力口對(duì)稱面。a ChariE電 Biowe LocationCo to Problem Home Diirectory Ci rl+RQuitC-trl+Q-11 -3.1.4 網(wǎng)格劃分及工件體積補(bǔ)

17、償選擇 Work piece,單擊 Mesh- Detailed Settings-Absolute 絕對(duì)劃分網(wǎng)格一在 Size Ratio 欄中，設(shè)置尺寸比率為1.5, Min Element Size中，設(shè)置最小單元尺寸為 2。一單擊Surface Mesh按鈕，進(jìn)行對(duì)象表面網(wǎng)格劃分，再單擊 Sold Mesh按鈕，生成修用格。單擊Property 一在Target Volume卡上選中Active選項(xiàng)一點(diǎn)擊引按鈕一點(diǎn)擊Yes按 鈕勾選 Compensate during remeshing3.1.5 設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)選擇Top Die,單擊Movement-SpeecH在Direction選

18、中主動(dòng)工具運(yùn)行方向+X -Define選項(xiàng)，其性質(zhì)選為Constant設(shè)置速度值20。3.1.6 模擬控制設(shè)置如150一 With點(diǎn)擊 Simulation Control-Step-Numberof Simulation Steps 中填入模擬步數(shù),Step Increment to Save 中填入每隔 5 步保存信息一 Solution Steps Definition Constant Die Displacement填入距離步長(zhǎng)1 一點(diǎn)擊OG成設(shè)置。t iiD也111M、FT、G r-tLiiMiKtoM 卜r施軻 JMI寸HE I 析 tEDMi Trpt工； r- .i0&jC0

19、LI) WiKml leeW laijvcnLiL jbt JJL.XT”：ft i FST-l lift13rd ?i 1卜 二 mir ii&i:ip(s-M-amjcJJ|!1!? 4 第d I| b”打-i空軸寬51MMJl-l Fil； ，強(qiáng)1713丸心.13力。3,it iJU ?i lGnacr-91g ttsi-i ia$ cniLii?t-4iFi：jo- doc Ji11 ?I1；114(lj*Lif (r .uuxDMeI1 IJtM l WOIJi而川-L .t1J加丁Vj r3.1.7 定義接觸關(guān)系單擊飛 一出現(xiàn)對(duì)話框，單擊 Edlt， 一Deformation選項(xiàng)種

20、Constant選項(xiàng)填入0.1。 點(diǎn)擊Thermal一選中Constant選項(xiàng)，選擇傳熱類型Forming。另外兩個(gè)接觸關(guān)系，設(shè)置方法 同上，但在Constant中均填入0.5。3.1.8 生成庫(kù)文件在工具欄上點(diǎn)擊9 - 巴I 一沒(méi)有錯(cuò)誤信息則點(diǎn)擊ft I 一完成模擬數(shù)據(jù) 庫(kù)的生成3.1.9 退出前處理在工具欄上點(diǎn)擊如，退出前處理程序界面3.2 運(yùn)行退出前處理后，在 DEFORM-3D的主窗口中，選擇 Simulator中的Run選項(xiàng)，試驗(yàn)就 開始運(yùn)行了。在運(yùn)行過(guò)程中，可點(diǎn)擊 Process Monitor查看模擬進(jìn)程、某一數(shù)據(jù)規(guī)律呈現(xiàn)平 穩(wěn)狀態(tài)時(shí)即可停止運(yùn)行，點(diǎn)擊 Stopo3.3 后處理在

21、DEFORM-3D的主窗口中選擇 DEFORM-3D Post選項(xiàng)，進(jìn)入后處理窗口。點(diǎn)擊Graph 選擇擠壓墊，勾選所需輸出的數(shù)據(jù)如 Damage Strain、Stress Temperature出現(xiàn)數(shù)據(jù)曲線 圖后，右擊鼠標(biāo)，點(diǎn)擊Export graph data,保存1.041.09之間的數(shù)據(jù)。將記事本中的數(shù)據(jù) 復(fù)制到Excel表中，求其平均值。將各組數(shù)據(jù)組合在一起，制成表格如下：表3-1各溫度下的數(shù)據(jù)記錄表溫度(C)載荷(N)最大應(yīng)力(Mpa)最大應(yīng)變(mm/mm)最小溫度(C)最大溫度(C)破壞系數(shù)02320909.00217.412.37333.44618.183.065023254

22、81.00214.802.25381.41619.432.091002121319.00182.891.95403.16600.492.652002347824.01192.372.40421.23629.743.022502279551.00203.802.40446.50633.002.033502268528.72177.382.45478.31633.081.874502270356.00220.231.74528.06634.532.995002088464.00153.112.54537.38640.352.14第四章實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析4.1 擠壓工模具預(yù)熱溫度對(duì)載荷的影響根據(jù)表3-

23、1的數(shù)據(jù)利用Excel畫出載荷一溫度回歸曲線圖如下圖4-1所示2400000 23500002300000N 2250000 冠 載 2200000215000021000002050000溫度/分析：從上圖4-1可以看出，由于受到個(gè)別點(diǎn)的影響，載荷的變化曲線略有波動(dòng)。這種 波動(dòng)可能是模擬的過(guò)程中參數(shù)設(shè)置不準(zhǔn)確或操作錯(cuò)誤導(dǎo)致的。除去這樣的個(gè)別點(diǎn)不看，在 整個(gè)溫度變化范圍內(nèi)，載荷呈下降趨勢(shì)。這說(shuō)明隨著擠壓工模具預(yù)熱溫度的升高，載荷減 小。4.2 擠壓工模具預(yù)熱溫度對(duì)最大應(yīng)力的影響根據(jù)表3-1的數(shù)據(jù)利用Excel畫出最大應(yīng)力一溫度回歸曲線圖如下圖 4-2所示。溫度/c力應(yīng)大最圖4-2最大 應(yīng)力 一

24、溫 度回 歸曲 線圖分析：從上圖4-2可以看出，在0c100c范圍內(nèi)，最大應(yīng)力呈下降趨勢(shì)；在100c 350c范圍內(nèi)，最大應(yīng)力有略微上升；在 350c500c范圍內(nèi)，最大應(yīng)力再次呈下降趨勢(shì)。 最大應(yīng)力在局部溫度范圍內(nèi)的變化趨勢(shì)雖有不同，但從0c500c整個(gè)溫度范圍上看，其最大應(yīng)力仍然呈下降趨勢(shì)。所以忽略個(gè)別偏差較大的點(diǎn)，隨著工模具預(yù)熱溫度的升高，最 大應(yīng)力下降。4.3 擠壓工模具預(yù)熱溫度對(duì)最大應(yīng)變的影響100200300400溫度/c5006003 5 2 5 1 5N L 6 m嚴(yán)例變應(yīng)大最圖4-最大應(yīng)變根據(jù)表3-1的數(shù)據(jù)利用Excel畫出最大應(yīng)變一溫度回歸曲線圖如下圖 4-3所示。分析：從上圖4-3可以看出，在0c500c的變化范圍內(nèi)，除去450c時(shí)最大應(yīng)變較 小以外，總體上最大應(yīng)變沒(méi)有變化。說(shuō)明擠壓工模具預(yù)熱溫度對(duì)最大應(yīng)變的影響不大。4.4 擠壓工模具預(yù)熱溫度對(duì)最小溫度的影響根據(jù)表3-1的數(shù)據(jù)利用Excel畫出最小溫度一溫度回歸曲線圖如下圖4-4所示。溫度/c圖4-4最 小 溫度一溫 度分析：從上圖