材料專業(yè)DEFORM課設

1、 材料控制專業(yè)綜合性實驗報告 指導教師 程俊偉 . 專業(yè)班級 1206091 .姓 名 柳子巖 .學 號 120609121 .第一章 坯料及工藝參數(shù)的設計1 實驗目的與內(nèi)容 實驗目的:1） 了解認識DEFORM-3D軟件的窗口界面。2） 了解DEFORM-3D界面中功能鍵的作用。3） 掌握利用DEFORM-3D有限元建模的基本步驟。4） 學會對DEFORM-3D模擬的數(shù)據(jù)進行分析。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)率等技術經(jīng)濟指標。坯料尺寸（直徑和長度）越大，制品越長，從而使切頭尾、切壓余的幾何損失和擠壓周期內(nèi)的輔助時間

2、所占的比例降低。對壓余所導致的金屬幾何損失，增大直徑或者增加長度對成品率的影響不同。坯料體積一定時，增大直徑和減短長度使幾何損失增加，減小直徑增加長度，幾何損失減小。1.1.1坯料直徑設計 選擇坯料直徑時，一定要在滿足制品斷面機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的工藝參數(shù)值表可知，黃銅DIN-CuZn40Pb2擠壓比=10（300400）之間，取=65，則根據(jù)式 （1-1）式中，擠壓筒橫斷面積（mm²）； 制品橫斷面積（mm²）；擠壓筒內(nèi)徑（mm）；制品直徑（mm）。已知=18mm，從而有mm=145mm為了便于操作/監(jiān)測和維修，

3、本設計臥式擠壓機，則坯料直徑可根據(jù)擠壓筒直徑計算，取直徑差=5mm，則有=（1455）mm=140mm1.1.2坯料長度設計 在進行工藝計算時，不同產(chǎn)品可選取不同坯料長度，以提高成品率。對重金屬棒型材坯料最大長度為23.5，因此，坯料長度在290507.5mm范圍內(nèi)，本設計取坯料長度為300mm。1.2工藝參數(shù)的設計確定擠壓工藝參數(shù)時，可以綜合考察金屬與合金加工時的可擠壓性和對制品質(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。熱擠壓過程的基本參數(shù)是擠壓溫度和擠壓速度（或金屬出口速度），兩者構成了對擠壓過程控制十分重要的溫度-速度條件。在選擇擠壓工藝

4、參數(shù)時，一般是在理論分析的基礎上進行各種工藝試驗，考察產(chǎn)品質(zhì)量，并參考實際生產(chǎn)的經(jīng)驗值。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出現(xiàn)組織的不均勻性。在制品的長度上，也是由于外摩擦的作用，出現(xiàn)組織的不均勻性。因此，設計合理的摩擦系數(shù)，對于成功實現(xiàn)擠壓模擬十分重要。在滿足一定條件下，本設計取擠壓墊摩擦系數(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的速度一般可分為三種：擠壓速度擠壓機主柱塞、擠壓桿與擠壓墊的移動速度；金屬流出速度金屬流出?？讜r的速度；金屬變形速度（也稱變形速率

5、）單位時間內(nèi)變形量變化的大小。通常擠壓速度越大，不均勻性流動加劇，副應力增大，在擠壓制品上會引起周期性周向裂紋或破裂。擠壓速度的影響通過以下三個方面起作用：第一，擠壓速度高，流動更不均勻，副應力增大；第二，擠壓速度提高來不及軟化，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，是鑄錠溫度上升，可能進入高溫脆性區(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。1.2.3工模具預熱溫度的確定擠壓時，工模具需要進行預熱，如果不預熱的話，坯料與擠壓模具間溫差較大，會產(chǎn)生較大的熱轉遞，從而使坯料的溫度分布不均勻，影響

6、成品件的性能。本小組課程設計的主要任務即是關于工模具預熱溫度不同對擠壓結果的影響，考慮到任務書所給的范圍是0500，分配任務時，以50為梯度，各自采用所選擇的實驗溫度進行試驗。第二章 模具尺寸的確定2.1擠壓工模具示意圖圖2-1 擠壓工模具示意圖2.2模具尺寸的確定根據(jù)擠壓機的結構/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構形式也不一樣。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。此外，還包括其他一些配件如：模墊、支撐環(huán)、壓力環(huán)、沖頭、針座和導路等。本設計主要針對基亞通、擠壓模、擠壓墊進行結構及尺寸的設計。2.2.1模子的結構及其尺寸的確定模子是擠壓生產(chǎn)中最重要的工

7、具。它的結構形式、各部分的尺寸，以及所用的材料和加工處理方法，對擠壓力、金屬流動均勻性、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行分類，根據(jù)模孔的剖面形狀可分為平模、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成的夾角。根據(jù)已知條件擠壓模錐角=60°。 （2）工作帶長度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)量的關鍵部分。倘若定徑帶過短，則模子易磨損，同時會壓傷制品表面導致出現(xiàn)壓痕和橢圓等缺陷。但是，如果工作帶過長，又極易在其上粘結

8、金屬，使制品表面上產(chǎn)生劃傷、毛刺、麻面等缺陷。根據(jù)已知條件工作帶長度=20mm。 （3）工作帶直徑模子工作帶直徑與實際所擠出的制品直徑并不相等。設計時通常是用裕量系數(shù)C來考慮各種因素對制品尺寸的影響。C查表2-1可得。表2-1 裕量系數(shù)C合 金C值含量不超過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硬鋁和鍛鋁0.0070.010查表2-1可知，本設計C值在0.0140.016之間，取C=0.015。擠壓棒材的工作帶直徑用下式計算： = （2-1）式中，棒材的名義直徑（mm）。代入數(shù)據(jù)，則有 =（1+C） =（1

9、+0.015）×18mm=18.27mm取整，則=19mm。 （4）出口直徑模子的出口直徑一般應比工作帶直徑大35mm，因過小會劃傷制品的表面。又因為=19mm，的范圍是2224mm之間，本設計取=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產(chǎn)生表面裂紋和減輕金屬在進入工作帶時所產(chǎn)生的非接觸變形，同時也是為了減輕在高溫下擠壓時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度、擠壓溫度和制品的尺寸有關：對紫銅和黃銅取25mm。且根據(jù)已知條件，?？走^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

10、根據(jù)其強度和標準系列化來考慮的。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。根據(jù)經(jīng)驗，對棒材、管材、帶材和簡單的型材，模子外徑可按照式（2-2）進行計算 D=（1.251.45） （2-2）式中，擠壓棒材的外接圓直徑（mm）。根據(jù)已知條件，=140mm，取系數(shù)值1.35，則D=1.35×140mm=189mm模子的厚度H值近年來趨向于減薄，其強度主要靠模墊和其他支撐環(huán)來保證。但是，從提高模子剛度和減輕彈性變形方面考慮，H值又應增大。一般根據(jù)擠壓機能力的大小取H值分別為20、25、30、40、50、70和100毫米。2.2.2擠壓墊的結構及尺寸確定擠壓墊是用來防止高溫的錠坯直接

11、與擠壓桿接觸，消除其端面磨損和變形的工具。擠壓時，一般用規(guī)格相同的一組擠壓墊輪流使用，以防止其過熱。墊片的外徑應比擠壓筒內(nèi)徑小值，太大時，可能造成局部脫皮擠壓，從而影響制品質(zhì)量；值也不能過小，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。因為擠壓墊的尺寸需利用擠壓筒的數(shù)據(jù)，故稍后進行具體計算。2.2.3擠壓筒的結構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盈配合組裝在一起構成的。之所以將擠壓筒制成多層，是為了使筒壁中的應力分布均勻些和降低應力的峰值；同時，在磨損后只需更換內(nèi)襯套而不必換掉整個擠壓筒，從而可節(jié)約大量的合金鋼材。擠壓筒尺寸的

12、確定包括：筒內(nèi)徑、筒長和各層襯套的厚度。 （1）擠壓筒內(nèi)徑D計算錠坯直徑時，可按公式（2-3）計算 = （2-3）式中，錠坯外徑（mm）； 擠壓筒內(nèi)徑（mm）； 使錠坯順利送入又不產(chǎn)生縱向裂紋的間隙值。因此，擠壓筒內(nèi)徑可按式（2-4）計算 =+ （2-4）已求得=140mm，查表2-2可知，=5mm，代入式（2-4），有 =+=(140+5) mm=145mm(2)擠壓筒長度擠壓筒長度通?？捎脙煞N方法來求得。一是按照式（2-5）計算 （2-5）式中，錠坯最大長度（mm），對重金屬棒型材為23.5，對重金屬管材1.52.5， 對鋁合金可取46，其中對管材不大于4.5，對扁擠壓筒錠坯則最大長度=3

13、5H； L錠坯穿孔時金屬增加的長度（mm）； t模子進入擠壓筒的深度（mm）； S擠壓墊厚度（mm）。 二是通過選擇擠壓機型號，從而確定擠壓筒長度。本設計采取方法二，經(jīng)計算最終確定選擇倒三角內(nèi)置臥式擠壓機。從而知道擠壓筒長度為=560mm。因為采用的是臥式擠壓機，所以在0.51.5mm，本設計取=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擠壓工模具尺寸圖圖2-2 擠壓工模具尺寸圖第三章 擠壓模擬試驗根據(jù)給定的幾何尺寸，運用CAD或Pro/E分別繪制擠壓墊、擠壓模/擠壓筒和坯料的幾何實體，文件名稱分別為“jiya

14、dian”、“jiyamo”、“jiyatong”、“piliao”，輸出STL格式。程序DEFORM6.1New ProblemNext填入名稱Finish進入前處理界面。3.1前處理3.1.1添加對象連續(xù)3次點擊Insert Object按鈕，添加4個對象。3.1.2單位制度選擇 點擊Simulation ControlMainUnitsSIMode選Deformation及Heat Transfer。3.1.3導入和定義材料并設置對稱面在對象樹上選擇Work piece點擊General按鈕Assign Temperature®填入溫度為350點擊OK單擊按鈕，選擇材料庫中的D

15、INCuZn40Pb2,單擊Load，完成材料基本屬性界面。 單擊Geometry按鈕，在彈出的對話框中選擇事先畫好的CAD或CAE造型文件。導入后單擊，對幾何體進行幾何檢查，結果質(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，要根據(jù)各自工模具預熱溫度分別定意擠壓墊/擠壓模及擠壓筒的溫度。點擊，點擊添加坯料的兩直角面；擠壓墊、擠壓模、擠壓筒的直角面，點擊Symmetric Surface添加對稱面。3.1.4網(wǎng)格劃分及工件體積補償選擇Work piece，單擊MeshDetailed SettingsAbsolute絕對劃分網(wǎng)格在Size Ratio欄中，設置尺寸比率為

16、1.5，Min Element Size中，設置最小單元尺寸為2。單擊Surface Mesh 按鈕，進行對象表面網(wǎng)格劃分，再單擊Sold Mesh按鈕，生成體網(wǎng)格。單擊Property在Target Volume卡上選中Active選項點擊按鈕點擊Yes按鈕勾選Compensate during remeshing。3.1.5設置運動參數(shù)選擇Top Die，單擊MovementSpeed在Direction選中主動工具運行方向+XDefine選項，其性質(zhì)選為Constant,設置速度值20。3.1.6模擬控制設置點擊Simulation ControlStepNumber of Simula

17、tion Steps中填入模擬步數(shù)，如150Step Increment to Save中填入每隔5步保存信息Solution Steps DefinitionWith Constant Die Displacement填入距離步長1點擊OK完成設置。3.1.7定義接觸關系單擊出現(xiàn)對話框，單擊Deformation選項種Constant選項填入0.1。點擊Thermal選中Constant選項，選擇傳熱類型Forming。另外兩個接觸關系，設置方法同上，但在Constant中均填入0.5。3.1.8生成庫文件在工具欄上點擊沒有錯誤信息則點擊完成模擬數(shù)據(jù)庫的生成。3.1.9退出前處理在工具欄上點

18、擊，退出前處理程序界面。3.2運行退出前處理后，在DEFORM-3D的主窗口中，選擇Simulator中的Run選項，試驗就開始運行了。在運行過程中，可點擊Process Monitor查看模擬進程，某一數(shù)據(jù)規(guī)律呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)時即可停止運行，點擊Stop。3.3后處理在DEFORM-3D的主窗口中選擇DEFORM-3D Post選項，進入后處理窗口。點擊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，點擊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)復制到Excel表中，

19、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 （）載荷 （N)最大應力（Mpa）最大應變（mm/mm)最小溫度（）最大溫度（）破壞系數(shù)02320909.00217.412.37333.44618.183.06502325481.00214.802.25381.41619.432.091002121319.00182.891.95403.16600.492.652002347824.01192.372.40421.23629.743.022502279551.00203.802.40446.50633.002.033502268528.72177.382.4

20、5478.31633.081.874502270356.00220.231.74528.06634.532.995002088464.00153.112.54537.38640.352.14第四章 實驗結果數(shù)據(jù)分析4.1擠壓工模具預熱溫度對載荷的影響根據(jù)表3-1的數(shù)據(jù)利用Excel畫出載荷溫度回歸曲線圖如下圖4-1所示。圖4-1 載荷溫度回歸曲線圖 分析：從上圖4-1可以看出，由于受到個別點的影響，載荷的變化曲線略有波動。這種波動可能是模擬的過程中參數(shù)設置不準確或操作錯誤導致的。除去這樣的個別點不看，在整個溫度變化范圍內(nèi)，載荷呈下降趨勢。這說明隨著擠壓工模具預熱溫度的升高，載荷減小。4.2擠壓

21、工模具預熱溫度對最大應力的影響根據(jù)表3-1的數(shù)據(jù)利用Excel畫出最大應力溫度回歸曲線圖如下圖4-2所示。圖4-2 最大應力溫度回歸曲線圖分析：從上圖4-2可以看出，在0100范圍內(nèi)，最大應力呈下降趨勢；在100350范圍內(nèi)，最大應力有略微上升；在350500范圍內(nèi)，最大應力再次呈下降趨勢。最大應力在局部溫度范圍內(nèi)的變化趨勢雖有不同，但從0500整個溫度范圍上看，其最大應力仍然呈下降趨勢。所以忽略個別偏差較大的點，隨著工模具預熱溫度的升高，最大應力下降。4.3擠壓工模具預熱溫度對最大應變的影響根據(jù)表3-1的數(shù)據(jù)利用Excel畫出最大應變溫度回歸曲線圖如下圖4-3所示。圖4-3 最大應變溫度回歸曲線圖 分析：從上圖4-3可以看出，在0500的變化范圍內(nèi)，除去450時最大應變較小以外，總體上最大應變沒有變化。說明擠壓工模具預熱溫度對最大應變的影響不大。4.4擠壓工模具預熱溫度對最小溫度的影響根據(jù)表3-1的數(shù)據(jù)利用Excel畫出最小溫度溫度回歸曲線圖如下圖4-4所示。圖4-4 最小溫度溫度回歸曲線圖 分析：從上圖4-4可以看出，點的分布具有較為嚴格的線性關系。隨著擠壓工模具預熱溫度的升高，制品的最小溫度呈線性增加。總 結本實驗通過CAD和DEFORM對鐓粗過程