計算機輔助棒材擠壓模設(shè)計

PAGE14-目錄第一章課程設(shè)計內(nèi)容及任務(wù)分配 11.1概述 11.2設(shè)計目的 11.3設(shè)計內(nèi)容 11.4設(shè)計要求 11.5擠壓方案任務(wù)分配 2第二章坯料及工藝參數(shù)的設(shè)計 32.1坯料尺寸的確定 32.1.1坯料直徑設(shè)計 32.1.2坯料長度設(shè)計 32.2工藝參數(shù)的設(shè)計 32.2.1摩擦系數(shù)的確定 32.2.2擠壓速度的確定 42.2.3工模具預(yù)熱溫度的確定 4第三章模具尺寸的確定 53.1擠壓工模具示意圖 53.2模具尺寸的確定 53.2.1擠壓模結(jié)構(gòu)尺寸的確定 53.2.2擠壓筒結(jié)構(gòu)及尺寸的確定 63.2.3擠壓墊結(jié)構(gòu)及尺寸的確定 8第四章實驗?zāi)M及數(shù)據(jù)提取分析 94.1模擬擠壓過程 94.2各組所得數(shù)據(jù)總和 94.3工模具預(yù)熱溫度對擠壓力的影響 94.4工模具預(yù)熱溫度對破壞系數(shù)的影響 10總結(jié) 12參考文獻 13

第一章課程設(shè)計內(nèi)容及任務(wù)分配1.1概述擠壓是對放在容器（擠壓筒）內(nèi)的金屬坯料施加外力，使之從特定的模孔中流出，獲得所需要斷面形狀和尺寸的一種塑性加工方法，有正擠壓、反擠壓、組合擠壓、連續(xù)擠壓、靜液擠壓等多種形式。擠壓成形能充分發(fā)揮金屬塑性，獲得大變形量，實現(xiàn)由坯料到成品的一次成型。擠壓變形能顯著改善金屬材料的組織，提高制品的力學性能、尺寸精度和表面質(zhì)量。因此，擠壓是金屬材料加工的一種應(yīng)用廣泛的成形方法，適用于薄壁、細長的管、線、型材的生產(chǎn)，特別是斷面復(fù)雜的異型材的加工生產(chǎn)。但是，擠壓變形也存在制品組織與性能不均、工模具磨損快和設(shè)備負荷高等缺點。擠壓制品的組織性能、表面質(zhì)量、尺寸及形狀精度、工模具損耗以及能量消耗都與坯料、擠壓工藝、工模具結(jié)構(gòu)尺寸和形狀等因素相關(guān)。因此，擠壓工藝與工模具的設(shè)計合理與否是擠壓成形的關(guān)鍵。本設(shè)計以20mm棒材（黃銅DIN_CuZn40Pb2）擠壓成形為例，研究擠壓變形工藝參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)形狀與尺寸對金屬流動、變形力等參數(shù)的影響，通過DEFORM軟件模擬分析參數(shù)的合理性。1.2設(shè)計目的掌握擠壓變形工具設(shè)計方法，鞏固擠壓變形理論與知識，進一步熟悉數(shù)值模擬軟件的使用方法，培養(yǎng)CAE在金屬塑性成形中的應(yīng)用技能。設(shè)計棒材擠壓工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)，運用DEFORM軟件模擬分析設(shè)計參數(shù)的合理性。1.3設(shè)計內(nèi)容（1）運用金屬塑性變形理論、金屬擠壓成形理論與工藝的知識，選擇坯料，設(shè)計擠壓工藝參數(shù)。（2）根據(jù)擠壓變形工具設(shè)計理論與方法設(shè)計主要工具，包括擠壓模、擠壓筒和擠壓墊。（3）選擇設(shè)計參數(shù)，制定設(shè)計方案。（4）制定設(shè)計過程與步驟。（5）擠壓成形的CAE分析。1.4設(shè)計要求（1）以擠壓工藝參數(shù)如擠壓初始溫度、擠壓速度和摩擦系數(shù)等，變形工具結(jié)構(gòu)參數(shù)如模具錐角、定徑帶長度待等為設(shè)計參數(shù)。（2）本設(shè)計分組進行，10名左右學生為1組，分組方案見表1。每組學生選擇1至2個設(shè)計參數(shù)，共同設(shè)計方案，設(shè)計方案8-10個。每名學生獨立完成本組內(nèi)的1個設(shè)計方案的設(shè)計過程。（3）組內(nèi)學生共享本組的設(shè)計數(shù)據(jù)，共同討論、分析設(shè)計結(jié)果，得出設(shè)計結(jié)論，共同撰寫1份設(shè)計報告正文。（4）每位學生獨立撰寫設(shè)計小結(jié)，組長著重闡述本組設(shè)計工作簡況，小組成員著重簡述自己工作簡況，與報告正文一起裝訂、提交。1.5擠壓方案任務(wù)分配我們設(shè)計小組的任務(wù)是以工模具預(yù)熱溫度為變化量來探究擠壓過程中對各個參數(shù)的影響，部分實驗參數(shù)及成員任務(wù)分配如下表1-1所示。表1-1擠壓方案任務(wù)分配表實驗小組學生學號姓名擠壓墊摩擦系數(shù)擠壓筒擠壓模摩擦系數(shù)擠壓桿速度/擠壓模錐角/°擠壓溫度/oC定徑帶長度/mm工模具預(yù)熱溫度/oC第七組1010121068邵永0.60.160306306001010121069申佳林501010121070施立強1001010121071宋昊成1501010121072宋亞男2001010121073隋帥帥2501010121076孫旸3501010121078譚經(jīng)松4501010121079湯宗劍5001010121077孫長慶負責方案設(shè)計與數(shù)據(jù)分析組長

第二章坯料及工藝參數(shù)的設(shè)計2.1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。2.1.1坯料直徑設(shè)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~（300~400）之間，取=76，則根據(jù)式（1-1）式中，—擠壓筒橫斷面積（mm2）；—制品橫斷面積（mm2）；—坯料直徑（mm）；—制品直徑（mm）。已知=16mm，從而有=139.2為了便于實驗?zāi)M操作，取整=140mm。2.1.2坯料長度設(shè)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2~3.5，因此，坯料長度在268.4~469.7mm范圍內(nèi)，本設(shè)計取坯料長度為300mm。2.2工藝參數(shù)的設(shè)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(gòu)成了對擠壓過程控制十分重要的溫度-速度條件。在選擇擠壓工藝參數(shù)時，一般是在理論分析的基礎(chǔ)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。2.2.1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(shè)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(shè)計取擠壓墊摩擦系數(shù)為0.6，擠壓筒與擠壓模摩擦系數(shù)均取0.1。2.2.2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——金屬流出模孔時的速度；金屬變形速度（也稱變形速率）——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(yīng)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(yīng)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(yīng)，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60。2.2.3工模具預(yù)熱溫度的確定擠壓時，工模具需要進行預(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)計的主要任務(wù)即是關(guān)于工模具預(yù)熱溫度不同對擠壓結(jié)果的影響，考慮到任務(wù)書所給的范圍是0~500℃，分配任務(wù)時，以50℃為梯度，各自采用所選擇的實驗溫度進行試驗。

第三章模具尺寸的確定3.1擠壓工模具示意圖圖2-1擠壓工模具示意圖3.2模具尺寸的確定根據(jù)擠壓機的結(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。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(shè)計主要針對基亞通、擠壓模、擠壓墊進行結(jié)構(gòu)及尺寸的設(shè)計。根據(jù)設(shè)計任務(wù)書，擠壓制品的直徑為，坯料的規(guī)格為，故可做以下設(shè)計。3.2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)?？椎钠拭嫘螤羁煞譃槠侥！⒘骶€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ω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ω=30°。（2）工作帶長度l4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。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(jié)金屬，使制品表面上產(chǎn)生劃傷、毛刺、麻面等缺陷。根據(jù)已知條件工作帶長度l4=60mm。（3）工作帶直徑d2模子工作帶直徑與實際所擠出的制品直徑并不相等。設(shè)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。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）。表2-1裕量系數(shù)C合金C值含量不超過65%的黃銅0.014~0.016紫銅、青銅及含銅量大于65%的黃銅0.017~0.020純鋁、防銹鋁及鎂合金0.015~0.020硬鋁和鍛鋁0.007~0.010查表2-1可知，本設(shè)計C值在0.014~0.016之間，取C=0.015。代入數(shù)據(jù)，則有=（1+0.015）×16mm=取整，則=17mm。（4）出口直徑模子的出口直徑一般應(yīng)比工作帶直徑大3~5mm，因過小會劃傷制品的表面。又因為=17mm，則=17+（3~5）mm=20~22本設(shè)計取=21mm（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?？壮叽缬玫?。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(guān)：對紫銅和黃銅取2~5mm。且根據(jù)已知條件，?？走^渡圓角半徑為5mm。（6）模子的外心尺寸和模子的外圓直徑和厚度主要是根據(jù)其強度和標準系列化來考慮的。它與所擠壓的型材類型、難擠壓的程度及合金的性質(zhì)有關(guān)。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D2=（1.25~1.45）（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D2=1.35×140mm=189mm因為本設(shè)計中擠壓模的定徑帶長度是固定的的，為l4=60mm，擠壓模的長度H由定徑帶長度l4、出口帶長度和模角處水平長度共同確定，因為模角處水平長度為出口帶長度可取40mm，則擠壓模長度110.72+40+60=210.85mm。3.2.2擠壓筒結(jié)構(gòu)尺寸的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(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，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)徑擠壓筒內(nèi)徑根據(jù)擠壓合金的強度、擠壓比和擠壓機能確定的。筒的最大直徑應(yīng)能保證作用在擠壓墊上的單位壓力不低于金屬的變形抗力。顯然，筒徑越大，作用在墊上的單位壓力就越小。再根據(jù)產(chǎn)品品種、規(guī)格確定筒的內(nèi)徑尺寸。擠壓筒內(nèi)徑可按間隙值計算（2-3）式中，—坯料的外徑，mm；—是坯料順利進入又不產(chǎn)生縱向裂紋的間隙值，mm，如表2-2所示。表2-2筒、錠間隙選擇表2-2筒、錠間隙選擇金屬材料擠壓機擠壓筒直徑（mm）間隙值，（mm）備注類型噸位，（KN）鋁臥式立式冷擠——3~101.5~30.2~0.34~83~40.1~0.8銅臥式—≤100100~300≥3001~35101~5立式675~1201~2稀有金屬臥式41531.531.566.7285220~260220~2601~21.5~34~551~1.51.5~256包套擠壓—包套擠壓光坯擠壓立式665~1201.5~21.51~1.51包套擠壓光坯擠壓因為擠壓示意圖所給擠壓為臥式擠壓機，坯料直徑為，故可知擠壓筒直徑在100~300mm范圍內(nèi)，即可知間隙值。帶入數(shù)據(jù)可得：（2）擠壓筒外徑根據(jù)經(jīng)驗，一般擠壓筒外徑是擠壓筒內(nèi)徑的4~5倍，即(2-4)帶入數(shù)據(jù)可得：可取。(3)擠壓筒長度擠壓筒長度可按如下公式進行計算(2-5)式中，—擠壓墊進入擠壓筒的深度，mm；—擠壓墊的厚度，mm；—坯料的長度，mm。因為，(將在擠壓墊尺寸確定部分給出計算過程)，為保證開始擠壓時準確定位和擠壓桿在擠壓過程中保持穩(wěn)定，可取40mm。帶入數(shù)據(jù)計算得：。3.2.3擠壓墊是用來防止高溫的錠坯直接與季亞桿接觸，消除其端面磨損和變形的工具。墊片的外徑應(yīng)比擠壓筒內(nèi)徑小。太大可能形成局部脫皮擠壓，從而影響制品質(zhì)量，特別是在擠壓管材時不能有效的控制針的位置，以致造成管子偏心。但是也不能太小，以防與擠壓筒內(nèi)襯套摩擦加速其磨損。值與擠壓筒內(nèi)徑有關(guān)：臥式擠壓機取0.5~1.5mm；立式擠壓機取0.2mm，脫皮擠壓取2.0~3.0mm，鑄錠表面質(zhì)量不佳的可選更大一些。本次設(shè)計采用臥式擠壓機，即=0.5~1.5mm擠壓墊的直徑按下式計算(2-6)帶入數(shù)據(jù)計算得：。由于擠壓墊的厚度可等于其直徑的0.2~0.7倍，即(2-7)帶入數(shù)據(jù)可得：，取。擠壓工模具尺寸示意圖如下圖2-2所示。圖2-2擠壓工模具尺寸圖

第四章實驗?zāi)M及數(shù)據(jù)提取分析4.1模擬擠壓過程（1）根據(jù)設(shè)計的的幾何尺寸，運用PRO/E分別繪制坯料、擠壓模、擠壓墊、擠壓筒的幾何實體，輸出STL格式。（2）擠壓模擬單位制度選擇→添加對象→設(shè)定對稱面→設(shè)定熱交換面→模擬控制設(shè)置→實體網(wǎng)格化→設(shè)置對象材料屬性→設(shè)置主動工具運行速度→工件體積補償?shù)鹊取Ｓ捎谖覀兲骄康氖枪つ＞哳A(yù)熱溫度對實驗的影響，所以我們要保持其他的所有參數(shù)一致而將工模具預(yù)熱溫度作為變量設(shè)置來進行實驗。模擬運算結(jié)束后，進入后處理界面。觀察模擬的結(jié)果，提取必要的數(shù)據(jù)及相關(guān)云圖、曲線圖等。4.2各組所得數(shù)據(jù)總和計算機模擬完成后，小組成員分別提取出自己所得的數(shù)據(jù)，各小組所得數(shù)據(jù)如下表4-1所示。表4-1小組數(shù)據(jù)序號分配溫度/oC擠壓力/KN破壞系數(shù)101147.681.112501171.141.9831001370.482.5641501064.101.605200809.100.9862501622.721.687350935.841.988450966.361.3095002657.352.024.3工模具預(yù)熱溫度對擠壓力的影響根據(jù)表4-1的數(shù)據(jù)利用Excel畫出擠壓力—工模具預(yù)熱溫度回歸曲線圖如下圖4-1所示。P/KNT/oC050010001500P/KNT/oC0500100015002000250030000100200300400500600圖4-1擠壓力—工模具預(yù)熱溫度回歸曲線分析：從上圖4-1的回歸曲線可以看出，在0—500度的溫度變化范圍內(nèi)，受擠壓模具預(yù)熱溫度的影響，擠壓力有先減小后增大的趨勢。這種趨勢可能是模擬的過程中個別成員的參數(shù)設(shè)置不準確或操作錯誤導致的。除去這樣的個別誤差較大的點，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(yù)熱溫度的升高，載荷減小。4.4工模具預(yù)熱溫度對破壞系數(shù)的影響根據(jù)表4-1的數(shù)據(jù)利用Excel畫出破壞系數(shù)—工模具預(yù)熱溫度回歸曲線圖如下圖4-2所示。破壞系數(shù)破壞系數(shù)