薄壁鋼筒冷精整模具設(shè)計(jì)與冷精整工藝優(yōu)化

J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 畢 業(yè) 論 文薄壁鋼筒冷精整模具設(shè)計(jì)與冷精整工藝優(yōu)化Thin-walled steel tube cold finishing mold design and cold finishing process optimization 學(xué)院名稱： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 模具1201 學(xué)生姓名： 尹 研 指導(dǎo)教師姓名： 王勻、張扣寶 指導(dǎo)教師職稱： 教 授 2016年 06 月江 蘇 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 機(jī)械工程學(xué)院 學(xué)院 機(jī)械(模具)1201 班級(jí) 尹研 學(xué)生 設(shè)計(jì)（論文）題目 薄壁鋼筒冷精整模具設(shè)計(jì)與冷精整工藝優(yōu)化 課題來源 生產(chǎn)實(shí)踐 起訖日期 2016 年 3 月 14 日至 2016 年 6 月 3 日 指導(dǎo)教師（簽名） 教研室主任（簽名） 課題依據(jù)：薄壁鋼筒是液壓系統(tǒng)過濾器的重要部件，承受的油壓載荷很大，目前常采用冷溫復(fù)合擠壓工藝進(jìn)行生產(chǎn)。但是在冷精整時(shí)內(nèi)腔頂部易出現(xiàn)凸起的缺陷。擠壓件冷精整過程演變比較復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行研究是擠壓件成形質(zhì)量控制的前提。需要對(duì)薄壁鋼筒冷精整模具進(jìn)行新設(shè)計(jì)，并進(jìn)行工藝優(yōu)化，以期提高薄壁鋼筒冷精整后的成形質(zhì)量，消除頂部缺陷。該畢業(yè)設(shè)計(jì)通過功能分析、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、CAD建模和裝配、有限元分析、工藝優(yōu)化等緊密結(jié)合在一起，最終得到優(yōu)化的模具新結(jié)構(gòu)和新的冷精整工藝參數(shù)。從而鍛煉學(xué)生綜合應(yīng)用理論力學(xué)、塑性力學(xué)、機(jī)械原理、工程圖學(xué)、模具制造工藝學(xué)、模具結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、工程材料及其成型基礎(chǔ)、公差與檢測(cè)技術(shù)等基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課知識(shí)。培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代化工具進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和制造的實(shí)踐能力，初步掌握成形工藝方案的優(yōu)化、制定、成形缺陷分析手段和成形質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。任務(wù)要求：1.擠壓模具優(yōu)化與分析（1）了解冷精整工藝過程、冷精整模具設(shè)計(jì)流程、冷精整模具設(shè)計(jì)方法以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法； （2）通過功能分析，完成冷精整模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、CAD建模和裝配；（3）完成對(duì)薄壁鋼筒冷精整模具進(jìn)行新設(shè)計(jì)，并進(jìn)行工藝優(yōu)化，以期提高薄壁鋼筒冷精整后的成形質(zhì)量，消除頂部缺陷；（4）得到優(yōu)化的模具新結(jié)構(gòu)和新的冷精整工藝參數(shù)；（5）初步掌握成形工藝方案的優(yōu)化、制定、成形缺陷分析手段和成形質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。2. 相關(guān)資料的查找和英文的翻譯，完成23篇的外文翻譯，字?jǐn)?shù)不得少于5000字；3. 結(jié)合設(shè)計(jì)課題進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，撰寫2000字左右的專題綜述讀書報(bào)告一篇；4. 有條件的外出調(diào)研，完成調(diào)研報(bào)告；5. 學(xué)會(huì)幻燈片PPT的制作，撰寫畢業(yè)論文，字?jǐn)?shù)20000字以上；6. 畢業(yè)設(shè)計(jì)圖紙量不用有1張0號(hào)圖，為計(jì)算機(jī)繪圖。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度計(jì)劃起訖日期工 作 內(nèi) 容備 注3.14-3.27 搜集資料，翻譯、讀書報(bào)告、學(xué)習(xí)三維造型和CAE軟件3.28-4.10調(diào)研、擠壓成形工藝分析、計(jì)算4.11-4.17CAE學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)deform4.18-5.8CAE繼續(xù)學(xué)習(xí)，擠壓CAE模擬，對(duì)幾種工藝參數(shù)下的成形缺陷進(jìn)行分析，提高改進(jìn)工藝5.30-6.5撰寫說明書、文檔整理、準(zhǔn)備PPT和答辯5.9-5.29工藝改進(jìn)及舉措，零件cam及編程備注畢業(yè)設(shè)計(jì)具體要求：1.畢業(yè)設(shè)計(jì)支撐專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中畢業(yè)要求1中的指標(biāo)點(diǎn)4：能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)解決復(fù)雜機(jī)械工程問題，占該指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的40%；2.畢業(yè)設(shè)計(jì)支撐專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中畢業(yè)要求2中的指標(biāo)點(diǎn)4：能夠從數(shù)學(xué)與自然科學(xué)的角度對(duì)解決方案進(jìn)行分析，并試圖改進(jìn)，占該指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的20%；3. 畢業(yè)設(shè)計(jì)支撐專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中畢業(yè)要求3中的指標(biāo)點(diǎn)2：能夠?qū)鉀Q方案的可行性進(jìn)行初步分析與論證，占該指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的10%；4. 畢業(yè)設(shè)計(jì)支撐專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中畢業(yè)要求3中的指標(biāo)點(diǎn)4：設(shè)計(jì)過程中能夠綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、法律、安全、健康、倫理等制約因素，并得出可接受的指標(biāo)，占該指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的40%；5. 畢業(yè)設(shè)計(jì)支撐專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中畢業(yè)要求5中的指標(biāo)點(diǎn)3：掌握機(jī)械工程重要文獻(xiàn)資料的來源和獲取方法，占該指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的40%；6. 畢業(yè)設(shè)計(jì)支撐專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中畢業(yè)要求8中的指標(biāo)點(diǎn)4：在機(jī)械工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題實(shí)踐中，具有人文社會(huì)科學(xué)素養(yǎng)、社會(huì)責(zé)任感，能理解工程師的職業(yè)道德和責(zé)任，占該指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的20%；7. 畢業(yè)設(shè)計(jì)支撐專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中畢業(yè)要求10中的指標(biāo)點(diǎn)2：能夠通過口頭及書面方式表達(dá)自己的想法，能夠進(jìn)行有效的陳述發(fā)言，占該指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的20%；8.畢業(yè)設(shè)計(jì)支撐專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中畢業(yè)要求10中的指標(biāo)點(diǎn)4：了解機(jī)械行業(yè)相關(guān)學(xué)科基本知識(shí)和機(jī)械工程領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)機(jī)械工程領(lǐng)域的國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀有基本了解，具有一定的跨文化交流能力，占該指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的20%；9.畢業(yè)設(shè)計(jì)支撐專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中畢業(yè)要求11中的指標(biāo)點(diǎn)2：具有在多學(xué)科環(huán)境中應(yīng)用工程管理和經(jīng)濟(jì)決策知識(shí)的能力，占該指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的30%；10. 畢業(yè)設(shè)計(jì)支撐專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中畢業(yè)要求12中的指標(biāo)點(diǎn)2：有不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力，占該指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的30%。薄壁鋼筒冷精整模具設(shè)計(jì)與冷精整工藝優(yōu)化專業(yè)班級(jí)：模具1201 學(xué)生姓名：尹研指導(dǎo)教師：王勻 張扣寶摘要 本課題來源于企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需求，所研究的對(duì)象是應(yīng)用于液壓系統(tǒng)過濾器的重要部件薄壁鋼筒型外殼體，需要承受很大的油壓載荷。目前，對(duì)于該薄壁鋼筒型零件大多數(shù)廠家采用“溫反擠壓擠壓冷精整”工藝進(jìn)行生產(chǎn)，但是在冷精整過程中鋼筒內(nèi)腔頂部易出現(xiàn)凸起缺陷。擠壓件的冷精整過程演變比較復(fù)雜，材料特性、溫度條件、摩擦條件和潤(rùn)滑情況、毛坯尺寸以及模具形狀等因素對(duì)精整變形過程都有一定影響，所以對(duì)其進(jìn)行研究是擠壓件成形質(zhì)量控制的前提。為此，本文使用DEFORM-3D軟件進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，對(duì)原有工藝進(jìn)行優(yōu)化，并且對(duì)薄壁鋼筒冷精整模具進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以期提高薄壁鋼筒冷精整后的成形質(zhì)量，消除頂部缺陷。本文主要的研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下：1、針對(duì)薄壁鋼筒溫?cái)D壓件在冷精整過程中出現(xiàn)的內(nèi)腔頂部凸起現(xiàn)象，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)冷精整的成形過程進(jìn)行了深入分析，得到了內(nèi)腔頂部凸起缺陷的成形變化規(guī)律，同時(shí)運(yùn)用應(yīng)力分布、應(yīng)變速度場(chǎng)以及點(diǎn)追蹤法分析了薄壁鋼筒精整成形過程，總結(jié)了缺陷形成的原因。并且在以上研究的基礎(chǔ)上，提出了兩種解決方案。2、采用正交試驗(yàn)的方法，對(duì)方案一“工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，研究了凹模入模半角、工件上端斜角以及精整速度三個(gè)工藝參數(shù)對(duì)冷精整成形質(zhì)量的影響，最終找到了最優(yōu)的工藝參數(shù)組合方案，并且制定了“溫?cái)D壓+制坯+冷精整”的新工藝。3、對(duì)方案二“背壓式冷精整成形工藝”進(jìn)行有限元分析，研究將背壓技術(shù)運(yùn)用于冷精整工藝，通過控制工件局部金屬材料流動(dòng)，消除工件內(nèi)腔頂部缺陷的可行性；并且基于數(shù)值模擬的結(jié)果設(shè)計(jì)出了新型背壓式冷精整模具。關(guān)鍵詞 薄壁鋼筒；有限元分析；工藝優(yōu)化；正交試驗(yàn)；背壓式冷精整Thin-walled steel tube cold finishing mold design and cold finishing process optimizationAbstract：The topic comes from the actual production requirement, the object of this study is an outer casing of thin-walled steel cylindrical. This thin-walled steel cylindrical is an important component used in hydraulic systems filters and needs to bear a lot of large hydraulic loads. At present, most manufacturers often use warm Combined extrusion - cold finishing process to product this thin-walled steel cylinder parts, but on the top of the steel tube inner cavity are prone to convex defects in the cold finishing process, which does not meet the requirements of the manufacturing process. Because of the cold extrusion finishing process evolution is more complex, a series of factors( such as material properties, temperature and friction conditions, lubrication, rough size the structure of the die and so on) have a certain impact on the deformation of finishing process, so its research on extrusion formation is an important premise of quality control. In order to improve the forming quality after thin-walled steel tube has been cold finished and to eliminate defects, in this paper, DEFORM-3D is used to carry out FEM numerical simulation, to optimize the original process and to redesign thin-walled steel tube cold finishing mold.The main content of this study and the conclusions are as follows:1For the phenomenon of appearing the bulge defects on the top of the thin-walled steel cylindrical inner cavity during the cold finishing process, numerical simulation method has been used for in-depth analysis of cold finishing forming process, and get the convex defect forming regularity. At the same time, stress, velocity and point tracking method have been used to analyze the thin-walled steel tube warm extrusion forming process by simulation software, and the reasons for the formation defects have been summed up. At last, two solutions have been proposed on the basis of the above inquiry.2In order to analyze the first solution multi-objective optimization of process parameters, orthogonal experiment method has been used. Three process parameters, the die semiangle of concave die, the upper bevel angle of the workpiece and finishing speed have been explored for the influences of cold finishing forming quality, and finally found the combination regimen optimal process parameters, and to develop a warm extrusion system + blank + cold finishing of new technology. Finally, an optimal combination regimen of process parameters has been found, and a new finishing technology warm extrusion + billet + cold finishing has been developed.3The second solution back-pressure cold forming process finishing has been analyzed through FEM. Explore the feasibility of the back-pressure technology which is applied to cold finishing process and controls the flow of the partial metal material to eliminate cavity convex defects. At last, a new back-pressure cold finishing mold has been designed based on the results of numerical simulation.Keywords: thin-walled steel tube, finite element analysis, process optimization, orthogonal experiment, back-pressure cold finishing目錄第一章 緒論11.1前言11.2課題研究背景11.3國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀21.4國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀31.5發(fā)展趨勢(shì)41.6本文的研究目的和內(nèi)容5第二章 產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝流程分析62.1前言62.2產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)62.3產(chǎn)品工藝流程分析72.4工藝參數(shù)82.4.1冷精整量82.4.2入模半角8第三章 冷精整過程的塑性有限元數(shù)值模擬103.1前言103.2DEFORM-3D軟件簡(jiǎn)介103.3塑性有限元模型的建立103.4有限元數(shù)值模擬分析123.4.1冷精整數(shù)值模擬結(jié)果123.4.2缺陷形成原因分析133.4.3缺陷高度變化規(guī)律分析163.5小結(jié)18第四章 冷精整工藝優(yōu)化方案擬定194.1前言194.2方案一194.3方案二194.4環(huán)境、法律、安全、健康、倫理等因素的影響19第五章 冷精整工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化215.1前言215.2正交試驗(yàn)法原理215.3正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)225.4正交試驗(yàn)結(jié)果分析235.5最佳工藝參數(shù)組合的數(shù)值模擬驗(yàn)證255.6小結(jié)26第六章 背壓式冷精整工藝276.1前言276.2背壓成形原理276.3塑性變形區(qū)金屬流動(dòng)分析286.4背壓體冷精整有限元模型建立及參數(shù)設(shè)置296.5數(shù)值模擬結(jié)果分析316.6模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)336.7小結(jié)35第七章 結(jié)論與展望367.1結(jié)論367.2展望36致 謝38參考文獻(xiàn)3940第一章 緒論1.1 前言進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，世界市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，全球制造業(yè)更是以不可抵擋的姿態(tài)在競(jìng)爭(zhēng)的浪潮中獨(dú)占鰲頭，機(jī)械產(chǎn)品的加工技術(shù)進(jìn)一步得到重視和發(fā)展，產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、生產(chǎn)設(shè)備的耗材以及生產(chǎn)設(shè)備使用的便利性也日趨重要。擠壓工藝憑借其高精、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗以及能夠顯著改善產(chǎn)品的組織、性能等優(yōu)點(diǎn)在汽車、航空、航天等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。擠壓技術(shù)發(fā)展到今天雖然已經(jīng)有兩百多年的歷史，但在擠壓機(jī)理、模具制造以及擠壓工藝方面仍然不是十分完善。盡管如此，它能夠久經(jīng)不衰不僅得益于其材料利用率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高等諸多優(yōu)勢(shì)，更是因?yàn)殡S著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，將擠壓成形規(guī)律、缺陷形成原因以及擠壓工藝優(yōu)化等分析水平上升到了一個(gè)新的臺(tái)階。計(jì)算機(jī)高效的數(shù)據(jù)處理能力可以將復(fù)雜的擠壓演變過程形象化，結(jié)合傳統(tǒng)的擠壓工藝與現(xiàn)代制造方法，使得擠壓技術(shù)可以日臻完善。在本課題中，將借助DEFORM-3D有限元分析軟件，對(duì)薄壁鋼筒型零件的冷精整過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析可能形成的缺陷并對(duì)其工藝過程進(jìn)行優(yōu)化。1.2 課題研究背景本課題研究的主要對(duì)象是應(yīng)用于液壓系統(tǒng)過濾器的殼體濾筒。液壓系統(tǒng)工作性能的影響因素，一方面包含系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)元件的性能，另一方面還包含系統(tǒng)的污染防護(hù)和處理能力。系統(tǒng)的污染和雜質(zhì)對(duì)液壓系統(tǒng)的可靠性以及元件的使用壽命有直接的影響。液壓系統(tǒng)過濾器的主要作用就是過濾液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)各種污染和雜質(zhì)25。雜質(zhì)混入液壓油后，與液壓油一起的循環(huán)往復(fù)，會(huì)對(duì)液壓系統(tǒng)造成不可逆的損壞，嚴(yán)重影響其工作的穩(wěn)定可靠性。例如，堵死液壓元件中相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間的間隙以及節(jié)流小孔和縫隙；使相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間的油膜被破壞，造成間隙表面被劃傷，使內(nèi)部泄露增大，并且增加發(fā)熱、降低效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，液壓系統(tǒng)中75%以上的故障都是由液壓油中混入了雜質(zhì)造成的。因此對(duì)于高精度的液壓系統(tǒng)來說，保持液壓油清潔，防護(hù)液壓油被污染是至關(guān)重要的26。液壓系統(tǒng)過濾器的殼體壓降和潔凈濾芯壓降對(duì)過濾器的過濾能力和過濾精度有直接的影響。所以為了滿足液壓系統(tǒng)過濾器的工作要求，濾筒需要承受很大的油壓載荷。這就要求作為濾筒的薄壁鋼筒零件應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，保證在一定的工作壓力下不會(huì)因液壓力的作用而受到破壞以及在一定的工作溫度下，應(yīng)保持性能穩(wěn)定，有足夠可靠性和耐久性。近年來，隨著中國(guó)的工業(yè)化進(jìn)程轉(zhuǎn)入重工業(yè)為主的階段，重工業(yè)所占比重越來越大，大型液壓設(shè)備在中國(guó)市場(chǎng)，尤其是汽車、航空、航天和管道等市場(chǎng)的剛性需求逐年增大。迅猛發(fā)展的制造行業(yè)推動(dòng)了大型液壓設(shè)備及其周邊產(chǎn)業(yè)的欣欣向榮。據(jù)市場(chǎng)的不完全統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)液壓設(shè)備市場(chǎng)中，外國(guó)投資企業(yè)已經(jīng)占有了超過60%的市場(chǎng)份額，尤其是大型、精密的液壓設(shè)備的市場(chǎng)。外資企業(yè)僅僅是把中國(guó)當(dāng)作是其廉價(jià)的生產(chǎn)制造基地，而關(guān)鍵的核心技術(shù)仍然被外資企業(yè)牢牢的掌握在手中。由此看來，想要實(shí)現(xiàn)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，就必須掌握制造工藝核心技術(shù)，加速實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的零部件完全自主化生產(chǎn)。鍛壓件是液壓設(shè)備零部件的重要組成部件，鍛壓件在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求非常巨大。現(xiàn)階段我國(guó)開始實(shí)施中國(guó)制造2025計(jì)劃，在向制造強(qiáng)國(guó)發(fā)展的浪潮下，國(guó)家提出了“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、綠色發(fā)展”的基本方針，為此鍛壓企業(yè)普遍面臨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和技術(shù)升級(jí)等壓力。以產(chǎn)品成形質(zhì)量高、材料利用率高、加工生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等一系列優(yōu)勢(shì)著稱的溫冷復(fù)合成形技術(shù)，已經(jīng)成為塑性成形的重要發(fā)展方向，也十分符合現(xiàn)階段以及未來十年的發(fā)展潮流。1.3 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀在20世紀(jì)6070年代國(guó)外首次出現(xiàn)的“溫鍛”這種新型鍛造工藝。溫鍛是介于冷鍛和熱鍛之間的一種壓力加工技術(shù)，它的工藝特點(diǎn)是把工件加熱到金屬再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行鍛造。在國(guó)際冷鍛學(xué)術(shù)1971年會(huì)議上正式確定了溫鍛加工需要的溫度范圍。溫鍛技術(shù)于1980年后開始普遍應(yīng)用在汽車、管道等制造業(yè)，根據(jù)美國(guó)Blanc Engineering Corporation發(fā)布的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該公司鍛件產(chǎn)量已經(jīng)超過125萬噸，而且采用溫鍛技術(shù)加工的鍛件已經(jīng)超過了產(chǎn)量的一半。同年西德Bill Company聲稱基于溫鍛工藝的廣泛采用，該公司可以生產(chǎn)不銹鋼、高碳鋼及其他合金鍛件。時(shí)至1990年，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車生產(chǎn)制造中，溫冷復(fù)合成形技術(shù)已經(jīng)被深入的研究。德國(guó)科學(xué)家西福格講解了在汽車行業(yè)中溫冷復(fù)合成形技術(shù)的使用現(xiàn)狀,分析了利用不同加工方法生產(chǎn)同一批零件的工藝成本,并且總結(jié)了各種工藝的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)。埃克哈德科納教授進(jìn)行了基于溫冷復(fù)合成形工藝加工復(fù)雜形狀零件的可行性分析，以汽車行業(yè)中三個(gè)重要的零件為例，討論了其不同的成形工藝，以達(dá)到分析溫冷復(fù)合成形技術(shù)在工藝和成本方面的優(yōu)勢(shì)的目的從二十世紀(jì)開始，國(guó)外學(xué)者十分致力于溫冷復(fù)合成形工藝的研究，使其發(fā)展迅速。在韓國(guó)，常教授帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用冷精整技術(shù)得到了符合“凈成形”工藝要求的齒輪齒面幾何形狀、尺寸以及表面粗糙度工藝要求的齒輪零件，完成了從溫鍛齒輪毛坯到最終成品的后續(xù)精整加工。同樣為了得到近凈成形的齒輪零件，在日本，趙教授另辟蹊徑，從金屬流動(dòng)控制入手。李教授從有限元仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面研究利用溫冷復(fù)合成形技術(shù)生產(chǎn)等速萬向節(jié)球籠，從而優(yōu)化了當(dāng)前的生產(chǎn)工藝。在德國(guó)，石教授針對(duì)冷精整工藝作為近凈成形后處理的可行性進(jìn)行了研究，并以圓柱直齒輪為例驗(yàn)證了冷精整工藝有效改善齒輪預(yù)鍛件的表面質(zhì)量、提高產(chǎn)品尺寸精度的作用，精整后只需少量機(jī)械加工便可獲得產(chǎn)品成品?，F(xiàn)階段，隨著潤(rùn)滑工藝不斷的被研究，溫?cái)D壓的精度和生產(chǎn)效率越來越高，已經(jīng)成為復(fù)雜零件的主流加工方法。在德國(guó)，ThyssenKrupp公司的車用精鍛齒輪已經(jīng)使用溫精鍛工藝大批量直接生產(chǎn)。在美國(guó)，超過50%的精鍛件都是運(yùn)用溫冷復(fù)合成形技術(shù)加工而成14。憑借著溫冷復(fù)合成形工藝顯著的經(jīng)濟(jì)效益，這項(xiàng)技術(shù)不久便被廣泛運(yùn)用于汽車、紡織以及電器等工業(yè)部門的大批量生產(chǎn)中?，F(xiàn)如今，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械零件制造中成為了一種極為重要的加工手段，并且遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。1.4 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀我國(guó)溫鍛技術(shù)比西方國(guó)家發(fā)展晚。擠壓成形工藝在新中國(guó)成立前是極其滯后的。直到1970年由于工業(yè)生產(chǎn)的需求，擠壓加工的材料才開始由鉛、錫等有色金屬發(fā)展到鋼。近20年來，跟隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)茁壯成長(zhǎng)的腳步，熏陶在國(guó)家節(jié)能減排的大背景以及成長(zhǎng)在對(duì)鍛件生產(chǎn)質(zhì)量、加工精度愈加嚴(yán)格的市場(chǎng)中，我國(guó)的溫冷復(fù)合成形技術(shù)也同時(shí)得到了迅猛的發(fā)展。張質(zhì)良教授整理匯總了國(guó)內(nèi)外溫鍛工藝的相關(guān)資料,調(diào)理清晰的概述了成形機(jī)理、成形材料范圍、工藝特征以及模具結(jié)構(gòu)等溫塑性成形的諸多內(nèi)容,現(xiàn)如今己經(jīng)變?yōu)榱藝?guó)內(nèi)外溫鍛加工工廠重要的技術(shù)參考手冊(cè)7。胡慶華教授細(xì)致鉆研了利用溫冷復(fù)合成形技術(shù)加工205型號(hào)軸承內(nèi)外圈套料。張寶紅教授成功的利用了溫冷復(fù)合成形技術(shù)生產(chǎn)杯形零件，其成形后不需要進(jìn)行多余的機(jī)加工的特性也成功解決了材料利用率和生產(chǎn)效率雙低的難題。柴蓉霞教授研究了利用溫冷復(fù)合擠壓技術(shù)生產(chǎn)薄壁鐘形零件，利用材料的分流以及劃分區(qū)域轉(zhuǎn)移的研究方法優(yōu)化了原有的工藝方案。朱懷沈教授利用廣義胡克定律計(jì)算公式計(jì)算出精整量的最小值，同時(shí)建立了正向冷擠壓精整工藝加工直齒圓柱齒輪的三維彈塑性有限元模型, 得出齒輪的相對(duì)壁厚以及齒面冷精整量與齒面回彈量之間的變化規(guī)律20。張浩教授建立了三維剛塑性有限元模型，仿真模擬了利用溫?cái)D壓技術(shù)加工經(jīng)典的汽車殼體類零件時(shí)內(nèi)部金屬流動(dòng)的情況，總結(jié)出毛坯溫度和摩擦系數(shù)與成形載荷之間的關(guān)系。上海交通大學(xué)塑性成形工程系和上汽鍛造總廠合作，分析了汽車制造工業(yè)里的典型零件的溫冷復(fù)合成形工藝過程，對(duì)制造生產(chǎn)工藝過程和最優(yōu)化的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了總結(jié)，將理論轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)實(shí)際7。可以說，溫冷復(fù)合成形技術(shù)是一個(gè)十分有效的精密體積成形工藝，值得大力推廣。盡管溫冷復(fù)合成形技術(shù)在過去幾十年的風(fēng)雨中得到了較為顯著的進(jìn)展，但這項(xiàng)技術(shù)仍舊十分稚嫩，依然缺乏理論研究以及實(shí)際生產(chǎn)方面的技術(shù)參考資料，依然缺乏針對(duì)溫冷復(fù)合成形工藝的工藝參數(shù)（其中包含摩擦潤(rùn)滑條件、合理的金屬流線分布、模具結(jié)構(gòu)、模具磨損規(guī)律以及模具延壽技術(shù)等）較為系統(tǒng)和全面的概括總結(jié)，依然缺乏對(duì)溫成形、冷精整新生產(chǎn)工藝方面的創(chuàng)新性研究。1.5 發(fā)展趨勢(shì)隨著日益激烈的世界市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，尤其從21世紀(jì)開始，決定企業(yè)能否生存發(fā)展的最重要因素已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠髽I(yè)產(chǎn)品的開發(fā)能力。產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、生產(chǎn)設(shè)備的耗材以及設(shè)備使用的便利性也變得日益不可忽略。在制造和生產(chǎn)金屬制件以及機(jī)器零件的過程中，由于需要大幅度地提高生產(chǎn)效率、增大金屬材料的利用率以及提升產(chǎn)品的制造精度等諸多因素，新型的成形技術(shù)越來越被各個(gè)工業(yè)國(guó)家和企業(yè)重視。擠壓工藝正是作為一項(xiàng)高效率、高精度、優(yōu)品質(zhì)、低消耗的先進(jìn)制造生產(chǎn)工藝技術(shù)逐漸登上了機(jī)械制造的舞臺(tái)。相比于常規(guī)的模鍛技術(shù)，擠壓工藝在材料的利用率、產(chǎn)品的質(zhì)量精度、生產(chǎn)的效率等諸多方面具備很大的優(yōu)勢(shì)，在中小型鍛件大規(guī)模化生產(chǎn)中應(yīng)用較多。由于擠壓技術(shù)具備了以上所述優(yōu)勢(shì)，因而普遍的被國(guó)內(nèi)外廠家重視，并且發(fā)展迅猛。根據(jù)近20年來的發(fā)展勢(shì)頭看，隨著不斷提高的模具材料性能、不斷改進(jìn)的成形設(shè)備力學(xué)性能以及不斷研發(fā)的表面潤(rùn)滑處理方法，在實(shí)際制造生產(chǎn)中擠壓技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。盡管這項(xiàng)技術(shù)仍然被看作是一種發(fā)展中的技術(shù)，盡管在擠壓機(jī)理、擠壓工藝以及模具制造等諸多方面擠壓成形工藝仍然存在不完善的地方，但是現(xiàn)在可以利用高效的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理功能將傳統(tǒng)工藝和現(xiàn)代制造方法結(jié)合起來，使擠壓工藝日臻完善?？梢灶A(yù)見，溫冷復(fù)合成形生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度將大大提高，計(jì)算機(jī)控制整條生產(chǎn)線的運(yùn)作，機(jī)械手執(zhí)行每道工序的操作，運(yùn)用在線監(jiān)控和檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)快速的生產(chǎn)節(jié)拍快、高效的效率。溫冷復(fù)合成形技術(shù)將不斷突破材料的限制，在有色金屬中陸續(xù)展開，可成形的零件種類變得更加豐富。CAD/CAM/CAE技術(shù)在溫冷復(fù)合成形工藝中的運(yùn)用將更加成熟與廣泛，并向著質(zhì)量?jī)?yōu)先、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、綠色發(fā)展的方向發(fā)展。1.6 本文的研究目的和內(nèi)容本課題來源于企業(yè)的實(shí)際需求。薄壁鋼筒是液壓系統(tǒng)過濾器的重要部件，承受的油壓載荷很大，目前常采用冷溫復(fù)合擠壓工藝進(jìn)行生產(chǎn)。但是在冷精整時(shí)內(nèi)腔頂部易出現(xiàn)凸起的缺陷。擠壓件的冷精整成形過程演變比較復(fù)雜，材料特性、溫度條件、摩擦條件和潤(rùn)滑情況、坯料尺寸和模具形狀等因素對(duì)變形過程都有一定影響，所以對(duì)其進(jìn)行研究是擠壓件成形質(zhì)量控制的前提。主要研究?jī)?nèi)容如下：1. 研究制定了薄壁鋼筒溫冷復(fù)合擠壓工藝，通過DEFORM-3D等手段對(duì)冷精整成形過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析，初步探討了冷精整成形機(jī)理和缺陷形成原因。2. 利用正交試驗(yàn)研究了擠壓速度、毛坯形狀以及模具工作部分結(jié)構(gòu)等因素對(duì)金屬成形過程的一般影響規(guī)律，得出最佳的成形工藝參數(shù)組合，并對(duì)冷精整成形過程進(jìn)行優(yōu)化， 3. 研究了背壓式冷精整工藝，設(shè)計(jì)了新的背壓式冷精整模具，并且對(duì)不同的背壓力進(jìn)行仿真分析和性能評(píng)測(cè)，找到最適合的方案。第二章 產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝流程分析2.1 前言計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，是利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，簡(jiǎn)稱CAD。在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員可以使用計(jì)算機(jī)分擔(dān)計(jì)算、信息存儲(chǔ)以及制圖等多項(xiàng)工作。CAD能夠減輕設(shè)計(jì)人員的工作負(fù)擔(dān)，縮短設(shè)計(jì)周期并且提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。UG是現(xiàn)階段模具行業(yè)最常使用的一種CAD三維建模軟件。其憑借著半?yún)?shù)化的設(shè)計(jì)，比Pro/E等相同功用的軟件更具自由性和設(shè)計(jì)操作性。因?yàn)樗梢栽谕浇５沫h(huán)境下去除產(chǎn)品的參數(shù)對(duì)配套的模具進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，被大多是國(guó)內(nèi)外模具廠家所青睞。在章節(jié)中，主要使用UG來對(duì)所研究的零件以及模具進(jìn)行三維建模，分析了薄壁鋼筒零件的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并且參考?xì)んw類零件的擠壓機(jī)理和擠壓工藝，制定出了符合產(chǎn)品工藝要求以及使用需求的一種溫冷復(fù)合擠壓工藝。2.2 產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)本文所研究的擠壓件屬于薄壁鋼筒型零件，其形狀結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。薄壁鋼筒擠壓件零件圖如圖2.1所示，圖2.2是在UG軟件中建立的相對(duì)應(yīng)的三維模型。圖2.1 薄壁鋼筒零件圖圖2.2 薄壁鋼筒三維模型該零件使用的材料是20#鋼。20#鋼是一種優(yōu)質(zhì)低碳碳素鋼，其成形塑性好、韌性高、強(qiáng)度低，現(xiàn)已成為一種常用的冷擠壓鋼。根據(jù)圖2.1、圖2.2可以看出，薄壁鋼筒零件主要由凸臺(tái)和鋼筒兩部分組成，零件總長(zhǎng)為235mm，鋼筒壁厚為8.1mm，筒壁長(zhǎng)度為211mm，鋼筒頂部有高度為13.5mm的正六邊形凸臺(tái)。2.3 產(chǎn)品工藝流程分析生產(chǎn)該零件的坯料是圓柱形毛坯，首先經(jīng)過墩粗和壓凹整形兩道工序加工為擠壓毛坯。凸臺(tái)和筒壁部分由溫復(fù)合擠壓成形得到，由于凸臺(tái)和鋼筒過度處的結(jié)構(gòu)特殊、形狀復(fù)雜，所以擠壓后不希望在過度部分進(jìn)行后續(xù)機(jī)加工。另外，因?yàn)殇撏餐獗诤屯古_(tái)處均要求有0.5mm的跳動(dòng)公差且壁厚較薄，所以若薄壁鋼筒外壁直接經(jīng)過溫復(fù)合擠壓一次成形得到比較困難，不僅不易控制零件成形精度，而且擠壓模具需要極高的尺寸精度和表面粗糙度，大大增加了模具制造難度和成本。綜上所述，對(duì)于該薄壁鋼筒型零件現(xiàn)采用三道擠壓成形工序進(jìn)行加工，首先采用溫復(fù)合擠壓工序進(jìn)行預(yù)成型，加工出頂部凸臺(tái)、過度部分以及內(nèi)腔；隨后進(jìn)行兩次冷精整工序使筒壁部分拉長(zhǎng)變薄，最終達(dá)到零件圖紙要求的尺寸、形狀、位置精度，兩次冷精整工序?qū)D壓件的最終精度有重要的直接的影響；最后在冷精整工序后需要對(duì)鋼筒底部進(jìn)行后續(xù)修邊取長(zhǎng)，取長(zhǎng)的加工余量必須保證不少于10mm。因此，參考軸對(duì)稱殼體類零件現(xiàn)階段工廠實(shí)際生產(chǎn)時(shí)普遍采用的工藝流程制定出如下所示的溫冷復(fù)合擠壓工藝：下料拋丸涂層加熱鐓粗整形溫復(fù)合擠壓退火拋丸磷皂化處理精整殼體退火拋丸磷皂化處理精整殼體取長(zhǎng)其中，退火工序以及拋丸、磷皂化處理工序不僅消除了溫復(fù)合擠壓工序后的擠壓件殘余應(yīng)力，而且為后續(xù)的冷精整工序提供了良好的潤(rùn)滑條件、有效的提高了目標(biāo)金相組織的塑性。2.4 工藝參數(shù)2.4.1 冷精整量薄壁鋼筒冷精整時(shí)，其冷精整的過程是彈塑性變形過程，所以可以使用廣義胡可定律計(jì)算其冷精整量的回彈量。胡克定律計(jì)算公式為：=E （2-1）=ln(D+)2D2 （2-2）其中，是屈服應(yīng)變；是屈服應(yīng)力；E是彈性模量；D是薄壁鋼筒成品零件的外徑；是冷精整的精整量。由于薄壁鋼筒的材料是AISI-1020(20#鋼)，所以取=245Mpa，E=206GPa，D=68.2mm，經(jīng)過計(jì)算并參考該零件的實(shí)際生產(chǎn)情況，設(shè)計(jì)第一次冷精整從79mm到73mm，精整量為6mm，斷面收縮率A為25.78%；第二次冷精整從73mm到68.2mm，精整量為4.8mm，斷面收縮率A為25.82%，兩者均在合理的減徑精整變形量范圍中。因?yàn)樵诶渚尚芜^程中的精整變形量較大而回彈量相對(duì)較小，所以可以完全忽略擠壓件的彈性變形，回彈量忽略不計(jì)。所以在本課題的數(shù)值仿真時(shí)可以定義冷精整過程是塑性變形過程。2.4.2 入模半角精整凹模的入模半角（圖2.3）是另一個(gè)十分重要的工藝參數(shù)。為了達(dá)到精整薄壁鋼筒外徑的目的，對(duì)薄壁鋼筒冷靜精整時(shí)，工件通過凹模入模半角的擠壓，擠壓力被分解為軸向擠壓力和徑向擠壓力，在軸向擠壓力的作用下，鋼筒溫?cái)D壓件表面層的金屬產(chǎn)生縮頸流動(dòng)，從而產(chǎn)生減徑精整的效果。圖2.3 冷精整凹模入模半角示意圖薄壁鋼筒冷精整成形過程是一種正擠壓過程，在相同的擠壓變形程度下如果凹模入模半角較小，則軸向擠壓力會(huì)變大，導(dǎo)致動(dòng)模面壓會(huì)比較高，對(duì)工件的表面質(zhì)量和形位精度有一定的提高；另一方面凹模的入模半角也不可以過小，入模半角過小會(huì)導(dǎo)致冷精整力的徑向分力變小，不易控制金屬材料的流動(dòng)，從而影響冷精整的效果?？梢愿鶕?jù)潤(rùn)滑劑的選擇、摩擦條件、斷面收縮率、擠壓速度以及擠壓變形程度等影響因素進(jìn)行計(jì)算從而得到合理的精整凹模入模半角的許用范圍。通過計(jì)算并且結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)選取薄壁鋼筒冷精整凹模的入模半角取值范圍在315。在本章節(jié)中定義冷精整凹模入模半角為5，定徑工作帶長(zhǎng)度為4mm。第三章 冷精整過程的塑性有限元數(shù)值模擬3.1 前言眾所周知，擠壓成形的演變過程十分復(fù)雜，其模型的本構(gòu)關(guān)系的影響因素也十分眾多，對(duì)它的定量分析在目前階段不盡人意。但是基于計(jì)算機(jī)高效率的計(jì)算而發(fā)展開的數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為了實(shí)踐生產(chǎn)中對(duì)擠壓機(jī)理研究以及成形工藝改善的一大助力。有限元數(shù)值模擬不僅可以反映金屬塑性成形的應(yīng)變、應(yīng)力、載荷、速度等變化規(guī)律，而且可以將其應(yīng)用到模具的設(shè)計(jì)開發(fā)、工藝優(yōu)化之中。運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，可以在不需要進(jìn)行物理試生產(chǎn)的情況下，得到擠壓成形過程中的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速度以及溫度分布等信息，幫助設(shè)計(jì)人員了解設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在加工制造過程中可能會(huì)出現(xiàn)的各種情況，及早發(fā)覺產(chǎn)品和工藝的缺陷并且加以修正優(yōu)化。這會(huì)大大減少產(chǎn)品的研發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)和試生產(chǎn)成本，在國(guó)內(nèi)外，有限元數(shù)值模擬已經(jīng)成為了一種常見的設(shè)計(jì)手段。在本章節(jié)中，將使用DEFORM-3D有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)薄壁鋼筒冷精整過程進(jìn)行仿真，研究冷精整時(shí)金屬材料的演變規(guī)律并且找出薄壁鋼筒內(nèi)腔頂部凸起缺陷的形成原因。3.2 DEFORM-3D軟件簡(jiǎn)介DEFORM-3D是由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)Battelle實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出來的基于剛塑性有限元的體積成形分析軟件，十分適用于分析擠壓成形工藝，在分析材料流動(dòng)、模具填充、鍛造負(fù)荷 、模具應(yīng)力、晶粒流動(dòng)、金屬微結(jié)構(gòu)和缺陷產(chǎn)生發(fā)展等工藝數(shù)據(jù)方面有很大的能力2。模擬塑性成形過程時(shí)利用DEFORM-3D軟件，可以研究成形過程中材料的流動(dòng)規(guī)律、預(yù)測(cè)各種可能形成的缺陷、優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和工藝方案并且減少物理生產(chǎn)試驗(yàn)和修模時(shí)間、成本18。3.3 塑性有限元模型的建立整個(gè)數(shù)值模擬試驗(yàn)是基于 DEFORM-3D 軟件進(jìn)行的，有限元模型是在DEFORM-3D前處理器模塊中建立的。因?yàn)橥耆雎粤斯ぜ膹椥宰冃?，所以采用塑性有限元模型?duì)冷精整過程進(jìn)行模擬。仿真過程中定義所用的材料質(zhì)地均勻并且呈現(xiàn)各向同性，體積力與慣性力均忽略不計(jì)并且材料服從Mises屈服準(zhǔn)則。因?yàn)楸”阡撏擦慵?、凹模以及凸模均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以選擇工件以及模具實(shí)體的1/2進(jìn)行建模，并且需要在建模后設(shè)置對(duì)稱的邊界條件，從而減少了數(shù)值模擬時(shí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算的工作量，在不影響模擬精度的條件下增加了工作效率。將薄壁鋼筒工件以及凸模、凹模三維模型轉(zhuǎn)為stl格式并且導(dǎo)入DEFORM-3D有限元分析軟件，作為有限元網(wǎng)格的劃分載體。薄壁鋼筒毛坯定義為塑性變形體，材料數(shù)據(jù)直接選取DEFORM-3D材料數(shù)據(jù)庫(kù)中AISI1020（20#鋼）材料，溫度設(shè)為20C。采用四面體單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)為8000。因?yàn)楸菊n題研究對(duì)象為鋼筒內(nèi)腔頂部的缺陷區(qū)域，所以同時(shí)對(duì)鋼筒頂部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化，如圖3.1所示。在DEFORM-3D數(shù)值模擬過程中，工件的體積會(huì)發(fā)生減少，從而影響數(shù)值仿真的分析精度，所以需要對(duì)已劃分網(wǎng)格的工件進(jìn)行體積補(bǔ)償。在仿真過程中凸模和凹模均不發(fā)生形變，所以定義為剛性體，無需對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。凸模固定不動(dòng)，凹模為主動(dòng)模，進(jìn)給速度設(shè)置為10mm/s。冷精整成形過程中毛坯和凸模、凹模之間的接觸摩擦均定義為庫(kù)侖摩擦模型，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.12，為了減少仿真軟件模擬步數(shù)，減少運(yùn)算工作量，所以設(shè)置凹模的起始位置與薄壁鋼筒工件在豎直方向發(fā)生干涉，干涉值定義為0.001。所建模型如圖3.2所示。局部細(xì)化分區(qū)域圖3.1 薄壁鋼筒毛坯有限元模型圖3.2 薄壁鋼筒冷精整有限元模型與薄壁鋼筒制造工藝流程吻合，整個(gè)數(shù)值仿真過程也分為第一次和第二次冷精整兩部分。需要根據(jù)工件所劃分的網(wǎng)格單元長(zhǎng)度的1/3左右來確定模擬參數(shù)中的每步長(zhǎng)度，一般情況下，都是根據(jù)最小網(wǎng)格單元長(zhǎng)度的1/31/10來確定步長(zhǎng)的取值，經(jīng)過測(cè)量計(jì)算現(xiàn)設(shè)定模擬步長(zhǎng)為2mm。第一次冷精整時(shí)設(shè)定總步數(shù)為100，每經(jīng)過五步保存一次模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。第二次冷精整以第一次結(jié)束后的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)模型，更換第二次冷精整凹模模型，總步數(shù)在第一次冷精整的基礎(chǔ)上另外增加130步。此時(shí)總模擬步數(shù)為230步。3.4 有限元數(shù)值模擬分析3.4.1 冷精整數(shù)值模擬結(jié)果通過DEFORM-3D模擬處理器進(jìn)行運(yùn)算，再由后處理器打開運(yùn)算的模擬結(jié)果，可以得到兩次冷精整數(shù)值模擬結(jié)果效果圖，如圖3.3所示。（a）第一次冷精整結(jié)果圖 （b）第二次冷精整結(jié)果圖圖3.3 冷精整結(jié)果圖可以看出，冷精整過程中鋼筒壁厚均勻，鋼筒底部高度基本一致，且金屬高度落差均在10mm的修整取長(zhǎng)范圍內(nèi)。鋼筒頂部六邊形凸臺(tái)結(jié)構(gòu)、凸臺(tái)與鋼筒外壁過渡部位角度準(zhǔn)確、形狀完好，沒有受到冷精整過程的影響。但是鋼筒工件頂部與凸模之間出現(xiàn)拱形間隙，最終在薄壁鋼筒頂部形成了凸起缺陷。3.4.2 缺陷形成原因分析圖3.4 頂部缺陷鋼筒內(nèi)腔頂部凸起缺陷如圖3.4所示。在仿真初始過程中（第5步）缺陷就開始初步形成，第二次冷精整時(shí)缺陷高度進(jìn)一步增大并且隨著模擬步數(shù)的增大頂部缺陷也變得越來越明顯。圖3.5 第10步時(shí)工件的應(yīng)力分布和速度分部為了定性分析冷精整過程中鋼筒金屬材料的受力情況以及流動(dòng)走向，總結(jié)缺陷形成原因，我們需要比對(duì)鋼筒的應(yīng)力場(chǎng)和速度場(chǎng)。圖3.5分別表示第一次冷精整過程中，凹模與薄壁鋼筒頂部接觸時(shí)的應(yīng)力分布和金屬材料流動(dòng)速度矢量分布。通過分析可以看出，在應(yīng)力場(chǎng)中，由于凹模與工件的接觸區(qū)域在工件頂部，所以在凹模與凸模的擠壓力和摩擦力的共同作用下，接觸區(qū)域的最大應(yīng)力為1150MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接觸部分的上下兩側(cè)區(qū)域。在速度場(chǎng)中，接觸區(qū)域的金屬材料流動(dòng)速度矢量出現(xiàn)分流，在接觸部分下側(cè)區(qū)域的金屬材料向下流動(dòng)，在接觸部分上側(cè)區(qū)域的金屬材料向上流動(dòng)。為了對(duì)缺陷成因得出更明確的結(jié)論，我們需要定量分析工件與凹模接觸區(qū)域及其兩側(cè)的應(yīng)力和速度大小。所以以第一次冷精整為例，在冷精整初始階段的接觸區(qū)域及其兩側(cè)以及工件頂部的中心位置分別設(shè)置了追蹤點(diǎn)，如圖3.6所示。其中P1對(duì)應(yīng)接觸部分的下側(cè)區(qū)域，P2對(duì)應(yīng)工件與凹模的接觸區(qū)域，P3對(duì)應(yīng)接觸部分的上側(cè)區(qū)域，P4對(duì)應(yīng)工件頂部的中心位置。圖3.6 工件追蹤點(diǎn)分部對(duì)上文給定的四個(gè)追蹤點(diǎn)在第一次冷精整全過程內(nèi)分別進(jìn)行應(yīng)力和速度追蹤，并繪制應(yīng)力-時(shí)間以及速度-時(shí)間曲線圖，其結(jié)果如圖3.7所示。（a）應(yīng)力-時(shí)間曲線 （b）速度-時(shí)間曲線圖3.7 追蹤點(diǎn)的應(yīng)力追蹤和速度追蹤從應(yīng)力-時(shí)間曲線圖中可以看出，在冷精整的初始階段（從起始到第3.36秒內(nèi)），四個(gè)追蹤點(diǎn)的應(yīng)力大小按降序可排列為P2P3P4P1,既應(yīng)力在接觸區(qū)域最大，上側(cè)區(qū)域次之，隨后是工件頂部中心位置，而接觸部分的下側(cè)區(qū)域最小。根據(jù)最小阻力定律可以得出結(jié)論，冷精整初始階段，在工件與凹模的接觸區(qū)域金屬材料向上流動(dòng)的趨勢(shì)要比向下流動(dòng)的趨勢(shì)強(qiáng)；另外工件頂部的金屬材料因?yàn)槭艿捷^大的徑向擠壓分力，其產(chǎn)生的應(yīng)力也隨著P3點(diǎn)應(yīng)力的增大而增大，工件頂部中心的金屬材料在四周以及筒壁材料的擠壓下均有向中間流動(dòng)的趨勢(shì)并且呈現(xiàn)出向上拱起的態(tài)勢(shì)。3.36秒之后，凹模下移，接觸區(qū)域離開工件頂部，工件頂部的4個(gè)追蹤點(diǎn)所受到的應(yīng)力開始逐漸減小，并在下降的趨勢(shì)下開始波浪式的起伏。同樣，從速度-時(shí)間曲線圖中可以看出，在冷精整的初始階段（從起始到第3.36秒內(nèi)），四個(gè)追蹤點(diǎn)的金屬材料流動(dòng)速度大小按降序可排列為P2P4P3P1,既在接觸區(qū)域的金屬材料流動(dòng)速度最大，其次是工件頂部的中心位置以及接觸部分的上側(cè)區(qū)域，接觸部分的下側(cè)區(qū)域金屬材料的流動(dòng)速度最小，幾乎為零?？梢则?yàn)證工件內(nèi)腔頂部的凸起缺陷正是在冷精整初始階段成形的。但是隨著冷精整凹模的逐步向下進(jìn)給，工件與凹模接觸部分的下側(cè)區(qū)域金屬材料的流動(dòng)速度迅速增大，并超過了接觸區(qū)域的金屬材料流動(dòng)速度，隨后兩者在第7.2秒左右同時(shí)先后減少至0；同時(shí)工件頂部的中心位置以及接觸部分的上側(cè)區(qū)域金屬流動(dòng)速度在小幅上升過后也在第4.2秒左右逐漸減小到0。綜合應(yīng)力-時(shí)間曲線圖與速度-時(shí)間曲線圖可以得出初步的結(jié)論，薄壁鋼筒內(nèi)腔頂部的凸起缺陷在冷精整的初始階段逐步成形并且其高度將達(dá)到最大值。隨后，當(dāng)凹模向下運(yùn)動(dòng)，凹模與工件的接觸部分離開工件頂部，凸起缺陷的高度不會(huì)有明顯變化。下面我們將對(duì)這一結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。3.4.3 缺陷高度變化規(guī)律分析由于在整個(gè)仿真過程中設(shè)置為每隔5步保存一次模擬數(shù)據(jù)，所以在兩次冷精整模擬過程中，每經(jīng)過5步測(cè)量一次薄壁鋼筒內(nèi)腔頂部與凸模之間的間隙的最大距離，記錄下測(cè)量數(shù)據(jù)并且繪制成如圖3.8所示的凸起缺陷高度隨模擬仿真步數(shù)的變化規(guī)律圖。圖3.8 凸起缺陷高度變化規(guī)律圖從第0步開始直到第一百步為第一次冷精整過程，第100步到230步為第二次冷精整過程。從變化規(guī)律圖中我們可以看出，在兩次冷精整的初始階段（第一次冷精整的第0步到第25步以及第二次冷精整的第100步到第125步），凸起缺陷高度迅速增長(zhǎng)（增長(zhǎng)變化值分別為1.1048mm以及3.1326mm）并且到達(dá)最大值，第二次冷精整的增長(zhǎng)變化值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一次冷精整。在隨后的精整擠壓過程中，凸起缺陷高度均緩慢降低，其減少變化值分別為0.1794mm和0.6725mm。根據(jù)圖3.8可以驗(yàn)證，薄壁鋼筒件的內(nèi)腔頂部凸起缺陷主要成形于冷精整初始階段，在隨后的筒壁精整階段（為方便表述，將缺陷高度減小階段命名為缺陷恢復(fù)階段），凸起高度不升反降，最終形成了我們所觀察到的拱形凸起。圖3.9 第10步與第50步速度矢量對(duì)比圖圖3.9分別表示了第一次冷精整初始階段（第10步）以及筒壁精整階段（第50步）的金屬材料流動(dòng)速度矢量分布。通過對(duì)比可以看出在缺陷恢復(fù)階段，薄壁鋼筒件內(nèi)腔頂部金屬的流動(dòng)方向從初始階段的豎直向上變化為與凹模速度方向相同。這是因?yàn)殡S著凹模向下移動(dòng)，冷精整凹模與工件的接