鋁套復(fù)合擠壓工藝分析及數(shù)值模擬

1、 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)） 2015 屆 材料成型及控制工程 專(zhuān)業(yè) 1106092 班級(jí) 題 目 鋁套復(fù)合擠壓工藝分析及數(shù)值模擬 姓 名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 劉長(zhǎng)紅 職稱(chēng) 副教授 二一 五 年 五 月 十八 日內(nèi) 容 提 要擠壓是用沖頭或凸模對(duì)放置在凹模中的坯料加壓，使之產(chǎn)生塑性流動(dòng)，從而獲得相應(yīng)于模具的型孔或凹凸模形狀的制件的一種壓力加工方法。冷擠壓不需要加熱，是一種少切削或無(wú)切削的加工工藝，具有節(jié)約原料，生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。但如果選擇參數(shù)不合適，擠壓力偏大會(huì)磨損模具，降低工件的尺寸精度。本文對(duì)鋁套的工藝性進(jìn)行了分析，包括鋁套的形狀，尺寸精度，坯料的形狀尺寸和潤(rùn)滑劑的選擇做了簡(jiǎn)單

2、的分析。鋁套的形狀為杯-桿形件，可以確定通過(guò)復(fù)合擠壓來(lái)成形。文中對(duì)擠壓件成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬了摩擦系數(shù)和擠壓速度對(duì)擠壓力和損傷因子的影響，通過(guò)改變不同的參數(shù)，確定了最佳的一組變形工藝參數(shù)。 選擇該參數(shù)生產(chǎn)的擠壓件，尺寸精度比較高，金屬流動(dòng)性好，與預(yù)想結(jié)果基本相同，為零件的實(shí)際生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。關(guān) 鍵 詞杯-桿形件；冷擠壓；數(shù)值模擬；工藝優(yōu)化Process analysis and numerical simulation sets of aluminum composite extrusion Author:JiangHanzhiadviser:ProfLiu changhongAbst

3、ract Extrusion is the punch or punch to be placed in the die blank-pressing, to produce plastic flow, thereby to obtain a mold shaped hole corresponding to the shape of the workpiece or embossing mold pressure processing methods. Cold extrusion need for heating, is a little cutting or no cutting pro

4、cess, with savings of raw materials, productivity advantages. However, if the selection parameter is inappropriate, extrusion mold wear Assembly partial pressure, reduce the dimensional accuracy of the workpiece. In this paper, the process of the aluminum jacket were analyzed, including the shape, d

5、imensional accuracy, size and shape of the blank aluminum sleeve lubricant choice to do a simple analysis. Aluminum sleeve in the shape of a cup - rod-shaped member, can be determined by a composite extrusion molding. Paper, the extrusion forming process was simulated to simulate the friction coeffi

6、cient and the extrusion speed pressure and damage factor squeeze on, by varying different parameters, determine the best set of deformation process parameters. Select the parameters of extrusion production, dimensional accuracy is relatively high, the metal flow is good, and the expected results are

7、 basically the same, this is the part based on mass production basis.Key wordsCup - rod-shaped member; cold extrusion; numerical simulation; process optimization目 錄緒論1第二章 擠壓件的工藝性22.1 冷擠壓件的極限尺寸22.2 擠壓件的尺寸精度32.2.1擠壓件的表面粗糙度42.3 擠壓工藝方案的確定42.3.1 擠壓工藝的設(shè)計(jì)4第三章 擠壓力與擠壓變形程度63.1 擠壓變形程度63.2 擠壓許用變形程度73.3 擠壓力的計(jì)算83

8、.3.1 影響擠壓力的主要因素83.3.2 單位擠壓力的計(jì)算9第四章 擠壓材料及擠前處理104.1擠壓件的坯料104.1.1 擠壓件坯料的尺寸計(jì)算104.1.2 坯料的制備方法104.2 擠前處理114.2.1冷擠壓坯料的軟化處理114.2.2 冷擠壓坯料的表面及潤(rùn)滑處理12第五章 模具設(shè)計(jì)135.1 擠壓模具設(shè)計(jì)的要求135.2 模具工作部分零件的設(shè)計(jì)135.2.1 凸模的設(shè)計(jì)135.2.2 反擠壓凸模尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)155.2.3 凹模尺寸確定175.2.4 反擠壓頂桿的設(shè)計(jì)18第六章 數(shù)值模擬196.1 引言196.2 有限元模擬模型的建立196.3 工藝參數(shù)的優(yōu)化216.3.1 摩擦系數(shù)的

9、優(yōu)化分析216.3.2 擠壓速度的影響246.3.3 金屬流動(dòng)速度場(chǎng)分析266.4 結(jié)論27致 謝29參考文獻(xiàn)：29緒論 擠壓工藝是靠金屬材料的變形轉(zhuǎn)移獲得所需尺寸和形狀的零件，是一種高效、優(yōu)質(zhì)、低消耗的加工工藝，在汽車(chē)、航天、機(jī)械、輕工、軍工、電器等制造領(lǐng)域有著舉足輕重的作用。擠壓技術(shù)，是一種世界先進(jìn)的成形技術(shù)，在目前原材料價(jià)格上漲市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨劇烈的情況下，使擠壓技術(shù)展現(xiàn)更光明的前景。擠壓技術(shù)發(fā)展迅速，逐漸代替了部分切削加工，鑄造鍛造和拉伸成形工藝，應(yīng)用越來(lái)越普遍。 擠壓就是通過(guò)凸模運(yùn)動(dòng)，對(duì)模腔中的金屬坯料施加一定的壓力，產(chǎn)生金屬流動(dòng)，來(lái)獲得一定形狀尺寸以及具有一定力學(xué)性能的擠壓件的一種加工

10、方法。顯然，擠壓是靠模具來(lái)金屬材料塑性變形，以金屬體積的大量轉(zhuǎn)移來(lái)成形零件的一種塑型加工工藝。根據(jù)變形前坯料所處的溫度狀態(tài)，擠壓可分為冷擠壓、溫?cái)D壓和熱擠壓三種。冷擠壓是在金屬材料處于回復(fù)溫度下所進(jìn)行的擠壓，一般金屬材料的冷擠壓指的是室溫狀態(tài)下所進(jìn)行的擠壓。溫?cái)D壓是在金屬材料處于再結(jié)晶溫度下，回復(fù)溫度以上的某個(gè)適當(dāng)溫度范圍內(nèi)所進(jìn)行的擠壓。熱擠壓是在金屬材料加熱到再結(jié)晶溫度以上某個(gè)溫度范圍內(nèi)所進(jìn)行的擠壓。 擠壓技術(shù)有著200多年的發(fā)展歷程，涉及工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)部門(mén)，并且科技不斷進(jìn)步經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展也為擠壓技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，支撐起更光明的前景。第二章 擠壓件的工藝性冷擠壓適用于加工延展性好且軟質(zhì)的坯

11、料，不適合硬度在110HBS以上的金屬材料。鋁套形狀是軸對(duì)稱(chēng)的回轉(zhuǎn)體。鋁套的形狀保證了金屬在擠壓方向流速大致相同。變形均勻，降低了單位擠壓力，使模具壽命較高。鋁套的外型面應(yīng)不宜選擇直角過(guò)渡，如果零件直徑變化不大則運(yùn)用切削加工方法。 圖 2-1 鋁套2.1 冷擠壓件的極限尺寸由擠壓模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)郝濱海編著P24-25可知， 圖 2-2 鋁套圖例 最小壁厚S:薄壁厚度越小，則變形通道越窄，金屬的流動(dòng)性越差。U性壁厚度越小，對(duì)凸凹模的同軸度和模具材料的精度要求也就越高。通常擠壓純鋁時(shí)SD/200但不小于0.08mm;擠壓銅時(shí)SD/200但不小于0.5mm; 最小壓余厚度t：t2S 正擠壓桿形件的殘

12、余部分厚度不應(yīng)小于2mm.鋁不小于0.3mm,銅不小于0.5mm,鋼不小于2mm。 最大擠壓深度l:一般擠壓鋁材時(shí)l=(710)d 最大擠壓長(zhǎng)度l:擠出部分過(guò)長(zhǎng)，潤(rùn)滑和退料發(fā)生困難。一般取l10d 孔徑和外徑:一般取孔徑d0.86D，復(fù)合擠壓時(shí)d0.4D 過(guò)渡錐角：合適的錐角在擠壓時(shí)材料變形均勻，擠壓件不粘模，不拉傷。 擠壓比 1.25 2.0 4.0 5.0正擠壓棒、管形件錐角/() 1020 3045 4560 7590反擠壓杯形件錐角/()6090 6090 7590 7590最小圓角半徑r:通常?。簉=(0.050.2)d2.2 擠壓件的尺寸精度 冷擠壓件的尺寸精度與工件尺寸的大小、工

13、件工藝性，擠壓速度等有關(guān)。鋁套徑向尺寸偏差通常是模具一般要求擠壓用的坯料的尺寸偏差控制在0.05mm以?xún)?nèi)，坯料必須含有平整的上下底面。 由擠壓模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)表2.27知，由磨損和模具材料的彈性膨脹量導(dǎo)致的直徑偏差值約為0.05mm2.2.1擠壓件的表面粗糙度 由表2.29和2.30可知，冷擠壓件所能達(dá)到的表面粗糙度為0.4m2.2.2擠壓速度 由擠壓工藝與模具設(shè)計(jì)（張水忠編著）知，總體來(lái)說(shuō)，擠壓速度對(duì)冷擠壓?jiǎn)挝粩D壓力的影響并不明顯。圖4-12可知，F(xiàn)40%時(shí)，熱效應(yīng)的影響較小，冷作硬化占優(yōu)勢(shì)，隨著擠壓速度的增加，單位擠壓力略有增加。工件的斷面收縮率F=8/18=44.4% 40% 熱效應(yīng)的影

14、響增大，坯料溫度升高，冷作硬化得到一定程度的緩和。2.3 擠壓工藝方案的確定2.3.1 擠壓工藝的設(shè)計(jì) 從擠壓坯料成一系列步驟擠壓成形，以最小的步驟中，最短的過(guò)程中的坯料形成的逐漸成為需要擠壓的形狀，在經(jīng)濟(jì)上合理的生產(chǎn)，以滿(mǎn)足質(zhì)量要求。由擠壓模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)表2.33知 計(jì)算坯料的體積 =44.75 其中-坯料體積 V-擠壓件體積 確定坯料尺寸 =17.9 mm =5 mm 應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：（1） /0.8（冷剪下料）（2） 100% -坯料直徑 mm -坯料高度 mm -擠壓件高度 mm -許用的變形程度 /=0.280.8 確定總變形程度 = -坯料截面積 -擠壓件截面積 -許用的變形程度

15、 確定擠壓次數(shù) 一道工序：= 工序設(shè)計(jì) /=0.280.8 且=3.583 所以選沖裁下料第三章 擠壓力與擠壓變形程度3.1 擠壓變形程度 擠壓變形程度是表示坯料在擠壓時(shí)金屬塑性變形量大小，也就是原始坯料和被加工件截面積的變化程度。由擠壓模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)表3.1和表3.2可知 斷面收縮率，計(jì)算公式為 擠壓比，計(jì)算公式為 高度縮減率，計(jì)算公式為 其中 -擠壓前坯料的橫截面積， ； -冷擠壓后坯料的橫截面積 ， ；-擠壓件高度，mm;-坯料高度mm（1）實(shí)心件正擠壓 圖 3-1 正擠壓示意圖 斷面收縮率 =100%=80.2% 擠壓比 =5（2）杯形件反擠壓 圖 3-2 反擠壓示意圖 斷面收縮率

16、= 擠壓比 =2.653.2 擠壓許用變形程度 擠壓是指變形容許變形程度允許一次擠壓過(guò)程的量。隨著變形程度的冷擠壓工藝提高，抗變形能力也增加，當(dāng)超過(guò)模具可以允許單位擠壓力，模具壽命將會(huì)減少，甚至?xí)斐赡＞邠p壞。許用變形程度應(yīng)該在模具材料單位擠壓力的范圍之內(nèi)，不管工藝參數(shù)和擠壓材料條件如何，變形程度皆應(yīng)該按同一許用單位擠壓力決定。批量生產(chǎn)中小型擠壓件許用單位擠壓力一般取20002500MPa(條件較好的情況下取大值，一般情況下取小值） 由擠壓模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)表3.3知，硬鋁冷擠壓許用的變形程度為：斷面收縮率正擠壓 90%95% 反擠壓 75%90% （高強(qiáng)度的金屬取下限值，低強(qiáng)度的金屬取上限值）

17、 此鋁套復(fù)合擠壓的正擠壓部分的斷面收縮率=80.2%90% 反擠壓部分的斷面收縮率=62.2%75% 所以都在許用變形程度范圍內(nèi)。3.3 擠壓力的計(jì)算 擠壓力是設(shè)計(jì)模具類(lèi)型，選擇擠壓設(shè)備和模具材料的依據(jù)。擠壓力的數(shù)值與材料的性能，擠壓變形程度，模具幾何形狀和潤(rùn)滑等諸多因素有關(guān)。確定擠壓力應(yīng)該包含以下兩項(xiàng)內(nèi)容：確定凸模上所承受的單位擠壓力確定擠壓變形所需的總擠壓力3.3.1 影響擠壓力的主要因素 被擠壓金屬的組織結(jié)構(gòu)，化學(xué)成分和力學(xué)性能：高抗拉強(qiáng)度的金屬在擠壓變形過(guò)程中所需的變形力比低強(qiáng)度的金屬大的多，因此金屬抗拉強(qiáng)度對(duì)擠壓力的影響很大 擠壓方式：其他條件相同的情況下，采用正擠壓或反擠壓或復(fù)合擠

18、壓所需的擠壓力是不一樣的。 變形程度：應(yīng)根據(jù)擠壓壓力和所選擇的模具材料，同時(shí)考慮擠壓過(guò)程中模具升溫情況來(lái)確定擠壓變形程度的極限值 除以上因素外，擠壓模工作部分的幾何形狀、潤(rùn)滑狀態(tài)、加熱溫度和變形速度的大小等因素也對(duì)擠壓力有重要影響。3.3.2 單位擠壓力的計(jì)算 正擠壓時(shí) =2230=480.1 由3.1知=80.2%，則由擠壓工藝及模具設(shè)計(jì)表4-4知 取230 -擠壓材料變形抗力，;-坯料直徑 mm;-坯料高度，mm;-擠壓后直徑，mm;-凹模工作帶高度，mm;-摩擦因數(shù) 反擠壓時(shí) =841.96其中，-擠壓材料變形抗力，;-坯料直徑；-工件內(nèi)徑，mm;-摩擦因數(shù) 復(fù)合擠壓時(shí)，已知復(fù)合擠壓的單

19、位擠壓力低于單向正擠壓和單向反擠壓的單位擠壓力。 當(dāng)復(fù)合擠壓限定某一方向尺寸時(shí)：（反擠壓限定尺寸時(shí)）（正擠壓限定尺寸時(shí)） 當(dāng)復(fù)合擠壓不限定某一方向尺寸時(shí)：其中 -復(fù)合擠壓的單位擠壓力，;-單向正擠壓的單位擠壓力，；-單向反擠壓的單位擠壓力，第四章 擠壓材料及擠前處理4.1擠壓件的坯料4.1.1 擠壓件坯料的尺寸計(jì)算 圖 4-1 毛坯圖 修邊余量：修邊余量的高度值h可根據(jù)工件高度查表5.3可知 h=2.5 mm. 坯料高度：坯料長(zhǎng)度的高徑比應(yīng)不超過(guò)2.02.5，最好用1.51.8由圖知 H=5mm 坯料的外徑： =17.9 mm 為了便于將坯料放入凹模內(nèi)，坯料外徑應(yīng)比凹模直徑尺寸小0.10.2

20、mm 坯料的橫截面積：=80.1 4.1.2 坯料的制備方法 坯料的制備方法有沖裁下料，切削下料，截切下料，鋸切下料等方法。其中棒料或管料截切下料時(shí)在機(jī)械壓力機(jī)上用專(zhuān)門(mén)的截切模具對(duì)棒料進(jìn)行截切下料，這是應(yīng)用最廣泛的方法。板料沖裁下料一般適用于坯料長(zhǎng)徑比很小的圓柱體坯料，或者是非原形有色金屬扁平狀坯料。鋸切可以切斷橫截面積較大的坯料，尺寸精度高，坯料斷面平整，但切口處材料損耗比較大。車(chē)床切削下料，形狀規(guī)則，坯料尺寸精度較高，但生產(chǎn)效率較低，并且材料利用率也不太高，一般可以用于小批量生產(chǎn)。所以選用棒料鋸切下料方式4.2 擠前處理4.2.1冷擠壓坯料的軟化處理 很大部分坯料在擠壓之前或多道擠壓工序之

21、間進(jìn)行軟化處理是為了提高冷擠壓坯料的金屬流動(dòng)性和改善模具的使用年限，因此來(lái)提升材料的塑性，降低材料的硬度，得到規(guī)則的纖維組織并消除坯料經(jīng)過(guò)變形殘余的內(nèi)應(yīng)力。對(duì)于硬鋁來(lái)說(shuō)，根據(jù)擠壓工藝及模具設(shè)計(jì)硬鋁的軟化處理規(guī)范如下圖所示， 圖 5-2 坯料軟化處理規(guī)范圖處理前的硬度為105HBS，處理后的硬度為6573HBS4.2.2 冷擠壓坯料的表面及潤(rùn)滑處理 硬鋁材料塑性差，在擠壓的過(guò)程中為了避免在內(nèi)部產(chǎn)生顯微裂紋發(fā)生斷裂，應(yīng)使硬鋁坯料平整表面形成一層致密的金屬氧化薄膜或磷化薄膜。這是一層致密，多孔的氧化膜或磷化膜結(jié)晶，呈灰黑色，可以用磷化處理，氧化處理或氟硅化處理來(lái)獲得。 根據(jù)擠壓工藝及模具設(shè)計(jì)表3-7

22、可知，硬鋁的潤(rùn)滑處理劑成分為工業(yè)菜油（常用潤(rùn)滑劑為豆油，菜油，蓖麻油）或皂化。效果尚好，冷擠壓件內(nèi)表面粗糙度在=0.8以下。第五章 模具設(shè)計(jì)擠壓過(guò)程中，通過(guò)施加壓力而變形擠壓坯料和擠壓材料的模具裝置擠出施加的反作用力，以抵抗模具的變形。因此，如果在模具的承載能力大于推壓力，就可以順利生產(chǎn)出所需的零件，如果按壓力小于所述模具的承載能力，模具將被損壞。為了擠壓的順利進(jìn)行，它必須被設(shè)計(jì)擠壓工藝和模具結(jié)構(gòu)，以提高模具的承載能力。5.1 擠壓模具設(shè)計(jì)的要求冷擠壓過(guò)程中單位擠壓力比較大，必須適當(dāng)考慮模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，材料的選擇，制造工藝及其熱處理問(wèn)題。 表6-1 冷擠壓模具應(yīng)當(dāng)符合的一般要求 序號(hào) 要求 1

23、凸，凹模等工作部分應(yīng)該有比較高的強(qiáng)度和較長(zhǎng)的使用壽命，能簡(jiǎn)潔可靠地固定在模架上 2凸，凹模上下模座之間的支撐面積應(yīng)當(dāng)足夠大，以降低單位擠壓力。應(yīng)有足夠強(qiáng)度的淬硬墊板 3模具易損部分拆卸方便，制造簡(jiǎn)單，成本費(fèi)用低，保證工人操作的安全性 4坯料放置容易，定位準(zhǔn)確，擠出的工件方便取出5.2 模具工作部分零件的設(shè)計(jì)5.2.1 凸模的設(shè)計(jì) 反擠壓凸模一般是由夾緊和成形兩部分組成，當(dāng)擠壓凸模在擠壓時(shí)采用的?？趯?dǎo)向形式，則還需要增加導(dǎo)向部分。如圖6.1 圖5-1 反擠壓凸模的組成部分 為了更加有利于金屬流動(dòng)，這就要求凸模成形部分具有合理的尺寸和形狀，以降低單位擠壓力，以此來(lái)提高模具的使用壽命。按照反擠壓凸模

24、成形部分的形狀不同的三種形式， 圖5-2 反擠壓凸模形式如圖5-2所示，帶平底錐形凸模和尖頂錐形凸模的使用效果明顯較好，單位擠壓力更小。尖頂錐形凸模的斜角越大則金屬更容易流動(dòng)，因此產(chǎn)生的單位擠壓力越小。但是斜角變大坯料的表面凸凹不平時(shí)，擠壓時(shí)容易發(fā)生凸模略微小角度傾斜，產(chǎn)生擠壓件壁厚的不一致。如果擠壓件內(nèi)孔底面為平底或者需要較小的單位擠壓力則可以選用平底凸模。 擠壓凸模工作部分高度為h的圓柱形表面稱(chēng)為工作帶，工作帶比以上凸模直徑都略小些，作用有以下三點(diǎn)：凸模與坯料的接觸面積減少，避免凸模與擠壓件發(fā)生相對(duì)位移而使表面粗糙度增加同時(shí)降低摩擦力；避免擠壓過(guò)程結(jié)束后擠壓件由于接觸面積較大產(chǎn)生較大的摩擦

25、力而附著在凸模上；避免工作帶以上凸模發(fā)生彎曲而擠壓件的內(nèi)孔直徑變大，以至于影響工件內(nèi)徑的尺寸精度。5.2.2 反擠壓凸模尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)在一般情況下，反擠壓凸模所受到的單位擠壓力比正擠壓所受到的單位擠壓力大，同時(shí)因?yàn)榕髁戏胖梦恢貌划?dāng)或者坯料斷面凸凹不平，會(huì)導(dǎo)致凸模反擠壓受到偏心載荷而導(dǎo)致折斷，因此應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計(jì)和正確選擇凸模的尺寸參數(shù)。 表5-3 反擠壓凸模尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算表 名稱(chēng) 有色金屬工作帶直徑 等于擠壓孔徑最大尺寸工作帶高度h/mm0.51.5底部平坦部分直徑0.7錐頂角/()325非工作部分直徑d（0.850.95）斜面與工作帶交接處/mm0.30.5斜面與平坦部分交接處r0.51.0定位

26、直徑（1.11.3）定位高度（0.550.65）支撐部分直徑（1.21.5）支撐部分高度（0.51.0）支撐部分錐半角/()515支撐錐面與交接處1.0d與交接處2.0dD與交接處1.5 由5-3表可知，=14mm h=1mm d=9.8mm =15 d=12.6mm =0.4mm r=0.7mm =15.4mm =8.4mm =18.2mm =9.8mm =10=15.4mm =25.2mm =21mm 圖6-4 凸模5.2.3 凹模尺寸確定 根據(jù)工件的尺寸，形狀，材料種類(lèi)以及精度不同，反擠壓的凹模也有各種形式。一般反擠壓凹模是由成形和頂出兩部分組成。由擠壓工藝及模具設(shè)計(jì) 圖5-21可知，一

27、般的凹模型腔的尺寸參數(shù)如圖所示，為了減少擠壓過(guò)程中金屬流動(dòng)的阻力，并且為了方便送料和取料，凹模的內(nèi)孔一般略帶錐度由表5-3可知凹模的尺寸計(jì)算、由計(jì)算可得，D=18mm R=2mm =2mm =2mm =11.15mm =0.3mm如下圖所示 圖5-5 凹模 圖5-6 頂桿5.2.4 反擠壓頂桿的設(shè)計(jì) 反擠壓頂桿是相當(dāng)于凹模的一部分，在擠壓過(guò)程中承受著較大單位擠壓力，設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)度應(yīng)該是考慮的重要因素，并且能夠使較大單位擠壓力能緩和地傳遞給墊板，反擠壓頂桿的支撐處的直徑應(yīng)該比工作部分直徑較大。為了不產(chǎn)生縱向毛刺和更容易退料，反擠壓頂桿底部直徑應(yīng)該比凹模的型腔小0.1mm ，反擠壓頂桿的支撐部分直徑D

28、=(1.31.5)d,為了避免產(chǎn)生應(yīng)力集中發(fā)生彎曲過(guò)渡圓角的半徑應(yīng)該盡可能的大。 第六章 數(shù)值模擬 6.1 引言 有限元法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展而產(chǎn)生的一種有效的離散數(shù)值計(jì)算方法。目前有限元模擬已經(jīng)在廣泛的領(lǐng)域得到有效運(yùn)用，從力學(xué)的運(yùn)用到電磁學(xué)，熱傳導(dǎo)，材料科學(xué)和流體力學(xué)等領(lǐng)域。由于科學(xué)技術(shù)水平的提高在金屬塑性加工領(lǐng)域的運(yùn)用也扮演著重要的角色。根據(jù)變形特征不同塑性成形（板料成形和體積成形）形成兩種經(jīng)典的材料模型，即彈塑性模型和鋼塑性模型，與之相對(duì)應(yīng)的也就是有限元法分為彈塑性有限元法和剛塑性有限元法。 DEFORM是一種基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，適用于分析金屬成形過(guò)程及其工業(yè)的各種成形工藝以

29、及熱處理工藝。設(shè)計(jì)人員和工程師借助在計(jì)算機(jī)上模擬整個(gè)加工過(guò)程設(shè)計(jì)產(chǎn)品和工具工藝流程，提高模具設(shè)計(jì)的效率，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而縮短新產(chǎn)品研究開(kāi)發(fā)的周期。 金屬塑性變形過(guò)程的物理過(guò)程很復(fù)雜，因此我們必須做出一部分假設(shè)，就是把變形的某些過(guò)程理想化以至于從數(shù)學(xué)上進(jìn)行處理問(wèn)題。對(duì)剛塑性材料基本假設(shè)如下：忽略擠壓過(guò)程中材料的彈性變形材質(zhì)均勻各向流動(dòng)性相同慣性力和體積力忽略不計(jì)材料的體積基本保持不變材料的金屬流動(dòng)遵循Levy-流動(dòng)法則6.2 有限元模擬模型的建立 材料模型的建立，即要獲得材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系（本構(gòu)關(guān)系）以定義材料在載荷作用下的響應(yīng)行為。在一般情況下，采取的本構(gòu)關(guān)系是否正確將會(huì)在很大程度上影響著模

30、擬的精度。Deform中定義材料參數(shù)分為兩種方式，一種是從軟件自帶材料庫(kù)選取，二是用戶(hù)自定義來(lái)完成。本文選用的彈體材料為硬鋁LY12，對(duì)應(yīng)DEFORM材料庫(kù)中的AL-2024，COLD70F(20C)。因?yàn)槟＞卟牧蠟閯傮w，所以使用默認(rèn)的模具材料就行。一般情況下網(wǎng)格數(shù)目是由確定的實(shí)體表面所劃分的單元數(shù)目和網(wǎng)格密度控制參數(shù)量方面決定的。對(duì)于一定的擠壓件，網(wǎng)格數(shù)目越多即密度越大，可以提高材料模型的分辨率，并提高應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算精度，因而在本文中對(duì)擠壓件進(jìn)行自動(dòng)劃分，初始數(shù)目為1000.模具為剛體，沒(méi)必要進(jìn)行網(wǎng)格劃分。邊界的劃分，塑性成形中的接觸是比較普遍的邊界非線(xiàn)性行為，常見(jiàn)的接觸分為剛體-柔體接觸和

31、半柔體-柔體的接觸。本文中工件為柔體而模具材料為剛體。設(shè)定毛坯左端邊界為對(duì)稱(chēng)邊界BCC坯料凸模凹模 圖6-1 凸凹模有限元模擬6.3 工藝參數(shù)的優(yōu)化6.3.1 摩擦系數(shù)的優(yōu)化分析 摩擦是影響金屬材料塑性變形的一個(gè)重要因素。邊界的潤(rùn)滑條件不同程度則對(duì)工件變形時(shí)金屬流通的影響也不相同，若潤(rùn)滑條件惡化則可能導(dǎo)致內(nèi)部變形不均勻。冷擠壓時(shí)，材料受到三向壓應(yīng)力而進(jìn)行塑性變形。如果擠壓材料與模具表面接觸，必然會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，造成擠壓力驟然上升，且擠壓件表面拉毛，有的甚至于產(chǎn)生裂紋，使擠壓過(guò)程無(wú)法正常進(jìn)行。冷擠壓表面預(yù)處理包括去除表面缺陷，表面清洗，去除表面氧化層，去氫處理。這些表面處理為了改善表面質(zhì)量，

32、改善摩擦系數(shù)。 只改變deform中的摩擦系數(shù)而其他參數(shù)不變，通過(guò)Deform-2D模擬不同摩擦系數(shù)的情況下應(yīng)力以及損傷因子的變化情況，來(lái)達(dá)到優(yōu)化摩擦因數(shù)的目的，模擬結(jié)果如圖7-2所示， a. 摩擦系數(shù)為0.05 b. 摩擦系數(shù)為0.1 c. 摩擦系數(shù)為0.15 d. 摩擦系數(shù)為0.2 圖6-2 不同摩擦系數(shù)的損傷因子變化圖 本文分別選用了0.05，0.1,0.15,0.2四組摩擦系數(shù)進(jìn)行模擬，圖7-2是在不同摩擦系數(shù)下的損傷因子的變化，從圖6-2中可以得到，在其他變形參數(shù)相同的情況下，損傷因子的變化情況并不顯著，分別為0.232,0.24,0.229,0.236隨著摩擦系數(shù)增加，工件的損傷因

33、子呈上升趨勢(shì)，這是由于摩擦條件逐漸惡化導(dǎo)致坯料的金屬流動(dòng)性下降。 a. 摩擦系數(shù)為0.05 b. 摩擦系數(shù)為0.1 c. 摩擦系數(shù)為0.15 d. 摩擦系數(shù)為0.2 圖6-3 不同摩擦系數(shù)載荷-時(shí)間曲線(xiàn)圖 從圖6-2中可以得到，在其他變形參數(shù)相同的情況下，最大擠壓力分別為105.1KN，114KN，121KN，127KN，擠壓力變化并不顯著。 摩擦力的大小是影響模具的磨損速度的一個(gè)重要因素，并且會(huì)導(dǎo)致模具的溫度迅速升高，更易使擠壓模具產(chǎn)生缺陷或疲勞變形，進(jìn)而使模具的年限縮短。因此在擠壓過(guò)程中有效穩(wěn)定的潤(rùn)滑處理這一重要步驟是保證擠壓過(guò)程順利有效進(jìn)行的關(guān)鍵。整體情況來(lái)看，隨著摩擦系數(shù)逐漸增大使不均

34、勻性變形程度增加。6.3.2 擠壓速度的影響 擠壓速度的大小影響的擠壓過(guò)程中，擠壓的順利進(jìn)行，然后會(huì)有一些影響質(zhì)量。適當(dāng)提高擠出速度可以降低摩擦系數(shù)，從而避免了擠壓模和模具鋼材工件的熱變形的冷卻效果。然而，如果擠壓速度超過(guò)一定限度時(shí)，由于由拉伸應(yīng)力比金屬附著強(qiáng)度的塑性變形的摩擦可能導(dǎo)致工件的開(kāi)裂。變形區(qū)金屬的流動(dòng)更快，金屬較為嚴(yán)重的分布不均。應(yīng)變速率增加是金屬塑性變形阻力增加可能超過(guò)該裝置的容量。綜上所述，在工件尺寸合理，表面光滑，設(shè)備能力范圍內(nèi)的條件下，為提高生產(chǎn)效率應(yīng)盡量提高擠壓速度。本文選取1mm/s ,5mm/s ,10mm/s 三種擠壓速度進(jìn)行數(shù)值模擬。 a. 擠壓速度為1mm/s

35、b.擠壓速度為5mm/s c.擠壓速度為10mm/s 圖6-4 不同擠壓速度的損傷因子圖 a.1mm/s b.5mm/s c.10mm/s 圖6-5 不同擠壓速度的載荷-時(shí)間圖 在其他因素一定時(shí)，擠壓速度的變化對(duì)擠壓力，金屬流動(dòng)以及損傷因子的影響。由圖6-3可知，當(dāng)擠壓速度為1mm/s時(shí)，損傷因子z最大為0.238，擠壓力最大為106KN；當(dāng)擠壓速度為5mm/s時(shí)，損傷因子最大為0.221,最大擠壓力為106KN；當(dāng)擠壓速度為10mm/s時(shí)，損傷因子最大為0.234，最大擠壓力為106KN。綜上所述，擠壓力基本保持不變，而損傷因子當(dāng)擠壓速度為1mm/s時(shí)最小。即當(dāng)擠壓速度為5時(shí)，成形工藝最優(yōu)。6.3.3 金屬流動(dòng)速度場(chǎng)分析 通過(guò)deform數(shù)值模擬，可以得到在摩擦系數(shù)為0.05、擠壓速度都為5mm/sec時(shí)，模具的擠壓力最小損傷也最小。所以在此參數(shù)下對(duì)鋁套擠壓過(guò)程中的金屬流動(dòng)和擠壓力變化進(jìn)行分析。 a.第80步 b.第88步 C.第96