雙杯形件設(shè)計學(xué)士學(xué)位論文

南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文PAGE141引言1.1選題的依據(jù)及意義雙杯形件是兩端中空、中間存在連皮，形似兩個杯子疊在一起的一類工件的通稱。作為常用工具和連接件，在生產(chǎn)生活中有著重要的應(yīng)用。因為有著較大高徑比、較薄壁厚的特點，在生產(chǎn)中，通常采用擠壓的方式成形。由于擠壓工藝和工件本身的特點，決定了成形中金屬流動復(fù)雜。成形后的外觀和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)得不到很好的保證。模具的磨損也很嚴(yán)重。對成形過程采用DEFORM－3D軟件模擬，可以減少試驗經(jīng)費，縮短試驗時間，而且可以對整個成形過程的各個局部成形情況進(jìn)行動態(tài)、數(shù)值的表現(xiàn)。另外對杯形件所做的實驗分析，可以從中得到寶貴數(shù)據(jù)，指導(dǎo)實踐生產(chǎn)工作。對雙杯形件成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬和實驗分析可以為WDJ36殼體（單杯形件）的成形分析、模具設(shè)計及生產(chǎn)工藝提供經(jīng)驗參考，是解決類似問題一個典型應(yīng)用。WDJ36殼體是一傳感器零件，是單杯形件，原來采用機(jī)械車削工藝生產(chǎn)，材料利用率低，且零件的機(jī)械力學(xué)性能差。從現(xiàn)狀考慮，為降低材料消耗，提高零件的機(jī)械性能，提高生產(chǎn)效率，尋求一種切實可行的新的加工工藝方法非常有必要。冷擠壓是無切屑、少切屑零件加工工藝之一，已經(jīng)成為近代金屬塑性加工中的一種先進(jìn)的加工方法。近年來，在機(jī)械制造工藝方面廣泛采用冷擠壓先進(jìn)技術(shù)，取得了顯著的成效。目前，隨著計算機(jī)、快速造型及數(shù)字化等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，使冷擠壓工藝進(jìn)一步得到開拓和采用。與機(jī)械車削工藝相比，冷擠壓工藝已經(jīng)成為金屬塑性成形中最先進(jìn)的工藝之一，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上它都有很多顯著優(yōu)點：a、顯著降低原材料的消耗；b、提高勞動生產(chǎn)率；c、可成型復(fù)雜形狀的零件；d、提高零件的力學(xué)性能；e、可獲得較高尺寸精度及較小表面粗糙度值的零件；f、減少工序，縮短生產(chǎn)周期g、減少設(shè)備投資；h、降低零件的生產(chǎn)成本。由此看出，選擇擠壓工藝作為WDJ36殼體的加工工藝可以達(dá)到成形和改性目的，非常合適。然而，在擠壓成形過程中金屬流動情況復(fù)雜，成形時易產(chǎn)生充填不滿、不對稱等缺陷，給成形工藝的制定帶來很大的困難。影響成形的主要因素有凹模圓角、摩擦因素、材料性能等，定量地分析這些因素對變形過程的影響將對生產(chǎn)實踐起到有效的指導(dǎo)。據(jù)調(diào)查近年來有限元分析方法已經(jīng)發(fā)展成為對塑性成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬的最有效方法。它可以比較精確地求解變形體內(nèi)部的各種場變量，如速度（位移）場、應(yīng)變場、和應(yīng)力場，從而為工藝分析提供科學(xué)依據(jù)。當(dāng)給出一定的條件和判據(jù)后，則可進(jìn)一步對成形過程進(jìn)行優(yōu)化和控制。因此，它在塑性成形中的應(yīng)用日益廣泛。DEFORM軟件是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng)（FEM），專用于分析各種金屬成形過程中的三維流動，提供有價值的工藝分析數(shù)據(jù)及有關(guān)成形過程中的材料和溫度流動。DEFORM－3D的典型應(yīng)用包括鍛造、擠壓、鐓頭、軋制、自由鍛、彎曲和其他成形加工。因此，利用DEFORM－3D軟件對WDJ36殼體的成形過程進(jìn)行模擬，分析不同擠壓條件的變形過程，并在此基礎(chǔ)上給出工藝參數(shù)的合理值，從而能為優(yōu)化模具設(shè)計，合理制定工藝提供可靠的依據(jù)。1.2國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢國內(nèi)外學(xué)者對鋁合金杯形件擠壓成形工藝及模具設(shè)計做了大量的工作。一些學(xué)者對冷擠壓的基本原理、冷擠壓件的原材料及毛坯準(zhǔn)備、冷擠壓力的計算、冷擠壓零件的設(shè)計、冷擠壓工藝分析及制定和冷擠壓模具設(shè)計等都做了詳細(xì)介紹[1]。另外，一些教材上還專門詳細(xì)介紹了杯形件反擠壓模具的種類、結(jié)構(gòu)、模具各組成部分的設(shè)計內(nèi)容以及工藝過程等[2]。在數(shù)值成型模擬方面，于斌、郝濱海、徐桂華等人利用DEFORM-3D有限元數(shù)值模擬軟件對套筒扳手系列零件的擠壓變形過程進(jìn)行了模擬?；谀M的結(jié)果，對成形過程重要的工藝參數(shù)進(jìn)行了分析比較，進(jìn)一步提出套筒扳頭成形工藝及模具設(shè)計的改進(jìn)建議[3]。另外，他們還利用DEFORM-3D有限元數(shù)值模擬軟件對雙杯形件零件的擠壓變形過程進(jìn)行了模擬，對特定尺寸關(guān)系下的成型情況進(jìn)行了比較，對雙杯形件的成型工藝的改善提出了建議，取得了很好的效果[4]。曹龍斌、于玲則利用MSC/superform軟件對杯形件溫擠壓成形進(jìn)行了數(shù)值模擬，著重分析不同擠壓溫度、不同凹模圓角下的金屬流變和應(yīng)力應(yīng)變分布，對模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析，最終優(yōu)化模具設(shè)計以及為實驗研究和生產(chǎn)提供了科學(xué)的依據(jù)[5]。在擠壓成形工藝和模具設(shè)計方面，金仁鋼、蘇麗芳、金會棟等人在階梯方鋁罩的擠壓成形工藝與模具設(shè)計方面做了研究，他們從冷擠壓的工藝特點出發(fā)，對純鋁階梯方鋁罩的加工進(jìn)行了工藝分析，計算出擠壓力并選擇了壓力機(jī)，闡述了冷擠壓模具結(jié)構(gòu)及設(shè)計要點，取得了很好的效果[6]。黃樹海、張寶紅、張治民等人則對某廠大量生產(chǎn)的杯形件零件的成形難點進(jìn)行了分析，并針對這些難點制定了相應(yīng)的工藝方案和有效的解決措施，研制了相應(yīng)的模具，對實驗中出現(xiàn)的問題采取了可行的措施，解決了成形過程中的難題。試驗結(jié)果表明他們制定的工藝切實可行，模具使用效果和產(chǎn)品質(zhì)量好，減少了生產(chǎn)成本[7]。洪慎章敘述了用反擠壓工藝代替多道變薄拉伸工藝生產(chǎn)鋁合金外殼的優(yōu)點。對鋁合金外殼進(jìn)行了工藝分析、制訂了擠壓件圖、計算了毛坯尺寸及反擠壓力。介紹了毛坯制備處理、反擠壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計及主要零件的加工技術(shù)要求[8]。在國外也有很多學(xué)者在此方面做了很多研究，文獻(xiàn)[11]和[12]介紹了擠壓方面的相關(guān)研究。2雙杯形件實驗方案及模具設(shè)計2.1雙杯形件工藝分析如圖2-1所示工件為連皮厚度為3mm的雙杯形件零件圖,材料為6061鋁。工件參數(shù)如表2-1所示HH1H2h編號已知參數(shù)凸模長L凹模長P坯料長H0Hh(1)843721.730(2)79.7541.2521.734.25(3)75.545.521.738.5(4)675421.7317圖2-1雙杯形件產(chǎn)品零件圖表2-1雙杯形件參數(shù)表該零件為帶法蘭的雙杯形件，較一般的杯形件形狀復(fù)雜，在此用反擠壓的成形方法來研究不同的H2、h尺寸時的成形性能。2.2雙杯形件毛坯此毛坯由體積不變原理計算得來，已經(jīng)給定，如圖2-2所示圖2-2毛坯圖2.3雙杯形件擠壓設(shè)備及模具圖2.3.1擠壓實驗設(shè)備雙杯形件擠壓所采用的是微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)(WAW-1000C)，設(shè)備參數(shù)如下：最大試驗力：1000KN精度等級：1級試驗力測量范圍：20-1000KN活塞最大上升速度：50mm/s活塞最大位移：250mm2.3.2雙杯形件擠壓模具圖雙杯形件擠壓模具圖也已經(jīng)給定，簡圖如圖2-3所示，模具總裝圖如圖2-4所示：圖2-3雙杯形件模具簡圖圖2-4雙杯形件反擠壓模具總裝圖1.上模套2.導(dǎo)柱3.螺釘4.擠壓凸模5.擠壓凸模圈6.擠壓凹模7.擠壓下模8.下模板擠壓凸模如圖2-5所示，凸模長度L為84，79.75，75.5，67（mm）各一個擠壓凹模如圖2-6所示凹模高度H為37，41.25，45.5，54（mm）各一個圖2-5擠壓凸模圖2-6擠壓凹模3雙杯形件擠壓成形過程有限元數(shù)值模擬3.1模擬環(huán)境計算所用的有限元程序是DEFORMTM3D。DEFORM是由美國BattelleColumbus實驗室在八十年代早期著手開發(fā)的一套有限元分析軟件。早期的DEFORM2D軟件只能局限于分析等溫變形的平面問題或者軸對稱問題。隨著有限元技術(shù)的日益成熟，DEFORM軟件也在不斷發(fā)展完善，目前，DEFORM3D軟件已經(jīng)能夠成功用于分析考慮熱力耦合的非等溫變形和三維變形，此外，DEFORM軟件可視化的操作界面以及強(qiáng)大而完善的網(wǎng)格自動再劃分技術(shù)，都使DEFORM這一商業(yè)化軟件在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中變得愈來愈實用和可靠。DEFORM3D由前處理器、模擬處理器和后處理器三大模塊組成，DEFORM3D不具備實體造型功能，但它提供一些通用的CAD數(shù)據(jù)接口。(1)前處理器前處理器包括三個子模塊：1.數(shù)據(jù)輸入模塊，便于數(shù)據(jù)的交互式輸入，如：初始速度場、溫度場等初始條件；2.網(wǎng)格的自動劃分與自動再劃分模塊；3.數(shù)據(jù)傳遞模塊，當(dāng)網(wǎng)格重劃分后，能夠在新舊網(wǎng)格之間實現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變、速度場、邊界條件等數(shù)據(jù)的傳遞，從而保證計算的連續(xù)性。(2)模擬處理器真正的有限元分析過程是在模擬處理器中完成的，DEFORM3D運行時，首先通過有限元離散化將平衡方程、本構(gòu)關(guān)系和邊界條件轉(zhuǎn)化為非線性方程組，然后通過直接迭代法和Newton-Raphson法進(jìn)行求解，求解的結(jié)果以二進(jìn)制的形式進(jìn)行保存，用戶可在后處理器中獲取所需要的結(jié)果。(3)后處理器后處理器用于顯示計算結(jié)果，結(jié)果可以是圖形形式，也可以是數(shù)字、文字混編形式?？色@取的結(jié)果為每一步的有限元網(wǎng)格；等效應(yīng)力、等效應(yīng)變以及破壞程度的等高線和等色圖；速度場、溫度場和壓力-位移曲線等。此外用戶還可以對點進(jìn)行跟蹤，對個別點的軌跡、應(yīng)力、應(yīng)變、破壞程度進(jìn)行跟蹤觀察，并可根據(jù)需要抽取數(shù)據(jù)。3.2三維數(shù)值模擬模型有限元模型是進(jìn)行有限元分析的數(shù)學(xué)模型，它為計算提供所有原始數(shù)據(jù)。模型的形式直接影響計算精度、計算時間、所需要內(nèi)存大小及計算過程能否完成。因此，建立模型是進(jìn)行有限元分析的關(guān)鍵，它需要的工作量大，考慮的因素比較多。在建立三維模型時，建模一般應(yīng)遵循兩個基本原則：保證計算精度和控制模型規(guī)模。進(jìn)行有限元分析的目的是利用分析結(jié)果驗證，修改和指導(dǎo)設(shè)計。如果誤差太大，分析也就失去價值，甚至產(chǎn)生不良后果。所以保證精度是建模中考慮的首要原則。模型的規(guī)模直觀上可以用節(jié)點數(shù)和單元數(shù)來衡量，對于同一類問題，節(jié)點和單元數(shù)越多，則規(guī)模越大。規(guī)模大小主要影響計算時間，存儲容量和計算精度，同時決定網(wǎng)格劃分，模型處理，邊界條件引入，模型修改及結(jié)果后處理的工作量和計算量，所以在保正精度的前提下應(yīng)盡量控制模型規(guī)模。在本文中，首先利用三維軟件UGNX4造型出雙杯形件毛坯及擠壓上下模的三維實體模型，考慮到零件的軸對稱，為了節(jié)省DEFORM的運算時間和模擬時間，選取零件的四分之一進(jìn)行模型設(shè)計，簡化后的模具如圖3-1至3-3所示。圖3-1坯料1/4三維圖圖3-2擠壓凸模1/4三維圖圖3-3擠壓凹模1/4三維圖最后，將模擬用坯料和模具的三維實體模型轉(zhuǎn)化為DEFORM可接受的.stl格式文件，再導(dǎo)入到DEFORM中，雙杯形件冷擠壓成形過程的初始有限元力學(xué)模型如圖3-4所示。模擬計算時，下模靜止，上模向下移動，下壓量為18.7mm。圖3-4初始有限元力學(xué)模型3.3模擬結(jié)果及分析3.3.1雙杯形件充填情況圖3-5至3-8所示為四組凸凹模尺寸下雙杯形件的充填情況：(a)凸模行程至一半時的充填情況(b)凸模行程終止時的充填情況圖3-5凸模長L=87凹模長P=37時（1）號雙杯形件充填情況(a)凸模行程至一半時的充填情況(b)凸模行程終止時的充填情況圖3-6凸模長L=79.75凹模長P=41.25時（2）號雙杯形件充填情況(a)凸模行程至一半時的充填情況(b)凸模行程終止時的充填情況圖3-7凸模長L=75.5凹模長P=45.5時（3）號雙杯形件充填情況(a)凸模行程至一半時的充填情況(b)凸模行程終止時的充填情況圖3-8凸模長L=67凹模長P=54時（4）號雙杯形件充填情況；變形溫度：20℃，上模速度：1mm/s，摩擦因子：0.12，凸模位移S=18.7mm比較圖3-4至圖3-8，得出以下結(jié)論：（1）號試樣在凸模行程終了時連皮厚度H=2.98mm，雙杯形件內(nèi)部充填情況良好，但在法蘭部分充填不足；（2）號試樣在凸模行程終了時連皮厚度H=3.019mm,雙杯形件內(nèi)部填充情況良好，法蘭部分也沒有完全填充滿且法蘭下部還存在較小的折疊缺陷；（3）號試樣在凸模行程終了時連皮厚度為3.015mm，雙杯形件內(nèi)部充填情況良好，在法蘭部分還有少部分未充滿；（4）號試樣當(dāng)凸模行程至一半時可以看到此時法蘭部分先成形，而雙杯形件下半部卻只充填了一小部分，當(dāng)凸模行程終了時法蘭部分充填滿且有毛刺產(chǎn)生，連皮厚度H=3.019mm，下杯形件內(nèi)部未填充滿。對比四組試樣的充填情況得出結(jié)論，當(dāng)凸模行程終了時雙杯形件的連皮厚度都能達(dá)到預(yù)期的尺寸H=3mm的標(biāo)準(zhǔn)；凸模長L越長，凹模長P越短，雙杯形件法蘭部分越難充填滿；凸模長L越短，凹模長P越長，法蘭部分越先成形且充填情況越好并會出現(xiàn)毛刺，但雙杯形件內(nèi)部越難充填滿。（4）號試樣最難成形，因為法蘭部分過早成形，凸模下移受阻，金屬向下填充難度加大。3.3.2雙杯形件應(yīng)變、應(yīng)力云圖圖3-9至圖3-12所示為四組試樣在凸模行程至一半喝凸模行程終了時的應(yīng)變及應(yīng)力云圖(a)凸模行程至一半時的應(yīng)變云圖(b)凸模行程至一半時的應(yīng)力云圖(c)凸模行程終止時的應(yīng)變云圖(d)凸模行程終止時的應(yīng)力云圖圖3-9凸模長L=87凹模長P=37時(1)號雙杯形件應(yīng)變、應(yīng)力云圖(a)凸模行程至一半時的應(yīng)變云圖(b)凸模行程至一半時的應(yīng)力云圖(c)凸模行程終止時的應(yīng)變云圖(d)凸模行程終止時的應(yīng)力云圖圖3-10凸模長L=79.75凹模長P=41.25時(2)號雙杯形件應(yīng)變、應(yīng)力云圖(a)凸模行程至一半時的應(yīng)變云圖(b)凸模行程至一半時的應(yīng)力云圖(c)凸模行程終止時的應(yīng)變云圖(d)凸模行程終止時的應(yīng)力云圖圖3-11凸模長L=75.5凹模長P=45.5時(3)號雙杯形件應(yīng)變、應(yīng)力云圖(a)凸模行程至一半時的應(yīng)變云圖(b)凸模行程至一半時的應(yīng)力云圖(c)凸模行程終止時的應(yīng)變云圖(d)凸模行程終止時的應(yīng)力云圖圖3-12凸模長L=67凹模長P=54時(4)號雙杯形件應(yīng)變、應(yīng)力云圖；變形溫度：20℃，上模速度：1mm/s，摩擦因子：0.12比較圖3-9至圖3-12所示的雙杯形件應(yīng)變應(yīng)力云圖，得出結(jié)論：應(yīng)變主要都發(fā)生在雙杯形件內(nèi)側(cè)壁上，而應(yīng)力較大處主要發(fā)生在連皮兩側(cè)的圓角處，材料在此處的變形程度較大，容易產(chǎn)生缺陷，因此要合理設(shè)計這里的圓角尺寸，通過改善凸凹模圓角可以減小應(yīng)力值，有利于金屬的流動和充填，減小產(chǎn)生缺陷的可能性。（3）號擠壓件的法蘭部分和連皮部分的應(yīng)力值比其他的擠壓件要小。3.3.3雙杯形件變形力-位移曲線變形力是正確設(shè)計模具結(jié)構(gòu)、合理選擇生產(chǎn)設(shè)備以及正確制定工藝規(guī)程的重要依據(jù)。圖3-13至圖3-16所示分別為四組雙杯形件的變形力-位移曲線，圖3-17所示為四組雙杯形件變形力-位移曲線對比圖。圖3-13（1）號雙杯形件變形力-位移曲線圖3-14（2）號雙杯形件變形力-位移曲線圖3-15（3）號雙杯形件變形力-位移曲線圖3-16（4）號雙杯形件變形力-位移曲線圖3-12至圖3-16的變形力-位移曲線顯示，變形力在整個擠壓過程中是逐漸增大的，從整個變形過程來看：在變形初期，變形力上升比較平穩(wěn)，變形力較小，變形力隨著位移的增大而緩慢增加；變形后期，變形力上升加劇，變形力增加的速度快，而且變形力曲線上升的趨勢隨位移的增大而增大，說明變形越來越困難。在變形初期階段，因為上下模都有一定的金屬流動空間，金屬首先向凹模周邊空間流動，這時需要的變形變形力較小，隨后坯料在壓力作用下繼續(xù)填充余下的模具型腔，坯料與模具型腔的接觸面積越來越大，金屬流動空間越來越小，變形體內(nèi)壓力增大，所需的變形變形力急劇增加。在最后成形階段，隨著法蘭部分逐步充填，金屬流動阻力增大，阻礙了金屬繼續(xù)變形，故變形變形力在這個階段增幅急劇變大。從圖3-17四組雙杯形件變形力-位移曲線對比圖可以得出規(guī)律，凸模長L越小，凹模長P越大，初始階段所需的變形力越小，金屬流動越容易，成形也越容易；在最終成形階段，（4）號擠壓件所需要的變形力比其他的擠壓件所需的變形力要大很多，這個說明（4）號擠壓件最難成形，這個是因為（4）號擠壓件法蘭部分較早充填滿，金屬流動阻力增大，阻礙了凸模繼續(xù)下移和金屬的流動。圖3-17四組雙杯形件變形力-位移曲線對比圖4雙杯形件擠壓實驗研究4.1引言在前面對雙杯形件擠壓成形過程數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，得出了一系列重要的變形規(guī)律和結(jié)論。本章以前述數(shù)值模擬結(jié)果為依據(jù)，用圖2-4所示的擠壓模具對雙杯形件的擠壓成形做實驗研究，檢驗理論研究的正確性。理論研究時材料用的是6061切削用鋁合金，未經(jīng)過熱處理軟化，理論上擠壓成形所需要的變形力比實驗過程中需要的變形力大。另外，在理論研究時忽略了凸模的彈性變形，而實驗過程中考慮了這個因素，在雙杯形件的充填情況上理論和實驗的結(jié)果有所區(qū)別。因此通過實驗，比較理論研究和實驗的真實結(jié)果上變形力和雙杯形件充填情況的不同，驗證理論研究的正確性。4.2擠壓實驗準(zhǔn)備4.2.1擠壓實驗材料6061鋁合金屬于Al-Mg-Si系列合金，具有良好的機(jī)械加工性能、低密度和較低的淬火敏感系數(shù)等，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運輸、家用電器、現(xiàn)代建筑等領(lǐng)域。毛坯尺寸：現(xiàn)測得原始坯料尺寸為Φ25.3mm長為300mm?，F(xiàn)在將坯料按尺寸加工成Φ25mm長度為21.7mm的圓柱形坯料。毛坯熱處理：加熱至攝氏415度保溫3小時，以30度/小時的速度隨爐冷卻。4.2.2擠壓實驗設(shè)備雙杯形件擠壓實驗所采用的是微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)(WAW-1000C)，設(shè)備參數(shù)如下：最大試驗力：1000KN精度等級：1級試驗力測量范圍：20-1000KN活塞最大上升速度：50mm/s活塞最大位移：250mm實驗過程中需要采用計算機(jī)控制，并輸出實驗數(shù)據(jù)。4.3擠壓實驗方案及結(jié)果分析4.3.1擠壓實驗方案及實驗過程數(shù)據(jù)記錄圖4-1所示為雙杯形件擠壓件圖，表4-1所示為實驗方案安排與記錄表1、凸模位移S計算：S=H0-H例（1）號實驗：H0=21.7mm，連皮H=3mm，則：S=21.7-3=18.7mm2、限位塊厚度計算：H閉=L+H+hH模=H上+H中+H下=83（其中）：H上=30；H中=20；H下=33）H限=H閉－H模=L+H+h－H模＝L+H+h－83例如：（4）號實驗H限=67+3+17－83=4HH1H2h圖4-1雙杯形件擠壓件圖表4-1實驗方案安排與記錄表H=3單位：mm編號已知參數(shù)設(shè)定參數(shù)測量值凸模長L凹模長P坯料長H0Hh凸模位移S限位塊厚TH1H2hH=H1-H2-h(1)843721.73018.74.025.2621.903.36(022-23)(2)79.7541.2521.734.2518.74.024.817.83.83.2(024-25)(3)75.545.521.738.518.74.025.213.98.462.84(026-27)(4)675421.731718.74.024.45.815.33.3(028-29)4.3.2擠壓實驗結(jié)果分析圖4-2至圖4-5所示為擠壓結(jié)果圖片(a)(b)圖4-2凸模長L=87凹模長P=37時（1）號雙杯形件(a)(b)圖4-3凸模長L=79.75凹模長P=41.25時（2）號雙杯形件(a)(b)圖4-4凸模長L=75.5凹模長P=45.5時（3）號雙杯形件(a)(b)圖4-5凸模長L=67凹模長P=54時（4）號雙杯形件表4-1記錄的實驗數(shù)據(jù)及圖4-2至圖4-5所示的雙杯形件擠壓過程金屬填充情況顯示四組雙杯形件金屬充填情況較好，連皮及法蘭各部分尺寸與標(biāo)準(zhǔn)尺寸也比較相近，（4）號擠壓件下杯狀內(nèi)側(cè)充填不滿，這是由于（4）號凹模較長，法蘭部分較早充填滿，阻礙了凸模進(jìn)一步下移，金屬也難以向下流動。4.3.3擠壓實驗變形力-位移曲線與模擬變形力-位移曲線對比圖圖4-6至圖4-9所示為擠壓實驗變形力-位移曲線與模擬變形力-位移曲線對比圖圖4-6（1）號雙杯形件變形力-位移曲線圖4-7（2）號雙杯形件變形力-位移曲線圖4-8（3）號雙杯形件變形力-位移曲線圖4-6至4-9所示的是雙杯形件實驗的變形力－位移曲線和模擬的變形力－位移曲線的對比圖，實驗結(jié)果和模擬結(jié)果還是比較相近的，雙杯形件整個擠壓過程趨勢基本一致：在變形初期，變形力上升比較平穩(wěn)，變形力較小，擠壓變形力隨著位移的增大而緩慢增加；變形后期，變形力上升加劇，變形力增加的速度快，而且變形力曲線上升的趨勢隨位移的增大而增大，說明變形越來越困難。在變形初期階段，因為上下模都有一定的金屬流動空間，金屬首先向凹模周邊空間流動，這時需要的變形力較小，隨后坯料在壓力作用下繼續(xù)填充余下的模具型腔，坯料與模具型腔的接觸面積越來越大，金屬流動空間越來越小，變形體內(nèi)壓力增大，所需的變形變形力急劇增加。在最后成形階段，隨著法蘭部分逐步充填，金屬流動阻力增大，阻礙了金屬繼續(xù)變形，故變形變形力在這個階段增幅急劇變大。圖4-9（4）號雙杯形件變形力-位移曲線雙杯形件變形力-位移曲線對比圖顯示：凸模長L越小，凹模長P越大，初始階段所需的變形力越小，金屬流動越容易，成形也越容易；在最終成形階段，（1）（2）號試樣所需的變形力相近,(3)號試樣所需的變形力較（1）（2）小，（4）號所需變形力最大，這個說明（1）（2）號試樣的成形難度相當(dāng)，而（3）號成形難度較小，（4）號試樣的成形難度最大。因為（4）號試樣法蘭部分較早充填滿，金屬流動阻力增大，阻礙了凸模繼續(xù)下移和金屬的流動，所以其成形難度最大。另外，從曲線對比圖中還能看出，整個成形過程中數(shù)值模擬所需要的變形力比實驗的變形力大，這個是因為模擬所用的材料是6061鋁合金沒有經(jīng)過熱處理軟化的，所需變形力要大；相反，實驗用的6061鋁合金是經(jīng)過退火軟化過的，所需的變形力就小些。從位移來看，擠壓成形過程中的位移值都大于行程S＝18.7mm，這說明在成形過程中凸凹模存在彈性形變，導(dǎo)致凸凹模長度變短，只有增大實際行程才能使擠壓件金屬填充較好。4.3.4雙杯形件擠壓成形流線圖圖4-10至4-13為雙杯形件擠壓成形流線圖(a)(b)圖4-10凸模長L=87凹模長P=37時（1）號雙杯形件流線圖(a)(b)圖4-11凸模長L=79.75凹模長P=41.25時（2）號雙杯形件流線圖(a)(b)圖4-12凸模長L=75.5凹模長P=45.5時（3）號雙杯形件流線圖(a)(b)圖4-13凸模長L=67凹模長P=54時（4）號雙杯形件流線圖圖4-10至圖4-13所示的雙杯形件的流線圖顯示，（1）（2）（3）（4）號試樣中（1）（2）（3）號試樣的流線較好，（4）號試樣的流線最差，這個表明，（1）（2）（3）號的成形性能好，（4）號的成形性能差，原因在于（4）號的法蘭部分較早成形，凸模下移受阻，金屬向下流動難度加大。從流線的疏密程度來看，流線在連皮周圍較密，說明此處金屬流動較難，擠壓變形力大，成形困難，（4）號雙杯形擠壓件還出現(xiàn)了非常明顯的折疊缺陷，形成了空洞，從流線及金屬填充情況分析得知這是因為（4）號的凸模長度較短，凹模長度較長，法蘭部分很早充填滿，金屬繼續(xù)向擠壓件外側(cè)流動，內(nèi)側(cè)金屬在凹模的作用下向上流動，最后內(nèi)側(cè)金屬與法蘭部分金屬會合形成折疊。4.4雙杯形件擠壓研究小結(jié)第2章至第4章通過對雙杯形件的成形工藝分析及設(shè)計，采用deform軟件對雙杯形件的擠壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出一系列重要的變形規(guī)律及結(jié)論，而后以模擬結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行雙杯形件擠壓實驗研究，進(jìn)一步分析雙杯形件冷擠壓的成形規(guī)律。5傳感器殼體成形工藝設(shè)計5.1引言圖5-1所示為某廠生產(chǎn)的鋁合金傳感器外殼零件，屬于單杯形件一類零件。隨著傳感器、儀表等行業(yè)的迅速發(fā)展，該類外殼零件的數(shù)量也日益增大。此傳感器外殼的材料為5052防銹鋁合金，過去多采用機(jī)械切削加工的方法生產(chǎn)，材料利用率低、且零件的機(jī)械力學(xué)性能差，生產(chǎn)工序多、成本高?，F(xiàn)在采用反擠壓的方法成形該零件，可以提高材料利用率、降低生產(chǎn)成本、改善組織性能。圖5-1WDJ36傳感器外殼零件圖5.2工藝設(shè)計5.2.1反擠壓件圖的設(shè)計反擠壓件圖是根據(jù)零件圖制訂的。它是編制工藝、設(shè)計模具、檢驗反擠壓件形狀、尺寸的主要依據(jù)，是工廠及車間管理的重要技術(shù)文件。反擠壓件圖的制訂應(yīng)考慮如下一些問題：(1)根據(jù)圖5-1所示零件的形狀及所需的類型，確定采用哪種冷擠壓方法。分幾道工序。對本零件的形狀及尺寸。經(jīng)計算應(yīng)選用反擠壓單道變形工序。(2)根據(jù)冷擠壓成形的特點、加工范圍對零件進(jìn)行簡化給出機(jī)加工余量和公差。對于不經(jīng)機(jī)加工的部分。不應(yīng)加放余量，而應(yīng)直接按零件圖的技術(shù)要求給出公差。(3)為了便于金屬流動、減少阻力，避免產(chǎn)生金屬死區(qū)。防止產(chǎn)生廢品以及減少模具出現(xiàn)銳角處的應(yīng)力集中。在該零件尺寸的過渡處設(shè)有足夠大的圓角半徑。按上述的要求。本外殼零件將設(shè)計成如圖5-2所示的反擠壓件，其總高度為18.6mm。圖5-2WDJ36傳感器外殼擠壓件圖5.2.2毛坯尺寸的計算毛坯形狀和尺寸對反擠壓件的充填性和模具壽命影響很大。根據(jù)本外殼的形狀特點，同時為了便于送料以及有利于毛坯的定位。故選用圓形毛坯。其直徑尺寸為37.1mm。外殼所需的毛坯體積是根據(jù)冷變形前后的體積不變定律來計算。外殼體積按圖5-2所示由整體體積減去三段杯形件中部空心體積，計算如下所示：V總——擠壓件總體積，mm3H——坯料高度，mmS——坯料底面積，mm2——斷面收縮率5.2.3反擠壓力的計算反擠壓力是模具設(shè)計的重要依據(jù)?？捎盟鼇眚炈隳＞吡慵叽绲膹?qiáng)度，同時，也是選擇壓力機(jī)噸位的重要數(shù)據(jù)。鋁合金外殼反擠壓力可按下式計算……………(1)(1)式中P——反擠壓力，Np——單位擠壓力，Mpa。查資料[9]中圖3.7得p=700Mpa。F——擠壓的作用面積，mm。經(jīng)計算將有關(guān)數(shù)據(jù)代人(1)式得根據(jù)所計算的反擠壓力及模具尺寸。選用THP32C-80型標(biāo)稱壓力800KN通用液壓機(jī)。6WDJ36傳感器外殼擠壓成形過程有限元數(shù)值模擬WDJ36傳感器外殼屬于單杯形件一類零件，在前述的雙杯形件擠壓成形過程有限元數(shù)值模擬已經(jīng)得出一系列杯形件擠壓成形變形規(guī)律，因此在此我們可以以雙杯形件模擬結(jié)果為依據(jù)，在相同的模擬環(huán)境下做傳感器外殼這一單杯形件的擠壓成形過程的數(shù)值模擬。6.1三維數(shù)值模擬相關(guān)模型在傳感器外殼的模擬中所用到的有限元模型采用與雙杯形件同樣的方法建立，首先利用三維軟件UGNX4造型出雙杯形件毛坯及擠壓上下模的三維實體模型，考慮到零件的軸對稱，為了節(jié)省DEFORM的運算時間和模擬時間，選取零件的四分之一進(jìn)行模型設(shè)計，簡化后的模具如圖6-1至6-3所示。圖6-1坯料1/4三維圖圖6-2擠壓凸模1/4三維圖圖6-3擠壓凹模1/4三維圖最后，將模擬用坯料和模具的三維實體模型轉(zhuǎn)化為DEFORM可接受的.stl格式文件，再導(dǎo)入到DEFORM中，傳感器外殼擠壓成形過程的初始有限元力學(xué)模型如圖6-4所示。模擬計算時，下模靜止，上模向下移動，下壓量為8.4mm。圖6-4初始有限元力學(xué)模型6.2模擬結(jié)果及分析6.2.1傳感器外殼充填情況圖6-5所示為傳感器外殼的充填情況：圖6-5傳感器外殼擠壓充填情況從圖6-5可以看出，傳感器外殼擠壓過程中金屬填充情況很好，完全充滿了凹模型腔，圓角部分也填充滿，尺寸也達(dá)到擠壓件圖所需尺寸，成形性能好。6.2.2傳感器外殼數(shù)值模擬應(yīng)變、應(yīng)力云圖圖6-6至圖6-7所示為凸模行程終了時傳感器外殼的應(yīng)變及應(yīng)力云圖圖6-6凸模行程終了時外殼的應(yīng)變云圖圖6-7凸模行程終了時外殼的應(yīng)力云圖圖6-6所示的應(yīng)變云圖表明，應(yīng)變較大值都發(fā)生在外殼擠壓件的圓角附近的內(nèi)壁上，圖6-7的應(yīng)力云圖表明外殼擠壓件整體上應(yīng)力值很大，尤其表現(xiàn)在圓角附近及底部連皮處，金屬在這些地方的變形大，容易造成缺陷，可以通過改善圓角來減小擠壓應(yīng)力，防止缺陷產(chǎn)生。6.2.3傳感器外殼數(shù)值模擬變形力-位移曲線變形力是正確設(shè)計模具結(jié)構(gòu)、合理選擇生產(chǎn)設(shè)備以及正確制定工藝規(guī)程的重要依據(jù)。圖6-8所示為傳感器外殼擠壓數(shù)值模擬的變形力-位移曲線。圖6-8外殼擠壓變形力—位移曲線圖6-8所示的變形力-位移曲線表明，變形力在整個擠壓過程中是隨著位移的增大逐漸增大的，凸模行程終了時變形力為511.6KN，與設(shè)計階段計算的擠壓力P＝545.3KN比較相近。在變形初期，變形力上升比較平穩(wěn)，變形力較小，變形變形力隨著變形量的增大而緩慢增加；變形后期，變形力上升加劇，變形力增加的速度快，說明變形越來越困難。分析其原因在于初期擠壓凸模與坯料的接觸面積小，凸模下移的阻力小，所以變形力??；隨著凸模與坯料的作用面積增大，凸模下移的阻力也隨之增大，迫使金屬反向流動的變形力也增大，變形越來越困難。7傳感器外殼擠壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計外殼反擠壓件的質(zhì)量與反擠壓模具的設(shè)計質(zhì)量有直接的關(guān)系。合理的模具結(jié)構(gòu)型式是制造合格反擠壓件的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，根據(jù)具體的零件形狀、尺寸及材料，必須要正確、合理地設(shè)計模具結(jié)構(gòu)。按照如上的工藝分析，采用反擠壓模具結(jié)構(gòu)是最佳的設(shè)計方案，現(xiàn)介紹如下：7.1外殼反擠壓模具外殼擠壓模具如圖7-1所示。該模具由上、下模兩部份組成：上模部分主要由1.上模座2.導(dǎo)套4.限位塊6.凸模固定架8.凸模墊板9.凸模10.凸模固定板12.凸模鎖緊螺母14.卸料板等組成；下模部分主要由15.外預(yù)應(yīng)力圈16.中預(yù)應(yīng)力圈17.內(nèi)預(yù)應(yīng)力圈18.凹模19.凹模固定板23.下模座24.頂桿等組成。1.上模座2.導(dǎo)套3.導(dǎo)柱4.限位塊5.卸料螺釘6.凸模固定架7.銷釘8.凸模墊板9.凸模10.凸模固定板11.內(nèi)六角螺釘12.凸模鎖緊螺母13.彈簧14.卸料板15.外預(yù)應(yīng)力圈16.中預(yù)應(yīng)力圈17.內(nèi)預(yù)應(yīng)力圈18.凹模19.凹模固定板20.凹模圈21.內(nèi)六角螺釘22.銷釘23.下模座24.頂桿25.銷釘26.內(nèi)六角螺釘27.頂桿固定板28.卸料板鑲塊圖7-1WDJ36傳感器外殼模具圖7.2凸模設(shè)計為了保證凸模裝卸簡便，緊固可靠，凸模的整體形狀一般做成階梯形，其夾緊部分呈截錐形狀，是為了增大支承面積。以增加凸模的抗彎強(qiáng)度和穩(wěn)定。并能通過帶錐形孔的上壓圈將凸模牢固地固定在上模板上。凸模結(jié)構(gòu)形狀如圖7-2所示。圖7-2凸?？紤]到凸模的主要作用是傳統(tǒng)壓力，所以應(yīng)具有足夠強(qiáng)度、剛度和一定的耐磨性。因此，凸模材料選用高鉻合金工具鋼Crl2Mo，熱處理硬度為60～62HRC。7.3凹模和內(nèi)應(yīng)力圈的設(shè)計在構(gòu)成反擠壓模具的全部零件中，凹模、內(nèi)預(yù)應(yīng)力圈是和毛坯接觸，直接參與變形過程，執(zhí)行成形加工的最重要的關(guān)鍵工作零件。反擠壓時，凹模、內(nèi)預(yù)應(yīng)力圈在靜態(tài)高壓、強(qiáng)烈沖擊和巨大摩擦作用下，凹模、內(nèi)預(yù)應(yīng)力圈應(yīng)力是一個復(fù)雜的抗壓、抗張的聯(lián)合應(yīng)力，其工作條件十分惡劣。因此，正確合理設(shè)計凹模和內(nèi)預(yù)應(yīng)力圈才能滿足外殼零件的技術(shù)要求。根據(jù)冷擠壓變形理論分析可知，作用在內(nèi)預(yù)應(yīng)力圈內(nèi)壁和凹模上表面的單位壓力是非常大，一般高達(dá)2000MPa以上。在這樣高的單位壓力作用下，使得冷變形模具極易損壞，所以，為了延長模具壽命，滿足使用要求，對于反擠壓模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、精度等方面的要求皆比冷沖壓模具高。為了承受較大的反擠壓力及足夠的強(qiáng)度，以便于凹模和內(nèi)預(yù)應(yīng)力圈進(jìn)行切削加工和熱處理工藝，凹模采用了如圖7-3所示的形狀，內(nèi)預(yù)應(yīng)力圈采用了如圖7-4所示的形狀。圖7-3凹模圖7-4內(nèi)預(yù)應(yīng)力圈由于凹模和內(nèi)預(yù)應(yīng)力圈都在極易磨損的條件下工作，故都選用高鉻合金工具鋼Cr12Mo，熱處理硬度為60～62HRC。7.4模具加工技術(shù)要求為了保證反擠壓件的質(zhì)量，除了合理設(shè)計模具結(jié)構(gòu)及選用較佳的模具材料和熱處理工藝以外。更重要的是模具零件的加工技術(shù)要求。由于本模具中的主要零件是凸模和凹模，其尺寸精度要求較高，因此對這些零件的加工技術(shù)就提出更高的要求，如平行度、垂直度、同軸度等，否則就會產(chǎn)生外殼制件的各種缺陷。如凸模按其形狀及尺寸，加工技術(shù)要求查資料可得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在圖7-2中所標(biāo)注。7.5模架技術(shù)要求為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，外殼反擠壓模架還應(yīng)滿足如下的技術(shù)要求：(1)模架的承壓部分應(yīng)具有良好的剛性和強(qiáng)度，以使模架在工作時穩(wěn)定可靠。(2)模具的工作零件應(yīng)便于安裝在模架上，并便于更換。(3)反擠壓坯料及制件應(yīng)便于取出和放入。并易于實現(xiàn)機(jī)械化和自動化。(4)模架的上、下模板的上、下平面平行度允差應(yīng)為1：100。(5)模架的易損部位的零件尺寸應(yīng)有良好的互換性，并便于維修、制造和檢驗。7.6傳感器外殼成形研究小結(jié)第6章至第7章通過對傳感器外殼成形工藝分析、擠壓模具設(shè)計以及采用Deform軟件對外殼擠壓成形過程的數(shù)值模擬，得出一系列重要的變形規(guī)律及結(jié)論，可以以此來