材料專業(yè)DEFORM課設(shè)

1、 材料控制專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)報(bào)告 指導(dǎo)教師 程俊偉 . 專業(yè)班級(jí) 1206091 .姓 名 柳子巖 .學(xué) 號(hào) 120609121 .第一章 坯料及工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1） 了解認(rèn)識(shí)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(xué)會(huì)對(duì)DEFORM-3D模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。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(shí)間

2、所占的比例降低。對(duì)壓余所導(dǎo)致的金屬幾何損失，增大直徑或者增加長度對(duì)成品率的影響不同。坯料體積一定時(shí)，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(shè)計(jì) 選擇坯料直徑時(shí)，一定要在滿足制品斷面機(jī)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(shí)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(shè)計(jì)臥式擠壓機(jī)，則坯料直徑可根據(jù)擠壓筒直徑計(jì)算，取直徑差=5mm，則有=（1455）mm=140mm1.1.2坯料長度設(shè)計(jì) 在進(jìn)行工藝計(jì)算時(shí)，不同產(chǎn)品可選取不同坯料長度，以提高成品率。對(duì)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(shè)計(jì)取坯料長度為300mm。1.2工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)確定擠壓工藝參數(shù)時(shí)，可以綜合考察金屬與合金加工時(shí)的可擠壓性和對(duì)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(duì)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(shí)，一般是在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種工藝試驗(yàn)，考察產(chǎn)品質(zhì)量，并參考實(shí)際生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)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(huì)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(jì)合理的摩擦系數(shù)，對(duì)于成功實(shí)現(xiàn)擠壓模擬十分重要。在滿足一定條件下，本設(shè)計(jì)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(shí)的速度一般可分為三種：擠壓速度擠壓機(jī)主柱塞、擠壓桿與擠壓墊的移動(dòng)速度；金屬流出速度金屬流出?？讜r(shí)的速度；金屬變形速度（也稱變形速率

5、）單位時(shí)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(dòng)加劇，副應(yīng)力增大，在擠壓制品上會(huì)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(gè)方面起作用：第一，擠壓速度高，流動(dòng)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(jìn)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(gè)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(yù)熱溫度的確定擠壓時(shí)，工模具需要進(jìn)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(huì)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

6、成品件的性能。本小組課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)即是關(guān)于工模具預(yù)熱溫度不同對(duì)擠壓結(jié)果的影響，考慮到任務(wù)書所給的范圍是0500，分配任務(wù)時(shí)，以50為梯度，各自采用所選擇的實(shí)驗(yàn)溫度進(jìn)行試驗(yàn)。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(jī)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(dǎo)路等。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)基亞通、擠壓模、擠壓墊進(jìn)行結(jié)構(gòu)及尺寸的設(shè)計(jì)。2.2.1模子的結(jié)構(gòu)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(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(duì)擠壓力、金屬流動(dòng)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(jìn)行分類，根據(jù)?？椎钠拭嫘螤羁煞譃槠侥?、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(gòu)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(guān)鍵部分。倘若定徑帶過短，則模子易磨損，同時(shí)會(huì)壓傷制品表面導(dǎo)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)

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(shí)際所擠出的制品直徑并不相等。設(shè)計(jì)時(shí)通常是用裕量系數(shù)C來考慮各種因素對(duì)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(shè)計(jì)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(jì)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(yīng)比工作帶直徑大35mm，因過小會(huì)劃傷制品的表面。又因?yàn)?19mm，的范圍是2224mm之間，本設(shè)計(jì)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(shí)產(chǎn)生表面裂紋和減輕金屬在進(jìn)入工作帶時(shí)所產(chǎn)生的非接觸變形，同時(shí)也是為了減輕在高溫下擠壓時(shí)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(qiáng)度、擠壓溫度和制品的尺寸有關(guān)：對(duì)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(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)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(guān)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)棒材、管材、帶材和簡單的型材，模子外徑可按照式（2-2）進(jìn)行計(jì)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(qiáng)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(yīng)增大。一般根據(jù)擠壓機(jī)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(jié)構(gòu)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(shí)，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(yīng)比擠壓筒內(nèi)徑小值，太大時(shí)，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?yàn)閿D壓墊的尺寸需利用擠壓筒的數(shù)據(jù)，故稍后進(jìn)行具體計(jì)算。2.2.3擠壓筒的結(jié)構(gòu)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(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(shí)，在磨損后只需更換內(nèi)襯套而不必?fù)Q掉整個(gè)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(jì)算錠坯直徑時(shí)，可按公式（2-3）計(jì)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(jì)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(jì)算 （2-5）式中，錠坯最大長度（mm），對(duì)重金屬棒型材為23.5，對(duì)重金屬管材1.52.5， 對(duì)鋁合金可取46，其中對(duì)管材不大于4.5，對(duì)扁擠壓筒錠坯則最大長度=3

13、5H； L錠坯穿孔時(shí)金屬增加的長度（mm）； t模子進(jìn)入擠壓筒的深度（mm）； S擠壓墊厚度（mm）。 二是通過選擇擠壓機(jī)型號(hào)，從而確定擠壓筒長度。本設(shè)計(jì)采取方法二，經(jīng)計(jì)算最終確定選擇倒三角內(nèi)置臥式擠壓機(jī)。從而知道擠壓筒長度為=560mm。因?yàn)椴捎玫氖桥P式擠壓機(jī)，所以在0.51.5mm，本設(shè)計(jì)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(yàn)根據(jù)給定的幾何尺寸，運(yùn)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(shí)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(jìn)入前處理界面。3.1前處理3.1.1添加對(duì)象連續(xù)3次點(diǎn)擊Insert Object按鈕，添加4個(gè)對(duì)象。3.1.2單位制度選擇 點(diǎn)擊Simulation ControlMainUnitsSIMode選Deformation及Heat Transfer。3.1.3導(dǎo)入和定義材料并設(shè)置對(duì)稱面在對(duì)象樹上選擇Work piece點(diǎn)擊General按鈕Assign Temperature®填入溫度為350點(diǎn)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(duì)話框中選擇事先畫好的CAD或CAE造型文件。導(dǎo)入后單擊，對(duì)幾何體進(jìn)行幾何檢查，結(jié)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(shí)，要根據(jù)各自工模具預(yù)熱溫度分別定意擠壓墊/擠壓模及擠壓筒的溫度。點(diǎn)擊，點(diǎn)擊添加坯料的兩直角面；擠壓墊、擠壓模、擠壓筒的直角面，點(diǎn)擊Symmetric Surface添加對(duì)稱面。3.1.4網(wǎng)格劃分及工件體積補(bǔ)償選擇Work piece，單擊MeshDetailed SettingsAbsolute絕對(duì)劃分網(wǎng)格在Size Ratio欄中，設(shè)置尺寸比率為

16、1.5，Min Element Size中，設(shè)置最小單元尺寸為2。單擊Surface Mesh 按鈕，進(jìn)行對(duì)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(xiàng)點(diǎn)擊按鈕點(diǎn)擊Yes按鈕勾選Compensate during remeshing。3.1.5設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)選擇Top Die，單擊MovementSpeed在Direction選中主動(dòng)工具運(yùn)行方向+XDefine選項(xiàng)，其性質(zhì)選為Constant,設(shè)置速度值20。3.1.6模擬控制設(shè)置點(diǎn)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(diǎn)擊OK完成設(shè)置。3.1.7定義接觸關(guān)系單擊出現(xiàn)對(duì)話框，單擊Deformation選項(xiàng)種Constant選項(xiàng)填入0.1。點(diǎn)擊Thermal選中Constant選項(xiàng)，選擇傳熱類型Forming。另外兩個(gè)接觸關(guān)系，設(shè)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(diǎn)擊沒有錯(cuò)誤信息則點(diǎn)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(diǎn)

18、擊，退出前處理程序界面。3.2運(yùn)行退出前處理后，在DEFORM-3D的主窗口中，選擇Simulator中的Run選項(xiàng)，試驗(yàn)就開始運(yùn)行了。在運(yùn)行過程中，可點(diǎn)擊Process Monitor查看模擬進(jìn)程，某一數(shù)據(jù)規(guī)律呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)即可停止運(yùn)行，點(diǎn)擊Stop。3.3后處理在DEFORM-3D的主窗口中選擇DEFORM-3D Post選項(xiàng)，進(jìn)入后處理窗口。點(diǎn)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(biāo)，點(diǎn)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(fù)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(yīng)力（Mpa）最大應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析4.1擠壓工模具預(yù)熱溫度對(duì)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(gè)別點(diǎn)的影響，載荷的變化曲線略有波動(dòng)。這種波動(dòng)可能是模擬的過程中參數(shù)設(shè)置不準(zhǔn)確或操作錯(cuò)誤導(dǎo)致的。除去這樣的個(gè)別點(diǎn)不看，在整個(gè)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。4.2擠壓

21、工模具預(yù)熱溫度對(duì)最大應(yīng)力的影響根據(jù)表3-1的數(shù)據(jù)利用Excel畫出最大應(yīng)力溫度回歸曲線圖如下圖4-2所示。圖4-2 最大應(yīng)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(yīng)力呈下降趨勢；在100350范圍內(nèi)，最大應(yīng)力有略微上升；在350500范圍內(nèi)，最大應(yīng)力再次呈下降趨勢。最大應(yīng)力在局部溫度范圍內(nèi)的變化趨勢雖有不同，但從0500整個(gè)溫度范圍上看，其最大應(yīng)力仍然呈下降趨勢。所以忽略個(gè)別偏差較大的點(diǎn)，隨著工模具預(yù)熱溫度的升高，最大應(yīng)力下降。4.3擠壓工模具預(yù)熱溫度對(duì)最大應(yīng)變的影響根據(jù)表3-1的數(shù)據(jù)利用Excel畫出最大應(yīng)變溫度回歸曲線圖如下圖4-3所示。圖4-3 最大應(yīng)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(shí)最大應(yīng)變較小以外，總體上最大應(yīng)變沒有變化。說明擠壓工模具預(yù)熱溫度對(duì)最大應(yīng)變的影響不大。4.4擠壓工模具預(yù)熱溫度對(duì)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(diǎn)的分布具有較為嚴(yán)格的線性關(guān)系。隨著擠壓工模具預(yù)熱溫度的升高，制品的最小溫度呈線性增加。總 結(jié)本實(shí)驗(yàn)通過CAD和DEFORM對(duì)鐓粗過程