1、丽水学院毕业设计异型管材挤压模具设计及工艺仿真分析二级学院：工程与设计学院学科专业：材料成型及控制工程姓名：戚岳锋指导老师：苗义高2017 年 3 月第 1 章 绪论1.1 引言对铝型材的挤压过程进行数值模拟可以预测实际挤压过程中可能出现的缺陷，及早优化挤压模具结构设计、调整挤压工艺参数和有针对性的指明技术解决方案。国内外研究者们对此已做了许多工作。韩国的 HyunWooShin 等在1993 年对非轴对称挤压过程进行了有限元分析，他们利用二维刚塑性有限元方法结合厚板理论将三维问题进行了简化，对整个挤压过程进行了不失准确的数值模拟，同时也减少了计算量。对于变形模拟，于沪平等采用塑性成型模拟软件
2、 DEFORM，结合刚粘塑性有限元法函数法对平面分流模的挤压变形过程进行了二维模拟，得出了挤压过程中铝合金的应力、应变、温度以及流动速度等的分布和变化。刘汉武等利用ANSYS 软件对分流组合模挤压铝型材进行了有限元分析和计算，找出了原模具设计中不易发现的结构缺陷。周飞等采用三维刚粘塑性有限元方法，对一典型铝型材非等温成型过程进行了数值模拟，分析了铝型材挤压的三个不同成形阶段，给出了成形各阶段的应力、应变和温度场分布情况以及整个成形过程中模具载荷随成形时间的变化情况。对于压力场，闫洪等在 2000 年利用 ANSYS软件作为平台，对壁板型材挤压过程进行了三维有限元模拟和分析，获得了型材挤压过程的
3、位移场、应变场、应力场。对实际铝型材挤压中工艺参数选择和模具结构尺寸的修正起到了重要指导作用。对于挤压过程的摩擦与润滑分析，1997 年，俄罗斯的VadimL.Bereshnoy 等13对摩擦辅助在直接和间接挤压成型硬质铝合金中的技术进行了研究。该技术的发展和应用使生产效率和质量都得到了大大提高。美国的 PradipK.Saha14在 1998 年对铝型材挤压成型中热动力学和摩擦学进行了研究。他采用热力学数值模拟法构造了 3 种不同的实验模型，分析了模具工作带和流动金属接触面上的摩擦特性，还对坯料温度和挤压过程中产生的热量对模具工作带所产生的温升的影响、并进行了实际测量验证;研究表明，挤压过程
4、中的摩擦对铝型材的精度和表面质量有直接影响，模具工作带的磨损过程取决于挤压过程中的热动力学性能，挤压热动力学性能又受到挤压变量的严重影响。在二次开发方面，国内的一些研究进展也值得关注。陈泽中、包忠诩等通过系统集成和二次开发，建立了基于 UG 和 ANSYS 的铝型材挤压模CAD/CAE/CAM 系统，并对分流组合模进行了 CAD/CAE/CAM 研究，有效提高了模具设计制造效率。深圳大学的李积彬用 C 语言编写了铝型材挤压模具参数设计的程序，以流程图的形式详细引导铝型材挤压模具的设计过程;以人机对话的形式实现铝型材挤压模具参数的优化设计。兰州铁道学院的段志东通过ANSYS 提供的强大的前后处理
5、和求解功能平台，通过在 ANSYS 应用程序中添加自己的铆钉有限元程序，介绍并总结了用 UIDL 对 ANSYS 进行图形用户界面二次开发的一般步骤和规律，铝型材为用户在扩充 ANSYS 功能、建立自己专用程序的同时建立起对应的图形驱动界面提供了有益的帮助。江苏戚墅堰机车车辆工艺研究所的盛伟以 ANSYS 软件为平台，进行金属塑性成形过程模拟软件的二次开发，并应用该软件对锻件塑性成形过程进行了模拟，为提高锻件质量、预测金属成形中的缺陷、制定合理工艺提供了理论依据。但总的说来，这些研究多侧重于理论化，一种真正适合普通设计制造人员使用的挤压模有限元分析软件在国内几乎还没有。有些二次开发在具体应用上
6、也有很大的局限性，所以对现行有限元软件的用户化研究，使之能更好的应用于挤压模具的设计就成为当务之急。1.2 挤压模具的结构形式1、(1)模角 模角 是挤压模设计中的一个最基本的参数，它是指模子的轴线与其工作端面之间所构成的夹角。模角 在挤压过程中起着十分重要的作用，其大小对挤压制品的表面品质与挤压力都有很大影响。平模的模角 等于 90其特点是在挤压时形成较大的死区，可阻止铸锭表面的杂质、缺陷、氧化皮等流到制品的表面上，以获得良好制品表面。采用平模挤压时，消耗的挤压力较大，模具容易产生变形，使模孔变小或者将模具压坏。从减少挤压力、提高模具使用寿命的角度来看，应使用锥形模。根据模角 与挤压力的关系
7、，当 =4560时，挤压力出现最小值，但当 =4550 时，由于死区变小，铸锭表面的杂质和脏物可能被挤出模孔而恶化制品的表面品质。因此，挤压铝合金用锥形模的模角一般可取4565。 为了兼顾平面模和锥形模的优点，出现了平锥模和双锥模，如图 431(c)、(e) 所示。双锥模的模角为： 1 6065： 2 =1045。在挤压铝合金管材时，为提高挤压速度，最好取 2 =10l3。 挤压铝合金型材多采用平面模，因其加工比较简单，锥模主要用来挤压铝合金管材。 图为：铝材挤压模具分流桥设计示意图(2)定径带长度 h 定 和直径 d 定 定径带又称工作带，是模子中垂直模子工作端面并用以保证挤压制品的形状、尺
8、寸和表面质量的区段。 定径带直径 d 定 是模子设计中的一个重要基本参数。设计 d 定 大小的基本原则是：在保证挤压出的制品冷却状态下不超出图纸规定的制品公差范围的条件下，尽量延长模具的使用寿命。影响制品尺寸的因素很多，如温度、模具材料和被挤压金属的材料，制品的形状和尺寸，拉伸矫直量以及模具变形情况等，在确定模具定径带直径时一般应根据具体情况着重考虑其中的一个或几个影响因素。D 定 的计算方法将在下文中分别叙述。 定径带长度矗宦也是模具设计中的重要基本参数之一。定径带长度 h 定过短，制品尺寸难于稳定，易产生波纹、椭圆度、压痕、压伤等废品。同时，模子易磨损，会大大降低模具的使用寿命。定径带长度
9、矗常过长时，会增大与金属的摩擦作用，增大挤压力，易于粘结金属，使制品的表面出现划伤、毛刺、麻面、搓衣板型波浪等缺陷。 定径带长度危害应根据挤压机的结构形式( 立式或卧式 )，被挤压的金属材料，产品的形状和尺寸等因素来确定。不同产品模具工作带危常的确定方法，将在下文中分别叙述。 (3)出口直径 d 出 或出口喇叭锥 模子的出口部分是保证制品能顺利通过模子并保证高表面品质的重要参数。若模子出口直径 d 出 过小，则易划伤制品表面，甚至会引起堵模，但出口直径 d 出 过大，则会大大削弱定径带的强度，引起定径带过早地变形、压塌、明显地降低模具的使用寿命。因此，在一般情况下，出口带尺寸应比定径带尺寸大
10、36 mm，对于薄壁管或变外径管材的模子此值可适当增大。为了增大模子的强度和延长模具的使用寿命，出口带可做成喇叭锥。出口喇叭锥角(从挤压型材离开定径带开始时) 可取 l30l0 出(此值受锥形端铣刀角度的限制)。特别是对于壁厚小于 2 mm 而外形十分复杂的型材模子，为了保证模具的强度，必须做成喇叭出口。有时为了便于加工，也可设计成阶梯形的多级喇叭锥。 为了增大定径带的抗剪强度，定径带与出口带之间可以 2045的斜面或以圆角半径为 1.53 mm 的圆弧连接。 (4)人口圆角 r 入 模子的入口圆角是指被挤压金属进入定径带的部分，即模子工作端面与定径带形成的端面角。制作人口圆角 r 入 可防止
11、低塑性合金在挤压时产生表面裂纹和减少金属在流入定径带时的非接触变形，同时也减少在高温下挤压时模子棱角的压塌变形。但是，圆角增大了接触摩擦面积，可能引起挤压力增高。 模子入口圆角 r 入 值的选取与金属的强度、挤压温度和制品尺寸、模子结构等有关。挤压铝及其合金时，端面入口角应取锐角，但近来也有些厂家，在平面模人口处做成 r 入 0.20.75 mm 的入口圆角；在平面分流组合模的入口处做成 r 入 0.55 mm 的入口圆角。 (5)其他结构要素 除了上述几个最基本的结构要素以外，铝合金挤压模具设计结构要素还包括有：阻碍角、止推角(或促流角 )、阶段变断面型材模中的 “料兜”、过渡区、组合模的凸
12、脊结构、分流孔和焊合的形状、结构和尺寸以及穿孔针的锥度和过渡形式、模子的外廓形状和尺寸等，这些要素的确定原则将在下文中分别详细论述。 1.3 挤压模具的加工方法1.3.1 材料的选用冷轧滚珠丝杠的加工首先要选材在选择材料的过程中，对于轻型丝杠和重型丝杠要有明确的判断一般大型、重型丝杠的直径约为 80mm 以上，长度在 8m 以上在轧制的过程中，重型丝杠会承受巨大的压力，所以在选材的过程中，要充分考虑这些因素，认真调查、检测、试验，尽量选用密度高延伸性好、热处理过程中收缩性小、硬度好的材料，保证材料的质量。1.3.2 要选择正确的参数在冷轧滚珠丝杠的各项精度指标中，同轴度和径向圆跳动是两个重要的
13、参数其中，径向圆跳动主要是通过轴承和螺母安装的位置表现出来径跳公差越小，就说明轴承座与螺母之间的同轴度越高反之，则越低。另外，在设计参数时，保持丝杠的圆柱度和管道直径的一致也至关重要，因为这直接决定着轧制丝杠的转矩。然而，在前滚珠丝杠的生产中，要使这两者完全保持一致，几乎不太可能。因为旧式的轧制技术采用的是两套冷轧设备相结合的方式，一套是可以移动的轧丝模，另一套是固定不变的轧丝模。这种轧制方式有一个弊端，就是在轧丝模的移动过程中，丝杠的中轴线也会随之移动，从而导致整个中轴线出现误差。所以在加工过程中，一般会采用两套皆可移动的轧丝模，同时引人 CNC 技术、传感技术等，减少误差。1.3.3 毛坯
14、磨制和精密轧制由于轧制丝杠的定位是外圆，所以在进行滚轧前，一般会对毛坯进行加工，这样可以降低机床的强度，使精坯更符合尺寸,与此同时，冷轧滚珠丝杠本身要求精度高，所以在轧制的过程中，一般会对材料、轧制模进行精密的测量，同时对得出的数据进行周密的检验分析这样才能保证在轧制过程中，材料表面不会出现裂纹等现象，还能够保证椭圆、三角形弧度圆度的均匀度，另外，控制好温升也是整个轧制技术的重要一环在轧制的过程中，温度过高，会使材料发生剧烈变形或者弯曲，这就降低了轧制的精确度通常情况下采用强力冷却温控装置对温度进行有效控制，在一定程度上能够保证丝杠的精准性对滚珠丝杠进行热处理对滚珠丝杠进行热处理的目的是为了增
15、加其稳定性在热处理的过程中，一般会遇到两个困难，一个是丝杠硬化层的深度难以掌握，另一个是热处理过程中丝杠的收缩尺寸难以把握口这就要求设计师首先对丝杠的性能有充分地了解，同时对轧制的尺寸进行预测和计算，确保滚珠丝杠经过热处理后不会变形，保证其稳定性。对丝杠的螺纹和滚道进行抛光螺纹和滚道的抛光是一项精细的工艺一般轻型冷轧滚珠丝杠有标准的抛光设备对于大型的丝杠，抛光设备就需要改装和加固一因为其丝杠的滚道通常较深，而且螺纹的螺旋线较长，标准的抛光设备带动有很大困难，抛光效果也不佳所以企业在加工冷轧滚珠丝杠时，要选用合适的设备制造与滚珠丝杠相配套的螺母螺母的制造基本上是整个滚珠丝杠加工的最后一项技术，其
16、加工主要包括车端面、打中心孔、车内孔、车内螺纹等等在加工的过程中，要结合丝杠的参数，使螺母的每一项指标都能够与丝杠相对应，保证精确度。1.4 滚珠丝杆冷轧的发展前景冷轧滚珠丝杠的发展前景要研究冷轧滚珠丝杠的发展前景，首先要了解其优点和它当前的发展现状3.1 冷轧滚珠丝杠的优点1)使用寿命较长、机械化精度和强度高冷轧技术本身就要求高质量的材料，高精度的工艺，冷轧滚珠丝杆也不例外这就保证了丝杠原始的精度和质量经过机械冷轧后，滚道面的硬度、密度、内部组织结构得到强化，之后进行热处理，使整个滚轮丝杠的稳定性更强这样的制作的工艺延长了滚珠丝杠的使用寿命，也能够提高其质量和精度;2)提高了资源利用率传统的
17、研磨技术在制作中，或多或少都会造成钢材资源的浪费而冷轧滚珠丝杠因其采用的是冷加工工艺，故而能够保证轧制过程中钢材的完整性;3)对环境污染较少冷轧技术在使用的过程中，基本上不会对周围的环境造成重大污染，同时也不会产生大量废物;4)生产效率高研磨滚珠丝杠由于工序繁琐，所以生产效率极低，生产周期较长，这些都严重影响企业的销售和订单量相反，冷压技术不断工序较为合理，生产周期大，而且能够根据客户不同的需求，制造不同型号的产品3.2 冷轧滚珠丝杠的发展现状冷轧滚珠丝杠是一项综合性的、高新的技术，所以在发达国家以及科技水平较高的地区发展较快中国由于技术水平和资金的限制，应用冷轧滚珠丝杠的企业还不是很多，这是
18、中国滚轮技术与发达国家的差距21 世纪到来后，人们普遍意识到环境保护的重要性，越来越多的国家开始提倡节能减排冷轧滚珠丝杠技术可以说是一项绿色的高新的生态的技术，它顺应经济发展和社会发展的潮流，发展前景自然是可观的1.5 研究内容和研究方法结合实际情况，本文主要研究波形螺纹钎杆的成形工艺和成形机理，设计合理的滚丝轮，通过理论分析和仿真模拟，以相对简单的技术条件和较低成本实现用窄滚丝轮滚压波形螺纹，提高滚压成形件的质量和使用寿命阎。本课题采用理论分析，结合数值模拟和实验的方法，主要对以下内容进行研究:第 2 章 两滚丝轮冷轧螺纹工艺2.1 成型原理一般的说，可以使用两种机械加工方法加工机械零件的外螺纹，分别为滚压加工和车削加工。滚压加工螺纹是一种无排屑加工方法，利用毛坯在低温冷态下的可塑性，使毛坯受到滚压工具的轧制，而在其表面产生塑性变形，滚压出对应的螺纹，
