1、 课 题 : 材料成型计算机模拟 系 别 : 机 械 工 程 学 院 专业班级 : 11 级材控 1 班 指导教师 : 张 金 标 组 别 : 第 五 组 2014 年 6 月铜陵学院机械工程学院课程设计第一章 课程设计内容及任务分配 .- 1 -1.1 概述 .- 1 -1.2 设计目的 .- 1 -1.3 设计内容 .- 1 -1.4 设计要求 .- 1 -1.5 挤压方案任务分配 .- 2 -第二章 工艺参数 .- 3 -2.1 工艺参数的设计 .- 3 -2.1.1 摩擦系数的确定 .- 3 -2.1.2 挤压速度的确定 .- 3 -2.1.3 工模具预热温度的确定 .- 3 -第三章
2、 模具尺寸的确定 .- 4 -3.1 挤压工模具示意图 .- 4 -3.2 模具尺寸的确定 .- 4 -3.2.1 挤压模结构尺寸的确定 .- 4 -3.2.2 挤压筒结构尺寸的确定 .- 6 -3.2.3 挤压垫的结构及尺寸确定 .- 7 -第四章 实验模拟及数据提取分析 .- 8 -4.1 挤压工模具及工件的三维造型 .- 8 -4.2 挤压模拟 .- 8 -4.3 后处理 .- 9 -4.4 分析数据 .- 9 -4.5 坯料温度对挤压力的影响 .- 10 -4.6 坯料预热温度对破坏系数的影响 .- 11 -个人小结 .- 12 -参考文献 .- 21-附表 塑性成型计算机模拟课程设计
3、成绩评定表铜陵学院机械工程学院课程设计- 1 -第一章 课程设计内容及任务分配1.1 概述挤压是对放在容器（挤压筒）内的金属坯料施加外力，使之从特定的模孔中流出，获得所需要断面形状和尺寸的一种塑性加工方法，有正挤压、反挤压、组合挤压、连续挤压、静液挤压等多种形式。挤压成形能充分发挥金属塑性，获得大变形量，实现由坯料到成品的一次成型。挤压变形能显著改善金属材料的组织，提高制品的力学性能、尺寸精度和表面质量。因此，挤压是金属材料加工的一种应用广泛的成形方法，适用于薄壁、细长的管、线、型材的生产，特别是断面复杂的异型材的加工生产。但是，挤压变形也存在制品组织与性能不均、工模具磨损快和设备负荷高等缺点
4、。挤压制品的组织性能、表面质量、尺寸及形状精度、工模具损耗以及能量消耗都与坯料、挤压工艺、工模具结构尺寸和形状等因素相关。因此，挤压工艺与工模具的设计合理与否是挤压成形的关键。本设计以140mm 棒材（黄铜 DIN_CuZn40Pb2）挤压成形为例，研究挤压变形工艺参数、模具结构形状与尺寸对金属流动、变形力等参数的影响，通过 DEFORM 软件模拟分析参数的合理性。1.2 设计目的掌握挤压变形工具设计方法，巩固挤压变形理论与知识，进一步熟悉数值模拟软件的使用方法，培养 CAE 在金属塑性成形中的应用技能。设计棒材挤压工艺参数和模具结构参数，运用 DEFORM 软件模拟分析设计参数的合理性。1.
5、3 设计内容（1）运用金属塑性变形理论、金属挤压成形理论与工艺的知识，选择坯料，设计挤压工艺参数。（2）根据挤压变形工具设计理论与方法设计主要工具，包括挤压模、挤压筒和挤压垫。（3）选择设计参数，制定设计方案。（4）制定设计过程与步骤。（5）挤压成形的 CAE 分析。1.4 设计要求（1）以挤压工艺参数如挤压初始温度、挤压速度和摩擦系数等，变形工具结构参数如模具锥角、定径带长度待等为设计参数。（2）本设计分组进行，9 名左右学生为 1 组，分组方案见表 1。每组学生选择 1 至铜陵学院机械工程学院课程设计- 2 -2 个设计参数，共同设计方案，设计方案 9 个。每名学生独立完成本组内的 1 个
6、设计方案的设计过程。（3）组内学生共享本组的设计数据，共同讨论、分析设计结果，得出设计结论，共同撰写 1 份设计报告正文。（4）每位学生独立撰写设计小结，组长着重阐述本组设计工作简况，小组成员着重简述自己工作简况，与报告正文一起装订、提交。1.5 挤压方案任务分配我们设计小组的任务是以工模具预热温度为变化量来探究挤压过程中对各个参数的影响，部分实验参数及成员任务分配如表 1-1 所示。表 1-1 挤压方案任务分配表实验小组 学生学号 姓名挤压垫摩擦系数挤压筒挤压模摩擦系数挤压杆速度/ -1sm挤压模锥角/挤压温度/C定径带长度/mm4l工模具预热温度/C组员 550组员 560组员 580组员
7、 590组员 530组员 610组员 630组员 640第五组组长0.3 0.3 40 45 400 50650铜陵学院机械工程学院课程设计- 3 -第二章 工艺参数2.1 工艺参数的设计确定挤压工艺参数时，可以综合考察金属与合金加工时的可挤压性和对制品质量的要求（尺寸与形状的允许偏差，表面质量，组织和性能等） ，以满足提高成品率与生产率的需要。热挤压过程的基本参数是挤压温度和挤压速度（或金属出口速度） ，两者构成了对挤压过程控制十分重要的温度-速度条件。在选择挤压工艺参数时，一般是在理论分析的基础上进行各种工艺试验，考察产品质量，并参考实际生产的经验值。2.1.1 摩擦系数的确定在横断面上，
8、由于外层金属在挤压筒内受摩擦阻力作用而产生剪变形，使外层金属的晶粒遭到较大破碎，且在挤压制品断面会出现组织的不均匀性。在制品的长度上，也是由于外摩擦的作用，出现组织的不均匀性。因此，设计合理的摩擦系数，对于成功实现挤压模拟十分重要。在满足一定条件下，本设计取挤压垫摩擦系数为 0.3，挤压筒与挤压模摩擦系数均取 0.3。2.1.2 挤压速度的确定挤压时的速度一般可分为三种：挤压速度挤压机主柱塞、挤压杆与挤压垫的移动速度；金属流出速度金属流出模孔时的速度；金属变形速度（也称变形速率）单位时间内变形量变化的大小。通常挤压速度越大，不均匀性流动加剧，副应力增大，在挤压制品上会引起周期性周向裂纹或破裂。
9、挤压速度的影响通过以下三个方面起作用：第一，挤压速度高，流动更不均匀，副应力增大；第二，挤压速度提高来不及软化，加快了加工硬化，使金属塑性降低；第三，挤压速度的提高，增加了变形热效应，是铸锭温度上升，可能进入高温脆性区，降低金属加工塑性。综上，挤压速度的确定需在一个允许的范围内，因此在黄铜的允许挤压速度范围内去挤压速度值为 40 。1sm2.1.3 工模具预热温度的确定挤压时，工模具需要进行预热，如果不预热的话，坯料与挤压模具间温差较大，会产生较大的热转递，从而使坯料的温度分布不均匀，影响成品件的性能。故设计工模具预热温度为 400。铜陵学院机械工程学院课程设计- 4 -第三章 模具尺寸的确定
10、3.1 挤压工模具示意图3.2 模具尺寸的确定根据挤压机的结构、用途以及所生产的制品类别的不同，挤压工具的组成和结构形式也不一样。挤压工具一般包括：模子、穿孔针或芯棒、挤压垫、挤压杆和挤压筒。此外，还包括其他一些配件如：模垫、支撑环、压力环、冲头、针座和导路等。本设计主要针对基亚通、挤压模、挤压垫进行结构及尺寸的设计。根据设计任务书，挤压制品的直径 为 ，坯料的规格为 ，故可md16m3014做以下设计。3.2.1 挤压模结构尺寸的确定模子是挤压生产中最重要的工具。它的结构形式、各部分的尺寸，以及所用的材料和加工处理方法，对挤压力、金属流动均匀性、制品尺寸的精度、表面质量及其使用寿命都有极大的
11、影响。模子可以按照不同的特征进行分类，根据模孔的剖面形状可分为平模、流线模、双锥模、锥模、平锥模、碗形模和平流线模七种。模子的主要参数如下：（1）模角 模角是模子的最基本的参数之一。它是指模子的轴线与其工作端面间所构成的夹角。l12l3rwDmd1l45d23D挤 压 垫 挤 压 筒 坯 料 挤 压 模图 2-1 挤压工模具示意图铜陵学院机械工程学院课程设计- 5 -根据已知条件挤压模锥角 =45。工作带又称为定径带，是用以稳定制品尺寸和保证制品表面质量的关键部分。倘若定径带过短，则模子易磨损，同时会压伤制品表面导致出现压痕和椭圆等缺陷。但是，如果工作带过长，又极易在其上粘结金属，使制品表面上
12、产生划伤、毛刺、麻面等缺陷。根据已知条件工作带长度 l4=50mm。（3）工作带直径 d2模子工作带直径与实际所挤出的制品直径并不相等。设计时通常是用裕量系数 C 来1考虑各种因素对制品尺寸的影响。C 查表 2-1 可得。1挤压棒材的工作带直径 用下式计算：g（2-m12dC1）式中， 棒材的名义直径（mm） 。md表 2-1 裕量系数 C 1合 金 C 值1含量不超过 65%的黄铜 0.0140.016紫铜、青铜及含铜量大于 65%的黄铜 0.0170.020纯铝、防锈铝及镁合金 0.0150.020硬铝和锻铝 0.0070.010查表 2-1 可知，本设计 C 值在 0.0140.016
13、之间，取 C =0.015。1 1代入数据，则有 =（1+0.016 ） 16mm=16.26mm，取整，则 =17mm。2d 2d（4）出口直径 3模子的出口直径一般应比工作带直径大 35mm，因过小会划伤制品的表面。又因为 =17mm，则 =17+（35 ）mm=2022mm，本设计取 =21mm。23 3（5）入口圆角半径 r入口圆角半径 r 的作用是为了防止低塑性合金在挤压时产生表面裂纹和减轻金属在进入工作带时所产生的非接触变形，同时也是为了减轻在高温下挤压时模子的入口棱角被压颓而很快改变模孔尺寸用的。入口圆角半径 r 值得选取与金属的强度、挤压温度和制品的尺寸有关：对紫铜和黄铜取 2
14、5mm。且根据已知条件，模孔过渡圆角半径为 5mm。（6）模子的外心尺寸 和2DH模子的外圆直径和厚度主要是根据其强度和标准系列化来考虑的。它与所挤压的型材类型、难挤压的程度及合金的性质有关。根据经验，对棒材、管材、带材和简单的型材，模子外径可按照式（2-2）进行计算D2=（1.251.45） D（2-2）式中， 挤压棒材的外接圆直径（mm） 。D根据已知条件， =140mm，取系数值 1.45，则 D2=1.45140mm=203mm。因为本设计中挤压模的定径带长度是固定的的，为 l4 =50mm，挤压模的长度 H 由定铜陵学院机械工程学院课程设计- 6 -径带长度 l4 、出口带长度 和模
15、角处水平长度共同确定，因为模角处水平长度为5lm8.103cot217cot21 d(d1-d2/2)cot45。 =90.50mm。出口带长度 可取 40mm，则挤压模长度 90.50+40+60=190.50mm。5l H3.2.2 挤压筒结构尺寸的确定挤压筒是所有挤压工具中最贵重的部件，由两层或三层以上的衬套以过盈配合组装在一起构成的。之所以将挤压筒制成多层，是为了使筒壁中的应力分布均匀些和降低应力的峰值。挤压筒尺寸的确定包括：筒内径、筒长和各层衬套的厚度。（1）挤压筒内径 1d挤压筒内径根据挤压合金的强度、挤压比和挤压机能确定的。筒的最大直径应能保证作用在挤压垫上的单位压力不低于金属的
16、变形抗力。显然，筒径越大，作用在垫上的单位压力就越小。再根据产品品种、规格确定筒的内径尺寸。挤压筒内径 可按间隙值计算1d（2-3）Ddm1式中， 坯料的外径，mm；mD是坯料顺利进入又不产生纵向裂纹的间隙值，mm，如表 2-2 所示。因为挤压示意图所给挤压为卧式挤压机，坯料直径为 ，故可知挤压筒直径在m140100300mm 范围内，即可知间隙值 。m5D挤压机 间隙值， （mm）金属材料 类型 吨位， （KN）挤压筒直径（mm） Dd备注铝卧式立式冷挤 3101.530.20.348340.10.8卧式 10010030030013510铜立式 6 75120 1215卧式41531.53
17、1.566.7285220260220260121.5345511.51.5256包套挤压包套挤压光坯挤压稀有金属立式 6 65120 1.521.5 11.51 包套挤压光坯挤压表 2-2 筒、锭间隙选择铜陵学院机械工程学院课程设计- 7 -带入数据可得： 。m14501Ddm（2）挤压筒外径根据经验，一般挤压筒外径 是挤压筒内径 的 45 倍，即11d(2-4)(带入数据可得： ，可取 。257804)5(1 m601D(3)挤压筒长度 tL挤压筒长度可按如下公式进行计算(2-5)321llLt式中， 挤压垫进入挤压筒的深度，mm；1l挤压垫的厚度，mm；2坯料的长度，mm。3l因为 ，
18、(将在挤压垫尺寸确定部分给出计算过程)，为保证m0H502l开始挤压时准确定位和挤压杆在挤压过程中保持稳定， 可取 40mm。1l带入数据计算得： 。m3943tL3.2.3 挤压垫的结构及尺寸确定挤压垫是用来防止高温的锭坯直接与挤压杆接触，消除其端面磨损和变形的工具。垫片的外径应比挤压筒内径小 。但是 也不能太小，以防与挤压筒内衬套摩擦加速D其磨损。 值与挤压筒内径有关：卧式挤压机取 0.51.5mm；立式挤压机取 0.2mm，脱D皮挤压取 2.03.0mm，铸锭表面质量不佳的可选更大一些。本次设计采用卧式挤压机，即=0.51.5mm挤压垫的直径按下式计算(2-6)d1带入数据计算得：。m1
19、45.4.3)5.0(14 dd， 取由于挤压垫的厚度 可等于其直径的 0.20.7 倍，即2l(2-7)12)7.0(dl带入数据可得： ，取 。8.0.2.)7.(1dl 052l铜陵学院机械工程学院课程设计- 8 -第四章 实验模拟及数据提取分析4.1 挤压工模具及工件的三维造型根据设计的的几何尺寸，运用 PRO/E 分别绘制坯料、挤压模、挤压垫、挤压筒的几何实体，输出 STL 格式。4.2 挤压模拟1） 前处理建立新问题：程序DEFORM6.1FileNew Problem Next在 Problem Name 栏中填写“stick extrusion ” Finish进入前前处理界面
20、；单位制度选择：点击 Simulation Control 按钮 Main 按钮在 Units 栏中选中 SI（国际标准单位制度）勾选 “Heat transfer。添加对象：点击+按钮添加对象，依次为“workpiece” 、 “top die”、 “bottom die”和“object 4”，在 Object Name 栏中填入 extrusion workpiece点击 Change 按钮点击 geometry 点击 import选择 extrusion workpiece.stl 实体文件打开；重复操作，依次添加 extrusion die，extrusion mandrel ，ex
21、trusion dummy block，extrusion chamber。对称面的设定：在对象树上选择 extrusion workpiece点击“Geometry” 点击Symmetric Surface选中一个对称面点击“+Add”再选中另一个对称面点击“+Add”。同样对“top die” 、 “bottom die”和“object 4”进行对称面设定。热交换面设定：在对象树上选择 extrusion workpiece点击“Boundary Conditions”选择 3 个热交换面 点击 “+Add”。定义对象的材料模型：在对象树上选择 extrusion workpiece点击
22、 General 按钮 选中 Plastic 选项点击 Assign Temperature 按钮 填入温度 610点击 OK 按钮在对象树上选择 extrusion dummy block点击 General 按钮选中 Rigid 选项点击 Assign Temperature 按钮 填入温度 200点击 OK 按钮 勾选 Primary Die 选项（定义为extrusion dummy block 主动工具）如此重复，定义其它工模具的材料模型（不勾选Primary Die 选项） ；模拟控制设置：点击 Simulation Control 按钮 Main 按钮 点击 Step 按钮 在N
23、umber of Simulation Steps 栏中填入模拟步数 100Step Increment to Save 栏中填入每隔10 步就保存模拟信息 在 Primary Die 栏中选择 extrusion dummy block（以挤压垫为主动工具）在 With Die Displacement 栏中填入步长 1点击 OK 按钮完成模拟设置；实体网格化：在对象树上选择 workpiece点击 Mesh点击 Detail Settings选择Absolute将 Min Element Size 改为 2点击 Surface MeshSolid Mesh，工件网格生成；设置对象材料属性：在对象树上选择 extrusion workpiece点击 Material点击
