1、本科毕业论文（20届）基于DEFORM的楔横轧无料头轧制过程数值模拟所在学院专业班级机械设计制造及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要摘要楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，具有高效、节材等优点，在国内外已得到较广泛的应用。但是，近年来随着计算机技术的发展,用数值模拟的方法来研究楔横轧成形也逐渐发展起来,并且已经证明有限元数值模拟是一种高效且实用的新型研究方法。本文采用三维造型软件PROE建立模具与轧件实体模型,导入到有限元分析专业软件DEFORM3D中建立轧件变形模型,对轴类件楔横轧成形的整个过程进行数值模拟仿真计算，分析其无料头轧制过程金属流动规律。研究结果为实现轴类零件无料头轧
2、制，提高材料的利用率奠定理论基础。首先，分析了楔横轧的轧制原理及轧齐理论，并进行了深入研究，得出了一些关键结论轧制时金属流动规律，轧件的主要缺陷中心疏松与轧件端面凹心等发生机理，为零件质量打下基础。然后根据楔横轧原理进行模具设计。得出了确定各个工艺参数的一般原则及方法。这一方法为今后进行楔横轧的设备设计奠定了基础。最后，在上述工作的基础上实现了轧制成形过程，轧制应力场与应变场，模具设计与制造的数据模拟及仿真。证明了所提出的楔横轧有限元建模的可行性及实用性。关键词楔横轧；无料头；有限元；模拟。IIABSTRACTCROSSWEDGEROLLINGISAKINDOFAXIALPARTSFORMIN
3、GNEWPROCESS,HIGHEFFICIENCY,MATERIALS,ETC,ATHOMEANDABROADHASBEENMOREWIDELYUSEDHOWEVER,INRECENTYEARSWITHTHEDEVELOPMENTOFCOMPUTERTECHNOLOGY,ITSDEVELOPEDUSINGNUMERICALSIMULATIONMETHODTOSTUDYTHECROSSWEDGEROLLINGFORMINGALSOGRADUALLYDEVELOPED,ANDHASYETTOPROVETHEFINITEELEMENTSIMULATIONISANEFFECTIVEANDPRACTI
4、CALNEWRESEARCHMETHODSUSINGTHREEDIMENSIONALMODELINGSOFTWAREPROEESTABLISHMOULDSANDROLLEDPIECEINTOSOLIDMODEL,FINITEELEMENTANALYSISOFPROFESSIONALSOFTWAREDEFORM3DROLLEDPIECEDEFORMATIONMODELOFTHESHAFTCROSSWEDGEROLLINGTOSIMULATETHEWHOLEPROCESSOFSIMULATIONANALYZEITSANTICIPATEHEADROLLINGPROCESSMETALFLOWRULER
5、ESEARCHRESULTSFORREALIZINGTHEAXIALPARTS,IMPROVEWITHOUTMATERIALHEADROLLINGMATERIALUTILIZATIONRATIOANDLAYATHEORETICALFOUNDATIONFIRST,ROLLINGPRINCIPLESANDALLTHEORYCROSSWEDGEROLLINGAREANALYZED,ANDCONDUCTEDINDEPTHSTUDY,ANUMBEROFKEYCONCLUSIONDRAWNROLLINGMETALFLOWLAW,THEMAJORFLAWSOFROLLING,PATHOGENESISOFCE
6、NTERPOROSITYANDROLLINGENDCONCAVEHEARTANDSOANLAYTHEFOUNDATIONFORTHEQUALITYOFPARTSANDTHENMOLDDESIGNISCARRIEDOUTUNDERTHEPRINCIPLEOFCROSSWEDGEROLLINGCOMETOTHEGENERALPRINCIPLESANDMETHODSOFVARIOUSPROCESSPARAMETERSTHISAPPROACHCARRIEDOUTFORTHECROSSWEDGEROLLINGDEVICESDESIGNEDFINALLY,BASEDONTHEABOVEMENTIONEDW
7、ORK,ACHIEVEDTHEROLLINGFORMINGPROCESS,ROLLINGSTRESSFIELDANDTHESTRAINFIELD,DATASIMULATIONANDEMULATIONOFMOULDDESIGNANDMANUFACTUREFINITEELEMENTMODELINGOFCROSSWEDGEROLLINGAREPROVEDFEASIBLEANDPRACTICALWHICHAREPROPOSEDBEFOREKEYWORDSCROSSWEDGEROLLINGNOMATERIALHEADFEMSIMULATION。III目录摘要I目录III1绪论111楔横轧工艺简介112楔
8、横轧的发展及应用2121国外发展情况2122国内发展情况313本课题的研究意义42轧件设计621加工余量的确定6211径向加工余量来的确定6212毛坯与坯料尺寸的确定7213毛坯7214直径与长度的确定7215热态毛坯尺寸8216模具精整区型腔尺寸9217计算断面收缩率与初选、9218孔型几何尺寸设计1022轧件尺寸的计算1023轧件的计算机描述113楔横轧模具设计1231模型建立1232几何模型的建立124基于DEFORM3D无料头轧制过程数值模拟1541仿真所用软件DEFORM3D的介绍15411DEFORM的发展15412DEFORM的特点16413DEFORM3D应用举例17414DE
9、FORM3D软件的模块结构17IV42无料头轧制过程的数值模拟18421横截面上的应变分布18422纵截面上的应变分布1843展宽段轧件截面上的应变场特征19431横截面上的应变分布19432纵截面上的应变分布2044起楔段轧件截面上的应力场特征20441横截面上应力20442纵截面上的应力分布2145展宽段轧件截面上的应力场特征22451横截面上的应力分布22452纵截面上的应力分布225结论24参考文献25致谢2711绪论11楔横轧工艺简介楔横轧是一种轴类零件成型新工艺、新技术。这种工艺在科学上属于冶金和机械学科的交叉，与传统的切削、锻造零件成形工艺相比较，它具有生产效率高37倍，节约材料
10、2040，生产成本低30左右等优点，被公认为当今先进制造技术的组成部分。楔横轧的工艺原理（如图11所示），两个带楔型模具的轧辊，以相同的方向旋转并带动圆形轧件旋转，轧件在楔形孔型的作用下，扎制成各种形状的台阶轴。楔横轧的变形主要是径向压缩、轴向延伸。在国内外，用楔横轧工艺已生产出数百种零件毛坯。（如图12所示）。如图11楔横轧的工艺原理如图12楔横轧轧制部分零件楔横轧工艺可生产各种台阶轴类零件，在国内外已生产出数400多种零件毛坯。其中台阶可以是直角台阶、斜台阶、圆弧台阶（包括凸圆弧台阶和凹圆弧台阶）和窄凹档台阶等。可单台阶，也可以是组合台阶。楔横轧工艺已热轧为主，小直径产品可实现冷轧。产品直
11、径范围为6150，长度范围40120。楔横轧既可以用于无切削或少切削的精轧，又可以为模锻件提供毛坯。对第一种情况，往往精度要求较高，因此模具费用较高，适用于大批量生产。对第二种情况，因仅仅是进行体积的再分配，所以模具形状简单，适用小批量生产。与其它常用的成形工艺（如锻造、铸造）相比，楔横轧有以下优点生产效率大幅度提高。轧辊每旋转一周就生产一个产品，楔横轧使用的转速一般为625RMIN，即每分钟生产625个产品（成对轧制则加倍），生产2效率平均提高520倍。今后，伴随着楔横轧技术的进一步完善，生产效率将会更大的提高。材料利用率显著提高。铸锻之后进行机加工的产品，材料利用率一般只有60左右，有的还
12、要低于这个数字。楔横轧成形的每一个产品只损失两个料头，利用率一般达到80以上。精密楔横轧可达到90以上，即达到少切削，甚至无切削的目的。模具寿命长。根据楔横轧的工作原理，作用在模具上的力比较小，所以模具的寿命可以很长。模具可以根据零件由几块组合而成，因此磨损部分可以很容易更换。一般说来，模具的平均寿命能达到100000150000件。产品精度高。热轧件径向尺寸公差可控制在0205，长度尺寸公差可以控制在011。采用高强度轧机或冷轧机，尺寸精度还可提高，甚至可以达到无切削加工。产品质量提高。楔横轧产品由于金属纤维连续，晶粒细化，产品的机械性能明显提高，一般承载能力可提高20左右。振动、噪声均较小
13、，劳动条件得到明显改善。产品的成形、精整与切断等工序均在轧辊孔型中连续自动完成，易于实现自动化生产。生产人员、设备、和厂房面积都可大幅度下降，因此也带来成本的大幅度下降。12楔横轧的发展及应用121国外发展情况楔横轧技术，作为轴类零件的生产方法，其研究的历史可以追溯到19世纪。关于楔横轧轧机的首个专利由LEBEK于1879年提交。受当时技术水平的限制，相应的产品没能被第一台楔横轧轧机制造出来。六年后，SIMONDS试图用该技术生产汽车用车轴，可是，没能使楔横轧得到广泛应用。直到20世纪50年代，HOLUB在捷克斯洛伐克（原）制造出第一台轧机，楔横轧才逐步开始他的商业应3用。1967年，东德（前
14、）UWQ40400型楔横轧机定型，并且在莱比锡春季博览会展出。从此，楔横轧技术作为轴类零件工艺技术，得到了广泛关注。楔横轧技术发展了60年的时间才从实验室研究到工业生产。此后，楔横轧技术在欧洲、亚洲和美洲得到了推广。捷克斯洛伐克（前）于20世纪50年代末设计的UL类型轧机可以产生最大直径100毫米，长度600毫米的零件。苏联（前）1987年以前，曾尝试生产各种不同类型的楔横轧设备，包括单辊，水平/垂直二辊以及机械类指定的“1417的热轧生产线。直径在05到130毫米，长度由5至630毫米的零件在当时已能广泛生产。在其他国家，如东德（前），大不列颠，波兰，美国等，其楔横轧技术也有了不同程度的发展
15、。20世纪60年代，东德进行了许多与楔横轧技术相关的尝试。KAUL和MOCKEL在1967年申请了单楔轧机的专利。在这之后，德累斯顿技术大学的DIETRICH和MULLER在1976年研制了单辊轧机，而且对工件变形进行了调查。在英国，HENRYWIGGINANDC有限公司制成了早期的三辊楔横轧原型机。基于这一原型机，雷德曼工程有限公司在1969年制造了三辊楔横轧机。在波兰，一个WPM120专利型机由马齐尼亚克于1972年提出。但是，由于其复杂模具，它仅能实现较小的应用价值。在美国，1972年，BELMONT基于捷克UL35型轧机，研制了双辊楔横轧机。此外，80年代末，ROLFLO公司设计了水平
16、二辊楔横轧机。20世纪中叶，本村申请了日本第一台楔横轧机的专利。同年，一个试验机在日本的物理和化学研究所完成了。二十世纪末，楔横轧机被日本三菱汽车公司用于生产复杂的加强轴，并已在市场上销售。在印度，轧球和环零件的轧机得到广泛使用，如在PROSIM公司和一些大学，本世纪初其楔横轧技术也取得了一些快速发展。122国内发展情况我国在楔横轧上起步不晚，20世纪60年代末，重庆大学、清华大学、东北大学等单位就进行楔横轧的研究与开发工作，并取得相当多理论与实际成果，但未能实现工业上的应用。20世纪60年代初，重庆大学最早进行楔横轧汽车球销的实验研究工作，并取得初步成功，但由于某些原因未能用于工业生产。20
17、世纪70年代初，东北工学院（现东北大学）在实验室轧出火车D轴的模4拟件，以后与沈阳轧钢厂合作，试轧出火车D轴，但由于种种原因未能应用于生产。20世纪70年代中期，清华大学与北京电讯工具厂合作，也试轧出尖嘴钳毛坯。上海锻压机床三厂研制成功单辊弧形式楔横轧鲤鱼钳毛坯新工艺，是我国最早将楔横轧应用于生产的单位，并收到较好的经济效果。由于单辊形式楔横轧在模具制造、工艺调整等方面都十分困难，故一直不能得到推广。从20世纪70年代初期起，北京科技大学原北京钢铁学院在较好孔型斜轧技术基础上开展楔横轧技术研究工作。北京科技大学与无锡江南工具厂合作。在我国首先将二辊式楔横轧工艺研制成功并应用于五金工具生产。随后
18、大力进行研究、开发与推广工作，先后帮助工厂建成楔横轧生长线80多条，其中2条出口美国。开发并利用于生产的零件300多种，包括汽车、拖拉机、摩托车、发动机、油泵与水泵等机器轴类零件（如下图），累计生产轴类零件200万T，使我国成为世界上开发并投产楔横轧产品最多国家之一。为此，国家科委编辑中华人民共和国重大科技成果（19791998），收录了北京科技大学的这项研究成果，该研究室并被国家科委、国家教委以及冶金工业部列为“轴类零件轧制（斜轧与楔横轧）研究与推广中心。20世纪80年代以来，机械工业部的济南铸锻研究所、郑州机械锁、北京机电研究所、吉林工业大学，先后开展了楔横轧的研究与开发工作，也取得了不同
19、的进展。13本课题的研究意义轴类零件产生料头主要是端面凹心导致的。造成凹心的主要原因是由于楔横轧轧制过程是金属径向压下和轴向延伸的变形过程，轧制端部尺寸时表层金属比心部金属轴向流动要快2627。所以，楔横轧轧制成形轴类零件时，需要通过切削加工除去料头，从一定程度上降低了材料的利用率，限制了楔横轧技术的发展，不适应当今节约型社会需求。为进一步提高楔横轧材料利用率，开展轴类零件无料头楔横轧近净成形技术研究，具有重要的理论意义和工程价值。本项目将解决楔横轧轧制轴类件时，轧件端部必须设置料头的技术难题，实现轴类件楔横轧无料头轧制成形，材料利用率提高到90以上，实现轴类零件的经济化、节能化生产，适应当今
20、社会的需求。5如图13无料头轧制过程图62轧件设计给定一个产品，在进行楔横轧模具设计之前，首先要根据楔横轧工艺的特点及产品要求，确定合理的加工余量，设计楔横轧轧件。21加工余量的确定211径向加工余量来的确定楔横轧轧件径向加工余量的确定主要考虑轧件的弯曲、表面缺陷、径向尺寸精度以及机加工时装夹误差等。楔横轧轧件一般为较长的轴类件，由于轧制时存在轧件受力不均、坯料加热温度不匀、轧件冷却不匀，以及其他多种因素的影响，轧件都会存在一定程度的弯曲。一般来讲，模具较新时，上下两个模具的一致性好，轧件受力均匀，轧件弯曲小；当模具磨损加大、磨损的程度不一致加大时，轧件的弯曲就加大；轧件的直径大、长度短时，弯
21、曲较小，反之就会大些。轧件的弯曲度过大就应进行校直，校直后的轧件也会存在一定的弯曲。生产实际中，一般要求弯曲度不大于0608。轧件的表面缺陷主要有螺旋压痕、异物压入伤痕以及碰伤划伤等。螺旋压痕主要是由于模具的表面和成型面形成的棱过于尖锐造成的；异物压入伤痕主要是由于氧化皮、铁屑等异物在轧制的过程中压入轧件表面造成的；碰伤和划伤主要是在生产及运输过程中形成的，尤其是轧件在轧制完成后出料过程中以及热处理的出料过程中，由于这时的轧件温度很高，轧件很软，很容易碰伤和划伤。另外在装卸过程也容易造成轧件的碰伤和划伤。生产实际中，一般要求表面缺陷不大于0608。轧制过程中，由于坯料加热温度不均匀、模具和轧件
22、接触摩擦状态分布不同以及其他工艺条件变化等多方面因素的影响，轧件的直径会有波动，一般在0104。在进行机械加工时，轧件的装夹和定位也会有误差，尤其是大批量的流水线作业生产中，不可能对每一个产品进行反复找正，使每一个产品的装夹误差最小。机械加工安装的误差一般不大于04。7212毛坯与坯料尺寸的确定213毛坯设计的毛坯和工件草图如图21所示图21毛坯和工件草图根据零件外形尺寸制定毛坯尺寸，毛坯尺寸直径040MM214直径与长度的确定中得坯料直径0该轴坯料直径0等于毛坯最大直径D0，即0D040（21）坯料长度L08坯料直径L0的计算公式如下L0V/S02L（22）/4D2L/4D022L33210
23、0/402227206MM式中V毛坯总体积，；F0坯料截面面积，；L单侧料头长度，L2；将数值带入式L04021523327/402425975综上所述，轧件的径向加工余量应该综合分析，并根据实际情况确定，一般轧件的直径方向加工余量为25。215热态毛坯尺寸热态毛坯尺寸等于冷态毛坯尺寸乘以热膨胀系数，即DNDNKD（23）LNLNKL（24）KD径向热膨胀系数，KD10091013；KL轴向热膨胀系数，KL10121018。DNDNKD331013333MM（25）LNLNKL720610157314MM（26）9216模具精整区型腔尺寸模具精整区型腔尺寸由热态毛坯尺寸却定。轴向尺寸与热态毛坯
24、尺寸一致。径向尺寸为热态毛坯最大直径处增加1深度为基圆间隙，成型方案（22）如图图22成型方案图217计算断面收缩率与初选、1（S0S1）/S0100（133/40）100319（27）根据计算结果最大断面收缩率为319，故成型角、展宽角均可选较大数值。73010218孔型几何尺寸设计以第一组数据楔段为例进行下列计算。已知轧辊最大直径DMAX608，楔段轧制所对应的轧辊半径R1304，取1楔入段长度及圆心角LH1COTCOTD0D1KD/2COTCOT（28）4033101/21COT30COT76397式中为基圆间隙，取为1所对应的圆心角1360L1/2R3606397/（2617）594（
25、29）2楔入精整段长度及圆心角L205DK05335184（210）257296L2/R572965184/617481（211）3展宽带长度及圆心角L305L1COT6397COT72605（212）357296L3/R572962605/617491（213）4）展宽精整段长度及圆心角L405DK05335184（214）457296L4/R572965184/617977（215）22轧件尺寸的计算轧件径向尺寸的计算比较简单，将零件各处直径加上加工余量即可得到轧件的直径。轧件轴向尺寸的计算要复杂一些。轧件的各轴段长度有的要由零件该轴端的长度加上加工余量，有的要减去加工余量，有的不加也不减
26、。11零件直径比相邻轴段大的轴段长度就要加上加工余量的尺寸，反之就要减去加工余量的尺寸。零件直径大小介于两个相邻轴段直径之间的轴段长度不变。23轧件的计算机描述描述楔横轧轧件的形状尺寸可以有多种方法，但从进行楔横轧模具设计角度讲，描述轧件的图形模型应该具有以下三个特点便于计算机进行图形识别和后续处理；易于操作者用习惯的方法迅速为计算机输入轧件的全部图形信息；充分体现楔横轧轧件的整体性。经过综合分析比较，选用以体素法来建立描述楔横轧轧件的计算机模型。基本体素的选择是很重要的。如果体素选择得过于复杂，不仅增加了基本体素的量，给原始的数据输入和后续的计算机处理带来困难，而且会将基本体素的数据描述复杂
27、化，导致再用简单的体素来描述复杂的体素。反之，如果体素选得过于简单，对某些问题就显得太零碎，使用户得不到较完整的形象，从而也不便于应用。根据楔横轧轧件的特点，选用圆柱体、圆锥体。圆弧回转体作为构造楔横轧轧件的基本体素，需要指出的是，由于楔横轧轧件的结构比较简单，在用基本体素构造，无需像一般三维造型设计进行复杂的相交、相切、相贯以及隐线面的计算机处理。因此，原则上来讲只是应用了基本体素构造三维实体的概念。123楔横轧模具设计该轴为近似对称零件。可采用对称轴轧制，然后机加工切除余量。由于该轴的断面收缩率均位小于75，利于模具设计，保证模具精度。31模型建立DEFROM3DR软件支持多种CAD系统如
28、PROENGINEER以及STL/SLA格式。本模型采用PROENGINEER进行建模，另存为STL格式后导入软件前处理器，如图所示，中间是轧件，上下分别是上轧辊和下轧辊，轧件左右为左挡板和右挡板。如图31楔横轧有限元模型3几何模型的建立在楔横轧成形过程中，轧件既发生径向压缩，又产生轴向延伸，该工艺过程个复杂的三维塑性变形过程。因此，用于模拟计算的几何模型也应三维模型，这样才能使仿真结果更接近楔横轧工艺的真实结果，尽量减小模拟过程中的失真。具有和其他PROENGINEER软件的接口，通过这些接口13可以相互传输数据，本文选择使用三维造型软件来建立轧件及模具模型，设置好几何参数后保存为格式的文件
29、，通过的接口导入，然后进行模拟计算。所建立的几何模型如下图所示如图32轧辊14图33挡板如图34坯料如图35轧制成品154基于DEFORM3D无料头轧制过程数值模拟41仿真所用软件DEFORM3D的介绍DEFORM3D是一套基于工艺模拟系统的有限元系统FEM，专门设计用于分析各种金属成形过程中的三维3D流动，提供极有价值的工艺分析数据，有关成形过程中的材料和温度流动。典型的DEFORM3D应用包括锻造、挤压、镦头、轧制,自由锻、弯曲和其他成形加工手段DEFORM3D是模拟3D材料流动的理想工具。它不仅鲁棒性好，而且易于使用。DEFORM3D强大的模拟引擎能够分析金属成形过程中多个关联对象耦合作
30、用的大变形和热特性。系统中集成了在任何必要时能够自行触发自动网格重划生成器，生成优化的网格系统。在要求精度较高的区域，可以划分较细密的网格，从而降低题目的规模，并显著提高计算效率。DEFORM3D图形界面，既强大又灵活。为用户准备输入数据和观察结果数据提供了有效工具。DEFORM3D还提供了3D几何操纵修正工具，这对于3D过程模拟极为重要。DEFORM3D延续了DEFORM系统几十年来一贯秉承的力保计算准确可靠的传统。在最近的国际范围复杂零件成形模拟招标演算中，DEFORM3D的计算精度和结果可靠性，被国际成形模拟领域公认为第一。相当复杂的工业零件，如连杆,曲轴,扳手,具有复杂筋翼的结构零件,
31、泵壳和阀体，DEFORM3D都能够令人满意地例行完成。411DEFORM的发展20世纪70年代后期，位于美国加州伯克利的加利福尼亚的加利福尼亚大学小林研究所在美国军方的支持下开发出了有限元软件ALPID，1990年在此基础上开发出DEFORN2D软件。该软件的开发者独立出来成立SFEC公司（SECIENTIFICFORMINGTECHONOLOGIESCO，并推出了DEFORM3D软件，DEFORM3D是集成了原材料、成形、热处理和机加工的软件。DEFORM的理论基础是经过修订的拉格朗日定理，属于刚塑性有限元法，其材料模型包括刚塑性材料模型、塑性材料模型、多孔材料模型和弹性材料模型。DEFOR
32、M2D的单元类型是四边形，3D的单元类型是经过特殊处理的四面体，四面体单元比六面体单元容易实现网格重划分。DEFORM软件有强大的网格重划分功能，当变形量超过设定值时自动进行网格重划。在网格重划分时，工件的体积有16部分损失，损失越大，计算误差越大，DEFORM在同类软件中体积损失最小。DEFORM软件提供了三种迭代方法NEWTONRAPHSON、DIRECT和EXPLICIT，根据不同的材料性能可以选择不同的计算方法。同时该软件提供了丰富的材料库，几乎包含了所有常用材料的弹性变形数据、塑性变形数据、热能数据、热交换数据、晶粒长大数据、材料硬化数据和破坏数据。412DEFORM的特点DEFOR
33、M具有以下特点DEFORM是在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析。适用于热、冷、温成形，提供极有价值的工艺分析数据。如材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生发展情况等。DEFORM3D功能与2D类似，但它处理的对象为复杂的三维零件、模具等。不需要人工干预，全自动网格再剖分。前处理中自动生成边界条件，确保数据准备快速可靠。DEFORM3D模型来自CAD系统的面或实体造型（STL/SLA）格式。集成有成形设备模型，如液压压力机、锤锻机、螺旋压力机、机械压力机、轧机、摆辗机和用户自定义类型（如胀压成形）。表面压力边界条件处理功能适用于解
34、决胀压成形工艺模拟。单步模具应力分析方便快捷，适用于多个变形体、组合模具、带有预应力环时的成形过程分析。材料模型有弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、刚性材料及自定义类型。实体之间或实体内部的热交换分析既可以单独求解，也可以耦合在成形模拟中进行分析。具有FLOWNET和点迹示踪、变形、云图、矢量图、力行程曲线等后处理功能。具有2D切片功能，可以显示工件或模具剖面结果。程序具有多联变形体处理能力，能够分析多个塑性工件和组合模具应力。后处理中的镜面反射功能，为用户提供了高效处理具有对称面或周期对称面的机会，并且可以在后处理中显示整个模型。自定义过程可用于计算流动应力、冲压系统响应、断裂判
35、据和一些特别的处理要求，如金属微结构，冷却速率、机械性能等。17413DEFORM3D应用举例DEFORM3D典型应用于锻造、机加工、轧制、挤压、冷镦、拉深、开坯、压塑、镦锻。414DEFORM3D软件的模块结构DEFORM3D提供了丰富、适应性强的分析设计环境，主要包括三大模块4141有限元模拟器有限元模拟器是整个分析系统的核心，它以塑性有限元为理论基础，具有以下特点与功能具有多种常见的和用户自定义流动应力方程形式，摩擦可采用库仑模型和剪切模型，热力学参数可为随温度变化的函数模具的运动可由速度、力、滑块动能、机械能等多种形式控制单元形式可为四边形、四面体和六面体单元，模拟准确性高可以分析弹性
36、、弹塑性、刚塑性、刚粘塑性金属材料等的塑性变形过程，提供了成形体的各种力学场可进行非线性热传导过程分析非等温、多分析对象的热一力祸合过程分析可以分析多工步成形问题，实现物理常量的自动继承和转换可进行模具的应力、弹性应变及其损伤分析。4142前处理DEFORM3D的前处理包括数据准备和网格自动生成，具体功能为可方便地对数据进行输入、检查和修改模具几何边界的自动检测和修改具有丰富的材料数据库，并可自建材料数据全自动网格生成，自动实现成形过程的网格畸变检测、网格重划及新旧网格间的信息传递，以保证模拟成形过程的顺利进行。4143后处理DEFORM3D的后处理具有强大的功能，可以满足用户的各种不同需要，
37、包括成形网格的动态仿真速度、应力、应变、应变数率、温度场的等值线和等色面等的动态显示自动产生模具载荷一行程曲线成形材料多个质点各种场量的跟踪描述18模拟结果的自动输出和数据提取等。42起楔段轧件截面上的应变场特征42无料头轧制过程的数值模拟421横截面上的应变分布楔横轧起楔段横截面上的应变分布，如图41所示图41楔横轧起楔段横截面上的应变场能了解到轧件应变仅发生在与模具接触得局部，其他所有部位得应变均为零，即没有发生变形。反映应变强度的等效应变，如图41所示，在与模具接触点等效应变值最大，达到115，并以接触点为心，离它越远，等效应变越小，并逐步下降为零422纵截面上的应变分布楔横轧起楔段纵截
38、面上的应变分布，如图42所示。19图42楔横轧起楔段纵截面上的应变场反映应变强度的等效应变，如图42D所示，在与模具接触点的等效应变值最大，达到115，并以接触点为心，离它越远，等效应变越小，并逐步下降为零。从图42可以看出，轧件应变仅发生在与模具接触下的局部，其他所有部位的应变均为零，即没有发生变形。43展宽段轧件截面上的应变场特征431横截面上的应变分布楔横轧展宽段横截面上的应变分布，如图43所示图43楔横轧展宽段横截面上应变场。20在观察分析轧件应变应力场时，需要指出的是将轧机作为参照物，即轧件相对轧机在旋转，轧件上的任一点都在不断地改变位置，同样一点当旋转90后，X向与Z向变换一次，当
39、轧件旋转一周时，将旋转两次，以此类推。从图43可以看出，在展宽段轧件横截面上产生很不均匀的应变场X、Y、Z，但存在即被趋势与规则，即横向应变X与纵向Z主要是压缩应变，轴向应变Y主要是拉伸应变，在叠加上模具作用产生的应变。432纵截面上的应变分布楔横轧展宽段纵截面上的应变分布，如图44所示。图44楔横轧展宽段纵截面上的应变场图44是纵截面上的等效应变分布，从它可以看出变形强度由左向右增加然后在减小，等效应变由00484增加到165左右，在减小到00484。44起楔段轧件截面上的应力场特征441横截面上应力楔横轧起楔段横截面上应力分布，如图45所示。21图45楔横轧起楔段横截面上应力场从图45可以
40、看出，在轧件与模具接触的局部，由于金属流动受阻，造成横向应力从图45可以看出，在轧件与模具接触的局部，由于金属流动受阻，造成横向应力X，轴向应力Y与纵向应力Z均为压应力，在接触点其值最大，达到0411890MPA,离接触点越远，其压力值越小，并下降到零。442纵截面上的应力分布楔横轧起楔段纵截面上的应力分布，如图46所示。图46楔横轧起楔段纵截面上应力场从图46可以看出，在轧件与模具接触的局部，由于金属流动受阻，造成横向应力X、纵向应力Y与轴向应力Z均为压缩应力。在接触点值最大。离接触点越远，其压力值越小，并下降到零。25图46为等效应力的分布。可以看出在轧件与模具接触点应力值最大，即应力强度
41、最大，达到89MPA,以接触点为心，逐渐减小到零。2245展宽段轧件截面上的应力场特征451横截面上的应力分布楔横轧展宽段横截面上的应力分布，如图47所示。图47楔横轧展宽段横截面上应力场从图47可以看出，在轧件与模具接触的局部，由于金属流动受阻，造成横向应力造成横向应力X、纵向应力Y与轴向应力Z均为比较大的压应力，在接触点最大，达到0005183680MPA之间。离接触点越远其值逐步降到零。452纵截面上的应力分布楔横轧展宽段纵截面上的应力分布，如图48所示。23图48楔横轧展宽段纵截面上应力场从图48可以看出，在轴向轧件与模具接触的整个外层，横向应力X、纵向应力Y与轴向应力Z都在压应力，最
42、大值达到174936MPA,从外层向中心逐步减少为零。根据展宽段横截面与纵截面上的应力场分布特点可以看出，在轧件的中心出现两向比较大拉应力，即横向应力X与轴向应力Y，另一向纵向应力Z一般为数值不大的拉应力或者压应力。所以在轧件中心出现比较大的平均应力M，与比较大的剪应力XZ。而XZ在轧件每旋转一圈中，其值从0到XZ再到0反复两处，这是造成楔横轧轧件中心发生疏松乃至中心破坏的力学原因。245结论本次毕业设计历时三个月，设计过程中本人收集了大量有关楔横轧成形技术与模拟仿真、DEFORM分析软件资料与实例，吸收了许多资料的精华部分。实践与理论都说明楔横轧时，圆形毛坯在连续转动中径向小变形量压缩，毛坯
43、除轴向延伸外，径向也产生扩展，因而在毛坯的心部产生拉应力。当毛坯旋转时，若轴向阻力过大；毛坯横向扩展积累，心部的拉应力增加，当达到材料强度极限时，心部就出现超过允许级别的疏松甚至空腔，这是不允许的。25参考文献宋玉泉连续局部塑性成形的发展前景J中国机械工程，2000,116567李传民，王向丽等金属成形有限元分析实例指导教程M北京，机械工业出版社，2007胡正寰楔横轧技术的现状与展望J锻压技术,199552527。胡正寰，许协和，沙德元斜轧与楔横轧M北京，冶金工业出版社，1985。JJSHAHASSESSMENTOFFEATURETECHNOLOGYCOMPUTERAIDEDDESIGN,19
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