金属塑性加工原理 大作业.docx

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金属塑性加工原理大作业

SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY

金属塑性加工原理大作业

设计题目：

搅拌吸食二用勺

学生姓名:

舒赟翌邹运武

学生学号:

11302091361130209114

1、设计背景

1、搅拌咖啡等冲调品

从人类开始饮用咖啡至今已有700多年的历史了。

经过700多年的发展，美国成为当今世界上最大的咖啡消费国。

据美国咖啡协会的统计，美国每年有1.6亿人饮用咖啡，平均每人每年要喝掉4.5公斤，并呈现逐年上涨的趋势。

在全世界，喝咖啡的人也逐年增多，并越来越受欢迎。

到星巴克去喝杯咖啡似乎也成了一种时尚。

全世界每年消费至少4000亿杯咖啡，目前全球咖啡年消费量约1000万吨左右。

咖啡是世界两大饮品之首，目前国内咖啡市场发展速度非常迅猛。

据全球最大的咖啡生厂商-雀巢在2012年的数据显示，其在中国大陆市场销量的25~30%来自在校大学生，也就是说在中国像我们这样的学生群体逐渐成为咖啡消费的主流群体，观察四周的同学，你也会发现，咖啡正不知不觉的占领着大家的抽屉与茶杯。

但是喝过咖啡的人都会发现，咖啡在冲泡时必须借助外力搅拌才能达到均匀状态，也就是说搅拌棒、勺子甚至筷子都是人们在冲调咖啡时必须使用的工具，而且最近几10年内他们的功能还不能完全被取代。

2、吸食奶茶等饮料

中国大陆的奶茶市场于2007年开始进入高发展阶段，随着人们生活质量和消费能力的不断提高，使得他们对饮料产品的口味、时尚要求更高，而奶茶这一在全世界都很流行的新口味的时尚产品，受到了消费者特别是十五至三十岁这一年轻消费群体的喜爱，已形成了稳定的消费习惯。

珍珠奶茶作为奶茶品种中最具有代表性的类别，自1996年开始登陆珠三角地区以及上海等沿海发达城市中西餐厅、咖啡厅起，渐渐被广大中国人所熟悉，甚至成为人们观念中奶茶的同义词。

吸食珍珠奶茶等其他奶茶类饮品时，大部分人习惯使用吸管，而吸管也成为在吸食饮料时必须配备的工具。

设计理念

本设计希望从搅拌与吸食两个角度满足消费者对咖啡等冲调品和奶茶等吸食饮料的消费需求，将两者功能有机结合起来，以达到节省工具，方便携带，节约成本的要求。

二、设计方案

设计过程中，首先根据设计理念初步，运用Soliderworks软件初步绘制模型效果图，如2-1所示。

图2-1模型三维效果图

而后，由于时间及加工设备限制，只能通过淘宝购买相关加工原料，不得不在原有设计理念上进行修改。

根据购置的材料，绘制CAD图纸，如图2-2所示，交予工程训练中心进行加工，得到实物，如图2-3所示。

图2-2CAD图

图2-3最终模型图

图2-4最终实物图

三、焊接工艺分析

1、焊接

金属焊接方法有40种以上，主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。

熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。

压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。

钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。

由于工程训练中心设备限制，故本次设计加工时选用钎焊的焊接方法。

下面根据文献资料对钎焊的相关知识做一个简单的小结。

钎焊加热温度较低，母材不熔化，而且也不需施加压力。

钎焊时由于加热温度比较低，故对工件材料的性能影响较小，焊件的应力变形也较小。

但钎焊接头的强度一般比较低，耐热能力较差。

钎焊可以用于焊接碳钢、不锈钢、高温合金、铝、铜等金属材料，还可以连接异种金属、金属与非金属。

适于焊接受载不大或常温下工作的接头，对于精密的、微型的以及复杂的多钎缝的焊件尤其适用。

钎焊时，焊件是依靠熔化的钎料凝固后连接起来的。

因此,焊缝的质量在很大程度上取决于钎料。

铝钎料主要以Al-Si合金为主。

有时加入Cu、Zn、Ge等元素以满足工艺性能的要求。

大多数钎焊合金都是基于Al-Si系统，其中（Si）一般在7％～12％。

这一系列的钎料无论在钎焊性、强度和母材色泽一致性、镀覆性和抗腐蚀性都极佳，是少有的优良钎料，特别是这类钎料可以进行变质处理，大大增加钎焊接头的韧性和抗弯强度。

润湿是由固-液相界面取代固-气相界面，从而使体系的自由能降低的过程。

也就是液态钎料与母材接触时，钎料将母材表面的气体排开，沿母材表面铺展，形成新的固体与液体界面的过程。

如图3-1

图3-1润湿与展开的示意图

影响钎料润湿与铺展的因素主要有钎料与母材的成分、钎料温度（表面张力）、保温时间、真空度、钎剂（如图3-2）、金属表面氧化物、母材表面状态（粗糙度）、母材间隙和钎料与母材的相互作用等。

图3-2使用钎剂时母材表面上的液态钎料所受的界面张力

影响钎料流动（如图3-4）的因素主要有毛细流动（如图3-3）、钎料流入深度包括润湿角、环境介质、间隙a和其他因素（加工性质、表面状态、缝隙值及其均匀性）。

图3-3两平行板间液体的毛细作用a）钎料润湿母材b）钎料不润湿母材

图3-4实际钎缝填料过程示意图

影响钎焊接头的形成的因素主要有母材对接头形成的影响、钎料及钎缝中的液相量对接头晶体结构的影响。

如图3-5展示不同工艺参数下，钎焊接头剪切强度的变化。

图3-5钎焊接头剪切强度变化

钎焊接头的剪切强度试验，由图定义当某一工艺参数条件下，即钎焊温度或保温时间发生波动时，接头剪切强度的最大变化幅度

，图3-6为钎焊温度对钎焊接头剪贴强度的影响，图3-7、3-8分别为保温时间、钎焊温度对

的影响。

图3-6钎焊温度对钎焊接头剪贴强度的影响

图3-7保温时间波动时，

随钎焊温度的变化

图3-8钎焊温度波动时，

随保温时间的变化

四、冲压工艺分析

勺面的冲压工艺是一种典型的薄壁件的冲压成形，而薄壁件的冲压成形在现代工业中占有重要地位,很多重要的工业薄壁部件均通过冲压成形实现。

典型冲压件的生产工艺过程为:

落料一拉延一修边一翻边一检验。

使用传统的方法进行设计时,难以准确估计冲压成形过程中板料的成形性,也就难以评价模具设计的正确性,使得冲压生产中经常出现破裂、起皱和形状失真等质量问题,而这些问题只能在模具加工后或冲压生产中才能暴露出来。

这就给模具调试带来极大困难,甚至造成整个模具的报废,导致冲压件模具生产周期长、成本高和质量低。

究其原因主要集中在冲压工艺设计阶段的失误。

长期以来,薄壁件冲压工艺设计一直是国内外广大学者的研究热点,也是实际要解决的重要难题。

目前有限元数值模拟技术广泛运用于薄壁件成形过程中,使得能对成形工艺参数优化和成形缺陷的预测,从而在制造模具和投入生产之前可以减少实验过程,缩短了产品的开发周期。

1、冲压模型

在有限元数值模拟过程中，正确建立仿真模型决定结果是否可靠，所以必须在适当的条件下简化模型才能正确处理冲压过程中涉及到的成形力，材料厚度，塑性应变等等。

图4-1半球壳零件冲压成形模型图

图4-1为半球壳零件冲压成形的几何模型,其中,P为成形力,Q为压边力。

变形时,AB、BC、OC三部分受到不同的应力作用,产生不同的变形。

OC部分在凸模力作用下以胀形方式变形,紧紧贴靠在球形冲头表面后变形几乎停止,随着冲头下行,OC部分范围不断扩大,直至成形结束;AB部分随着凸模的下行,外周边法兰材料逐渐被拉入凹模内,形成悬空部BC的上半部;悬空部分BC的变形是板料毛坯在拉力作用下由平面形状变为球面的过程,这一过程中经向为伸长变形,与其垂直的纬向为压缩变形。

根据材料的轴对称性质，模拟时可采用轴对称模型建模,仿真模型见图4-2。

板料单元为4节点线性减缩壳单元（S4R单元）,共划分了895个单元,其中对板料与凹模圆角接触处的单元进行了细化。

凹、凸模与压边圈为解析刚体,为保证计算的精度,所有圆角处单元个数大于10。

板料与模具和压边圈的摩擦系数设为0.1,所有接触处刚体表面设为主面,板料毛坯表面设为从面。

凹模圆角半径取2mm。

压边力采用位移载荷控制，采用smoothstep，施加0.001mm的位移载荷。

在仿真结束后为得到完整的半球壳，可以再abaqus后处理中旋转板料360°即可。

图4-2ABAQUS中仿真模型图

2、本构模型输入

材料的应力-应变关系选取准确与否,对数值模拟构件受力性能的准确性有重要影响,对于非线性、各向异性显著的不锈钢材料尤为重要.

实验测得的不锈钢应力-应变曲线表现出典型的非线性特征,没有明显屈服点.通常不锈钢等非线性材料的应力-应变曲线采用由Ramberg和Osgood提出的应力-应变模型,此模型后经Hill进一步修改。

Ramberg-Osgood模型是固体力学中描述弹塑性材料应力-应变关系（应力-应变曲线）的一个经典理论模型,视总应变为弹性应变

和塑性应变

之和,其形式为:

式中，

为材料初始弹性模量,K为应变硬化相关系数,n为应变硬化指数,反映出材料应力-应变曲线的非线性程度.把K从方程中消去,Ramberg-Osgood模型变为:

式中,

材料条件屈服极限,

为该应力下的塑性应变（残余应变）.

根据以往研究,在应力值比较低的情况下上述方程能够准确地反映出不锈钢应力-应变关系，但当应变高于条件屈服极限时的应变

，基于

和

确定的Ramberg-Osgood模型所求得数值会产生较大的误差，所得应力值偏高,如图2所示.尤其当n值较低时误差更为明显.因此对于应变较大的情况，有必要对Ramberg-Osgood模型做出修正。

图4-3试验结果与Ramberg-Osgood模型曲线对比

Quach等人结了之前几种应力-应变模型的特点，提出了由Ramberg-Osgood基本三参数表示的不锈钢材料全局应力-应变模型，分成三个阶段：

第一阶段为应力在条件屈服极限范围内,即

时，采用传统的Ramberg-Osgood模型。

第二阶段为应变范围

时,采用Gardner和Nethercort修正后的模型。

前已指出，试验证实该模型在拉应变10%、压应变2%以内具有较高的精度。

第三阶段为应变范围在

时,根据Olsson的研究结果,不锈钢材料的真实应力与工程应变近似呈线性关系.因此，可以把不锈钢材料真实应力与工程应变的关系描述为:

式中,

为真实应力,

为工程应变,a和b为常数。

最后,Quach等人提出的全局三段式不锈钢应力-应变模型可表述如下:

代入式中各参数，通过MATLAB计算应力应变值，输入ABAQUS材料属性中，即完成准确的材料属性建立。

3、仿真结果分析

从仿真结果分阶段所得出的等效应变、等效应力分历程输出,可以对冲压成形过程各区域应力应变状态有清晰的认识。

在拉深的过程中,凸缘区（AB部分）的材料不断地被拉入凹模型腔形成拉深件的侧壁,随着凸缘区的不断减小,拉深件的拉深深度在不断增加。

凸缘区是拉深材料的主要变形区,而压缩变形是该区材料的主要变形特征。

由于该区域材料是压缩为主,所以不会出现拉裂现象。

凸模圆角区CB部分的材料在拉深一开始就受到凹模的冲压,在拉深过程中,又受到双向应力的张拉和一定的弯曲作用,从而使厚度变薄,在拉深件底部变形最大,同时材料应变硬化效应又小,所以易发生破裂。

在拉深过程中半球壳底部OC区域受到凸模施加的外载荷,而变形主要集中在凸缘区域,因此应力状态很复杂,在板料凸缘应力的状态是径向受拉,周向受压状态,所以在凸缘和圆角交界区域易出现起皱,和这一状态相同的有侧壁,而平底部分在径向和周向均受到拉应力，将会变得越来越薄。

故在这主要的三部分各自选取一个特殊单元，例如：

element1:

板料凸缘区中心单元，即图4-1几何模型中的O点；element2：

板料圆角区一个单元，即图4-1几何模型中的靠近B点；element3：

板料边缘区C点一个单元。

这三个单元的等效应变变化过程和最终云图分布如下面两图所示：

图4-4三个单元等效应变-时间曲线

图4-5半球壳等效应变极限云图

从图中可以发现这三条曲线都是均匀变化的，没有突变的情况，说明冲压过程中材料是均匀变形的，这对于半球壳拉伸是非常有利的，由于半球壳的拉伸是大形变，故在结束时，材料的最大等效应变达到1.066，另外，三条曲线大小依次排开，说明变形最大的区域一直都是凸缘去，这也可以明显的从下图4-5，半球壳的分布云图中发现。

在拉深过程中，经凸模施加的外载荷作用在半球壳的凸缘区域，该拉深力经侧壁传递给边缘区域。

因此凸缘材料受到径向拉应力和周向拉应力，在半球壳的边缘区域周向拉压力和径向压应力。

在力学分析中,材料的各种极限值，通常是在单向拉伸、压缩实验中测出的。

为了使塑性变形中的复杂应力状态能与这些极限值比较,引入等效应力概念，把复杂应力状态的应力折合成单向应力状态的应力值是非常有利的。

从下图4-6中，看到对应的三条曲线，element1在一接触开始，便开始产生屈服，进入塑性状态；而element2和element3应力马上增加，在相当长一段时间内还保持为弹性，直到1.1s时达到屈服强度235MPa。

随后，各单元的等效应力均匀增加，在1.5s时，element2和element1开始处于同一屈服状态，这可以从图4-7看出，在极限应力状态时，凸缘区相当大一部分处于同一等效应力状态。

并且，从图4-7还可以看出材料厚度随深度的变化，在凸缘区，材料已经非常接近断裂的状态，厚度只有边缘区一半不到。

这说明，不锈钢材料的塑性阶段很长。

图4-6三个单元等效应力-时间曲线

图4-7半球壳等效应力极限云图

下图为加载载荷随位移的变化曲线，可以发现，对于冲压半球壳零件，载荷应该是均匀增加的，而非施加瞬间的冲击载荷，那样会导致材料断裂，不利于大变形材料的成形。

图4-8半球壳成形力-位移曲线

图4-9为冲压过程中各种能量随时间变化曲线，ALLEW为成形力所做的功；ALLIE为材料变形过程中的内能，占了总能量的90%以上，剩下的主要是摩擦力消耗的功，可以发现，初始阶段（0-1.3s）摩擦功还比较小，在小变形时（1.3s-1.8s）马上增加，而在大变形时（1.8s-2s）则保持不变，这是因为在小变形时板料和压边圈相对位移较大，产生了摩擦功。

图4-9冲压过程中能量-时间曲线

下图4-10为不同摩擦系数对应摩擦功的损耗曲线，改变摩擦系数从u=0到u=0.2，三条曲线变化不是很大，并且在图4-9中可以看出摩擦系数u=0时，摩擦功只占10%，分量很小，所以即使增大摩擦系数，摩擦功增加一部分，对于整个外力功也只是一小部分而已。

图4-10不同摩擦系数对应摩擦功的损耗曲线

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