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毕业设计黄铜棒多模孔挤压过程模拟
目录
摘要IV
AbstractV
第一章概述1
1.1挤压1
1.2DEFORM-3D1
1.3黄铜棒应用及发展2
第二章挤压工艺参数设计4
2.1挤压方案4
2.2挤压参数4
第三章变形工模具设计6
3.1模子的结构及尺寸设计6
3.2挤压垫的设计7
3.3挤压筒的设计8
3.4挤压杆的设计9
3.5模孔分布9
第四章DEFORM-3D数值模拟10
4.1DEFORM软件操作流程概述10
4.2前处理10
4.3后处理13
第五章结果分析15
5.1金属流动的分析15
5.2应力的分析15
5.3应变的分析16
5.4挤压力的分析17
5.5破坏倾向的分析17
第六章设计小结18
参考文献19
致谢20
插图清单
图3-1模子结构尺寸图6
图3-2挤压杆尺寸示意图9
图3-3模孔分布示意图9
图4-1对象关系图12
图4-2数据生成图13
图5-1应力与挤压速度关系图15
图5-2应变与挤压速度关系图16
图5-3载荷分布与挤压速度关系图16
图5-4破坏倾向与挤压速度关系图17
表格清单
表2-1挤压方案参数表5
表3-1模具参数表表7
表4-1挤压参数表14
黄铜棒多模孔挤压过程模拟---挤压速度
摘要
本篇论文主要先从我国目前多孔模挤压的发展状况以及对以后发展的展望入手，随着我国黄铜棒市场的迅速发展，与之相关的核心生产技术的应用与研发必将成为业内企业关注的焦点，了解国内外黄铜棒生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争十分关键；其次，根据目前生产状况及生产经验数据，结合本次设计的内容及要求，制订了相应的挤压模拟方案；再次，根据挤压模具设计规律及经验数据，设计了相应的挤压模具，并且利用三维造型软件UG进行造型；最后，利用DEFORM-3D软件按照挤压方案进行挤压模拟，并作相应的后处理，提取相关数据进行结果分析。
此次设计主要运用DEFORM-3D模拟黄铜（DIN_CuZn40Pb2）棒多模孔挤压过程，分析挤压过程中挤压速度对挤压过程中金属流动、应力、应变、挤压力、破坏倾向等方面的影响及其机理。
找出挤压速度对挤压参数、金属组织性能等方面的影响规律。
为生产提供一定的经验参考数据，并且为企业开发研究更多的多孔模产品开辟新途径，提高生产效率，节约研发成本以及降低实际模拟所造成的污染等问题。
本次设计中，最核心的是怎样对结果进行分析，如何有效的利用模拟所得的数据进行纵向和横向间的比较分析，得出对生产实践有较大的指导作用的经验参考数据。
挤压速度对挤压过程中金属流动、应力、应变、挤压力、破坏倾向等方面的影响及其机理。
找出挤压速度对挤压参数、金属组织性能等方面的影响规律。
从而得出结论及影响规律。
其中，有较大难度的为挤压模拟过程，应用DEFORM-3D软件模拟过程中，前处理中相关参数的设置直接关系到模拟的过程是否顺利，模拟的结果是否理想，模拟的数据是否符合自己所需要。
后处理中，如何处理才可符合结果分析的需要。
关键词：
黄铜棒；多模孔挤压；DEFORM模拟；挤压速度
Brassrodmultimodeextrusionprocesssimulation-extrusionspeed
Abstract
Thisthesisaremainlyfromthecountry'sporousdieextrusionofdevelopmentstatus,aswellasontheprospectsforfuturedevelopment,alongwiththebrassrodmarketofrapiddevelopment,andrelatedapplicationcoreproductiontechnologywillbecomeafocusofconcernforenterprises,learnaboutdomesticandinternationalbrassrodproductioncoretechnologydevelopmenttrends,technologicalequipment,technologyandtrendsforenterprisestoupgradetheproductspecification,increasemarketcompetitioniskey;Secondly,accordingtothecurrentproductionandproductionexperiencedata,combinedwiththedesignofthecontentandrequirements,formulatetheappropriateextrusionsimulationprograme;again,accordingtothelawandextrusiondiedesignexperiencedata,designtheappropriateExtrusiondie,andtheuseofthree-dimensionalmodelingsoftwareUGmodeling;Finally,theuseofDEFORM-3Dsoftwarefollowthesqueezescenarioextrusionsimulation,andaccordinglypost-processing,extracttherelevantdataforanalysis.
Thisdesignusedprimarily（DIN_CuZn40Pb2）DEFORM-3Dsimulationbrassrodmultimodeextrusionprocess,analysisofextrusionspeedonextrusionmetalflow,stress,strain,extrusion,underminingthetendencyintheareasofinfluence.Findouttheextrusionspeedonextrusionparameter,metalaspectssuchasorganizationalperformanceimpact.Providingsomeexperiencereferencedata,andresearchanddevelopmentfortheenterprisemoreporousfoamproductsprovidenewwaystoimproveproductivity,savingsanddevelopmentcosts,andreducedphysicalsimulationresults,andsoon.
Thisdesign,thecoreishowtoanalyzetheresults,andhowtoeffectivelyusesimulationtodataobtainedfromtheverticalandhorizontalcomparativeanalysis,ontheproductionoflargerguidanceexperiencereferencedata.Extrusionspeedonextrusionmetalflowstress,strain,extrusion,underminingthetendencyintheareasofinfluence.Findouttheextrusionspeedonextrusionparameter,metalaspectssuchasorganizationalperformanceimpact.Conclusionandinfluence.Wheretherearelargedifficulttosqueezethesimulationprocess,theapplicationoftheDEFORM-3Dsoftwaresimulationprocess,pretreatmentofthecorrelatedparametersofthedirectrelationshipbetweentheset,theprocessissimulated,simulationresultsaresatisfactory,simulationdatameetstheirneeds.Post-processing,howtodealwithinordertobeconsistentwiththeresultsoftheanalysis.
Keywords:
Brassrods;manydieextrusion;DEFORMsimulation;extrusionspeed
第一章概述
1.1挤压
所谓挤压，就是对放在容器（挤压筒）中的锭坯一端施加以压力，强迫其从特定模孔中流出，使之通过模孔成形的一种压力加工方法。
挤压方法有许多，并且可以根据不同的特征进行分类。
按制品流出方向分类，挤压可分为正挤压和反挤压。
其中正挤压是金属流动方向与挤压杆的运动方向相同，其主要特征是锭坯与挤压筒内壁间有相对滑动，即二者之间存在很大外摩擦；反挤压金属流动方向与挤压杆的运动方向相反，与挤压筒内壁间无相对滑动，即无外摩擦。
正挤压与反挤压的不同特点对挤压过程、产品质量和生产效率等有着极大的影响。
按温度分类,挤压可分为热挤压、冷挤压和温挤压。
一般认为，热挤压时坯料加热到再结晶温度以上；冷挤压温度在回复温度以下，通常在室温下进行；回复温度以上和再结晶温度以下为温挤压的温度范围。
热挤压和冷挤压是挤压加工的两大分支。
温挤压发展比较晚，应用范围也小。
挤压作为生产管、棒、型材以及线坯的生产方法，具有比轧制更为强烈的三向压应力状态图，金属可以发挥其最大的塑性；挤压法不只是可以在一台设备上生产形状简单的管、棒和型材，而且可以生产断面极其复杂的，以及变断面的管材和型材；具有极大的灵活性；产品尺寸精确，表面质量高；实现生产过程自动化和封闭化比较容易。
但是，金属的固定废料损失较大；加工速度低，工具消耗大；沿长度和断面上制品的组织和性能不够均一。
本次设计主要是利用正挤压用来挤压黄铜棒。
早在1797年就出现了类似于挤压的铅管制造方法的专利。
1894年德国人迪克（G.A.Dick）首先得到了卧式挤压机的专利，用以挤压黄铜等有色金属。
1905～1915年期间已经出现了2000吨级的大型挤压机，同时开始采用耐热钢制作模具。
目前，挤压主要用于加工铝、铜及其合金，在钢及稀有金属加工中也得到了应用。
20世纪50年代，法国于日内-塞儒尔内（Ugine－Sejournet）将玻璃润滑法用于热挤压的成功和推广，使钢及稀有金属的挤压得到了迅速发展。
70年代，由于设备及技术的发展和完善，反挤压取得了较大的发展。
通常挤压产品沿长度方向具有相同的形状及截面尺寸，采用更换模子的方法或特殊模子结构，可以加工沿长度方向形状和截面尺寸不同的阶段,即可以加工变断面型材和逐渐变断面型材。
热挤压主要采用液压机，有立式和卧式两种。
大型挤压机大多为卧式。
目前，世界最大的挤压机达20000吨。
60年代中国已制造了12500吨大型卧式挤压机。
大型挤压机主要用于加工飞机用的大型铝合金异型材。
1.2DEFORM-3D
DEFORM-3D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行过程中的三维（3D）流动，提供极有价值的工艺分析数据，及有关成行过程中的材料和温度流动。
典型的DEFORM-3D应用包括锻造、挤压、镦头、轧制、自由锻、弯曲和其它成形加工手段。
DEFORM-3D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。
DEFORM-3D强大的模拟引擎能够分析金属成行过程中多个关联对象耦合作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分生成器，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，从而降低运算规模，并显著提高计算效率。
DEFORM-3D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，还提供了3D几何操作修正工具，这对于3D过程模拟极为重要。
DEFORM-3D集成了原材料、成形、热处理和机械加工的软件，是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、金属结构和缺陷产生发展情况等。
其处理的对象为复杂的三维零件、模具等。
不需要人工干预，全自动网格再划分。
前处理自动生成边界条件，确保数据准备快速可靠。
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、钢塑性、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应力等。
本次设计即利用DEFORM-3D软件进行挤压模拟，对黄铜（DIN_CuZn40Pb2）棒多模孔挤压过程模拟，分析挤压过程中挤压速度对挤压过程中金属流动、应力、应变、挤压力、破坏倾向等方面的影响及其机理。
找出挤压速度对挤压参数、金属组织性能等方面的影响规律。
1.3黄铜棒应用及发展
用金属塑性成形方法，将铜锭坯加工成板材、带材、箔材、管材、棒材、型材和线材。
最主要的金属塑性加工方法是轧制、挤压和拉伸，也可采用锻造、深冲、旋压及其他加工工艺。
铜和铜合金加工材料的一般规格：
板材为（0.4～25）×（600～3000）毫米；带材宽600～1000毫米；箔材厚0.005～0.05毫米；管材直径可达360毫米；毛细管直径小到0.5毫米；棒材直径5～160毫米；线材直径小到0.01毫米。
产品供应状态可分为软（M）、硬（Y）和特硬（T）三种。
铜加工材料的消费量仅次于钢材和铝材，主要用作导电、导热、耐蚀、耐磨和高级弹性材料。
铜合金品种多，塑性加工性能相差较大。
紫铜和大部分黄铜、青铜和白铜均有较好的热加工性能，变形温度为500～1050℃。
含铅的α黄铜和含铅的青铜等，由于低熔点的铅不溶解于固态铜中,仅在晶界上分布,热加工时易引起热裂，宜于冷加工。
除含铍、铬、锆等青铜合金除外，变形铜合金均属加工硬化型合金。
塑性最好的紫铜、低锌黄铜等，热态、冷态变形率均可达90％以上。
铜和铜合金的塑性加工，除应保证制品稳定一致的力学性能、尺寸公差和表面质量外，对要求具有深冲性能的铜材还要控制晶粒大小，如黄铜晶粒粗大，深冲时就会使产品表面出现“桔皮”。
一般深冲工艺要求薄板晶粒尺寸为0.03～0.07毫米。
为控制制品的晶粒度，冷加工时，应控制变形量和中间退火工艺制度；热加工时，要控制加热温度和终轧温度。
终轧温度过高，卷取后晶粒将继续长大。
这些质量要求靠工艺及装备来保证。
棒材主要采用挤压。
难以热变形的铅黄铜、锡磷青铜等合金也能承受热挤压变形。
挤压流出速度:
紫铜、黄铜可达5000毫米/秒，锡磷青铜仅为30毫米/秒。
最大挤压比：
紫铜和黄铜为500:
1，青铜为40:
1,白铜为20:
1。
棒材和型材除采用挤压供坯外，还用孔型轧制开坯，经拉伸出成品。
也可采用挤压和轧制直接获得成品。
挤压工艺发展长锭大挤压比水封无氧化挤压。
铜和铜合金线材，两次退火间的总变形率在90％左右。
高铅黄铜、锰黄铜、铝青铜、铍青铜等仅为50～70％。
紫铜线材主要用作导电材料，一般冷拉后需进行退火，以改善导电性能。
黄铜棒广泛应用于机械、电子、电器、汽车、精密仪表、五金装潢等行业。
电力输送中需要大量消耗高导电性的铜，主要用于动力申、线电缆、汇流排、变压器、开关、接插元件和联接器等。
在电机制造中，广泛使用高导电和高强度的铜合金。
主要用铜部位是定子、转子和轴头等。
在大型电机中，绕组要用水或氢气冷却，称为双水内冷或氢气冷却电机，这就需要大长度的中空导线。
例如：
金猴牌出口铅黄铜拉制棒执行高于日本JIS标准的Q/HUAQ7-1997上海市企业标准。
具有化学成分均匀、力学性能稳定、切削性能优异、表面光泽美观等特点。
特别是采用引进的2800t反向挤压机开坯和联合拉拨拉伸等先进工艺，从而使铜棒金相组织致密、晶粒大小均匀、尺寸精度高、质量得到可靠保证。
产品在国内处于先进水平，畅销海内外。
技术工艺，是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。
随着我国异型黄铜棒市场的迅速发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。
了解国内外异型黄铜棒生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。
中国多孔模孔挤出模具产业发展出现的问题中，许多情况不容乐观，如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品；技术密集型产品明显落后于发达工业国家；生产要素决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大；企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。
黄铜棒挤压模拟为企业开发新产品提供新渠道，降低实验成本，减少产业能源消耗以及环境污染问题，有利于提高技术创新能力，扩大生产规模。
有利于在国内外迅速发展的阶段，树立强有力的市场竞争。
模具是一种技术密集、资金密集型产品，在我国国民经济中的地位也非常重要。
模具工业已被我国正式确定为基础产业，并在“十五”中列为重点扶持产业。
由于新技术、新材料、新工艺的不断发展，促使模具技术不断进步，对人才的知识、能力、素质的要求也在不断提高。
因此对此次设计要综合考虑多方面知识，合理利用三维造型软件以及DEFORM-3D软件，认真做好结果分析，为生产实践提供相关的参考数据。
中国多模孔挤出模具产业发展已到了岔口，中国多模孔挤出模具产业生产企业急需选择发展方向。
中国多模孔挤出模具产业发展研究报告阐述了世界多模孔挤出模具产业的发展历程，分析了中国多模孔挤出模具产业发展现状与差距，开创性地提出了“新型多模孔挤出模具产业”及替代品产业概念，在此基础上，从四个维度即“以人为本”、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确地界定了“新型多模孔挤出模具产业”及替代产品的内涵。
根据“新型多模孔挤出模具产业”及替代品的评价体系和量化指标体系，从全新的角度对中国多模孔挤出模具产业发展进行了推演和精准预测，在此基础上，对中国的行政区划和四大都市圈的多模孔挤出模具产业发展进行了全面的研究。
为此，多孔模挤压技术正在进一步的发展，日趋完善。
第二章挤压工艺参数设计
2.1挤压方案
本次设计主要考虑对挤压速度这一变量进行不同设置，由于随着挤压条件的改变，最佳模角值将会发生变化。
例如：
在静液挤压时，模角波动在15°（小挤压比）～40°（大挤压比）之间。
这是因为在静液挤压时，工具接触表面与被挤压金属之间的摩擦应力较小。
显然，为了减少模角对挤压过程中挤压速度对金属流动、应力、应变、挤压力、破坏倾向等方面的影响，又锥模的最佳模角为45°～60°，在此范围内挤压力最小，因此采用模角分别为45°和60°。
有以上数据可以制定挤压方案：
（1）模角为45°时，对应五个速度分别利用DEFORM-3D挤压模拟，并记录相应的挤压结果数据；
（2）模角为60°时，同样对应五个速度分别利用DEFORM-3D软件进行挤压模拟，并记录相应的数据。
2.2挤压参数
有实验所能提供的实际坯料尺寸为Ø158×100mm，又产品直径Ø15mm。
挤压筒内径：
挤压筒内径是根据挤压合金的强度、挤压比和挤压机能确定的。
筒的最大直径应保证作用在挤压垫上的单位压力不低于金属的变形抗力。
显然，筒径越大，作用在垫上的单位压力越小。
由于本次设计对挤压机能以及挤压合金强度不作考虑，只需结合产品规格、品种确定挤压筒的内径，由经验数据，在此挤压筒内径可取Ø160mm[10]。
挤压温度：
由黄铜挤压温度范围为650℃～840℃，其塑性变形能力最强，但是，由于黄铜棒挤压过程中，是高塑性变形，在其变形过程中一定有温度的升高，考虑到其在最佳的塑性情况下，此时取温度为600℃。
工模具温度：
在此挤压模拟过程中，不考虑工模具温度对挤压黄铜棒的影响，由于挤压过程中存在热传导，工模具必定具有一定温度，由经验数据,此时可设为350℃[10]。
模拟环境：
模拟过程可分为干摩擦情况下和润滑情况下，在此考虑在润滑摩擦的条件下进行挤压模拟。
模孔数：
本次设计为十字对称的多模孔进行挤压过程模拟，模孔数设为固定不变的因素，在此取模孔数为4。
同心圆直径：
由模孔分布规律，可以将模孔分布在同心圆直径上，进行对称分布，由经验数据在此可取同心圆直径为70mm的同心圆上[10]。
挤压速度：
根据生产经验数据，黄铜棒挤压出口速度在0.10～3.30m/s之间为最佳，在此不妨取0.50m/s、0.75m/s、1.00m/s、1.25m/s和1.50m/s[10]。
那么由挤压前后体积不变，即：
V×t×S=V1×t×S1×N
其中，V---挤压速度，t---挤压时间，S---坯料横断面积，V1---出口速度，S1---出口横断面积，N---模孔数目。
由以上公式计算挤压速度，例如：
V×t×S=V1×t×S1×N
V×t×π×R2=V1×t×π×r2×N
V=V1×r2×N/R2
V=0.50×7.52×4/792
=18.03mm/s
其余方案挤压速度与此方法计算相同，其结果如表2-1所示。
表2-1挤压方案参数表
方案
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
模孔锥角/°
45
60
出口速度/m/s
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
挤压速度/mm/s
18.03
27.04
36.05
45.07
54.08
18.03
27.04
36.05
45.07
54.08
第三章变形工模具设计
3.1模子的结构及尺寸设计
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，以及所用的材料加工处理，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影响。
模子中使用最基本的和使用最广泛的是平模和锥模。
本次设计采用锥模，其结构尺寸示意图如图3-1所示。
图3-1模子结构尺寸图
模角不同时其它尺寸对其影响不大，在此看作模子除模角不同外，其余尺寸确定方法与模角为45°的确定方法相同，故在此只对模角为45º的模子尺寸进行详细说明。
工作带长度hg的确定：
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。
实践表明，挤压紫铜和黄
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