套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析毕业设计论文.docx

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套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析毕业设计论文

本科生毕业设计（论文）

套筒扳头挤压成形过程数值模拟与

成形工艺优化分析

FormingSimulationandProcessOptimizedAnalysis

ofThePartsofSocketWrenchinHotExtrusion

总计：

毕业设计（论文）33页

表格：

4个

插图：

45幅

套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析

FormingSimulationandProcessOptimizedAnalysis

ofThePartsofSocketWrenchinHotExtrusion

学院（系）：

机电工程系

专业：

学生姓名：

学号：

指导教师（职称）：

评阅教师：

完成日期：

2010-5-16

南阳理工学院

NanyangInstituteofTechnology

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析

[摘要]根据热挤压成形理论,针对套筒扳手零件自身的特点，采用复合挤压成形工艺进行热成形，借助DEFORM-3D有限元软件对成形过程进行了模拟、分析。

以挤压成形工序和反挤压成形工序为重点，分析了成形过程中金属的流动规律及应力，应变的分布情况，得到载荷-行程曲线。

对工艺参数进行了优化，验证了数值模拟结果的正确性及该复合挤压成形工艺的可行性。

[关键词]套筒扳头；热挤压；有限元；数值模拟；数值分析

FormingSimulationandProcessOptimizedAnalysis

ofThePartsofSocketWrenchinHotExtrusion

MechanicalDesign,ManufacturingandAutomactionMajorLIFang－en

Abstract:

Accordingtothetheoryofhotextrusionandthetraitofthepartsofsocketwrenchpartitself,thehotextrusionwascarriedoutbyadoptingthecompoundedformingtechnics.FormingprocesswassimulatedandanalyzedthroughutilizingtheDEFORM-3DFEMsoftware.Puttingtheextrusionworkingprocedureintoemphasis,theload—strokecurvecanbegotbyanalyzingthemetallicrunningrule,distributionofstressandstraininformingprocess.Finally,theprocessparameterwasoptimized,thetruthofthevaluesimulationandfeasibilityofthecompoundedextrusivefomingswasverified.

Keywords:

Thepartsofsocketwrench;Hotextrusion;FEM;Simulationofnumericalvalue;Analysisofnumericalvalue

1绪论

1.1本课题的目的和意义

套筒扳手是制造维修业的一种常用工具，在工作过程中主要承受扭矩，所以要求零件强度高，另外必须耐磨，防锈。

随着制造水平的不断提高，近年来，它的品种不断增多，对质量的要求也越来越严格。

目前主要采用挤压方式生产套筒扳手的主要部件套筒扳头。

套筒扳头成形的锻造方法有很多，比如冷挤压、温挤压、热挤压等，各种成形方法各具优缺点，选择时应根据具体的生产条件、材料、工件的复杂性等综合考虑选择具体的成形方法，以达到最好的经济性。

热挤压工艺与冷挤压相比，由于毛坯加热，提高了塑性，降低了变形抗力，因此可以挤压强度较高，断面形状复杂、尺寸较大的零件。

同时还可以增加每一步的变形量，减少变形工歩数，生产方法比较灵活，也可以连续生产。

但热挤压也存在一些缺点：

由于在热加工温度下变形，因此对模具有一定的耐热性要求；在模具设计中要求考虑冷却系统；毛坯的加热与冷却使挤压件的表面粗糙度值变大且降低了零件的尺寸精度。

本次实验我们采用的是热挤压，热挤压成形方法比较优越，节省工序。

但是，由于热挤压成形方法过程中金属与模具之间存在很大的摩擦力，造成金属变形大，应力分布不均匀，内圆弧处极易出现折叠现象，产生一些废品。

因此，套筒扳头件内圆弧挤压过程必须很好的控制摩擦力，优化内圆弧的半径，使金属流动均匀，摩擦力小，才可以形成优质的工件。

然而，在实践中靠经验去优化模具的效率低，精度无法保证。

但是我们可以通过Deform—3D的有限元分析软件进行模具成形的仿真和分析，以达到优化相关参数（比如温度的设定、挤压速度、过渡圆角）的目的。

这个过程中我们充分考虑影响热挤压成形的因素，进行有针对性的模拟和分析，从而选择合适的模具内圆角参数，进而提高工件的质量，到达优化的目的。

1.2本课题的主要研究内容

根据热挤压成形理论,针对套筒扳头零件自身的特点，采用反挤压成形工艺进行热成形，借助DEFORM-3D有限元软件对模具成形进行了模拟分析与优化。

本课题主要是进行挤压模具设计与优化,重点分析了成形过程中金属的流动规律及应力、应变的分布情况，得到载荷-行程曲线。

同时在试验时研究了加热温度、挤压速度、过渡圆角等一些参数对金属流动、应力应变、成形质量和成形力的影响,并以此为依据，对工艺参数进行了优化，验证了数值模拟结果的正确性及该复合挤压成形工艺的可行性。

利用套筒扳头反挤压工艺，不仅使套筒扳头实现了真正内孔成形，而且还实现了套筒扳头零件的内外一次成形，同时还获得了沿轴向分布的全纤维金属流线和致密的金属组织，在实际应用中验证了该工艺设计的合理性与科学性。

挤压模具在设计过程中,还要考虑金属的塑性,变形抗力,应力与应变的影响因素,如化学成分,组织结构的变化,变形速度,变形温度,应力状态的改变,都将决定模具的质量,精度和使用寿命的提高.

1.3小结

本章概述了套筒扳头热挤压的有关目的和意义及DEFORM-3D的有关应用，重点指出了本课题主要研究内容。

2套筒扳头热挤压工艺的确定

2.1热挤压工艺概述

所谓热挤压就是在挤压前将毛坯加热到金属再结晶温度以上某个温度下进行的挤压（见下表2—1），从而获得所需要的热挤压件的一种加工方法[1]。

一般碳钢的热挤压加工温度区间见图2—1所示。

表2--1金属的再结晶温度

图2—1碳钢的加工温度区域

由图2--1可见热挤压时，毛坯是在很高的压应力作用下产生塑性变形。

所以包括高温下塑性很低的材料，均可以承受很大的变形而不发生破坏。

热挤压工艺过程包括：

毛坯的制备——毛坯预热和加热——涂敷玻璃润滑剂——挤压——卸下模具（凸、凹模）、芯棒，清除制件上的玻璃润滑剂——精加工。

根据此零件的结构特点以及热挤压工艺的要求，热挤压工艺方案可以如下图2--2所示：

下料→墩粗→成形

图2—2套筒扳头热挤压工艺简图

按照金属的流动方向和凸摸运动方向挤压可以分为三大类：

正挤压、反挤压和复合挤压。

正挤压的特点是被挤压金属的流动方向与凸模（冲头）的运动方向一致，而凹模则是固定不动的。

如图2—3

a）挤压前的初始状态b）挤压时的网格变化情况

图2—3正挤压空心件的金属流动情况

反挤压的特点是金属流动方向与凸模的运动相反。

采用反挤压能制成圆形、正方形、矩形以及其它形状的空心零件。

如图2—4

a）反挤压初始状态b）进入稳定状态c）反挤压终了状态

图2—4反挤压杯形件的金属流动情况

复合挤压的特点是在挤压的过程中毛坯的一部分金属的流动方向凸模运动方向相同，而另外一部分金属的流动方向与凸模运动的方向相反。

金属的流动方向如图2-5

a）双杯类挤压件b）杯-杆类挤压件

图2—5复合挤压杯形件的金属流动情况

热挤压基本上有如下几种形式如图2—6所示。

其中a、c、d的形式应用最广。

a应用于挤压筒形零件，c应用于挤压管形零件，d应用于棒形零件。

b也是应用于挤压棒形零件，此形式由于毛坯相对于挤压筒壁没有滑动，所以摩擦力比d小，而且一般情况下不采用。

但是近来这种形式有时也用于挤压有色金属零件。

a）深孔反挤压b）实心反挤压c）空心正挤压d）实心正挤压

图2—6热挤压的四种基本形式

热挤压工艺是先进的金属压力加工方法之一。

挤压件的机械加工余量较小，表面质量和尺寸精度也较高，热挤压件的表面光洁度高，尺寸精度也可达IT6--7级。

因此，在零件要求不太高的情况下，热挤压件无需再进行机械加工，从而可以节约大量的金属材料和机加工工时，因此热挤压加工工艺是一种很有发展前途的金属加工方法。

2.2热挤压工艺中的重要工艺参数

在热挤压成形过程中，坯料的加热温度、润滑条件、挤压速度及模具的过渡圆角等都对热挤压成形起着关键的作用。

2.2.1坯料加热温度的确定

在热挤压前毛坯要先要预热，目的是防止毛坯晶粒粗大，表面产生裂纹，提高生产率和节约能源。

一般来说，在保证金属坯料不产生过烧和过热的前提下，总是希望被挤压金属的坯料温度愈高愈好，金属的塑性就越好，也就更容易金属坯料的变形。

但是金属坯料的加热温度不能无限的高，因为金属坯料的加热温度过高，不仅会产生严重的氧化和脱碳，而且还可能出现过热和过烧现象。

因此，金属坯料的加热温度，必须严格控制在一定的范围内，通常是将金属坯料的加热温度控制在低于金属坯料熔化温度150—250℃之间。

2.2.2．成形过程中的润滑

润滑剂选用的合适与否直接影响热挤压工艺的成败。

对于钢，使用各种各样的玻璃粉或者玻璃纤维作润滑剂。

它们不仅起润滑作用（摩擦系数

=0.027—0.033），还在毛坯和模具之间起隔热作用。

根据热挤压工艺特点，一般要求润滑剂有如下性能：

1）具有良好的润滑性能

在热挤压时，为使坯料与模具隔离，避免两者的直接接触，帮助金属流动、提高金属的填充性，降低挤压力，因此要求润滑剂在热挤压温度范围内要具有良好的润滑性能。

2）具有良好的脱模性能

在热挤压时，模具的温度一般在200—300℃,有时甚至高达400--500℃，而挤压件的温度远高于模具温度，当挤压过程结束时，如果润滑剂具有良好的脱模性，则挤压件与模具可即刻分离出去，从而减少了挤压件传到模具上的热量，也就控制了模具的温升。

2.2.3.模具材料的选用

热挤压模具在材料的变形过程中，要经受高的变形抗力和热应力的综合作用，单位压力可高达2000—2500Mpa,连续生产时模具温度可以高达到500--600℃甚至更高，因此在进行工艺设计时，模具材料应满足下列要求：

1）强度和韧性

热挤压是金属在三向不均匀应力状态下进行热态塑性变形的压力加工工艺。

在变形过程中，模具将承受相当大的单位压力，而且由于热挤压的变形速度往往较快，带有冲击载荷性质。

因此模具材料必须有很高的强度和韧性，才能抵抗断裂，避免模具早期裂纹的产生。

2）耐磨性

由于热挤压是高温下进行的，模具一直处在循环往复的受热状态下工作，模具温度的升高一般是不可避免的，当热挤压件热容大，生产率又高，而冷却效果不理想时，模具工作表面温度可达到500--600℃左右。

因此，模具材料仅在室温时具有很高的硬度和强度还不够，还必须具有一定的耐热疲劳性，这样才能保证模具在热挤压过程中不致于产生过大的变形。

而具有足够的耐磨性，则最终提高了模具的使用寿命。

2.2.4.挤压设备特点：

在钢质机械零件的热挤压过程中，目前越来越多地采用专用的热挤压设备，针对热挤压工艺生产的特点，用于热挤压生产的设备应满足下列要求：

1）设备必须具有足够的强度和刚度

2）足够的打击能量和精确的导向

3）要有合适的挤压速度

2.3套筒扳头热挤压成形工艺方案的确定

图2—7套筒扳头零件的结构

根据零件的结构，在套筒扳头成形工艺方案中，整平工序后是要进行退火和磷化处理的。

套筒扳头热挤压材料采用25钢。

生产套筒扳头的全部流程为：

备料---原材料酸洗、磷皂化---下料磷皂化---整平---退火---酸洗、磷皂化---成形---热处理（渗碳淬火或碳氮共渗）---镀锌钝化---包装入库。

各主要工序工作特点分析：

1）材料准备主要为后工序提供稳定的工作直径，以及低而稳定的材料硬度。

2）下料本工序要求下料长度稳定，重量公差稳定在

以内。

3）加热为确保零件内孔对脱碳层的要求，坯料采用中频加热方式，在加热过程中应严格控制坯料的加热温度。

4）整平通过整平工序消除马蹄形、压塌等缺陷，整平上下断面并在上断面中心打出一中心窝，在下端面边缘形成倒角，为下道工序做准备。

5）成形本工序所需要完成的是挤压内孔和下端的四方，也即进行反挤压和正挤压的复合挤压过程。

外圆和四方部分在模具孔中的总摩擦力远大于冲头与内孔的摩擦力，即冲头在成形结束后上行退出时并不能带动工件退出模腔，所以在这道工序中无需上推料机构，但是，下退料的退料时间是在上冲头退出工件后下顶料开始工作。

3套筒扳头成形过程的有限元仿真及模具的优化分析

3.1有限元分析软件的背景介绍

金属塑性成形技术作为金属加工的主要方法之一，已被广泛地应用于实际生产中，它实际上是一个复杂的大变形问题，既有几何非线性问题，又有物理非线性问题，加上复杂的边界条件，使得变形机理十分复杂。

其成形过程是一个受多种因素的影响的复杂过程，材料性能、模具形状、坯料形状、工艺参数、温度等对成形过程都有影响，但是随着计算技术和计算机应用的日益普及，尤其是有限元技术的不断完善，金属塑性成形过程的数值模拟技术得到了飞速发展，使塑性成形理论向实际应用方向迈进了一大步。

针对具体的产品和材料，应用数值模拟技术可以定量地分析各种成形工序的应力、应变分布情况，了解塑性流动规律、温度场分布情况以及各变形参数的影响作用。

塑性有限元方法可以分为弹塑性有限元方法、刚塑性有限元方法和刚粘塑性有限元方法。

弹塑性有限元法的主要优点是考虑弹性变形和塑性变形的相互联系不仅可以计算工件的变形、应力和应变分布以及变形力等信息，而且可以有效地处理卸载问题，计算残余应力、残余应变和回弹。

刚塑性有限元法忽略了材料的弹性变形部分。

在体积成形问题中，坯料的塑性变形量很大，弹性变形量相对较小，同时回弹对锻件的精度影响不大。

因此，用刚塑性有限元法模拟体积成形过程是比较合适的。

本章基于刚塑性有限元分析方法，以DEFORM（DesignEnvironmentfor

Forming）数值模拟软件为工具，对成形过程及各成形参数对成形过程的影响进行了模拟。

3.1.1DEFORM的介绍

DEFORM是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺，它是专为金属成形而设计的，具有非常友好的图形用户界面，可帮助用户很方便地进行准备数据和成形分析。

通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员：

①设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场实验成本；②提高工模具设计效率，降低生产和材料成本；③缩短新产品的研究开发周期。

DEFORM是专为大变形问题设计了一个全自动的、优化的网格再划分系统。

DEFORM是一个高度模块化、集成化的有限元模拟系统，它主要包括前处理、模拟器、后处理器三大模块。

3.1.2DEFORM的功能

Deform-3D是专门分析各种金属成形过程中三维流动的理想模拟工具。

其界面友好，易于使用，能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[3]。

其功能有:

可进行成形分析（包括:

锻造、挤压等）和热传导耦合分析；允许用户自定义子函数，定义自己的材料模型、压力模型、破裂准则和其他函数；材料模型包括刚性、弹性和热粘塑性，特别适用于大变形成形分析；在任何必要时能够自行触发自动网格重划分器，生成优化的网格系统。

在变形精度要求较高的区域，可以进行网格细划分，从而降低题目的规模，显著提高计算效率；质点跟踪可以分析材料内部的流动信息及各种场量分布。

针对金属大变形问题，采用基于热力耦合粘塑性有限元分析技术，将工件视为刚塑性体，将上、下模具视为刚性体。

利用PRO/E软件实现套筒扳头模具的三维造型，而模拟软件采用美国SETC公司开发的DEFORM--3D软件模拟，该软件是一套基于有限元的工艺仿真系统，主要用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。

该软件是一个高度模块化、集成化的有限元模拟系统，进行金属加热、成形过程的分析及成形工艺和热处理工艺的仿真。

3.1.3DEFORM的突出特色

DEFORM软件具有以下突出特色：

模拟范围广，有材料流动，锻造负荷，模具应力，晶粒流动，缺陷成因等；适用工艺广，有冷、热、温过程，锻造，拉拔，挤压，墩头，镦粗，轧制，摆碾，机加工车削，冲切，正火，退火，淬火，回火，时效，渗碳，蠕变，硬化处理等；适用设备多，可以模拟液压锻机，锻锤，螺旋压力机，机械压力机，轧机，摆碾机等；材料库很丰富，大约有149种材料流动应力数据组，其它材料需要时可自行添加。

3.2有限元成形模拟技术

3.2.1几何模型的建立和网格划分

几何模型的生成可以在PRO/E等三维建模软件中实现，然后以STL二进制文件的格式保存，作为有限元分析与模拟过程的调用的模型。

在前处理模拟过程中，开始需要调入工件模型并划分工件（一般是毛坯）的网格，其目的是为了更加直观地看到工件的变形，更好地研究工件的表面受力及内部的应力应变情况。

3.2.2有限元模拟过程

本次