Deform模拟说明书.docx

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Deform模拟说明书

第一章挤压工艺参数的确定

1.1坯料及尺寸选择

挤压成品为60的黄铜（DINCuZn40Pb2即HPb59-1）圆棒，为确保挤压过程有一定的挤压比确定坯料断面圆直径为90，长250mm的黄铜圆棒。

1.2挤压温度

挤压材料是HPb59-1,为保证挤压时的高塑性第抗力，要求有一定的挤压温度，参考资料可知，对于挤压HPb59-1棒材，锭坯原始温度在580℃～630℃，又由于挤压本身是产热的，则挤压初始温度不可过高，否则挤压到一定温度有可能导致挤压坯料熔化，故此设计挤压温度选择500℃。

在挤压时，为防止挤压温降过快，挤压筒需要预热，参考资料，挤压筒温度为350℃～400℃，此设计挤压筒温度为300℃。

1.3挤压速度

在选择挤压速度时应综合考虑合金的可挤压性、制品质量要求、挤压设备能力等因素的影响，参考资料可知挤压HPb59-1棒材的挤压速度在1.6～6.4mm/s之间，但挤压时速度过大或过小均会导致挤压缺陷，且挤压速度过高时对挤压设备和挤压坯料的要求均会提高，挤压速度过小时，无法满足挤压生产效率，故此设计选择挤压速度为2mm/s。

第二章工模具设计

2.1工模具结构分析

挤压成品为60mm的圆棒，挤压所需的工具有挤压筒、挤压垫和挤压模。

挤压筒容纳高温锭坯，其外形尺寸应为三层材料的尺寸组合。

为防止挤压力过大，挤压表面质量过差，挤压模使用锥模结构，如图2-1所示。

2.2工模具尺寸设计

挤压所用坯料为90×30mm的黄铜圆棒，故挤压筒的内径、挤压垫的外径和锥模的入口锥直径均为90mm。

2.2.1挤压垫尺寸设计

挤压垫做成圆形，其外径为90mm，厚度为直径的0.2～0.7倍（即18～63mm）。

2.2.2挤压筒尺寸设计

挤压筒在挤压过程中防止坯料金属外流，内径与坯料尺寸匹配为90mm，挤压筒长度Lt计算式为：

Lt=（Lmax+L）+S+t

式中Lmax——锭坯最大长度，对铜合金为（1.5～2.5）D0；

L——锭坯穿孔时金属增加的长度；

t——模子进入挤压筒的深度；

S——挤压垫厚度。

由此挤压筒长为320mm。

挤压筒外径为内径的4～5倍，即360～450mm，取400mm。

2.2.3挤压模具尺寸设计

挤压模具主要参数，如图2-1所示。

2.2.3.1模角

锥模的模角在45°～60°，在此范围内的模挤压力最小。

此设计使用模角为45°。

2.2.3.2工作带长度hg和直径dg

工作带又称定径带，其用以保证制品尺寸和表面质量。

挤压黄铜时工作带长度一般为8～12mm，此设计选用工作带长度为hg=10mm。

模子工作带直径与实际所挤压的制品直径并不相等。

挤压棒材时的模孔直径为：

dg=（1+k）d0

式中d0——棒材的名义直径；

k——裕量系数,对黄铜而言，裕量系数k=1%～1.2%。

图2-1模具结构尺寸图

则工作带直径为：

dg=60×（1+1%～1.2%）mm=（60.6～60.72）mm

对此设计选用工作带直径dg=60.6mm。

2.2.3.3出口直径Dch

模子的出口直径一般应比工作带直径大5mm左右，此设计出口直径Dch=70.6mm。

2.2.3.4模具直径D和厚度H

模子的外圆直径D和厚度主要取决于其强度和标准化系列来考虑的。

根据经验，对棒材，模子的外圆直径D=（1.25～1.45）Dp，故模子的外圆直径选择D=100mm。

模子的厚度H在近年有减薄的趋势，其强度主要依靠模垫和其他支承环来保证。

但是，从提高模子强度和减轻弹性变形方面考虑，H又应增大。

根据挤压机的能力大小取H=55mm。

2.2.3.5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，同时也为了减轻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的选取与金属的强度，挤压温度和制品的尺寸有关：

对黄铜取2～5mm。

此设计R=2mm。

第三章Deform数值模拟

3.1创建三维模型

利用AutoCAD按图3-1所示尺寸分别建立坯料、挤压垫、挤压模、挤压筒的实体模型（在挤压过程中只有坯料为刚塑性体，挤压工具均设置为刚性，故图中尺寸仅为模拟的示意尺寸，将所建立的实体文件以“*.STL”格式分别保存。

并分别命名为：

workpiece.STL、TopDie.STL、bottomdie.STL、middledie.STL。

图3-1挤压坯料和工模具实体示意图

3.2Deform模拟前处理

3.2.1设置模拟控制条件

模拟名称为“jy”，设置单位类型“SI”即国际单位制，并激活“Deformation”项，完成设置后退出。

3.2.2创建对象

3.2.2.1导入变形体

导入变形体（即坯料），更改名称为“workpiece”，设置其为“Piastic”，工作温度为500℃。

3.2.2.2导入主动模具

导入主动模具（即挤压垫），更改名称为“TopDie”，设置其为“Rigid”，并激活主动模具开关。

3.2.2.3导入其他模具

导入挤压筒和挤压模具，更改名称分别为“middledie”和“bottomdie”，并设置为“Rigid”。

3.2.3划分网格

选中“workpiece”对象，使其高亮显示，打开“mesh”对话框，在“numberofelements”输入栏中，输入20000，单击网格生成按钮，生成网格。

3.2.4定义材料

选中“workpiece”对象，使其高亮显示，打开“general”对话框，在“material”栏中，双击“other”,选定“DINCuZn40Pb2”，单击

确定材料。

3.2.5定义驱动条件

在对象树中，单击“topdie”,使其高亮显示，打开“movement”对话框，选择“translation”标签。

在“type”栏中选中“speed”；在“direction”栏中选中“z”，在“constantvalue”输入栏中输入“2”，即定义挤压垫运动速度为2mm/s。

3.2.6设置模拟控制信息

3.2.6.1步数步长设置

选择“simiulationcontrols”命令，弹出“simiulationcontrols”对话框，打开“step”模拟步设定菜单。

操作步骤如下：

选择“general”标签，在“startingstepnumber”输入栏中输入“-1”。

在“numberofsimulationsteps”输入栏输入“40”。

在“stepincrementtosave”输入栏中输入“2”。

在“primarydie”输入栏中设定对象为“2-topdie”。

在“solutionstepdefinition”栏中选取“withdiedisplacement”选项，在下拉菜单中选择“constant”，其输入栏中输入“0.75”。

3.2.6.2计算方法选择

打开“interation”菜单，选择“deformation”标签，选择系统默认的“directinteration”。

3.2.7设置对象间关系

选择“inter-object”命令，打开对象关系菜单，单击“yes”按钮添加默认对象间关系，弹出“inter-object”对话框。

单击“

（2）topdie-

（1）workpiece”关系图标，使其高亮显示，单击“edit”按钮，弹出“inter-objectdatadefinition”对话框，选择“deformition”菜单，在“type”栏中选择“shear”摩擦类型，在“value”栏选择“constant”系数，对应输入栏输入摩擦因数0.12，单击“close”按钮，返回到“inter-object”对话框。

单击“applytootherrelations”按钮，将其复制到所有关系对中。

单击接触容差按钮生成接触容差，单击“generalall”按钮生成接触，模具与坯料间接触点高亮显示，若接触正确，单击“ok”按钮退出关系设定窗口。

3.2.8生成数据库

选择“database”命令，弹出“databasegeneralation”对话框，单击“check”按钮，检查数据库是否能生成。

单击“generate”按钮生成数据库文件。

单击“close”按钮，退出数据库生成菜单。

3.3分析模拟

数据库生成后，退出前处理窗口，回答deform软件的主界面，在项目栏中已存在“jy.db”数据库，此数据库就是用户提交运算的数据库文件。

激活此数据库文件，使其高亮显示，单击“start”按钮，打开运算菜单，向FEM运算器提交运算命令。

系统提示normolstop：

Theassignedstepshavebeencompeted，表示模拟计算过程完成。

3.4后处理

3.4.1查看求解结果

在

（statevariable）下拉菜单中，选择“strain-effective（等效应变）”选项，在

（stepsetup）下拉菜单中，选择“step-24”，视窗将显示第24步的等效应变分布情况，如图3-2所示。

在

下拉菜单中，选择“stress-effective（等效应力）”选项，在

下拉菜单中，选择“step-30”，视窗将显示第30步的等效应力分布情况，如图3-3所示。

图3-2第24步等效应变分布图图3-3第30步等效应力分布图

在

下拉菜单中，选择“velocity-totalvel（流动速度）”选项，在

下拉菜单中，选择“step-26”，视窗将显示第26步的流动速度分布情况，如图3-4所示。

在

下拉菜单中，选择“stress-maxprincipal（最大应力）”选项，在

下拉菜单中，选择“step-28”，视窗将显示第28步的最大应力分布情况，如图3-5所示。

图3-4第26步流动速度分布图图3-5第28步最大应力分布图

3.4.2点追踪功能

单击

按钮，弹出点追踪对话框，用鼠标点击四点，坐标会显示在对话框中，如图3-6所示，单击

按钮，弹出的对话框中选择“sortbystep”保存类型，单击

按钮，系统自动提取这四点的数据信息。

图3-6点追踪对话框

在

下拉菜单中，选取“damage（破坏程度）”状态变量，图形显示窗口便会出现如图3-7所示的四点破坏程度。

图3-7四点破坏程度图

3.4.3挤压垫负载图

单击

按钮，选择主动模具，如图3-8。

单击“apply”按钮，视窗便出现如图3-10所示曲线图。

图3-8选项对话框

图3-9模拟挤压力曲线图

第四章数据分析

4.1挤压力（LoadPrediction）分析

由上章图3-9可知，此工件的挤压力的趋势是逐渐递增的。

这是因为随着挤压的进行，工件的变形程度逐渐增加，导致挤压力的升高；同时由于挤压的进行，黏着系数有所上升，会对挤压力的升高产生影响；还有在挤压过程中，由于采用的挤压速度较低，故使得筒内的坯料温度降低，从而使挤压力逐渐降低。

4.2工件的破坏系数（Damage）分析

图4-1破坏程度图

由图形可知，在挤压过程中，已变形区域的破坏系数较大，此区域发生破坏的可能性最大。

这是因为随着金属流向出口，轴向主压应力增加。

而金属内部的附加应力和基本应力叠加后，工件拉应力逐渐增加，能量逐渐积累。

一旦应力值达到金属在该温度下的抗拉强度时，则产生裂纹，故在已变形区域的的破坏系数大。

4.3等效应力（Stress-Effective）分析

由图3-3可知，在与工件的环形边界区域的等效应力较大。

因为挤压时，变形区内的金属一般处于三向压缩应力状态，即轴向压应力，径向压应力和周向压应力。

其中，轴向压应力是由于挤压杆作用于金属上的压力和模子的反作用产生的。

由资料得：

而轴向压应力的分布规律是边部大，中间小。

因为中心部分正对着模孔，根据最小阻力定律可知，其流动阻力较之存在很大的摩擦阻力的边部要小得多，故中心部分的主应力也就最小，而越往边部，主应力越大。

4.4等效应变（Strain-Effective）分析

由模拟的图3-2可得，工件在已挤压区域的等效应变最大。

最大值在锥模入口带与工作带转角的地方，因为此区域的变形体的变形会有突变。

4.5挤压缺陷分析

图4-2挤压缺陷图

挤压过程中肉眼可见的缺陷如图4-2所示，现分析如下：

4.5.1挤压头部缺陷

挤压后变形体头部形状为向下凹，原因是挤压变形体的直径过大，而挤压比较小，挤压过程中，挤压的边部不与挤压筒节前的金属流动快，而中心的金属基本未发生流动，从而使得中心部位向下凹。

4.5.2挤压尾部缺陷——挤压缩尾

挤压缩尾是出现在挤压制品尾部的一种特有缺陷。

缩尾会导致制品内部金属不均匀，降低制品的组织与性能。

其原因为挤压垫对金属的高压作用与冷却作用，使界面产生粘结，致使后端难变形区的金属体积难以克服粘结力纵向补充到流速较快的中心层。

但后端金属较容易的克服挤压垫上的摩擦力而产生径向流动。

由此可见，挤压比对挤压制品的组织和性能以及成才率均有很大的影响，挤压比过小时挤压头尾缺陷及挤压中心部位的未变形区大大降低了产品的使用，因此挤压生产时为保证挤压制品的性能和成才率，挤压比不可过小。

总结

为期两周的Deform课程设计业已结束，通过这两周的课程设计实践，一方面是我在课程设计的同时将学过的专业基础课和专业课程作了一次系统的复习，进一步强化了对以前所学的知识的巩固；另一方面，对挤压工艺流程设计有了一个全面的理性认识。

本次课程设计是大学的第三次课程设计，设计过程中，要求认真细致，否则就会导致设计的失败。

通过此次设计，为我提供了正确的设计、计算、分析问题和解决问题的锻炼机会，培养了我工艺设计的基本技能，强化了我的质量意识和时间观念，对我后续的毕业设计和实际工作打下了良好的基础。

虽说课程设计有我独立完成，但在此过程中若没有指导老师的耐心指导和经验的分享，我本次设计恐怕很难取得现在的结果，在此对张老师在课程设计中对我的认真指导表示衷心的感谢。

参考文献

[1]张莉，李升军．DEFORM在金属塑性成形中的应用[M]．北京：

机械工业出版社，2009．

[2]刘建生，陈慧琴，郭晓霞.金属塑性加工有限元模拟技术与应用[M].北京：

冶金工业出版社，2003．

[3]余桂英，郭纪林．AutoCAD实用教程[M]．大连：

大连理工大学出版社，2006．

[4]马怀宪．金属塑性加工学——挤压、拉拔与管材冷轧[M]．北京：

冶金工业出版社，1991．