开题报告 螺旋帽挤压工艺与模具设计

中 北 大 学毕业论文开题报告学 生 姓 名：樊海伟学 号：0903054223学 院、系：材料科学与工程学院、材料加工系专 业：材料成型及控制工程论 文 题 目：螺旋帽挤压工艺与模具设计指导教师:薛勇2013年 3月11日毕 业 论 文 开 题 报 告1结合毕业论文课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1 精密锻造技术 精密锻造成形技术是指零件锻造成形后，只需少量加工或不再加工即符合零件要求的成形技术。精密锻造成形技术是先进制造技术的重要组成部分，也是汽车、矿山、能源、建筑、航空、航天、兵器等行业中应用广泛的零件制造工艺。精密锻造成形技术不仅节约材料、能源，减少加工工序和设备，而且显著提高生产率和产品质量，降低生产成本，从而提高产品的市场竞争能力。经过3O多年的发展，精密锻造成形技术得到了飞速发展，取得了众多的研究成果。（1） 精密锻造工艺方法目前已应用于生产的精密锻造工艺很多。按成形温度不同可以分为热精锻、冷精锻、温精锻、复合精锻、等温精锻等。（2 ）精密锻造设备为了满足精密锻造工艺的要求，精密锻造设备需要具备如下特点。1)具有较好的刚性，使变形过程中机器本身的变形较小，保证锻造工件的尺寸精度。2)具有精密的导向机构，保证模具的合模精度。3)具有多缸的动作能力，实现精密锻造多个模具运动的要求。4)具有生产工序的自动监控和检测功能等。（3） 精密锻造模具与普通锻造成形相比，精密锻造成形变形抗力更大，模具的工作状态更恶劣，因此精密锻造模具的综合机械性能要求更高。同时，在精密锻造中，模具的尺寸精度和表面粗糙度将直接传递给锻件，为了保证锻件的尺寸精度和表面粗糙度，要求精密锻造模具具有较高的尺寸精度和表面粗糙度。为了满足精密锻造成形对模具的要求，模具设计和制造时，要选择合理的模具结构、模具材料、加工方法及热处理方法，以保证其精度和机械性能。近年来为了进一步提高模具的精度和使用寿命，模具弹性补偿、高速切削、模具补焊等一些新的模具设计、制造技术在精密锻造模具中得到应用。（4） 精密锻造成形过程数值模拟对于精密锻造成形，成形工艺与模具设计往往依靠一些经验和直觉作为设计准则，在经过一次次试模、修正和改进后，才确定正确的工艺参数。这种常规方法具有很大的盲目性和试探性，并带来设备、材料和时间的浪费。这种缺乏科学性的经验方法，因其周期长、成本高、精度低，已不再适应现代制造业生产的发展要求。（5） 精密锻造工艺为提高精密锻造工艺和模具设计的效率和可靠性，近年来国内外学者对精密锻造过程工艺与模具的优化设计进行了大量研究，并取得了较大进展。精密锻造过程工艺与模具的优化设计，一般以工艺参数或模具的形状为设计变量，以工件的形状或物理性能为目标函数，以有限元法方法为目标函数的计算器。采用高效的优化算法，实现工艺参数与模具形状的自动优化。目前，常用到的优化方法包括：基于梯度的灵敏度分析优化算法，以及基于全局寻优的遗传算法。（6） 精密锻造的未来发展1）成形精度向净成形的方向发展 当前精密成形技术已在较大程度上实现了近净成形，即制造接近零件形状的工件毛坯，较传 统成形技术减少了后工序的切削量，减少了材料、能源的消耗。发展趋势是实现净成形，即直接制成符合形状要求的工件。据国际机械加工技术协会预测，21世纪初，塑性成形与磨削相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。 2）成形工艺向新型加工方法以及复合工艺方向发展激光、电子束、离子束、等离子体等多种新能源及能源载体的引入，形成多种新型成形与改性技术，一些特殊材料(如超硬材料、复合材料、陶瓷等)的应用造就了一批新型复合工艺的诞生，如超塑成形/扩散连接技术。 3）成形装备沿着“单机自动化-流水线自动化-柔性、集成系统”方向发展由于激烈的市场竞争，生产方式将由大批量单品种转向多品种变批量，为快速响应市场又要求成形的高速度，各类传感器技术、计算机技术、信息和控制技术的发展支撑着精密成形装备从单机到系统的自动化、柔性化、集成化。 4）成形质量控制朝过程智能化方向发展质量控制是为了保证优化的工艺，提高产品质量，保证稳定不变的工艺条件得到分散度极小的均一的产品质量。为此，在生产过程自动化、工艺参数在线控制、生产工艺因素对工艺效 果影响的模拟基础上，实现控制过程智能化，并实现上述目标，是当前的主要方向。 5）工艺模拟及优化技术获得飞速发展，工艺由“技艺”向“工程科学”方向发展 精密成形技术的一个重要发展趋势是工艺设计由经验判断走向定量分析，应用数值模拟于铸 造、锻压、焊接、热处理等工艺设计中，并与物理模拟和专家系统结合，来确定工艺参数、优化工艺方案、预测加工过程中可能产生的缺陷及采取有效防止措施、控制和保证加工工件 的质量。代表性的技术有虚拟铸造技术，虚拟锻压技术，焊接、热处理工艺过程模拟及质量预测、组 织性能预测，成形工艺-模具-产品CAD/CAM一体化技术。 6）精密成形制造向虚拟制造和网络制造方向发展与制造技术向虚拟制造和网络制造方向发展，并最终实现全球化生产的方向一样，精密成形 制造也向虚拟制造和网络制造方向发展，如精密模具制造目前已在国内开展分散网络制造的 研究及应用示范。 7）精密成形生产向清洁生产方向发展清洁生产技术是协调工业发展与环境保护矛盾的一种新的生产方式，是21世纪制造业发展的重要特征。精密成形清洁生产技术有如下主要意义： 高效利用原材料，对环境清洁； 以最小的 环境代价和最小的能源消耗，获取最大的经济效益； 符合持续发展与生态平衡。2 锻造设备 （1） 锻压设备包括成形用的锻锤、机械压力机、液压机、螺旋压力机和平锻机，以及开卷机、矫正机、剪切机、锻造操作机等辅助机械。锻压机械主要用于金属成形，所以又称为金属成形机床。锻压机械是通过对金属施加压力使之成形的，力大是其基本特点，故多为重型设备，设备上多设有安全防护装置，以保障设备和人身安全。锻锤由重锤落下或强迫高速运动产生的动能对坯料做功，使之塑性变形的机械。锻锤是最常见、历史最悠久的锻压机械。它结构简单,工作灵活,万能性强、使用面广、易于维修，适用于自由锻和模锻。但震动较大，较难实现自动化生产。机械压力机机械压力机用曲柄连杆或肘杆机构、凸轮机构、螺杆机构传动，工作平稳，工作精度高，操作条件好，生产率高，易于实现机械化、自动化，适于在自动线上工作。液压机以高压液体（油、乳化液等）传送工作压力的锻压机械。液压机的行程是可变的，能够在任意位置发出最大的工作力。液压机工作平稳，没有震动，容易达到较大的锻造深度，最适合于大锻件的锻造和大规格板料的拉深、打包和压块等工作。液压机主要包括水压机和油压机。某些弯曲、矫正、剪切机械也属于液压机一类。旋转锻压机锻造与轧制相结合的锻压机械。旋转锻压机的基本传动方式与轧机相似。在旋转锻压机上，变形过程是由局部变形逐渐扩展而完成的,所以变形抗力小，机器质量小，工作平稳、无震动，易实现自动化生产。辊锻机、成形轧制机、卷板机、多辊矫直机、辗扩机、旋压机等都属于旋转锻压机。（2）锻压机器发展趋势 近年来，欧美、日本等发达国家的锻压机械在锻造、冲压和钣金三个领域分别具有以下发展趋势： 锻造设备：整体大型化、高精度和高效率； 冲压设备：多工位、全自动和柔性化； 钣金设备：以激光切割机和数控剪折卷机床组成柔性自动生产线； 国外锻压机械的发展趋势归纳起来具有以下特点： 1）、自动化 欧美、日本等发达国家的锻造以及冲压自动生产线大量采用了电动螺旋压力机、伺服压力机、多工位压力机等先进高效的锻压主机，配合步进梁机械手和多关节机器人等自动化周边设备，并使用先进的总线控制技术，使整条生产线能够真正做到无人化生产，生产效率极高。热模锻方面，大型汽车零件模锻件大部分采用以多工位热模锻压机为主休的综合自动线。冲压方面，大型三坐标多工位压力机自动化连续冲压，由拆垛机、大型压力机、三坐标工件传送系统和码垛工位组成，生产节拍可达16-25次/分。其主要特点是：生产效率高，是手工送料流水线的4-5倍，是单机联线自动生产线的2-3倍；全自动化、智能化，整个多工位压力机系统只需2-3人进行监控。 2）、精密化 精密化锻压工艺技术是当今发达国家锻压工艺技术的发展趋势之一，采用精密化锻压工艺技术可以提高产品精度，减少原材料消耗，提高模具寿命，减少加工废屑，减少能耗，降低成本。 3）、高效化 高效化就是高速化与复合化相结合，提高加工效率。为了达到高效化的生产目的，发达国家的锻压机械有两个发展方向：一是开发速度更高、节拍更快的锻压主机。4）、柔性化 传统的冲压成形都要通过模具在压力机上进行，不同的工件需要不同的模具，工件设计改变，原模具就得闲置，需设计制作新的模具。这样的冲压生产方式不具备“柔性”。为了适应小批量、多品种的生产模式，减少模具投资，缩短新产品开发周期，需要使冲压设备具有“柔性”。 最典型的柔性化冲压设备是数控回转头压力机。工件一次装夹，可以自动完成工件上多个位置的冲裁、压印和浅拉深等工序。利用“步冲”功能，还可以用模具库中的简单形状的模具实现任意轮廓曲线的冲压。 电伺服压力机是另一种形式的柔性化锻压设备，运转速度任意可调的交流伺服电机取代了速度不可调的普通电机，滑块可以实现任意的运动曲线，实现不同的冲压工作，例如静音冲裁、快速冲裁、分段压制及精密压印等。 5）、绿色节能 节能减排是目前全世界的共同课题，因此锻压机械的节能具有重大意义。锻压成形需要克服巨大的变形阻力，传统的普通压力机体积庞大，能耗高。电伺服驱动压力机为锻压机械的节能带来新的希望，电伺服驱动压力机去除了飞轮、离合器和制动器，结构大为简化，不仅滑块运动特性任意可调，而且节能效果明显。目前国外已经将电伺服直驱技术应用在螺旋压力机、冲压机、液压机、楔横轧机、折弯机等多种压力机上。 3 数值模拟技术 锻件品种多，生产周期长，造价高，迫切要求一次制造成功。而传统生产方式只能凭经验，采用试错法，无法对材料内部的应力应变状态、温度分布、宏微观组织结构的演化和残余应力等进行预先控制，也无法对锻件的外形进行准确的控制，因而容易发生锻件报废的事故，在经济和时间上带来较大损失。即使已经投入使用的锻件，也不可避免地存在缩孔、疏松、夹杂、偏析、热裂、冷裂、混晶等缺陷，很多大件带伤运行。使用有限元模拟技术，把锻件生产中的靠经验指导的“技术”变成金属学、力学、传热学、计算机技术等多学科知识结合指导的“科学”，帮助预测产品的性能，将“隐患”消灭在虚拟制造阶段中，从而确保关键锻件一次制造成功，减少生产成本，缩短产品设计生产周期。（1）几何模型的建立实现进行有限元计算相关的变形体和刚体的几何造型。为了进一步网格划分的方便和避免奇异点的产生.通常对模型进行适当的简化处理。现存的有限元分析软件其造型功能都很有限.所以.对复杂对象的几何建模多借助于专用的CAD软件。然后, 通过一定的图形标准(如IGES、TEP等).实现CAD 和CAE系统间的数据转换。（2）材料模型的建立用于输入成形材料的变形特性。常用的材料模 型有弹塑性、刚塑性、热弹塑性、热刚塑性等。主要参数有材料的弹性模量、泊松比、比热容、热导率、屈 服应力以及材料的硬化描述等。（3）接触和摩擦问题接触模型提供有关接触体(变形体和刚体)的运 动及接触方式、接触探测参数定义的信息。摩擦问题对金属的流动具有显著的影响。目前,应用较成熟的摩擦模型有经典的和修正的Coulomb摩擦、剪切摩擦以及轧制摩擦等。（4）耦合问题耦合问题是塑性成形有限元模拟中的另一关键问题。塑性加工中需要考虑多种不同的物理场，如应力场、应变场、速度场、温度场等等。这些物理场在成型过程中并不是相互独立，而是相互影响，相互作用，按一定的规律演变的。因此在用有限元方法来模拟塑性成型时，必须综合考虑这些因素，进行耦合分析，才能较真实的反映现实。通常采用的耦合分析有热力耦合、物理耦合等。目前研究的前沿是对更多的物理场并结合材料在成型过程中微观结构变化进行耦合分析，以实现变形、温度与微观组织演变等的多场耦合。（5）有限元发展趋势1）与CAD软件的无缝集成当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。2）更为强大的网格处理能力有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进。自动六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问。3）由求解线性问题发展到求解非线性问题随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。4）由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题,需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即热力耦合的问题。5）、程序面向用户的开放性随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。参考文献：【1】马琳伟, 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