复杂壳体冷挤压成形工艺与模具设计

1、1 绪论 . 31.1 本课题的目的和意义 . . 31.2 本课题的主要研究内容 . . 41.3 小结 . 52 复杂壳体冷挤压工艺的确定 . . 52.1 冷挤压工艺概述 . . 52.2 挤压零件分析 . 73、挤压工艺分析 . . 93.1 坯料尺寸的确定 . . 93.2 毛坯软化处理 . . 103.3 冷挤压毛坯表面处理与润滑 . . 103.4 变形程度计算 . 133.5 确定挤压次数 . 134 挤压设备选择 . . 144.1 挤压力的确定 . 144.2 挤压设备类型选择 . 144.3 液压式压力机型号选择 . 145 模具的结构型式及其主要零部件的设计 . 155

2、.1 冷挤压模具的结构分析 . 155.1.1冷挤压模具的组成部分 . 165.1.2对模具设计的要求 . 165.2 冷挤压模具的结构特点 . 175.3 模具材料的选择 . . 175.3.1冷挤压模具工作零件的材料要求 . 175.3.2冷挤模零件材料选取 . 185.4 凸模设计 . 185.4.1分流控制腔的设计 . . 195.4.1.1分流控制腔的结构形式及位置确定 . . 195.4.1.2控制腔高度尺寸（hi）的确定 . . 205.4.2凸模的结构及尺寸 . 205.5 凹模的设计 . 215.6 卸料和顶出装置的设计 . 235.7 挤压模具模座的设计 . . 245.7

3、.1上模座的设计 . 245.7.2下模座的设计 . . 265.8 导柱导套的设计 . 276、装配图 . 297 复杂壳体成形过程的有限元仿真. . 317.1 有限元分析软件的背景介绍 . 317.1.1 DEFORM 的介绍 . 317.1.2 DEFORM 的功能 . 327.1.3 DEFORM 的突出特色 . 337.2 有限元成形模拟技术中，几何模型的建立和网格划分 .337.3基本参数设定. 337.4 冷挤压成形的模拟分析 . 348、总结. 38致谢. 39参考文献. 39复杂壳体冷挤压成形工艺及模具设计中文摘要：冷挤压是精密塑性体积成形技术中的一个重要组成部分。冷挤压是

4、指在冷态下将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使 金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。 显然，冷挤压加工是靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量转移来成形零件的。本设计介绍了某产品上的复杂壳体的结构分析、挤压工艺过程、挤压设备选 择、模具结构的设计、凸凹模设计、挤压件质量分析、棘轮套齿形模芯的结构、 凸模加工工艺及模具各部件三维造型进行了叙述，并计算了毛坯体积、毛坯尺寸、 变形程度、挤压比和挤压力。与常规壳体加工工艺相比，冷挤压成形的棘轮套具 有齿形强度高、齿形尺寸精度较高、表面粗糙度值低、材料利用率高、生产效率 高、设备投资少等优势。

5、关键词：冷挤压复杂壳体反挤压 凸缘Complicated shell Cold Extrusi on of the process and die desig nAbstract: Volume precisi on plastic cold extrusi on formi ng tech no logy isan important component. Cold extrusion is the next in the cold metal blank into the moldcavity, the strong pressure and under a certain speed,

6、forced metal extrusion from themold cavity to obtain the required shape, size, and has some mecha ni cal performa nee ofextrusi on Obviously, the cold extrusion process is to control the metal flow by mold, bytransfer toa large number of metal forming volume parts.Ratchet sets introducedstructure of

7、 parts, extrusion process, extrusion equipment selection, die structure design,punch and die design, extrusion quality analysis, complicated shell of the structure of toothpunch, punch and die processing of parts, Three-dimensional modeling of the narrative,and calculate the rough size, blank size,

8、deformation, extrusion ratio and extrusionpressure. And conventional processing technology compared to complicated shell,complicated shell of cold extrusion with gear, high strength, high precision gear size, lowsurface roughness, high utilization ratio, high efficiency, less investment in equipment

9、 andother advantages.key words: Cold extrusion Complicated shell Extrusion Flange1绪论1.1本课题的目的和意义该复杂壳体是某产品上的关键零件， 其几何形状复杂， 精度要求高， 是加工 难度很大的零件。目前采用的加工方法材料利用率低， 后续加工难度和工作量大， 不利于大批量生产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。 目前采用的加工方法材料利用率低， 后续加工难度和工 作量大，不利于大批量生产。 金属挤压成型是一种少无切削技术， 利用磨具的压 力使模腔内的金属毛坯产生塑性

10、流动（变形） ，获得所需形状的挤压件。复杂壳体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

11、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，复杂 壳体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Deform2D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

12、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冷挤压成形理论,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DEF0RM-2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。利用复杂壳体反挤压工艺

13、， 不仅使复杂壳体实现了真正内孔成形， 而且还实 现了复杂壳体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小结本章概述了复杂壳体冷挤压的有关目的和意义及DEF0RM-2的有关应用，重 点指出了本课题主要研究内容。2复杂壳体冷挤压工艺的确定2.1冷挤压工艺概述冷挤压是一种金属塑性成形加工方法，它在不破坏金属的前提下，使金属 体积

14、作出塑性转移，达到少切屑无切屑而使金属成形， 制得所需的形状及尺寸的零件。这样就避免了切削加工时而形成的大量金属废屑， 大大节约了钢铁及有色 金属原材料。冷挤压零件是在压力机上进行的，操作方便，容易掌握，生产率很 高。在压力机的往复直线动作下完成复杂的加工工序，并可以制成形状复杂的零 件。在冷挤压过程中，金属材料处于三向不等的压应力作用下。挤压变形后，金 属材料的晶粒组织更加致密， 金属流线不被切断， 成为沿着挤压件轮廓连续分布 的金属流线。 同时，由于冷挤压利用了金属材料冷变形的加工硬化特性， 使冷挤 压件的强度大为提高，从而提供了用低强度钢代替高强度钢的可能性。 经冷挤压 成形零件的表面质

15、量是十分良好的。 在冷挤压过程中， 金属材料表面在高压下受 到模具光滑表面的熨平，因此零件的表面粗糙度值很小，表面强度也大为提高。 冷挤压零件的尺寸精度一般可达精度等级IT8IT9级，个别的尺寸公差范围可 控制在0.015mm以内。冷挤压工艺可以获得理想的制件表面粗糙度与尺寸精度， 有些零件经冷挤压之后可以不再进行切削加工， 从而为采用冷挤压方法加工代替 某些零件的锻造、 铸造与切削加工开辟了一条广阔的道路。 冷挤压工艺是在闭式 模具型腔中进行金属塑性变形， 所得的挤压件是没有飞边的， 故不再需要切边（或 冲孔）后续工序，从而缩短了生产周期。 与模锻工艺相比， 因冷挤压不产生飞边， 故可省去了

16、切边模及切边压力机， 明显地减少了设备投资。 另外，冷挤压生产加 工，可在专用的冷挤压压力机上， 也可以在通用液压机上进行， 还可以在非专门 为冷挤压而设计的普通压力机上进行， 如通用冲床或摩擦压力机。 由于冷挤压可 以大大节省原材料和金属切削加工工时，因此必然可降低零件的制造成本。冷挤压工艺过程包括：毛坯的制备表面预处理涂敷润滑剂挤 压卸下模具（凸、凹模） 、芯棒，清除制件上的润滑剂精加工。根据此 零件的结构特点以及冷挤压工艺的要求， 冷挤压工艺方案可以如下图21所示：图21复杂壳体冷挤压工艺简图2.2挤压零件分析该壳体是某产品上的关键零件，其几何形状复杂，精度要求较高，是加工 难度很大的零

17、件。1材料选择该壳体选用电工纯铁，该钢材参照国家标准：GB/T 6983-2008。其化学成分(质量分数，)为：w0.010 C,w0.10Si,0.25 Mn,w0.010S,0.015P, t满足其要求。（b） 挤压件最小壁厚t壁厚越小，挤压力越大，变形程度越大，变形抗力越大，金属流动越困难 查挤压模具简明设计手册P21表2-8冷挤压工艺尺寸的极限数值，得低碳钢tD/15。根据零件图分析知，t=2mm d=9mn故td/15满足其要求。(c) 挤压件内高I为防止过长的凸模，工作时容易弯曲，稳定性差。查挤压模具简明设计 手册P38表1-31冷挤压工艺尺寸的极限数值知，LW(2.53.0)d满

18、足其要 求。根据零件图分析知，L=23mm d=9mn故L (2.53.0)d满足其要求。(d) 挤压件内径d根据挤压模具简明设计手册P21表2-8得挤压件的内径d85C处理时间1525m in在化学去油后，应当在热水中对毛坯进行冲洗。一般在温度 80 C的热水中经 过46次吊动即可。去油效果检查十分简单，只要用水直接淋在零件上，如果已彻 底去油，则水能浸润所有的表面。磷酸三钠Na3PO42680g/L(c)去除表面氧化层结合冷挤压工艺，由于先热处理再下料，在机械加工中将表层热处理氧化层去 除，故采用机械处理去表面氧化层。(d) 磷化处理钢毛坯经磷酸盐处理后，在表面上形成磷酸盐处理层， 可以避

19、免挤压件产生鱼 鳞状裂纹，可以避免模具的擦伤与碎裂。在冷挤压变形中，其可作为润滑支承层。经 过磷酸盐处理及润滑处理后的钢毛坯具有十分理想的润滑性能，因而可以降低挤压 力，防止零件表面裂纹，防止材料粘在模具上，提高模具寿命。对于此零件磷化处理 工艺如表1。(e) 润滑处理润滑处理能降低挤压的摩擦力是零件表面质量好， 避免裂纹，提高模具寿 命。表1表面与润滑处理工艺骨口 序号工序处理液处理温度/:处理时间/mi1去油脂氢氧化钠60100g碳酸钠6080g室温901015磷酸钠2680g水玻璃1016g水1L2热水清洗水8010010153酸洗除锈硫酸12180g食盐810g水1L室温65104冷水

20、清洗水室温125中和苏打80100g室温40236冷水清洗水室温7磷化处理马日夫盐* 3050g10020308冷水清洗水室温129中和氢氧化钠3g/L6010冷水洗室温1211冷水洗室温1212磷酸盐处理Zn(H2PO4)2 506CZn(N03)2 601206570152013热水洗65701214冷水洗室温1215皂化中华牌肥皂20030403516凉干3.4变形程度计算该零件采用断面缩减率表示其变形程度。断面缩减率=F1100%FF02式中F0冷挤压变形前毛坯的横断面积（mm）2F1冷挤压变形后制件的横断面积（mm）（a）计算总变形程度已知机加工后坯料直径D0=63.6m m零件最大

21、变形程度地方为零件d1=37mmd2=23mn环形端面，故零件总变形程度为2FO=nD0/4=F0 F1100% =72%FF03.5确定挤压次数F1=FF许=88%F许由表3.3（P38挤压模具简明设计手册）查得。4挤压设备选择4.1挤压力的确定假设采用一道工序，经计算得F1=72%挤压力的影响因素很多，有挤压材料、变形程度、模具形状、润滑毛坯尺寸、变形方式和挤压速度等，故采用经验公式计算挤压力较准确。P=cpf式中P挤压力，Np单位挤压力，MPa;F凸模工作部分的投影面积，mm2;C安全系数 (考虑到材料性质上的差异， 软化热处理的质量摆动， 润滑等不良影响，一般取c=1.3)；2F=3.

22、14(41*41-30*30)=2452.34mm由上公式计算得P=7014kN4.2挤压设备类型选择由于液压式压力机工作行程长、速度和行程可调、能在下死点保压、安全性高、不存在超载问题，故选用液压式压力机。4.3液压式压力机型号选择由于挤压力为7014kN设计挤压模具行程小于100mm模具高度为643mm故选 用YA61-1000型号液压式挤压机。其主要技术参数如下型号YA61-1000标称压力6300/10000回程压力1000顶出压力1200液体最大工作压力/MPa32滑块距工作台面最大距离/mm1800滑块行程/mm1000顶出行程/mm400工作台距地面咼度/mm400工作台尺寸（左

23、右x前后）/mm1200X200滑块尺寸（左右x前后）/mm1100X100机器外形尺寸（左右x前后x地面上咼度）/mm6690X4050X5450电机总功率/kw1675模具的结构型式及其主要零部件的设计5.1冷挤压模具的结构分析冷挤压模具的显著特点是单位压力很高，特别是钢的冷挤压单位压力高达2000MPa以上。在这样高的单位压力作用下，使得冷挤压模具极易损坏。因此， 为了延长模具寿命，满足使用要求，对于冷挤压模具结构强度、刚度、精度等方 面的要求皆应比冷冲压模具高，为此，我们首先应特别慎重对待冷挤压模具的结 构设计5.1.1冷挤压模具的组成部分冷挤压加工时靠模具来完成的，它主要由以下几部分

24、组成：1)工作部分，如凸模、凹模，顶出杆等2)传力部分，如压力板等3)顶件部分，如顶杆、反拉杆、顶板等4)卸件部分，如卸料板、拉杆、弹簧等5)导向部分，如导柱，导套等6)紧固部分，如上、下底板、凸模固定圈、固定板、压板、模柄、螺钉等。5.1.2对模具设计的要求冷挤压模具与其他压力加工模具相比，由于冷挤压力的单位压力很高，模 具处于非常恶劣的条件下工作， 故极易失效。 因此，在设计冷挤压模具时应满足 如下要求：1)保证模具在恶劣的工作条件下工作， 具有足够的强度和刚度， 特别是工作 部分应选择合理的几何形状，采用强韧性很好的材料。2)模具的紧固应可靠，对中性能要好。3)模具的易损部分装卸方便。4

25、)模具具有方便而灵活的卸料和顶出装置。5)具有良好的导向装置6)便于毛坯的放置和定位；大量生产时，应具有半自动或自动送料装置。7)具有必要的防护措施，保证操作工人是我人身安全8)模具成本低廉。5.2冷挤压模具的结构特点冷挤压模具与冷冲压模具相比有如下一些特点：1)模具材料的选择，特别是对模具工作部分材料的要求更高。一般要求模 具工作部分的材料应具有较高的强韧性、耐磨性以及热硬性。2)模具工作部分的过渡处采用光滑的圆角过渡，以防止由于大小直径的剧 烈变化而产生较大的应力集中，造成模具的早期失效。3)工作部分与上、下底板之间一定要有足够大的支承面和一定厚度的淬硬 压力垫板，以缓和从凸、凹模传来的超

26、高压力，防止压坏上、下底板。4)为了提高模具工作部分的强度，冷挤压凹模多采用施加预应力的组合式 结构，而不采用整体式凹模，凸模有时也采用组合式结构。5)上、下底板一般不采用铸铁材料制造，而采用具有足够厚度的中碳钢制 成，以保证模具具有较好的刚性和较高的抗压强度。5.3模具材料的选择5.3.1冷挤压模具工作零件的材料要求冷挤压模具是在极其恶劣的条件下工作的，工作应力高达2000-2500MPa在连续工作下，还应具有较烈冲刷，因此，模具材料应具有一下的基本性能：7.2高强度 模具材料必须具有较高的强度， 在保持一定的韧性的条件下， 还 应具有较高的硬度。7.3高韧性 模具材料必须具有较高的强度和动

27、载强度7.4高耐磨性 模具材料必须具有较高的抗磨损能力。7.5高耐压性 在高的压力作用下，不墩粗，不弯曲。7.6足够的耐热性 挤压使模具反复经受温度升温的作用，材料内部受拉伸压缩的交变作用，因此，要求模具在较高温度下，有较高硬度。7.7良好的工艺性 这是获得高质量模具的重要因素。5.3.2冷挤模零件材料选取冷挤模零件常用材料主要有碳素工具钢， 合金工具钢， 高碳高铬模具钢， 高 速钢，硬质合金及部分合金结构钢。查挤压模具简明设计手册 表10.5挤压时凸凹模材料均选用W6Mo5Cr4V2,表10.6顶杆材料为T12,上、下模座时冷挤压压力的主要支撑部分，由于冷挤 压的单位挤压力较高，上、下模座不

28、能用铸铁材料，采用45钢.5.4凸模设计设计时应注意的问题(3)为了保证凸模装卸简单，紧固可靠，凸模的夹紧部分一般做成阶梯形或 锥形。(4)当凸模带有导向部分时，导向部分长度按开始挤压时，伸入凹模的长度 不小于5mmt勺原则来设计。(5)为了防止应力集中而造成模具的早期失效，所有过渡部分皆应设有足够 大的圆角半径或倒角。(6)为了防止凸模产生纵向弯曲，凸模成形部分长度应尽量短一些(7) 凸模与上压力板接触表面应紧密配合，不允许留有间隙。本挤压件挤出成形需两步工序，根据前面分析设计的各工序尺寸来设计本工 序的凸模大小尺寸。1分流控制腔的设计分流控制腔的结构形式及位置确定流动控制成型工艺的实质是闭

29、式模锻成型， 该工艺重点是判断最后充满模膛 的位置，控制金属在模膛中的流动方向和模锻成形力的大小， 其关键技术是模膛 分流控制腔的设计。因此必须先判断出哪个模膛(模膛厚度不同，高度不同)最 后充满。根据塑性成形最小阻力定律和实验观测， 应当根据模膛对变形金属产生 的流动阻力的大小来判断，即:K=h/t式中：h模膛高度；t模膛宽度；这里首先分别介绍计算内、外筒的h1/t1、h2/t2，得到k1=7.67、k2=8.5， 然后根据数值的大小做出判断。显然，k值最大的圆筒模膛端部才是模锻时最后 充满的部位。 因为在所有圆筒形模膛尺寸精度， 尤其是模膛表面粗糙度一致的条 件下，越是窄而深的模膛其流动阻

30、力越大， 无论是冷态挤压模锻还是热挤压模锻 均是如此541.2控制腔高度尺寸（hi）的确定当圆筒形模膛中最后充满的模膛被确定后， 若其外径为di,则相应的控制腔 的内径为di2ti。因此，尺寸hi即可根据控制腔的体积约等于坯料上多余金属体积（VQ的2被来确定，有:2 24 a a2tin2Vk壳体零件成型难易可通过计算断面收缩率来判断，计算出压盖的断面收缩率为69.73%,根据经验的反挤压断面收缩率成型力图，断面收缩率在40%50%时，成型力增长缓慢，超出这一范围，成型力急剧增加。因此，控制压盖成型力的大小是该工艺的关键问题。5.4.2凸模的结构及尺寸查挤压工艺及模具设计P104-105设计如

31、图:图4挤压凸模 此模具的各项参数由经验可得：工作带直径d1=82mm工作带高度h4=16.5mm , h5=23mm非工作部分直径d=90mm定位直径d2=1.2d1=92mm定位高度h2=27mm支撑部分直径d3=1.4d1=107.53mm支撑部分高度h3=0.5d1=30.98mm支撑部分锥半角B=150其他尺寸如图所示总高度H=h1+h2+h3=96.53+27+30.98=154.5mmhi2Vktiditi5.5凹模的设计冷挤压时挤压力较大，凹模根据冷挤压的单位压力p的大小来决定选择凹模，凹模材料W6Mo5Cr4V高速钢。在模座侧壁上用螺钉通过压力板直接拧紧的方向，对凹模进行固紧

32、。查挤压模具简明设计手册表6.29设计如图：图6挤压凹模查挤压模具简明设计手册表6.29表6.30经验公式可得： 凹模内径d1=86mm凹模的外径d2=150.78mm凹模工作部分的高度h1=22mm凹模的总高度h=h1+h2=44mm其他尺寸如图所示5.6卸料和顶出装置的设计卸料装置和推顶机构应具有在任何情况下， 都能切实可靠地将挤压模件从凸 模中卸脱出，或从凹模中推顶出来， 并在回程时， 保证不与其他零件相干扰地复 位的功能。 还应以不使成型件产生变形或卡住现象， 迅速地进行卸料和推杆， 而 不影响制件质量。查挤压模具简明设计手册表6.58设计卸件装置如图：图8卸料板设计顶出装置如图：图9

33、顶出器5.7挤压模具模座的设计查挤压模具简明设计手册和冲压手册等资料并结合本次设计的具体情况，选择了如图所示的模座结构。5.7.1上模座的设计图10上模座5.7.2下模座的设计图11下模座5.8导柱导套的设计冷挤压模具工作部分的准确导向，可使凸模在工作时对准中心，减少由于偏 心负荷时产生的弯曲力矩损坏凸模的危险， 并能提高挤压件的精度。 对导向装置 设计的基本要求：结构合理，导向准确可靠，导向作用发生在挤压开始之前，并 在整个 过程中实行导向：导向部分与工作部分之间的配合间隙合理。常见的导向装置有：导柱导套间的滑动导向，凸模导向，模口导向，和导套 导向四种。本设计选择导柱导套导向。如图所示：导

34、柱导套6、装配图根据以上分析，设计壳体挤压的装配图如下：图121-导套2-上模座3-螺钉4-凸模固定圈5-紧固圈6-螺钉7-凸模8-销钉9-垫块10-特形螺母11-卸料螺钉12-衬套13-卸料板14-压板15-弹 簧16-导柱17-凹模固定圈18-销钉19-组合凹模20-顶出器21-推杆22-垫块23-螺钉24-螺钉25-下模座该模具带有导柱导套的导向装置。 为了提高凸模7的强度，延长凸模的使 用寿命，采用紧固圈5和凸模7组成组合式的结构。当挤压件卡在组合凹模19内时，可由安装在下模座上的推杆21推杆，带动顶出器20，推动挤压件而实现 顶出。为了防止挤压件卡在凸模上而导致卸料困难，故设计了卸料

35、板13和相应 的卸料螺钉11、弹簧15.该模具还有一个特点是采用了组合式凹模， 提高了强度，延长了凹模的使用寿命。7复杂壳体成形过程的有限元仿真7.1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

36、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。本章基于刚塑性有限元分析方法，以DEFORM(Design Environment for 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。7.1.1 DEFORM的介绍DEFORM!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

37、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： 设计工具和产品工艺流程， 减少 昂贵的现场实验成本； 提高工模具设计效率， 降低生产和材料成本； 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。DEFORM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

38、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-3软件模拟，该软件是 一套基于

39、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。DEFORM的突出特色DEFORM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

40、要时可自行添加。有限元成形模拟技术中，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。基本参数设定（1）零件材料为10钢，其热物理参数取值如下，退火是在约750快冷或800900缓冷，经退火处理后的伸长率为20，硬度不大于200HB始锻温度10501100，终锻温度850,装炉温度900,最高炉温1200,泊松比0.3， 密度7

41、.8 103kg / m3 4。（2）模具材料选取AISIH1316502200F（9001200C）,为刚性体工件网格单元数8000个；m为剪切摩擦因子，取0.15;k为屈服强度；工件初始温度为20C,上模具取20T，下模具20C；压力机为水压机，工作速度取200-380mm/sec。7.4冷挤压成形的模拟分析damagec)13步d)15步图3-6等效应力分布图从上面的应力分布图中，可以看到在形成倒角的处应力开始变大，在形成筒 壁的过程中应力较为平稳。这是因为在形成拐角处，金属的流动情况更为复杂， 变形较为剧烈，导致应力相对集中。热挤压过程中取第4、8 13、15步的工件和上模具的载荷-行

42、程曲线变化如下图:Step 4StepWilmia)4b)8Step 19PTDI ”Tf Ot丈 Ml.i-j1_8_H_L J._i1 JL.-止& 日亠HI11324SIffis制c)13d)15 步图 3-_7 行程-载荷曲线图从上图可以看到挤压行程的增加,工件和上模具承受的载荷逐渐变大,随着变形程度的增加，最终挤压力达到最大值。在全过程中的流动速度情况如下图，我们取第4、8、13、15步作为参考图 39 流动速度变化图a)4 步b)8Step 13Wetocit/ Total vld)150(05 MmOQDOB15怖8、总结我的论文题目是“复杂壳体冷挤压成形工艺及模具设计”，刚一拿

43、到这个题 目。我真的是很茫然，不知道怎么着手去弄，有时候感觉自己就快坚持不下去了， 感觉很辛苦，还产生了放弃了的念头，但是我还是坚持下来了，因为我知道它对 我来说具有很大的挑战性，我要去克服我的薄弱环节，我选择了拼搏，后来就慢慢的进入了状态，思路也逐渐的清晰了，历经了几个月的奋战，紧张而又充实的 毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕 业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。开始是搜集资料，在指导老师的指点下，通过各种渠道开始准备工作一通过 网络、图书馆搜集相关学术论文、核心期刊、书籍等。通过一个月的深入学习， 搜集了一大堆与毕业设计相关的资料， 在刘老师的指导下，摒弃了一些无关紧要 的内容，保留了有参考价值的资料作为备用。在这段时期，在学校图书馆搜集资 料，还在网上查找各类相关资料，在中国知网上，我搜索了一些学术论文和期刊 文章；在常见的搜索引擎中，我了解到一些相关的知识，全部记在笔记本上，尽 量使我的资料完整、精确、数量多，这有利于