专业课程设计陆文杰

目录TOC\o"1-2"\h\u2719第一章挤压模具尺寸及工艺参数制订 2183651.1试验任务 2108061.2挤压温度选择 331426挤压速度选择 343261.4摩擦系数选择 3102601.5坯料直径确实定 4171321.6坯料长度确实定 418859第二章工模具尺寸 416102.1挤压筒尺寸确定 46595模子尺寸设计 53977第三章设计方案制订 7146153.1设计参数选择 724313.2制订设计方案 710244第四章设计过程和步骤制订 8308284.1几何实体绘制 8127294.2制订DEFORM模拟过程 815090第五章挤压过程CAE分析 1086645.1锥角对挤压力影响 10162925.2锥角对等效应力影响 1382475.3锥角对等效应变影响 15318155.4锥角对变形过程中温度影响 17111775.5锥角对破坏系数影响 19235555.6分析小结 2113290第六章小结 2217414第七章参考文件 23挤压模具尺寸及工艺参数制订1.1试验任务已知：坯料Φ140×300mm，材料是黄铜（DIN－CuZn40Pb2）。所要完成挤压制品为Φ18mm，挤压模工作带长度为40mm，挤压杆速度30mm/s，挤压垫摩擦系数为0.2，挤压筒、挤压模摩擦系数为0.4，挤压温度为590℃，工模具预热温度为300℃。挤压示意图图1-1挤压模挤压模坯料挤压筒挤压垫图1-1挤压示意图1.2挤压温度选择挤压温度对热加工状态组织、性能影响极大，挤压温度越高，制品晶粒越粗大，挤制品抗拉强度、屈服强度和硬度值下降，延伸率增大。因为黄铜在730℃时塑性最高，而在挤压过程中因为变形、摩擦产热使配料温度升高，若把黄铜预热到730℃，坯料可能超出最好塑性成型温度。挤压筒、挤压模具也要预热，以预防过大热传输造成金属温度分布不均，影响制品质量，预热温度和坯料温度不能相差太大。本设计挤压温度为590℃，工模具预热温度为300℃，符合条件。QUOTE挤压速度选择挤压速度对制品组织和性能影响，过改变金属热平衡来实现。挤压速度低，金属热量逸散较多，致使挤压制品尾部出现加工组织；挤压速度高，锭坯和工具内壁接触时间短，能量传输来不及，有可能形成变形区内绝热挤压过程，使金属速度越来越高，造成制品表面裂纹。而且在确保产品质量和设备能量许可前提下尽可能提升挤压速度。由表2-31[2]，查得黄铜许可挤压速度为25～51mm/s，本设计挤压速度为30mm/s，符合条件。1.4摩擦系数选择依据设计要求、所选工模具和坯料材料和挤压温度，设定挤压垫和坯料之间摩擦系数为0.2，挤压筒和坯料之间、挤压模和坯料之间摩擦系数全部为0.4 1.5坯料直径确实定已知挤压制品为黄铜棒（DIN_CuZn40Pb2）,规格为。由表7-1，查得黄铜挤压比为，取，则可得；；其中，——挤压筒横断面积；——制品横断面积；——挤压筒内径；——制品直径。为了便于把热态锭坯顺利送入挤压筒，必需使二者直径差控制在范围。再由表7-12[1],选择卧式挤压机，则取直径差。所以坯料直径为1.6坯料长度确实定对于重金属棒型材锭坯最大长度[1],则有；取坯料长度。第二章工模具尺寸本章关键对挤压工模具进行设计，其各部分尺寸图1-1所表示。2.1挤压筒尺寸确定2.1.1挤压筒内径因为挤压坯料外径为140mm，考虑坯料挤压过程中热膨胀，取间隙值ΔD=5mm[1]，挤压筒内径=D+ΔD=140+5=145mm。2.1.2挤压筒外径挤压筒外径应大致等于其内径4～5倍，即[1]，则挤压筒外径为580～725mm，取挤压筒外径为600mm。2.1.3挤压垫挤压垫是用来预防高温锭坯直接和挤压杆接触，消除其端面磨损和变形工具。挤压时，通常见规格相同一组挤压垫轮番使用，以预防其过热。挤压垫外径应比挤压筒内径小值。太大，可能形成局部脱皮挤压，从而影响制品质量；不过，值也不能过小，以防和挤压筒摩擦加速其磨损。和挤压筒内径相关，其中卧式挤压机取[1]，本设计取。挤压垫直径为；挤压垫厚度可等于其直径0.2~0.7倍[1]，即为mm；取=50mm。2.1.4挤压筒长度L[1]；式中：QUOTE—坯料最大长度；QUOTE—锭坯穿孔时金属增加长度；QUOTE—模子进入挤压筒深度；QUOTE—挤压垫厚度。取300mm,=0,t=0,s=50mm,所以=350mm。考虑到挤压杆进入挤压筒距离，本设计取=30mm，挤压筒实际长度L=+=350+30=380mm。QUOTE模子尺寸设计2.2.1工作带长度工作带又称为定径带，是用以稳定制品尺寸表面质量关键部分。倘若定径带长度过短，则模子易磨损，同时会压伤制品表面造成出现压痕和椭圆等缺点。不过，假如工作带过长，又极易在其上粘结金属，使制品表面上产生划伤、毛刺、麻面等缺点。本设计中，取工作带长度为=QUOTE40mm。2.2.2工作带直径依据尺寸偏差、冷却收缩量、模孔尺寸改变确定其数值，工作带直径为[1]；式中：QUOTE—挤压制品直径；QUOTE—裕量系数，通常黄铜取0.014～0.016QUOTE,本设计取0.015。2.2.3出口直径模子出口直径通常应比工作带直径大QUOTEmm[1]，因过小会划伤制品表面,取4mm。故出口直径为：=18.27+4=22.27mm。2.2.3出口带长度出口带长度可自己随即设定，在这里我们设出口带长度=30mm。2.2.4入口圆角半径r入口圆角半径r作用是为了预防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非接触变形，同时也是为了减轻在高温下挤压时模子入口棱角被压颓而很快改变模孔尺寸用。为了确保制品表面质量，应在模具入口处用圆弧过渡，入口圆角半径r值得选择和制品尺寸、挤压温度、金属强度相关。对于黄铜，r值取2~5mm[1]。本设计取入口圆角半径r=5mm。2.2.4挤压模外径模子外圆直径和厚度关键是依据其强度和标准系列化来考虑。它和挤压型材类型和难挤压程度及合金性质相关。依据经验，对棒材、管材、带材和简单型材，模子外径等于最大外接圆直径倍[1]，最大外接圆直径等于坯料直径，即=140mm，则=（1.25～1.45）=（1.25～1.45）140=175～203mm，取=200mm。

第三章设计方案制订3.1设计参数选择试验设计参数为挤压模锥角，锥角选择范围为。选择了八个含有代表性锥角值，每个组员完成其中一个锥角值对应设计方案。3.2制订设计方案本组设计方案分配情况见表3-1。表3-1设计方案分配设计方案12345678锥角2030405060708090注：参考《金属塑性加工学》内容，当初，挤压力最小，且挤压力最小最好模角范围为。故在该区域选择；再在该区域前后范围内，各取三个特征值，完成设计方案设计。结合前面坯料、挤压工艺参数、工模具结构参数设计，利用AUTOCAD绘制出坯料、挤压模、挤压垫、挤压筒几何实体。再利用DEFORM软件对所选设计方案进行数值模拟。最终本组共享相互设计数据，经过共同讨论、分析设计结果，得出设计结论。具体设计过程及数据分析见后面章节。

第四章设计过程和步骤制订4.1几何实体绘制依据前面坯料和工模具结构参数设计，利用AUTOCAD分别绘制坯料、挤压模、挤压垫、挤压筒几何实体，文件名称分别为extrusionworkpiece，extrusiondie，extrusiondummyblock，extrusionchamber，输出STL格式。4.2制订DEFORM模拟过程建立新问题，进入前处理界面。4.2.1单位制度选择点击SimulationControl按钮Main按钮在Units栏中选中SI（国际标准单位制度）。4.2.2定义对象材料模型先添加对象并更名为extrusionworkpiece，extrusiondie，extrusiondummyblock，extrusionchamber，在对象树上选择extrusionworkpiece点击General按钮可塑，选中Plastic选项点击AssignTemperature按钮填入温度为590点击OK按钮在对象树上选择extrusiondummyblock材料为钢性，点击General按钮选中Rigid选项点击AssignTemperature按钮填入温度为300点击OK按钮挤压垫为主动件，勾选PrimaryDie选项（其它不勾选）如此反复，定义其它工模具材料模型。4.2.3模拟控制设置点击SimulationControl按钮Main按钮在SimulationTitle栏中填入“stickextrusion”在OperationTitle栏中填入“deformheattransfer”勾选“Heattransfer”和“Deformation”选项点击Step按钮在NumberofSimulationSteps栏中填入模拟步数为100StepIncrementtoSave栏中填入5在PrimaryDie栏中选择extrusiondummyblock在WithDieDisplacement栏中填入距离步长为1点击stop选项在PrimaryDieDisplacement栏x方向上填入50点击OK按钮完成模拟设置。4.2.4实体网格化在对象树上选择extrusionworkpiece点击Mesh选择DetailedSettingsGeneral选项卡点击Absolute，SizeRatio改为1.5，ElementSize选MinElementSize，最小单元格长度应为接触部分工模具最小尺寸，本设计最小尺寸为入口圆角半径，为5mm，故最小单元格长度设为2mm点击SurfaceMesh，生成表面网格点击SolidMesh生成实体网络。4.2.5设置对象材料属性在对象树上选择extrusionworkpiece点击Material选项点击other点击DIN-CuZn40Pb2[1020-1740F选项点击Load完成材料属性添加。4.2.6设置主动工具运行速度在对象树上选择extrusiondummyblock点击Movement点击Movement在type栏上选中Speed选项在Direction选中主动工具运行，如-X在speed卡上选中Define选项，其性质选为Constant，填入数度值，如30mm/s。4.2.6设置坯料边界条件试验采取四分之一模，所以要设置对称面。胚料对称面设定：选中物体extrusionworkpiece单击Bdry.Cnd按钮选中Symmetryplane图标选中坯料对称面单击添加按钮；模具对称面设定：选中extrusiondummyblock单击Geometry按钮选中SymmetricSurface选中模具对称面单击添加按钮（其它相同设置）。4.2.8工件体积赔偿为了在计算和网格重划分时候考虑到网格目标体积，自动赔偿体积损失，需要设置体积赔偿参数。在对象树上选择extrusionworkpiece点击Property在TargetVolume卡上选中ActiveinFEM+meshing选项在CreepCalculation卡上选中Active选项点击CalculateVolume按钮。4.2.9边界条件定义在工具栏上点击Inter-Object按钮在对话框上选择extrusionworkpiece—extrusiondummyblock点击Edit按钮点击Deformation卡Friction栏上选中Shear和Constant选项，由前面工艺参数设计，填入摩擦系数为0.3点击Thermal选中Constant选项，选择传热类型为Forming。如此反复，依次设置其它接触关系。点击Generateall按钮，生成全部接触关系。再点击Tolerance按钮，定义坯料和工模具相互嵌入深度，进入接触状态点击OK按钮完成边界条件设置。4.2.10生成库文件在工具栏上点击Databasegeneration按钮点击Check按钮没有错误信息则点击Generate按钮完成模拟数据库生成。4.2.11过程模拟和后处理退出前处理操作点击Simulator卡片中Run选项进行对应过程模拟，直至达成对应终止条件，自动停止进入Deform后处理界面，完成对应后处理操作。注：因为本设计只要考虑挤压工模具内部各参数改变情况，不考虑被挤压出来胚料和空气热交换，所以就不用设置热传导边界条件。

第五章挤压过程CAE分析5.1锥角对挤压力影响5.1.1模拟数据聚集图5-1不一样锥角对应挤压力改变曲线分别作出8组试验载荷行程曲线，将每组数据导入Excel中，作折线图将8组数据糅合在一起，以下图所表示图5-1不一样锥角对应挤压力改变曲线对图5-1任一条曲线进行分析：刚开始填充阶段，挤压力不停增加至最大；在随即稳定挤压阶段，因为未变形区胚料长度不停缩小，挤压筒壁和胚料间摩擦面积不停减小，所以挤压力呈下降趋势。该区域数值为关键分析数据。表5-1各组试验挤压力均值在Excel中，用函数找出每组数据最大值，即挤压过程中最大挤压力，然后用函数求出每组最大挤压力以后数据平均值，即求出稳定挤压阶段平均值，将数据置于下表中。表5-1各组试验挤压力均值锥角2030405060708090挤压力20850861627884175804815915481650291366938039422014309156注：这里挤压力是平均值，是稳定挤压阶段到挤压终了阶段过程中，各个时间段挤压力平均值。5.1.2模拟数据线性回归利用SPSS统计软件对挤压力和温度之间关系进行线性拟合。将表5-1中锥角和挤压力数据输入SPSS软件中，选择线性（Linear）模型,二次项（Quadratic）模型,三次项（Cubic）模型,幂（Power）模型,指数（Exponential）模型进行统计，得到SPSS拟合曲线图（见图5-2)和模型汇总和参数估量值表格（见表5-2）。图5-2SPSS拟合曲线图5-2SPSS拟合曲线因变量:挤压力方程模型汇总参数估量值R方Fdf1df2Sig.常数b1b2b3线性.097.75317.4144809820.574-28760.891二次.83014.66326.0058756151.073-297487.2062912.768三次.97258.86535.0009852457.781-534212.3909997.743-52.827幂a000.000指数.006.04417.8393016965.972-.002表表5-2模型汇总和参数估量值在SPSS软件中，判定系数大小直接反应了回归方程显著程度，是回归方程拟合优度反应。值越靠近1，拟合效果越好。上图中三次项曲线判定系数为0.972，其值相对较靠近1，所以选择三次项模型曲线作为不一样锥角值和挤压力之间关系曲线，将其单独列出（见图5-3）。图图5-3锥角和挤压力关系曲线5.1.3拟合结果分析由图5-3述拟合结果曲线得：挤压力伴随锥角改变，有一个先降低后增加改变过程。这是因为，伴随模角增大，胚料进入变形区压缩锥产生附加弯曲变形较大，使所消耗在这上面变形功变大；同时伴随锥角增大，使其变形区压缩锥角缩短，降低了压缩模锥面上摩擦阻力，二者叠加肯定会出现一个最小值，所以曲线展现先降后增趋势。由上图能够看出，挤压力最小值大约出现在锥角值区域，和实际相符。5.2锥角对等效应力影响5.2.1模拟数据聚集同上述处理类似方法处理数据。数据处理范围仅限定在稳定挤压阶段，即取最大挤压力所对应时间以后挤压阶段数据进行汇总分析。选中Summary选项，单击Deformation，选中Stress，点击Effective按钮，即会生成等效应力曲线。然后将曲线中数据导入Excel表格中，对稳定挤压阶段数据（最大等效应力）进行分析，将各组统计数据汇总，记入表5-3中。表表5-3各组试验等效应力均值锥角2030405060708090等效应力Mpa157.54126.34111.32100.09117.55625.05725.96765.535.2.2模拟数据分析：图5-4锥角和等效应力拟合曲线将表5-3中数据导入SPSS软件中，选择线性（Linear）模型,二次项（Quadratic）模型,三次项（Cubic）模型,幂（Power）模型,指数（Exponential）图5-4锥角和等效应力拟合曲线因变量:等效应力方程模型汇总参数估量值R方Fdf1df2Sig.常数b1b2b3线性.020.14117.719330.2501.721对数a000.000二次.84115.89126.004885.336-36.078.410三次.93323.08135.0021002.110-61.2931.164-.006幂a000.000指数.056.41317.541186.579.008Logistic.056.41317.541.005.992自变量为锥角。表5-4模型汇总和参数估量二表5-4模型汇总和参数估量二图5-4锥角和等效应力拟合曲线由表5-4，三次项曲线判定系数为0.933，其值相对较靠近1，所以选择三次项模型曲线作为不一样锥角值和等效应力之间关系曲线，将其单独列出（见图5-5）。图图5-5锥角和等效应力关系曲线5.2.3拟合结果分析由图5-5能够看出，伴随锥角增大，等效应力呈先减小，后增大趋势。有等效应力和挤压力呈正相关，图5-5和图5-3曲线走势相同，故而符合实际情况。5.3锥角对等效应变影响5.3.1模拟数据聚集选中Summary选项，单击Deformation，选中Strain，点击Effective按钮，即会生成等效应变曲线。将各组数据导入Excel中，对稳定挤压阶段等效应变数据进行统计分析，结果见表5-5。表表5-5各组等效应力值锥角2030405060708090等效应变6.069.0512.0711.279.925.573.523.325.3.2模拟数据分析将上表中数据输入SPSS软件中，选择线性（Linear）模型,二次项（Quadratic）模型,三次项（Cubic）模型,幂（Power）模型,指数（Exponential）模型，对数（Logarithmic）模型，逻辑（Logistic）模型，进行线性回归拟合，拟合曲线见图5-6，参数分析见表5-6。图图5-6锥角和等效应力拟合曲线因变量:等效应变方程模型汇总参数估量值R方Fdf1df2Sig.常数b1b2b3线性.001.00817.9306.519.005对数a000.000二次.87721.42826.002.005.448-.005三次.89614.42035.007-.603.580-.0092.930E-5幂a,,b000.000指数b000.000Logisticb000.000自变量为锥角。表表5-6模型汇总和参数估量值三图5-7锥角和等效应变关系曲线由表5-6，三次项曲线判定系数为0.896，其值相对较靠近1。所以一样选择三次项模型曲线作为不一样锥角值和等效应变之间关系曲线，将其单独列出（见图5-7）。图5-7锥角和等效应变关系曲线5.3.3拟合结果分析有图5-7可得：伴随锥角增大，等效应变有先增大以后减小改变趋势。因为和垂直作用力呈区域，最易滑移，等效应变较大。故而在最好模角区域（区域），变形抗力最小，等效应变最大。符合实际情况。5.4锥角对变形过程中温度影响5.4.1模拟数据聚集同上述操作，选中Summary选项，单击Thermal，选中Temperature按钮，即会生成温度改变曲线。将各组曲线数据导入Excel中，对稳定挤压阶段数据（只对其中Max数据）进行统计分析，结果见表5-7。锥角2030405060708090温度645.37659.19664.21645.37659.19805.27795.58807.48表表5-7各组温度值图5-8锥角和温度拟合曲线图5-8锥角和温度拟合曲线将表5-7中数据输入SPSS软件中，选择线性（Linear）模型,二次项（Quadratic）模型,三次项（Cubic）模型,幂（Power）模型,指数（Exponential）模型，对数（Logarithmic）模型，逻辑（Logistic）模型，进行线性回归拟合，拟合曲线见图5-8，参数分析见表5-8。因变量:温度方程模型汇总参数估量值R方Fdf1df2Sig.常数b1b2b3线性.62711.75417.011305.0196.676对数a000.000二次.82113.72326.006119.53819.306-.137三次.93523.97535.00229.70438.704-.717.004幂a,,b000.000指数b000.000Logisticb000.000自变量为锥角。表表5-8模型汇总和参数估量值四由上表，三次项曲线判定系数为0.935，其值相对较靠近1。所以一样选择三次项模型曲线作为不一样锥角值和温度之间关系曲线，将其单独列出（见图5-9）。图图5-9锥角和温度改变曲线5.4.3拟合曲线分析由图5-9能够很显著看出：伴随锥角增大，温度改变呈阶梯式增加趋势。当锥角大于60度时，挤压变得越来越困难，变形抗力不停增加，造成胚料和模壁间和胚料内部晶间摩擦作用显著上升，故而有显著发烧现象，温度提升较快。5.5锥角对破坏系数影响5.5.1模拟数据聚集同上述操作，选中Summary选项，单击Deformation，选中Misc按钮，选中Damage，即会生成破坏系数改变曲线。将各组曲线数据导入Excel中，对稳定挤压阶段进行统计分析（最大破坏系数平均值），结果见表5-9。锥角2030405060708090破坏系数2.393.626.025.382.961.621.131.29表表5-9各组温度值5.5.2模拟数据分析将表5-9中数据输入SPSS软件中，选择线性（Linear）模型,二次项（Quadratic）模型,三次项（Cubic）模型,幂（Power）模型,指数（Exponential）模型，对数（Logarithmic）模型，逻辑（Logistic）模型，进行线性回归拟合，拟合曲线见图5-10，参数分析见表5-10。图图5-10锥角和破坏系数拟合曲线因变量:破坏系数方程模型汇总参数估量值R方Fdf1df2Sig.常数b1b2b3线性.003.02217.8852.785-.004对数a000.000二次.7458.74326.017.097.179-.002三次.8016.72135.033-.371.281-.0052.259E-5幂a,,b000.000指数b000.000Logisticb000.000自变量为锥角。表表5-10模型汇总和参数估量值五由表5-10，三次项曲线判定系数为0.801，其值相对较靠近1。所以一样选择三次项模型曲线作为不一样锥角值和破坏系数之间关系曲线，将其单独列出（见图5-11）。图图5-11锥角和破坏系数关系曲线5.5.3拟合曲线分析由图5-11能够得出：伴随锥角增大，破坏系数呈先增大后减小趋势。当应变达成一定程度时，胚料内部晶粒被拉断，表现在外部时为出现裂纹，波浪等现象。破坏系数一定程度上和应变成正相关，在最好模角区域内，应变最大，破坏系数也是最大，和图5-7相比较，符合情况。5.6分析小结本试验关键考虑锥角对挤压模