挤压工艺设计

选择坯料挤压模坯料挤压筒挤压垫挤压模坯料挤压筒挤压垫图1-1挤压示意图坯料直径的确定已知挤压制品为黄铜棒（DIN_CuZn40Pb2）,规格为。由表7-1，查得黄铜的挤压比为，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，必须使两者的直径差控制在范围。再由表7-12[1],选用卧式挤压机，则取直径差。所以坯料的直径为对于重金属棒型材锭坯最大长度[1],则有取坯料的长度。设计挤压工艺参数1.2.1摩擦系数的确定根据设计要求、所选工模具和坯料材料以及挤压温度，设定挤压垫与坯料之间、挤压筒与坯料之间、挤压模与坯料之间的摩擦系数都为0.3。1.2.2挤压速度的确定热挤压允许的挤压速度与金属再结晶和塑性区的温度范围有关，当变形和再结晶速度不协调或金属与模壁有大的摩擦时，挤压件将出现横向裂纹，所以挤压速度的选取要有一定范围。由表2-31[2]，查得黄铜的允许挤压速度为，本设计挤压速度取为。1.2.3工模具预热温度工模具温度过低，坯料与挤压工模具间的温差则较大，会产生较大的热传递，从而使坯料的温度分布不均匀，金属外层变形抗力高于内层，这势必导致流动不均匀，最终影响成品棒的性能。所以挤压模具要进行预热，由于工模具的预热温度一般最高可达到450℃，取为400℃。第二章挤压工具设计本章主要对挤压工模具进行设计，其各部分的尺寸如图1-1所示。挤压垫设计挤压垫是用来防止高温的锭坯直接与挤压杆接触，消除其端面磨损和变形的工具。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；但是，值也不能过小，以防与挤压筒摩擦加速其磨损。与挤压筒内径有关，其中卧式挤压机取[1]，本设计取。挤压垫的直径为挤压垫[1]，即为本设计取。2.2挤压筒设计挤压筒是所有挤压工具中最贵重的部件，为了使金属流动均匀和挤压筒免受剧烈的热冲击，工作时应将它加热到。本设计将坯料与挤压模圆锥接触视为挤压起点。挤压筒的设计就参照这一标准进行。坯料初始进入挤压模圆锥的轴向长度为坯料初始留在挤压筒内的轴向长度为挤压杆进行挤压筒的距离，本设计取mm。挤压筒长度可按下式进行计算挤压筒的内径是根据所要挤压合金的强度、挤压比和挤压机能确定的。挤压筒的最大直径应保证作用在挤压垫上的单位压力不低于金属的变形抗力。显然，筒径越大，作用在挤压垫上的单位压力越小。挤压筒的内径第一章已算得，为挤压筒的外径可按[1]计算，即取挤压筒外径。挤压模设计挤压模可以按照不同的特征进行分类，根据模孔的剖面形状可分为平模、流线模、双锥模、锥模、平锥模、碗形模和平流线模七种。其中最基本的和使用最广泛的是平模和锥模。本设计采用的为锥模。的确定模角是模子的最基本的参数之一。它是指模子的轴线与其工作端面间所构成的夹角。锥模的最佳模角为[1]，在此范围内的挤压力最小。本设计取模角。的确定定径带是用以稳定制品尺寸和保证制品表面质量的关键部分。倘若定径带过短，则模子易磨损，同时会压伤制品表面导致出现压痕和椭圆等缺陷。但是，如果工作带过长，又极易在其上粘结金属，使制品表面上产生划伤、毛刺、麻面等缺陷。本设计取。的确定模子工作带直径与实际所挤出的制品直径并不相等。在设计时应保证制品在冷状态下不超过所规定的偏差范围，同时又能最大限度地延长模子的使用期限。通常是用裕量系数C来考虑各种因素对制品尺寸的影响。C可查表5-1[1]。查得。本设计取。则挤压棒材的模孔直径可按下式进行计算。式中，——棒材名义直径。的确定模子的出口直径一般应比工作带直径大3~5mm[1]，因过小会划伤制品的表面，则有本设计取。的确定模子的厚度H值近年来趋向于减薄，其强度主要靠模垫和其他支撑环来保证。但是，从提高模子刚度和减轻弹性变形方面考虑，H值又应增大。一般根据挤压机能力的大小取H值分别为20、25、30、40、50、70和100mm[1]。由于本设计定径带长度跟圆锥部分的轴向长度之和大于100mm,所以无法按标准取值。本设计直接规定出口长度。的确定入口圆角半径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，同时也是为了减轻在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值得选取与金属的强度、挤压温度和制品的尺寸有关。对于黄铜，r值取2~5mm[1]。本设计取入口圆角半径。的确定模子的外圆直径主要是根据其强度和标准系列化来考虑的。它与所挤压的型材类型、难挤压的程度及合金的性质有关。一般挤压制品的最大外接圆直径等于挤压筒内径的倍[1]，即取。根据经验，对棒材、管材、带材和简单的型材，模子外径等于最大外接圆直径的倍[1]，即为取模子外径。第三章设计方案的制定设计参数的选择本组选择的设计参数为坯料的挤压温度。供选择的挤压温度范围是。我们对温度进行了分配，每个人完成其中的一个温度值对应的设计方案。我所选择的温度值为。制定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温度（℃）530550570580600610630650结合前面坯料、挤压工艺参数、工模具结构参数的设计，运用AUTOCAD绘制出坯料、挤压模、挤压垫、挤压筒的几何实体。再运用DEFORM软件对所选设计方案进行数值模拟。最后本组共享彼此的设计数据，经过共同讨论、分析设计结果，得出设计结论。具体的设计过程及数据分析见后面章节。第四章设计过程与步骤制定几何实体的绘制根据前面坯料和工模具结构参数的设计，运用AUTOCAD分别绘制坯料、挤压模、挤压垫、挤压筒的几何实体，文件名称分别为extrusionworkpiece，extrusiondie，extrusiondummyblock，extrusionchamber，输出STL格式。制定DEFORM模拟过程定义对象的材料模型先添加对象并更改名称，再定义它们的材料模型。在对象树上选择extrusionworkpiece点击General按钮由于坯料为被挤压的对象，可视为塑性体，所以选中Plastic选项；点击AssignTemperature按钮填入坯料挤压温度为530℃。在对象树上选择extrusiondummyblock点击General按钮由于挤压工模具都视为刚体，所以选中Rigid选项；点击AssignTemperature按钮填入挤压工模具的预热温度为400℃；由于挤压垫是主动工具，所以勾选PrimaryDie选项。如此重复，定义其它工模具的材料模型，由于它们都是相对静止的，所以不勾选PrimaryDie选项。实体网格化在对象树上选择extrusionworkpiece点击Mesh选择DetailedSettings的General选项卡点击Absolute，SizeRatio改为，ElementSize选MinElementSize，最小单元格长度应为接触部分工模具最小尺寸的，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。模拟控制设置点击SimulationControl按钮Main按钮由于本设计既要考虑变形又要考虑热传导，所以勾选“Heattransfer”和“Deformation”选项。点击Step按钮本设计模拟步数取100步，在NumberofSimulationSteps栏中填入模拟步数为100；本设计由于模拟步数比较多，所以分5步保存一下，在StepIncrementtoSave栏中填入5；在PrimaryDie栏中选择extrusiondummyblock；由于距离步长应为最小单元格长度的，经计算距离步长设为1mm,所以在WithDieDisplacement栏中填入1。点击Stop按钮由于本设计坯料压下量需基本一致，这样各组数据才有可比性，而压下量为45mm时挤压力所对应的载荷图已有一段较长的沿水平方向上下波动较小折线，说明这段步长所对应的挤压力已趋于稳定，所以在PrimaryDieDisplacement的Y方向后面的空格中填入45，设置挤压的终止条件。设置对象材料属性在对象树上选择extrusionworkpiece点击Material选项点击other本组统一选择DIN-CuZn40Pb2[1020-1740F(550-750C)]。设置主动工具运行速度在对象树上选择extrusiondummyblock点击Movement在type栏上选中Speed选项在Direction选中主动工具运行方向为Y在speed卡上选中Define选项，其性质选为Constant，根据前面工艺参数的设计，挤压速度填40mm/s。设置坯料边界条件由于本设计采用四分之一，所以要设置对称面。选中物体extrusionworkpiece选中Symmetryplane图标然后分别选中坯料的对称面单击添加按钮。由于本设计只要考虑挤压工模具内部的各参数变化情况，可以不用考虑坯料出了挤压工模具与环境的热交换，所以就没有设置热传导边界条件。工件体积补偿为了在计算和网格重划分的时候考虑到网格的目标体积，自动补偿体积损失，需要设置体积补偿参数。在对象树上选择extrusionworkpiece点击Property在TargetVolume卡上选中ActiveinFEM+meshing选项点击CalculateVolume按钮。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，由前面工艺参数的设计，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。如此重复，依次设置其它接触关系。点击Generateall按钮，生成所有接触关系。再点击Tolerance按钮，定义坯料和工模具互相嵌入的深度，以更快地进入接触状态，节省计算时间。生成库文件在工具栏上点击Databasegeneration按钮在Type栏选中New选项选择路径填入数据库文件名stickextrusion点击Check按钮如果有错误信息则到前面修改相应步骤；没有错误信息则点击Generate按钮生成库文件。第五章挤压成形CAE分析温度对挤压力的影响分别提取8个方案的变形工具加载曲线图并保存图形文件。在后处理中观察各个方案加载曲线达到稳定阶段的起始步数，导出载荷曲线图内的数据，并提取从稳定阶段的起始步数到最后终止步数的数据，输入SPSS统计软件中，计算各方案稳定阶段挤压力的平均值，列于表5-1中。表5-1各方案挤压力的平均值方案12345678温度（℃）530550570580600610630650挤压力（MN）4.463.873.783.703.402.652.38运用SPSS统计软件对挤压力和温度之间的关系进行线性拟合。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，复合（Compound）模型，生长（Growth）模型，对数（Logarithmic）模型，S（S）模型，逆（Inverse）模型，逻辑（Logistic）模型进行统计，其结果见图5-1。图图5-1挤压力拟合曲线图表5-2挤压力模型结果表ModelSummaryandParameterEstimatesDependentVariable:挤压力EquationModelSummaryParameterEstimatesRSquareFdf1df2Sig.Constantb1b2b3Linear.94516.000Logarithmic.93616.000Inverse.92516.000Quadratic.96525.000.068Cubic.96525.000.000Compound.91416.000.995Power.90016.000S.88516.001Growth.91416.000Exponential.91416.000Logistic.91416.000.011Theindependentvariableis温度.图5-2温度与挤压力关系曲线从表5-2中可以看出，二次项和三次项的判定系数(是回归方程拟合优度的反映，它的大小直接反映了回归方程的显著程度，其值越靠近1，拟合效果越好图5-2温度与挤压力关系曲线由图5-2可以看出，随挤压温度的升高，挤压力随之降低。这是由于变形温度对挤压力的影响，是通过变形抗力的大小反映出来的。一般来说，随着变形温度的升高，金属的变形抗力下降，所以挤压力降低。温度对等效应力的影响在后处理里，选择对象树里的extrusionworkpiece。点击Summary按钮，在弹出的对话框选择Deformation选择Stress选项卡点击Effective后面的生成所有步最大和最小等效应力曲线的按钮，保存曲线，同时导出各个曲线图内的数据，从中找出进入稳定阶段的时间点，提取该点到最后终止步数之间的数据，输入SPSS统计软件中，计算各方案此阶段的等效应力最大值的平均值，列于表5-3中。表5-3各方案等效应力的最大值方案12345678温度（℃）530550570580600610630650等效应力（MPa）66145运用SPSS统计软件对等效应力和温度之间的关系进行线性拟合。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，复合（Compound）模型，生长（Growth）模型，对数（Logarithmic）模型，S（S）模型，逆（Inverse）模型，逻辑（Logistic）模型进行统计，其结果见图5-3。图图5-3等效应力拟合曲线图表5-4等效应力模型结果表ModelSummaryandParameterEstimatesDependentVariable:等效应力EquationModelSummaryParameterEstimatesRSquareFdf1df2Sig.Constantb1b2b3Linear.87416.001Logarithmic.88716.000Inverse.89916.000Quadratic.93525.001.018Cubic.93525.001.018.000Compound.90416.000.995Power.91316.000S.92116.000Growth.90416.000Exponential.90416.000Logistic.90416.000.000Theindependentvariableis温度.从表5-4中可以看出，二次项和三次项的判定系数均为35，其值相对较靠近1，本设计选用三次项模型曲线作为温度与等效应力之间的关系曲线，将其单独画在图5-4中。图图5-4温度与等效应力关系曲线由图5-4可以看出，随着挤压温度的升高，等效应力随之降低。这是由于随温度的升高，原子动能增大，原子间结合力减弱，产生滑移时的临界分切应力下降，屈服极限降低；而且随温度的升高，金属回复与再结晶作用增强，抵消了加工硬化所引起的应力上升，所以坯料进行塑性变形时的等效应力降低。温度对等效应变的影响在后处理里，选择对象树里的extrusionworkpiece。点击Summary按钮，在弹出的对话框选择Deformation选择Strain选项卡点击Effective后面的生成所有步最大和最小等效应力曲线的按钮，并导出数据文件。提取出稳定阶段的一段数据，并将数据输入SPSS统计软件中，计算各方案此阶段的等效应变最大值的平均值，列于表5-5中。表5-5各方案等效应变的最大值方案12345678温度（℃）530550570580600610630650等效应变（mm/mm）3514.9815.554运用SPSS统计软件对等效应变和温度之间的关系进行线性拟合。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，复合（Compound）模型，生长（Growth）模型，对数（Logarithmic）模型，S（S）模型，逆（Inverse）模型，逻辑（Logistic）模型进行统计，其结果见图5-5。图图5-5等效应变拟合曲线图表5-6等效应变模型结果表ModelSummaryandParameterEstimatesDependentVariable:等效应变EquationModelSummaryParameterEstimatesRSquareFdf1df2Sig.Constantb1b2b3Linear.029.18116.685Logarithmic.021.12616.735Inverse.013.08116.786Quadratic.80825.016.715.000Cubic.79625.019.354.000Compound.028.17016.695Power.019.11616.745S.012.07316.797Growth.028.17016.695.000Exponential.028.17016.695.000Logistic.028.17016.695.060Theindependentvariableis温度.从表5-6中可以看出，二次项的判定系数为0.808，其值相对较靠近1，本设计选用二次项模型曲线作为温度与挤压力之间的关系曲线，将其单独画在图5-6中。图图5-6温度与等效应变关系曲线观察8个方案中所有步数的等效应变分布情况，可以看出，每一步的最大等效应变基本都分布在坯料进入定径带阶段，而且每一个方案的等效应变最大值的最大值出现在最后一步。观察图5-6，可以看出随挤压温度上升，坯料的延伸率增大，所以等效应变随之增加；当温度超过580℃时，由于晶粒过分长大，延伸率开始下降，所以等效应变随之减小。温度对破坏系数的影响在后处理里，选择对象树里的extrusionworkpiece。点击Summary按钮，在弹出的对话框选择Deformation选择Misc选项卡点击Damage后面的生成所有步最大和最小等效应力曲线的按钮，并导出数据文件。提取出稳定阶段的一段数据，并将数据输入SPSS统计软件中，计算各方案此阶段的破坏系数最大值的平均值，列于表5-7中。表5-7各方案破坏系数的最大值方案12345678温度（℃）530550570580600610630650破坏系数962.488运用SPSS统计软件对破坏系数和温度之间的关系进行线性拟合。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，复合（Compound）模型，生长（Growth）模型，对数（Logarithmic）模型，S（S）模型，逆（Inverse）模型，逻辑（Logistic）模型进行统计，其结果见图5-7。图图5-7破坏系数拟合曲线图表5-8破坏系数模型结果表ModelSummaryandParameterEstimatesDependentVariable:破坏系数EquationModelSummaryParameterEstimatesRSquareFdf1df2Sig.Constantb1b2b3Linear.76216.005.009Logarithmic.78716.003Inverse.81016.002Quadratic.97025.000.164.000Cubic.97025.000.164.000.000Compound.70416.009.141Power.73016.007S.75516.005Growth.70416.009.005Exponential.70416.009.141.005Logistic.70416.009.995Theindependentvariableis温度.图5-8温度与破坏系数关系曲线从表5-8中可以看出，二次项和三次项的判定系数均图5-8温度与破坏系数关系曲线观察图5-8可以看出，随温度上升，破坏系数随之增大。由于挤压温度越高，坯料与工模具之间的温差增大，使坯料内外变形不均匀性增强，外部受到附加拉应力作用，内部受到附加压应