套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析毕业设计论文

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本科生毕业设计（论文）套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析FormingSimulationandProcessOptimizedAnalysisofThePartsofSocketWrenchinHotExtrusion总计：毕业设计（论文）33页表格：4个插图：45幅 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析FormingSimulationandProcessOptimizedAnalysisofThePartsofSocketWrenchinHotExtrusion学院（系）：机电工程系专业：学生姓名：学号：指导教师（职称）：评阅教师：完成日期：2010-5-16南阳理工学院NanyangInstituteofTechnology 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：　　　　　日　期：　　　　　指导教师签名：　　　　　日　　期：　　　　　使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：　　　　　日　期：　　　　　 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日 指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神□优□良□中□及格□不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度□优□良□中□及格□不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□优□良□中□及格□不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性□优□良□中□及格□不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）指导教师：（签名）单位：（盖章）年月日 评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）评阅教师：（签名）单位：（盖章）年月日 教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况□优□良□中□及格□不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况□优□良□中□及格□不及格3、学生答辩过程中的精神状态□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格评定成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）年月日教学系意见：系主任：（签名）年月日 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析[摘要]根据热挤压成形理论,针对套筒扳手零件自身的特点，采用复合挤压成形工艺进行热成形，借助DEFORM-3D有限元软件对成形过程进行了模拟、分析。以挤压成形工序和反挤压成形工序为重点，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。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。[关键词]套筒扳头；热挤压；有限元；数值模拟；数值分析FormingSimulationandProcessOptimizedAnalysisofThePartsofSocketWrenchinHotExtrusionMechanicalDesign,ManufacturingandAutomactionMajorLIFang－enAbstract:Accordingtothetheoryofhotextrusionandthetraitofthepartsofsocketwrenchpartitself,thehotextrusionwascarriedoutbyadoptingthecompoundedformingtechnics.FormingprocesswassimulatedandanalyzedthroughutilizingtheDEFORM-3DFEMsoftware.Puttingtheextrusionworkingprocedureintoemphasis,theload—strokecurvecanbegotbyanalyzingthemetallicrunningrule,distributionofstressandstraininformingprocess.Finally,theprocessparameterwasoptimized,thetruthofthevaluesimulationandfeasibilityofthecompoundedextrusivefomingswasverified.Keywords:Thepartsofsocketwrench;Hotextrusion;FEM;Simulationofnumericalvalue;Analysisofnumericalvalue 目录1绪论11.1本课题的目的和意义11.2本课题的主要研究内容11.3小结22套筒扳头热挤压工艺的确定22.1热挤压工艺概述22.2热挤压工艺中的重要工艺参数72.3套筒扳头热挤压成形工艺方案的确定83套筒扳头成形过程的有限元仿真及模具的优化分析93.1有限元分析软件的背景介绍93.1.1DEFORM的介绍103.1.2DEFORM的功能103.1.3DEFORM的突出特色103.2有限元成形模拟技术113.2.1几何模型的建立和网格划分113.2.2有限元模拟过程113.3基本参数设定113.4模拟的过程步骤123.4.1创建新目录123.4.2模拟控制设定123.4.3创建新对象123.4.4工件划分网格133.4.5定义工件的传热边界条件133.4.6输入工件的材料133.4.7保存模拟文件生成数据库进行模拟143.4.8后处理143.5热挤压模拟前的分析153.6热挤压成形的模拟分析164用MATLAB对模拟的结果进行优化分析24结束语31参考文献32致谢33 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析1绪论1.1本课题的目的和意义套筒扳手是制造维修业的一种常用工具，在工作过程中主要承受扭矩，所以要求零件强度高，另外必须耐磨，防锈。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。目前主要采用挤压方式生产套筒扳手的主要部件套筒扳头。套筒扳头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，套筒扳头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Deform—3D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热挤压成形理论,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DEFORM-3D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36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析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。利用套筒扳头反挤压工艺，不仅使套筒扳头实现了真正内孔成形，而且还实现了套筒扳头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小结本章概述了套筒扳头热挤压的有关目的和意义及DEFORM-3D的有关应用，重点指出了本课题主要研究内容。2套筒扳头热挤压工艺的确定2.1热挤压工艺概述所谓热挤压就是在挤压前将毛坯加热到金属再结晶温度以上某个温度下进行的挤压（见下表2—1），从而获得所需要的热挤压件的一种加工方法[1]。一般碳钢的热挤压加工温度区间见图2—1所示。表2--1金属的再结晶温度36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析图2—1碳钢的加工温度区域由图2--1可见热挤压时，毛坯是在很高的压应力作用下产生塑性变形。所以包括高温下塑性很低的材料，均可以承受很大的变形而不发生破坏。热挤压工艺过程包括：毛坯的制备——毛坯预热和加热——涂敷玻璃润滑剂——挤压——卸下模具（凸、凹模）、芯棒，清除制件上的玻璃润滑剂——精加工。根据此零件的结构特点以及热挤压工艺的要求，热挤压工艺方案可以如下图2--2所示：36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析下料→墩粗→成形图2—2套筒扳头热挤压工艺简图按照金属的流动方向和凸摸运动方向挤压可以分为三大类：正挤压、反挤压和复合挤压。正挤压的特点是被挤压金属的流动方向与凸模（冲头）的运动方向一致，而凹模则是固定不动的。如图2—336 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析a)挤压前的初始状态b)挤压时的网格变化情况图2—3正挤压空心件的金属流动情况反挤压的特点是金属流动方向与凸模的运动相反。采用反挤压能制成圆形、正方形、矩形以及其它形状的空心零件。如图2—4a)反挤压初始状态b)进入稳定状态c)反挤压终了状态图2—4反挤压杯形件的金属流动情况36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析复合挤压的特点是在挤压的过程中毛坯的一部分金属的流动方向凸模运动方向相同，而另外一部分金属的流动方向与凸模运动的方向相反。金属的流动方向如图2-5a)双杯类挤压件b)杯-杆类挤压件图2—5复合挤压杯形件的金属流动情况热挤压基本上有如下几种形式如图2—6所示。其中a、c、d的形式应用最广。a应用于挤压筒形零件，c应用于挤压管形零件，d应用于棒形零件。b也是应用于挤压棒形零件，此形式由于毛坯相对于挤压筒壁没有滑动，所以摩擦力比d小，而且一般情况下不采用。但是近来这种形式有时也用于挤压有色金属零件。a)深孔反挤压b)实心反挤压c)空心正挤压d)实心正挤压图2—6热挤压的四种基本形式36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析热挤压工艺是先进的金属压力加工方法之一。挤压件的机械加工余量较小，表面质量和尺寸精度也较高，热挤压件的表面光洁度高，尺寸精度也可达IT6--7级。因此，在零件要求不太高的情况下，热挤压件无需再进行机械加工，从而可以节约大量的金属材料和机加工工时，因此热挤压加工工艺是一种很有发展前途的金属加工方法。2.2热挤压工艺中的重要工艺参数在热挤压成形过程中，坯料的加热温度、润滑条件、挤压速度及模具的过渡圆角等都对热挤压成形起着关键的作用。2.2.1坯料加热温度的确定在热挤压前毛坯要先要预热，目的是防止毛坯晶粒粗大，表面产生裂纹，提高生产率和节约能源。一般来说，在保证金属坯料不产生过烧和过热的前提下，总是希望被挤压金属的坯料温度愈高愈好，金属的塑性就越好，也就更容易金属坯料的变形。但是金属坯料的加热温度不能无限的高，因为金属坯料的加热温度过高，不仅会产生严重的氧化和脱碳，而且还可能出现过热和过烧现象。因此，金属坯料的加热温度，必须严格控制在一定的范围内，通常是将金属坯料的加热温度控制在低于金属坯料熔化温度150—250℃之间。2.2.2．成形过程中的润滑润滑剂选用的合适与否直接影响热挤压工艺的成败。对于钢，使用各种各样的玻璃粉或者玻璃纤维作润滑剂。它们不仅起润滑作用（摩擦系数=0.027—0.033），还在毛坯和模具之间起隔热作用。根据热挤压工艺特点，一般要求润滑剂有如下性能：1）具有良好的润滑性能在热挤压时，为使坯料与模具隔离，避免两者的直接接触，帮助金属流动、提高金属的填充性，降低挤压力，因此要求润滑剂在热挤压温度范围内要具有良好的润滑性能。2）具有良好的脱模性能在热挤压时，模具的温度一般在200—300℃,有时甚至高达400--500℃，而挤压件的温度远高于模具温度，当挤压过程结束时，如果润滑剂具有良好的脱模性，则挤压件与模具可即刻分离出去，从而减少了挤压件传到模具上的热量，也就控制了模具的温升。2.2.3.模具材料的选用热挤压模具在材料的变形过程中，要经受高的变形抗力和热应力的综合作用，单位压力可高达2000—2500Mpa,连续生产时模具温度可以高达到500--600℃甚至更高，因此在进行工艺设计时，模具材料应满足下列要求：36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析1）强度和韧性热挤压是金属在三向不均匀应力状态下进行热态塑性变形的压力加工工艺。在变形过程中，模具将承受相当大的单位压力，而且由于热挤压的变形速度往往较快，带有冲击载荷性质。因此模具材料必须有很高的强度和韧性，才能抵抗断裂，避免模具早期裂纹的产生。2）耐磨性由于热挤压是高温下进行的，模具一直处在循环往复的受热状态下工作，模具温度的升高一般是不可避免的，当热挤压件热容大，生产率又高，而冷却效果不理想时，模具工作表面温度可达到500--600℃左右。因此，模具材料仅在室温时具有很高的硬度和强度还不够，还必须具有一定的耐热疲劳性，这样才能保证模具在热挤压过程中不致于产生过大的变形。而具有足够的耐磨性，则最终提高了模具的使用寿命。2.2.4.挤压设备特点：在钢质机械零件的热挤压过程中，目前越来越多地采用专用的热挤压设备，针对热挤压工艺生产的特点，用于热挤压生产的设备应满足下列要求：1）设备必须具有足够的强度和刚度2）足够的打击能量和精确的导向3）要有合适的挤压速度2.3套筒扳头热挤压成形工艺方案的确定图2—7套筒扳头零件的结构根据零件的结构，在套筒扳头成形工艺方案中，整平工序后是要进行退火和磷化处理的。套筒扳头热挤压材料采用25钢。36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析生产套筒扳头的全部流程为：备料---原材料酸洗、磷皂化---下料磷皂化---整平---退火---酸洗、磷皂化---成形---热处理（渗碳淬火或碳氮共渗）---镀锌钝化---包装入库。各主要工序工作特点分析：1）材料准备主要为后工序提供稳定的工作直径，以及低而稳定的材料硬度。2）下料本工序要求下料长度稳定，重量公差稳定在以内。3）加热为确保零件内孔对脱碳层的要求，坯料采用中频加热方式，在加热过程中应严格控制坯料的加热温度。4）整平通过整平工序消除马蹄形、压塌等缺陷，整平上下断面并在上断面中心打出一中心窝，在下端面边缘形成倒角，为下道工序做准备。5）成形本工序所需要完成的是挤压内孔和下端的四方，也即进行反挤压和正挤压的复合挤压过程。外圆和四方部分在模具孔中的总摩擦力远大于冲头与内孔的摩擦力，即冲头在成形结束后上行退出时并不能带动工件退出模腔，所以在这道工序中无需上推料机构，但是，下退料的退料时间是在上冲头退出工件后下顶料开始工作。3套筒扳头成形过程的有限元仿真及模具的优化分析3.1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。36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析塑性有限元方法可以分为弹塑性有限元方法、刚塑性有限元方法和刚粘塑性有限元方法。弹塑性有限元法的主要优点是考虑弹性变形和塑性变形的相互联系不仅可以计算工件的变形、应力和应变分布以及变形力等信息，而且可以有效地处理卸载问题，计算残余应力、残余应变和回弹。刚塑性有限元法忽略了材料的弹性变形部分。在体积成形问题中，坯料的塑性变形量很大，弹性变形量相对较小，同时回弹对锻件的精度影响不大。因此，用刚塑性有限元法模拟体积成形过程是比较合适的。本章基于刚塑性有限元分析方法，以DEFORM（DesignEnvironmentforForming）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。3.1.1DEFORM的介绍DEFORM是一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：①设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场实验成本；②提高工模具设计效率，降低生产和材料成本；③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是一个高度模块化、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。3.1.2DEFORM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--3D软件模拟，该软件是一套基于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。3.1.3DEFORM的突出特色DEFORM软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14936 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析种材料流动应力数据组，其它材料需要时可自行添加。3.2有限元成形模拟技术3.2.1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。3.2.2有限元模拟过程本次实验我们做的是套筒扳头的成形模拟，在模拟的工程中采用的是工件的1/4来分析的，而总的挤压力是本实验数据的挤压力的4倍少一点。套筒扳头的成形我们选用热挤压的方法成形，在加工过程中存在热传导现象。为了准确地模拟其成形过程不仅要模拟挤压过程，也要模拟任何热传导过程。综上所述，整个模拟过程分为三个阶段进行模拟：⑴第一模拟步骤：工件出炉后到模具上有10s的间隔时间，在这10s内工件与外界有热传导现象。因此，这个模拟过程仅是一个热传导模拟。⑵第二模拟过程是，工件在挤压之前，在下模具上停留2s。在这个过程中也发生热传导现象。⑶第三模拟过程是，套筒扳头的热挤压过程。3.3基本参数设定（1）零件材料为25钢，其热物理参数取值如下，退火是在约750快冷或800～900缓冷，经退火处理后的伸长率为20，硬度不大于200HB，始锻温度1050～1100，终锻温度≥850，装炉温度900，最高炉温1200，泊松比，密度[4]。（2）模具材料选取AISI—H—13[1650—2200F(900—1200C)],为刚性体上模具网格单元数6317个，节点1300个；环模具网格单元数5162个，节点1324个；下模具上部分网格单元数4684个，节点1331个；下模具下部分网格单元数5578个，节点1416个；下凸模网格单元数4889个，节点1285个；m为剪切摩擦因子，取0.3；k为屈服强度；热交换系数为连续成形系数取11N/sec/mm/℃（3）工件初始温度为1000--1200℃，上模具取150℃，下模具150℃；36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析（4）压力机为水压机，工作速度取200--380mm/sec。3.4模拟的过程步骤第一模拟过程：工件与外界的热传导的模拟3.4.1创建新目录创建新的工作目录taotongbantoujiyachengxing，打开DEFORM--3D主窗口，设置工作目录到taotongbantoujiyachengxing，单击新文件按钮，接受默认值，单击【next】按钮，进入下一菜单，接着单击【next】按钮，设置心目录的名称为fangzhen，接着单击【finish】，进入DEFORM--3D前处理[7]。3.4.2模拟控制设定单击模拟控制按钮，打开simulationcontrols窗口。在文本框simulationtitle中命名taotongbanshou，在operationname中命名为rechuandao，设定单位为SI公制，选中热传导heattransfer选项，关闭变形deformation选项。单击模拟步信息设定【step】，设定总模拟步数为50步，每隔10步存储模拟信息[6]。在解题步长定义选项栏，选择withconstanttimeincrement项，填入0.2。单击【OK】，退出模拟控制菜单。图3—1模拟控制设置3.4.3创建新对象为了模拟套筒扳头的成形，工件、上模具、下模具需要定义。第一模拟过程虽然用不到上下模具，但是为了节省其余过程的模拟时间，所以此阶段把上下模具也导入物体树。在物体树内激活对象1，单击【general】进入对象概要设置对话框，改变对象的类型为plastic。第一模拟工程，工件从加热炉中取出的温度大约为1100，因此在temperature栏中输入1100。接着单击【geometry】，打开输入对象几何窗口，单击，在STL格式下导入工件。36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析单击，设置对象2，该对象命为toptie，单击【geometry】按钮，打开输入几何窗口，单击，在STL格式下导入topdie。使用【checkgeo】和【show/hidenormal】检查对象的几何特征的正确性。用同样的方法将上凹模、下凸模和凹模导入。3.4.4工件划分网格我们本次实验采用相对划分网格。点击物体信息栏中的按钮，出现对话框，在【numberofelements】栏中，输入10000网格左右，则点击【preview】按钮，预览对象网格划得是否理想，如果网格划分达到要求则单击按钮。图3--2网格设定图3--3划分网格后3.4.5定义工件的传热边界条件对于第一模拟过程，只需要对工件设定传热边界条件，变形边界条件以及模具的传热边界条件待下几个模拟过程需要时再设定。设定工件热交换边界条件的具体步骤如下：⑴激活workpiece工件，使其高度显亮。⑵单击物体信息栏中的边界条件加载按钮，打开边界条件设计菜单，在单击【thermal】栏中heatexchangewithenvironment(与环境发生热传递)，使其反灰。此时视窗中的工件边界高度显亮。⑶定义环境温度。11003.4.6输入工件的材料给工件加载材料。在物体信息栏中，单击材料加载按钮，打开材料库，在steel中选择AISI-1025[1800-2200F(1000-1200C)]，双击即可将材料加载上。36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析3.4.7保存模拟文件生成数据库进行模拟信息设定完毕后单击保存按钮，存储模拟项目的k文件。接下来，单击数据库按钮，打开数据库生成对话框，单击【check】按钮，检查数据库是否能够生成。在检查信息中发现？提示信息，此信息指明没有定义对象间的关系，因此单击【generate】按钮，生成数据库文件。再单击【close】按钮，退出数据库生成菜单。数据库生成后，表明前处理完成，单击退出按钮，退出前处理窗口。退出前处理窗口后，回到了DEFORM软件的主窗口，在项目栏中已经存在了spike.DB数据库文件，激活此数据库文件，单击【run】按钮，打开运算菜单，向FEM运算器提交计算任务。3.4.8后处理当模拟任务结束后，在DEFORM软件主菜单中，激活taotongbanshou.DB数据库文件，单击【DEFORM—3D】按钮，进入后处理[9]。单击状态变量按钮，选取温度temperature作为分析对象，接着打开比例选择按钮stepsglobal，在单击【ok】按钮。接着单击选步序数按钮选取50步。此时，视图显示模拟过程中第五十步时，工件上的温度分布情况如下图3--4所示。36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析图3--4第五十步时工件上的温度分布热挤压成形的第二模拟过程（工件与上下模具的接触过程）、第三模拟过程（热挤压过程）的参数设定已经给定，具体的操作步骤不再累述，参考有关教材即可。3.5热挤压模拟前的分析由于对于热挤压模具的过渡圆角处设计的尺寸过小，并且我我们这个零件的一个过渡圆角较为特殊，它不是一般的倒直角或圆角，而是一个空间的曲面过渡，我们从空间设定一个位置，决定取r10—r136 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析4之间。在模拟过程会出现废品。另外，凹模过渡圆角对于模具的寿命影响很大，圆角半径微小的增加都会使模具的寿命成倍增加。我们这个特殊的过渡圆角如果太小起不到过渡的作用，太大也不合适，也会使挤压力增大，因此选择必须合适，合适的过渡圆角半径是优化模具的关键。图3—5模具的特殊过渡圆角3.6热挤压成形的模拟分析我们在模拟的前两个模拟过程都是热传导（第-1到60步），不存在等效应力的变化。第三模拟过程开始有应力变化，故取初始第70步，中间第100、120、130、140，以及最后的153步的应力分布情况如下图所示：36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析a)70步b)100步c)120步d)130步36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析e)140步f)153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70、100、120、130、140、153步的工件和上模具的载荷---行程曲线变化如下图：a)70步b)100步36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析c)120步d)130步e)140步f)153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。热挤压过程中取第70、100、120、130、140、153.步的等效应变情况分布图如下：36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析a)70步b)100步c)120步d)130步36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析e)140步f)153步图3--8等效应变图在全过程中的温度变化情况如下图，我们取第10、50、60、120、140、190、235步作为参考a)10步b)50步36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析c)60步d)80步e)100步f)120步36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析g)140步h)153步图3--9温度变化图从上图可以看出，第1---50---60步这个过程中温度是下降的，这是因为这个过程中，工件在与外界进行着热交换。从第60步开始往后，温度又开始升高，到结束时温度达到最高，这是因为随着挤压程度的增大，工件变形程度增大，导致工件温度升高。最后展示一下我们成形工件的情况如图3—10所示，我们得到的工件基本上能够满足我们的要求。a)主视图b)俯视图36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析c)左视图d)半剖视图图3—10热挤压工件最后成形图4用MATLAB对模拟的结果进行优化分析4.1MATLAB的背景介绍美国Mathworks公司的MATLAB是一种集数值计算、符号运算、可视化建模、仿真和图形处理等多种功能于一体的非常优秀的图形化语言。MATLBA不仅是科学家、工程技术人员、职员和管理人员的必备工具，也是大学生和研究生需要掌握的一门技能。MATLAB语言的应用领域有：控制系统、信号处理、数据分析、通讯系统、工程数学、图形处理[2]。4.2优化分析过程在工程中，常有这样的问题：给定一批数据点，需要确定满足特定要求的曲线或曲面。如果要求所求曲线（面）通过所给所有数据点，这就是插值问题；在数据较少的情况下，这样做能取得较好的效果。但是，如果数据较多，那么插值函数是一个次数很高的函数，比较复杂。同时，给定的数据一般是由观察测量所得，往往带有随机误差，因而，要求曲线（面）通过所有数据点既不现实也不必要[5]。如果不要求曲线（面）通过所有数据点，而是要求它反映对象整体的变化趋势，可得到更简单实用的近似函数，这就是拟合函数，又称曲线拟合或曲面拟合。函数插值与曲线拟合都是要根据一组数据构造一个函数作为近似，由于近似的要求不同，二者在数学方法上是完全不同的[8]。本次实验我们需要对模具的挤压速度、毛坯件的加热温度以及36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析模具的过渡圆角半径进行优化，以得到合理的参数，以利于我们进行实际的生产实验，降低成本，提高设计的效率。我们本次实验也是采用了从测量和实验中得到的数据点，我们可以进行优化分析。表4—1毛坯件温度与挤压力的关系挤压速度v/mm/s温度t/℃半径r/mm挤压力F/kN2501060R103042501080R102902501100R102732501120R102612501140R102442501160R10246用MATLAB进行优化分析毛坯件温度与挤压力之间的关系，以得到合理的参数，得到如下程序和图像：>>clear%清除内存中保存的变量>>t=1060:20:1160;%温度的范围，以等差20增加f=[304290273261244246];%与温度对应的力A=polyfit(t,f,2);%生成向量形式的拟合多项式At=poly2str(A,'t');%生成字符形式的拟合多项式A,AtAt=0.0035714t^2-8.5571t+5363.5714%生成关于温度t的方程>>z=polyval(A,t);%生成数据z>>plot(t,f,'k+',t,z,'r')%绘制图像>>z=polyval(A,t);%生成数据zplot(t,f,'k+',t,z,'r')xlabel('挤压温度t/c');ylabel('挤压力F/KN');title('挤压速度250mm/s,挤压半径10mm')%绘制图像36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析图4—1温度与压力曲线表4—2挤压速度与挤压力之间的关系挤压速度v/mm/s温度t/℃半径r/mm挤压力F/kN1501100R102982001100R102842201100R102922401100R102812501100R102732601100R10278用MATLAB进行优化分析凸模具（主模具）的挤压速度与挤压力之间的关系，以得到合理的参数，得到如下程序和图像：Clear%清除内存中保存的变量>>x=[200240250260280320350380];%速度的范围>>f=[900933950955970980979988];%对应的力>>A=polyfit(x,f,2);%生成向量形式的拟合多项式>>Ax=poly2str(A,'x');%生成字符形式的拟合多项式>>A,Ax36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析A=-0.00050.0053307.6827Ax=-0.00049279x^2+0.0053414x+307.6827>>z=polyval(A,x);plot(x,f,'k+',x,z,'r')xlabel('挤压速度');ylabel('挤压力');>>clear>>f=[298284292281273278];x=[150200220240250260];A=polyfit(x,f,2);Ax=poly2str(A,'x');>>A,AxA=-0.00050.0053307.6827Ax=-0.00049279x^2+0.0053414x+307.6827>>z=polyval(A,x);plot(x,f,'k+',x,z,'r')xlabel('挤压速度mm/s');ylabel('挤压力F/KN');title('挤压温度1100,挤压半径10')36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析图4—2挤压速度与挤压力曲线最后我们得到毛坯件温度--挤压力的方程⑴和主模具—挤压力的方程⑵如下：F1=0.0035714t^2-8.5571t+5363.5714⑴F2=-0.00049279x^2+0.0053414x+307.6827⑵将上述得到的两个方程⑴和⑵相加，得到挤压力的目标方程如下：F=(0.0035714t^2-8.5571t+5363.5714-0.00049279x^2+0.0053414x+307.6827)/2=(0.0035714t^2-8.5571t-0.00049279x^2+0.0053414x+5671.2541)/2S.t.V<260;-V<-150;T<1160;-t<-1060解：建立目标函数的m文件：functionf=ch3_6objfun(x)f=-0.00049279*x(1)^2/2+0.0053414*x(1)/2+0.0035714*x(2)^2/2-8.5571*x(2)/2+0.5671e+4/2在命令栏中输入已知数据并调用求解函数：>>clear%清除内存中保存的变量36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析>>A=[01;0-1;10;-10];%线性不等式约束中的系数矩阵>>b=[260-1501160-1060];%线性不等式约束中的常数矩阵>>x0=[1060150];%变量的初始值>>[x,f]=fmincon('ch3_6objfun',x0,A,b)%有约束的问题运行后输出：x=1160260f=1.5153e+003由此可知，优化结果为：毛坯的温度为1160C，挤压速度为260mm/s,得到合适的挤压力为1515KN。我们用插值法作出有关模具过渡半径与挤压力的函数曲线，相关采集数据如表4—3。表4—3过渡半径与挤压力的关系挤压速度v/mm/s温度t/℃半径r/mm挤压力F/kN2501100R102732501100R112702501100R123072501100R132842501100R14279用MATLAB进行优化分析以得到合理的参数，得到如下程序和图像：Clear%清除所有的变量>>r=10:14;%设置变量半径r范围>>f=[273270307284279];%对应的力>>r1=10:0.1:14;%以0.1为等差增量>>F=interp1(r,f,r1,'spline');%样条插值>>plot(r,f,'k+',r1,F,r,f,'r')%绘制图像>>gridon%在当前图形加上网格>>holdon%保持>>xlabel('半径r/mm');%在当前图形的x轴上加图例‘半径’>>ylabel('挤压力F/KN');%在当前图形的y轴上加图例‘挤压力’>>title('v=250,tempts=1100');%在当前图形加上标题36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析图4—3半径与挤压力曲线由图4—3所示可知r11时，可以取得力的最小值，这与实际情况也是相符的。因为我们这个过渡是一个空间曲面，较为特殊，这个过渡是从空间上一个位置倒的过渡面，r太大了反而力会更大，所以与实际的要求相符合。经过讨论我们最后决定选定挤压力大于F=1515KN，温度T=1160℃，挤压速度V=260mm/s的压力机.挤压力选择稍微大一些可以避免力不足的情况，将速度稍微提高一点可以提高工作效率。待上述过程完成后，我们就可以进行实际的生产实验了，然后再进行实际现场数据采样，反复模拟这个过程，最后确定大批生成的最终合理的参数。36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析结束语通过MATLAB优化分析，我们最后选定挤压力F=3150KN的液压机，温度T=1160℃，挤压速度V=260mm/s.这样我们可以得到成形饱满，壁厚较为均匀，质量合格的挤压件。本论文主要利用有限元软件DEFORM—3D对套筒扳头的热挤压成形过程进行模拟，并用功能强大的MATLAB优化软件对套筒扳头热挤压模具进行优化分析，得到较为合理的参数，以满足我们生成的实际需要，降低成本，提高生产率。我们在分析中要考虑到热挤压的相关要求，反复的比较设定参数，观察模拟结果是否合理，反复修正，最后得到合理的参数，从而达到优化模具的目的，最终能够得到我们需要的合格的挤压件。36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析参考文献[1]洪深泽主编，挤压工艺及模具设计[M]，北京：机械工业出版社，1996[2]李元科编著，工程最优化设计[M]，北京，清华大学出版社，2006[3]李传民，王向丽，闫华军等编著.DEFORM5.03金属成形有限元分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2007[4]孟武功，内套筒扳头挤压工艺与模具设计，锻压技术，2007年2月第32卷，第1期[5]赵丽娟，张养利，张辉，王连昌，李文潮，用MATLAB实现数值计算，技术方法，中图分类号：O245文献标识码：B文章编号：1003-8868（2003）10-0263-02[6]谢水生,王祖唐.金属塑性成形工步的有限元数值模拟[M].北京:冶金工业出版社,1997[7]李尚健.金属塑性成形过程模拟[M]北京:机械工业出版社,1999[8]曾攀.有限元分析及应用[M].北京:清华大学出版社.2004[9]王祖唐.金属塑性成形工步的有限元数值模拟[M].北京:冶金工业出版社，199736 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析致谢本论文是由王志奎老师精心指导完成的，首先对尊敬的王老师的热情指导和帮助表示衷心地感谢！感谢王老师给我们提供了大量宝贵的学习资料，在我们遇到问题时给我们细心而又耐心的指导，给我们指明大方向，引导我们自己去探索、去学习，我觉得这真的对我以后工作很重要，逐渐培养我们自己探索的精神。王老师总是能把握住我们的进度，在合适的时候给我们提出要求，让我们有条不紊的进行。在设计中，王老师一直强调我们要多沟通、多交流。我感觉这一个学期的毕业设计的真的是非常的有价值的，很有意义，可以说是我们日后的工作一个前奏吧！通过毕业设计，我更加清楚地知道在前进的道路上遇到困难是很正常的，关键是要有一种不放弃的精神，保持这种心态是非常的重要的。绝不能因为有困难而不为，一定要坚持做下去。毕业设计中和大家一起合作，共同进步真的是感到了无比的开心和快乐，我们即能都基本完成任务，又形成了一个相互交流的和谐的氛围，大家都很开心。在王老师的指导下，我感觉自己的确是在成长和进步，我更加懂得合作和沟通的重要，我也会更加积极应对困难而不逃避，更加坚信了决不放弃的心态在工作中是多么重要的素质。我的成长和进步是离不开敬爱的王老师和各位的同学的鼓励、鞭策、帮助和支持的，对您们表示衷心地感谢！我还有很多的缺点和不足，我一定会努力追求进步和弥补不足的。谢谢！36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者（本人签名）：年月日学位论文出版授权书本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版章程》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程》(以下简称“章程”)，愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊（光盘版）电子杂志社”在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表和以电子、网络形式公开出版，并同意编入CNKI《中国知识资源总库》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。论文密级：□公开□保密（___年__月至__年__月）(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)作者签名：_______导师签名：______________年_____月_____日_______年_____月_____日36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析独创声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。 作者签名:二〇一〇年九月二十日 毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定） 作者签名:二〇一〇年九月二十日36 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析致谢时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。36