连续挤压扩展成形金属流动模具设计

摘要

　　连续挤压扩展成形工艺具有扩展比大、生产率高、节能效果强、质量好、成材率高等优点,特别适于大尺寸、高强度和有特殊要求长度的产品的生产。采用此工艺研制铜母线与传统生产工艺相比极具优越性。连续挤压生产铜母线的过程非常复杂,材料性能、模具形状、工艺参数、温度等对成形过程都有影响。若工艺参数和模具结构尺寸选择不当,易造成产品的弯曲、裂纹、缺料等缺陷,模具也极易损坏。为此,本课题力图通过数值模拟分析金属的流动规律,由此预测挤压过程可能出现的缺陷,及时调整工艺参数,修改工艺设计,进一步提出改进方案。本文采用DEFOIU链软件作为模拟分析的工具,基于刚塑性/刚粘塑性有限元理论,建立了成形过程的有限元模型。论文共分为五大部分:

　　1.结合连续挤压技术与扩展成形工艺特点,阐述了利用有限元模拟来分析铜母线连续挤压扩展成形过程的必要性、可行性及优越性。

　　2.根据铜母线的塑性变形特点,对复杂成形过程的数值模拟选用刚塑性/刚粘塑性有限元法,为其建立合理的理论模型,选择适宜的求解方法,力求接近模拟真实。

　　3.对连续挤压过程进行了力能综合分析,推导了连续挤压变形力的计算公式,确定了工作状态下主机系统所需的扭矩大小。

　　4.为求得与实际过程相符的模拟结果,研究了有限元模拟的关键技术,有助于不断发展和完善模拟系统。

　　5.对成形过程的数值模拟结果进行了详细的分析,得到了金属流动的速度场、温度场、等效应力场、等效应变场和扭矩一行程曲线等,揭示了金属的流动变形规律,并用模拟结果来指导和优化工模具设计,改善连续挤压扩展成形过程。

　　总之,根据模拟结果分析,可合理选择工艺参数和模具结构尺寸,实现铜母线连续挤压扩展成形,力求把连续挤压的生产率和能量节省提高到更先进的水平。 

　　关键词：铜母线;连续挤压;扩展成形;有限元模拟;DEFORM

　　在制造业中,材料的塑性加工占有极其重要的地位,同时也是制造业中最古老的制造方法之一,由于这种加工方法的独特优点,并且由于本行业科研人员的不懈努力,至今仍在制造业中占据主要地位。根据统计,在航天、交通、通信和轻工业产品等发展迅速的部门,其产品的70%是由模具加工的,并且模具工业的产值在近年来逐渐增加,在制造业的总产值中已经超过了机床切削加工,并有继续上升的趋势。

　　金属塑性加工成形过程主要包括轧制、锻造、拉拔、挤压和板料冲压等,是金属加工的一种重要工艺方法,它不仅生产效率高、原材料消耗少,而且可以有效地改善金属材料的力学性能和组织。因而,塑性加工作为制造业的一个重要分支,广泛地用于工业制造中。近几十年来,随着社会经济和其他相关支柱产业的发展,塑性加工工业得到了前所未有的新发展,新工艺、新技术、新设备和新产品层出不穷。同时也对塑性加工技术提出了更高的要求。

　　与传统的成形工艺相比,现代塑性加工技术对毛坯与模具设计以及材料塑性流动控制等方面要求更高,所以采用基于经验的试错设计方法已不能满足实际需要,引入以计算机为工具的现代设计分析手段已成为人们的共识。20世纪80年代以来,CAD和CAE等单元技术开始运用到塑性成形工艺分析、规划与模具设计上。随着这些单元技术的不断发展,近年来通过它们的集成形成了基于知识的成形专家系统,并且有朝着集成化的塑性加工虚拟制造系统发展的趋势。作为系统必要支撑技术的计算机数值模拟技术,早已受到世界各国尤其是发达国家的高度重视,在国外己有不少塑性有限元商品软件推出,并在许多国家的研究部门和生产企业中得到应用,如美国的DEFORM、ABAQUS、MARC和法国的FORGE等等。自20世纪80年代中期以来,我国有许多高等学校和科研院所开始该方面的研究软件开发,目前也有少数企业已开始应用,但与国外相比软件技术水平和应用程度尚有明显差距。

　　然而,作为塑性加工行业整体来讲,目前仍处于以经验和知识为依据、以/试错0为基本方法的工艺技术阶段。塑性加工生产一般是根据市场需求,对制品进行加工工艺性分析,确定成形工艺方案,同时进行模具的设计与制造,然后利用模具依照已确定的工艺规程进行生产,其中最关键的环节是模具的设计和制造。模具的设计和制造合理与否,直接决定着能否生产出满足要求的制品。传统的模具设计与制造过程是一个基于经验知识的跨行业工作过程,企业的各部门之间相互独立,专业化程度高,模具设计和制造作为两个独立的环节,两者之间缺乏有机的联系和信息反馈。模具的设计与制造过程需要经过设计、试制、再修改设计的多次反复,导致模具的制造周期长、成本高,而失去了市场竞争的优势。这种/反复试直到模具设计合理0是传统塑性加工技术的重要特征,它使得产品质量靠检验来保证,而不是溶入设计、制造的全过程。CAD/CAE技术在塑性加工中的应用处于初级阶段,大多数CAD系统过分强调设计能力,基于一般的经验知识代替人工的简单而重复的工作,它的积极意义在于把设计人员从繁冗的设计绘图中解放出来。但目前的系统缺乏对涉及对象的分析、检测乃至修改功能,对塑性加工过程没有起到质的改变。因此,塑性加工行业的这种现状是不能满足整个制造业的发展要求的。

　　解决上述问题的途径是将虚拟制造技术应用于塑性加工全过程,其中的成形过程虚拟仿真(模拟分析)显得尤为重要。对成形过程的虚拟仿真,可以在模具加工制造之前,检验模具关键工作部分形状和尺寸设计的合理性,分析材料的流动规律,预测是否产生缺陷,此外还可以对其他工艺参数进行优化分析。这样,可以确保工艺、设计和模具制造一次成功,主要问题在设计阶段就完全解决,使塑性加工进入以模型化、最优化和柔性化为特征的工程科学阶段,提高塑性加工行业的科学化水平。

　　金属塑性加工工艺中所涉及的具体物理现象,难以用简单的数量关系来描述。塑性变形时,金属的流动模式、毛坯与模具的接触摩擦、金属材料内部热的产生及热传导、微观组织结构或性能与工艺条件之间的关系,所有这些难于预测和分析。通常,对于一个给定产品的塑性加工工艺,可能需要数个变形工艺才能将形状简单的毛坯变成形状较为复杂的产品。因此,塑性加工分析的重要目标之一就是合理的设计出变形工步及操作顺序。

　　扩展成形金属流动模具设计：

铜母线连续挤压扩展成形及其截面形状

连续挤压扩展成形过程金属变形网格图

连续挤压扩展成形过程出现的问题

金属的流动速度分布图

金属的等效应变分布图

金属的等效应力分布图

金属的最大主应力分布图

金属的温度分布图

目录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 有限元模拟技术在金属塑性加工中的应用
　　　　1.2 连续挤压扩展成形的研究在国内外的发展概况
　　　　　　1.2.1 Cnoomr连续挤压的原理及应用
　　　　　　1.2.2 连续挤压扩展模的原理与应用
　　　　1.3 课题的来源及背景
　　　　1.4 本课题的意义和主要研究内容
　　第二章 三维刚塑性/刚粘塑性理论基础
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 刚塑性流动理论的基本假设和方程
　　　　　　2.2.1 基本假设
　　　　　　2.2.2 塑性力学基本方程
　　　　　　2.2.3 刚塑性/刚粘塑性有限元的变分原理
　　　　2.3 刚塑性/刚粘塑性有限元的求解列式
　　　　　　2.3.1 离散化及线性化
　　　　　　2.3.2 节点坐标及速度的矩阵形式
　　　　　　2.3.3 单元应变速率矩阵
　　　　　　2.3.4 单元的刚度矩阵
　　　　　　2.3.5 刚度方程的求解
　　　　2.4 非线性问题的求解处理
　　　　本章小结
　　第三章 连续挤压力能综合分析
　　　　3.1 塑变区
　　　　　　3.1.1 连续挤压塑性变形特点
　　　　　　3.1.2 影响挤压力的因素
　　　　　　3.1.3 力能分析原始数据
　　　　　　3.1.4 轮槽几何参数确定
　　　　3.2 挤压轮上的受力分析
　　　　　　3.2.1 线材挤压腔单位变形力p
　　　　　　3.2.2 挤压轮上的切向合力只
　　　　3.3 挤压轮驱动功率
　　　　3.4 计算实例
　　　　本章小结
　　第四章 有限元数值模拟问题与分析
　　　　4.1 DEFORM模拟软件综述
　　　　　　4.1.1 DEFORM模拟软件简介
　　　　　　4.1.2 DEFORM一3D模拟软件概述
　　　　　　4.1.3 DEFORM模拟系统分析
　　　　4.2 三维有限元模拟的建模技术
　　　　　　4.2.1 几何模型的建立
　　　　　　4.2.2 单元类型的选择
　　　　　　4.2.3 网格的划分与重划分
　　　　　　4.2.4 材料模型的建立
　　　　　　4.2.5 载荷的施加和位移约束的设定
　　　　　　4.2.6 接触和摩擦问题
　　　　6.1 接触问题
　　　　6.2 摩擦问题
　　　　4.3 选择时间步长和步数
　　　　本章小结
　　第五章 扩展成形过程的数值模拟与结果分析
　　　　5.1 有限元数值模型方案的确定
　　　　5.2 有限元数值模拟结果与分析
　　　　　　5.2.1 金属压实阶段的变形过程
　　　　　　5.2.2 金属流动过程变形分析
　　　　　　5.2.3 金属的流动速度变化
　　　　　　5.2.4 金属的等效应变分布
　　　　　　5.2.5 金属的等效应力分布
　　　　　　5.2.6 金属的最大主应力分布
　　　　　　5.2.7 金属的温度分布
　　　　　　5.2.8 成形过程扭矩一时间曲线分析
　　　　　　5.2.9 成形过程中挤压轮转速的影响
　　　　5.3 连续挤压成形中工模具的温度变化
　　　　　　5.3.1 腔体的温度分布
　　　　　　5.3.2 挤压轮的温度分布
　　　　　　5.3.3 阻流环的温度分布
　　　　5.4 模具优化设计方案及应用结果分析
　　　　　　5.4.1 模具设计的优化
　　　　　　5.4.2 优化方案的数值模拟结果分析
　　本章小结
　　结论
　　参考文献
　　攻读学位期间发表的学术论文
　　致谢

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