第6章 挤压成形111.docx

第六章 挤压成形本章导读本章详细介绍了 DEFORM-3D 进行挤压仿真的一些基本操作，需要读者进一步掌握热力耦合数值模拟操作，深刻理解并掌握 DEFORM-3D 分析热挤压的塑性变形力学问题6.1 仿真背景6.1.1 定义挤压是用冲头或凸模对放置在凹模中的坯料加压，使之产生塑性流动，从而获得相应于模具的型孔或凹凸模形状的制件的加工方法6.1.2 仿真意义挤压的应用范围非常广，其中主要应用于金属材料的成形，也可以用于塑料、橡胶、石墨和粘土坯料等非金属材料的成形挤压时，坯料产生三向压应力，因此对于塑性较低的坯料，挤压成形也适用挤压，特别是冷挤压，材料利用率高，材料的组织和机械性能得到改善，操作简单，生产率高，可制作长杆、深孔、薄壁、异型断面零件，是重要的少切屑加工工艺因此，运用 DEFORM-3D 进行挤压仿真对工程上实际生产有着重大指导意义，包括挤压参数的优化，挤压模具的改善等等6.1.3 仿真实例本章介绍了 DEFORM-3D 仿真黄铜棒热挤压的过程挤压成品为 φ30×200mm 的黄铜DIN-CuZn40Pb2 圆棒，为确保挤压过程能够顺利进行，将坯料定为 φ100×80mm 的黄铜圆棒，挤压速度为 20mm/s，挤压垫的摩擦系数为 0.6，挤压筒和挤压模摩擦系数为 0.1。

挤压模具结构示意图如图 6-1 所示，其中挤压筒外径 D1=520mm，内径 d1=104mm，长度L=130mm；挤压垫外径 Dt=103，厚度 l2=30mm；挤压模模角 w=45°，定径带长度 l4=60mm，入口圆角半径 r=5mm，工作带直径 d2=30.45，出口直径 d3=35，外径 D2=120mm，出口段长度l5=27.15mm 根据工模具的几何参数，在三维绘图软件 solidworks 中分别绘制 1-毛坯 blank、2- 挤压筒 tube、3- 挤压垫 pad、4- 挤压模 bottom die 的零件图，按照图 6-1 中的位置关系，将其绘制成装配图，并以 Extrusion 为名保存为 STL 格式文件 [1]，存储路径为 安装目录\SFTC\DEFORM\v10.2\3D\LABS装配图如图 6-2 所示[1] 将工模具绘制成装配体的目的是确定其有正确的相对位置关系，在 DEFORM-3D 导入该模型时，不用重新调整其位置关系图 6-1 工模具二维示意图图 6-2 工模具三维示意图6.2 建立仿真模型6.2.1 创建新问题打开 DEFORM-3D 软件，进入 DEFORM-3D 主界面，单击【File】→【New Problem】 ，选择【Deform-3D preprocessor】 ，单位 Units 选为 SI，如图 6-3 所示→【Next>】选择默认的存储地址→【Next>】 ，输入文件名 Extrusion，单击【 Finish】 ，进入前处理界面。

6.2.2 定义工件1）单击 ，在 Object Name 中将 Workpiece 改为 Extrusion blank，单击【Change】保存改变2）定义工件属性在选项栏 Object Type 中选择 Plastic 塑性材料3）定义工件温度单击【Assign temperature】输入 600，单击【OK】保存设置，将工件的温度设置 600℃4）定义材料属性单击 ，单击 Material 后面第一个按钮 【Load material from library】 ，选择 Other 类别中的 DIN-CuZn40Pb2[1050-1400F(550-750C)] ，单击【Load 】添加材料如图 6-4 所示图 6-3 创建问题窗口图 6-4 定义工件材料5）创建几何模型单击 → ，在 安装目录\SFTC\DEFORM\v10.2\3D\LABS 中选择双击 Extrusion-blank. STL，导入毛坯的几何模6）检查几何模型的正确性 [2]单击【Check GEO】 ，如图 6-5 所示，弹出 Geometry Checking Result 窗口，如果图中方框里的数字如图 6-6 所示，则代表几何模型正确。

单击【OK】退出[2] 由于本例用到的几何模型都是作者在 solidworks 中建立的，所以需要检查其几何模型的正确性图 6-5 检查几何模型的正确性图 6-6 模型检查结果7）划分网格单击 ，在 Number of Elements 中输入 40000，单击【Generate Mesh】将毛坯划分为 40000 个网格如图 6-7 所示图 6-7 划分网格8）设置体积补偿单击 ，选择 Deformation 项目栏，在选项栏 Target Volume中选择 Active in meshing， 单击 【Calculate Volume】 ，计算出工件的网格总体积和几何体积，在弹出的窗口中单击【Yes】 ，将该网格几何体积作为目标体积6.2.3 定义上模具（挤压垫）1）单击 【Insert object 】添加一个上模具，改变对象名称为 Extrusion pad2）定义上模属性在选项栏 Object Type 中选择 Rigid 刚形体3）定义上模材料单击 【Load material from library】 ，弹出 Material Library 窗口，选择 Die_material 中的 DIN-D5-1U.Cold。

4）定义上模温度单击 →【Assign temperature】 输入 450，单击【OK】保存设置5）创建几何模型单击 → ，在 安装目录\SFTC\DEFORM\v10.2\3D\LABS 中选择 Extrusion-pad .STL，双击载入几何模型如图 6-8所示图 6-8 毛坯和上模的几何模型6）检查几何模型的正确性单击【Check GEO】 ，弹出 Geometry Checking Result 窗口，查看上模几何模型是否正确7）定义上模运动单击 ， 选择 Type 选项栏中的 Speed，方向 Direction 中的-Y 方向， Constant value 中输入 20mm/s6.2.4 定义下模具（挤压模）1）单击 【Insert object】添加一个下模具，改变对象名称为 Extrusion bottom die2）定义下模属性在选项栏 Object Type 中选择 Rigid 刚形体3）定义下模材料单击 【Load material from library】 ，弹出 Material Library 窗口，选择 Die_material 中的 DIN-D5-1U.Cold。

4）定义下模温度单击 →【Assign temperature】 输入 450，单击【OK 】保存设置5）创建几何模型单击 → ，在 安装目录\SFTC\DEFORM\v10.2\3D\LABS 中选择 Extrusion-bottom die .STL，双击载入几何模型如图 6-9 所示6）检查几何模型的正确性单击【Check GEO】 ，弹出 Geometry Checking Result 窗口，查看几何模型是否正确6.2.4 定义挤压筒1）单击 【Insert object】添加一个对象，改变对象名称为 Extrusion tube2）定义挤压筒属性在选项栏 Object Type 中选择 Rigid 刚形体3）定义挤压筒材料单击 【Load material from library】 ，弹出 Material Library 窗口，选择 Die_material 中的 DIN-D5-1U.Cold4）定义挤压筒温度单击 →【Assign temperature】 输入 450，单击【OK 】保存设置5）创建几何模型单击 → ，在 安装目录\SFTC\DEFORM\v10.2\3D\LABS 中选择 Extrusion-tube .STL，双击载入几何模型。

如图 6-10 所示6）检查几何模型的正确性单击【Check GEO】 ，弹出 Geometry Checking Result 窗口，查看几何模型是否正确图 6-9 毛坯、上模和下模的几何模型图 6-10 毛坯、上模、下模和挤压筒的几何模型6.2.5 定义控制条件1）单击 【Simulation Controls】 ，进入控制界面，将仿真标题 Simulation Title 改为Extrusion，将操作名称 Operation Name 改为 Extrusion，并确保单位为公制，勾选选项栏Mode 中的 Deformation 和 Heat Transfer，如图 6-11 所示图 6-11 定义控制条件窗口2）单击【Step】 ，将开始步数 Starting Step Number 设置为-1；总步数 Number of Simulation Steps 设置为 120；存储增量 Step Increment to Save 设置为 5选择 Solution Step Definition 中的 With Die Displacement，大小为 0.6mm[3]如图 6-12 所示。

图 6-12 定义上模步骤3）定义上模运动停止标准单击【Stop】 ，选择项目栏 Process Parameter 中的主模具位移 Primary Die Displacement，在 Y 后面输入-72 ，如图 6-13 所示即定义上模具运动位[3]为了保证仿真的正确性，模拟计算步长通常设置为最小网格尺寸的 1/3最小网格尺寸可以通过单击【Mesh】→【 Tools】→【Check Mesh】获取，本例子的最小网格尺寸为 1.746通过计算得到模拟计算步长为 0.6，为了得到 Φ30×200mm 的制件，设置上模行程为 72mm，总步数为 120移达到 72mm 时，仿真求算结束单击【ok】保存设置图 6-13 定义运动停止标准6.2.6 定义接触关系1）单击工具栏的 【Inter-object 】 ，弹出接触询问窗口： “目前对象间的关系不存在，是否按默认值建立对象间的关系？” ，单击【Yes】 2）进入 Inter-Object 窗口，系统默认了上模和毛坯、下模和毛坯以及挤压筒和毛坯的主次关系，不变形体为主件，变形体为辅件，如图 6-14 所示3）单击上模和毛坯关系图标（2）Extrusion pad-（1）Extrusion blank，使其高亮显示，单击 编辑其接触关系。

4）进入物体接触数据定义窗口，选择 Deformation，在 Friction 项目栏中，选择Type 选项栏中的 Shear 剪切摩擦形式，并在 Constant 后输入摩擦因数 0.6；选择Thermal，将热传系数 Heat Transfer Coefficient 定义为常数 Constant，大小为 5，如图 6-15 所示单击【Close】 5）单击下模和毛坯关系图标（3）Extrusion bottom die-（1）Extrusion blank，使其高亮显示，单击 编辑其接触关系将其摩擦定义为剪切摩擦形式 Shear，摩擦因数为 0.1，热传系数 Heat Transfer Coefficient 为常数 5单击【Close】关闭窗口6）单击挤压筒和毛坯关系图标（4）Extrusion tube-（1 ）Extrusion blank，使其高亮显示，单击 编辑其接触关系将其摩擦定义为剪切摩擦形式 Shear，摩擦因数为0.1，热传系数 Heat Transfer Coefficient 为常数 5单击【Close】关闭窗口7）单击 【。