薄壁鋼筒冷精整模具設計與冷精整工藝優(yōu)化

J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 畢 業(yè) 論 文薄壁鋼筒冷精整模具設計與冷精整工藝優(yōu)化Thin-walled steel tube cold finishing mold design and cold finishing process optimization 學院名稱： 機械工程學院 專業(yè)班級： 模具1201 學生姓名： 尹 研 指導教師姓名： 王勻、張扣寶 指導教師職稱： 教 授 2016年 06 月江 蘇 大 學畢業(yè)設計（論文）任務書 機械工程學院 學院 機械(模具)1201 班級 尹研 學生 設計（論文）題目 薄壁鋼筒冷精整模具設計與冷精整工藝優(yōu)化 課題來源 生產實踐 起訖日期 2016 年 3 月 14 日至 2016 年 6 月 3 日 指導教師（簽名） 教研室主任（簽名） 課題依據：薄壁鋼筒是液壓系統(tǒng)過濾器的重要部件，承受的油壓載荷很大，目前常采用冷溫復合擠壓工藝進行生產。但是在冷精整時內腔頂部易出現凸起的缺陷。擠壓件冷精整過程演變比較復雜，對其進行研究是擠壓件成形質量控制的前提。需要對薄壁鋼筒冷精整模具進行新設計，并進行工藝優(yōu)化，以期提高薄壁鋼筒冷精整后的成形質量，消除頂部缺陷。該畢業(yè)設計通過功能分析、模具結構設計、CAD建模和裝配、有限元分析、工藝優(yōu)化等緊密結合在一起，最終得到優(yōu)化的模具新結構和新的冷精整工藝參數。從而鍛煉學生綜合應用理論力學、塑性力學、機械原理、工程圖學、模具制造工藝學、模具結構分析與優(yōu)化設計、機械優(yōu)化設計、數字化設計與制造技術、工程材料及其成型基礎、公差與檢測技術等基礎課、專業(yè)基礎課和專業(yè)課知識。培養(yǎng)學生運用現代化工具進行模具設計和制造的實踐能力，初步掌握成形工藝方案的優(yōu)化、制定、成形缺陷分析手段和成形質量評價方法。任務要求：1.擠壓模具優(yōu)化與分析（1）了解冷精整工藝過程、冷精整模具設計流程、冷精整模具設計方法以及結構優(yōu)化方法； （2）通過功能分析，完成冷精整模具結構設計、CAD建模和裝配；（3）完成對薄壁鋼筒冷精整模具進行新設計，并進行工藝優(yōu)化，以期提高薄壁鋼筒冷精整后的成形質量，消除頂部缺陷；（4）得到優(yōu)化的模具新結構和新的冷精整工藝參數；（5）初步掌握成形工藝方案的優(yōu)化、制定、成形缺陷分析手段和成形質量評價方法。2. 相關資料的查找和英文的翻譯，完成23篇的外文翻譯，字數不得少于5000字；3. 結合設計課題進行文獻檢索，撰寫2000字左右的專題綜述讀書報告一篇；4. 有條件的外出調研，完成調研報告；5. 學會幻燈片PPT的制作，撰寫畢業(yè)論文，字數20000字以上；6. 畢業(yè)設計圖紙量不用有1張0號圖，為計算機繪圖。畢業(yè)設計（論文）進度計劃起訖日期工 作 內 容備 注3.14-3.27 搜集資料，翻譯、讀書報告、學習三維造型和CAE軟件3.28-4.10調研、擠壓成形工藝分析、計算4.11-4.17CAE學習，學習deform4.18-5.8CAE繼續(xù)學習，擠壓CAE模擬，對幾種工藝參數下的成形缺陷進行分析，提高改進工藝5.30-6.5撰寫說明書、文檔整理、準備PPT和答辯5.9-5.29工藝改進及舉措，零件cam及編程備注畢業(yè)設計具體要求：1.畢業(yè)設計支撐專業(yè)培養(yǎng)計劃中畢業(yè)要求1中的指標點4：能夠運用數學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識解決復雜機械工程問題，占該指標點達成度的40%；2.畢業(yè)設計支撐專業(yè)培養(yǎng)計劃中畢業(yè)要求2中的指標點4：能夠從數學與自然科學的角度對解決方案進行分析，并試圖改進，占該指標點達成度的20%；3. 畢業(yè)設計支撐專業(yè)培養(yǎng)計劃中畢業(yè)要求3中的指標點2：能夠對解決方案的可行性進行初步分析與論證，占該指標點達成度的10%；4. 畢業(yè)設計支撐專業(yè)培養(yǎng)計劃中畢業(yè)要求3中的指標點4：設計過程中能夠綜合考慮經濟、環(huán)境、法律、安全、健康、倫理等制約因素，并得出可接受的指標，占該指標點達成度的40%；5. 畢業(yè)設計支撐專業(yè)培養(yǎng)計劃中畢業(yè)要求5中的指標點3：掌握機械工程重要文獻資料的來源和獲取方法，占該指標點達成度的40%；6. 畢業(yè)設計支撐專業(yè)培養(yǎng)計劃中畢業(yè)要求8中的指標點4：在機械工程領域復雜工程問題實踐中，具有人文社會科學素養(yǎng)、社會責任感，能理解工程師的職業(yè)道德和責任，占該指標點達成度的20%；7. 畢業(yè)設計支撐專業(yè)培養(yǎng)計劃中畢業(yè)要求10中的指標點2：能夠通過口頭及書面方式表達自己的想法，能夠進行有效的陳述發(fā)言，占該指標點達成度的20%；8.畢業(yè)設計支撐專業(yè)培養(yǎng)計劃中畢業(yè)要求10中的指標點4：了解機械行業(yè)相關學科基本知識和機械工程領域的發(fā)展現狀，對機械工程領域的國際發(fā)展現狀有基本了解，具有一定的跨文化交流能力，占該指標點達成度的20%；9.畢業(yè)設計支撐專業(yè)培養(yǎng)計劃中畢業(yè)要求11中的指標點2：具有在多學科環(huán)境中應用工程管理和經濟決策知識的能力，占該指標點達成度的30%；10. 畢業(yè)設計支撐專業(yè)培養(yǎng)計劃中畢業(yè)要求12中的指標點2：有不斷學習和適應發(fā)展的能力，占該指標點達成度的30%。薄壁鋼筒冷精整模具設計與冷精整工藝優(yōu)化專業(yè)班級：模具1201 學生姓名：尹研指導教師：王勻 張扣寶摘要 本課題來源于企業(yè)的實際生產需求，所研究的對象是應用于液壓系統(tǒng)過濾器的重要部件薄壁鋼筒型外殼體，需要承受很大的油壓載荷。目前，對于該薄壁鋼筒型零件大多數廠家采用“溫反擠壓擠壓冷精整”工藝進行生產，但是在冷精整過程中鋼筒內腔頂部易出現凸起缺陷。擠壓件的冷精整過程演變比較復雜，材料特性、溫度條件、摩擦條件和潤滑情況、毛坯尺寸以及模具形狀等因素對精整變形過程都有一定影響，所以對其進行研究是擠壓件成形質量控制的前提。為此，本文使用DEFORM-3D軟件進行三維有限元數值模擬，對原有工藝進行優(yōu)化，并且對薄壁鋼筒冷精整模具進行重新設計，以期提高薄壁鋼筒冷精整后的成形質量，消除頂部缺陷。本文主要的研究內容與結論如下：1、針對薄壁鋼筒溫擠壓件在冷精整過程中出現的內腔頂部凸起現象，采用數值模擬的方法對冷精整的成形過程進行了深入分析，得到了內腔頂部凸起缺陷的成形變化規(guī)律，同時運用應力分布、應變速度場以及點追蹤法分析了薄壁鋼筒精整成形過程，總結了缺陷形成的原因。并且在以上研究的基礎上，提出了兩種解決方案。2、采用正交試驗的方法，對方案一“工藝參數多目標優(yōu)化”進行實驗分析，研究了凹模入模半角、工件上端斜角以及精整速度三個工藝參數對冷精整成形質量的影響，最終找到了最優(yōu)的工藝參數組合方案，并且制定了“溫擠壓+制坯+冷精整”的新工藝。3、對方案二“背壓式冷精整成形工藝”進行有限元分析，研究將背壓技術運用于冷精整工藝，通過控制工件局部金屬材料流動，消除工件內腔頂部缺陷的可行性；并且基于數值模擬的結果設計出了新型背壓式冷精整模具。關鍵詞 薄壁鋼筒；有限元分析；工藝優(yōu)化；正交試驗；背壓式冷精整Thin-walled steel tube cold finishing mold design and cold finishing process optimizationAbstract：The topic comes from the actual production requirement, the object of this study is an outer casing of thin-walled steel cylindrical. This thin-walled steel cylindrical is an important component used in hydraulic systems filters and needs to bear a lot of large hydraulic loads. At present, most manufacturers often use warm Combined extrusion - cold finishing process to product this thin-walled steel cylinder parts, but on the top of the steel tube inner cavity are prone to convex defects in the cold finishing process, which does not meet the requirements of the manufacturing process. Because of the cold extrusion finishing process evolution is more complex, a series of factors( such as material properties, temperature and friction conditions, lubrication, rough size the structure of the die and so on) have a certain impact on the deformation of finishing process, so its research on extrusion formation is an important premise of quality control. In order to improve the forming quality after thin-walled steel tube has been cold finished and to eliminate defects, in this paper, DEFORM-3D is used to carry out FEM numerical simulation, to optimize the original process and to redesign thin-walled steel tube cold finishing mold.The main content of this study and the conclusions are as follows:1For the phenomenon of appearing the bulge defects on the top of the thin-walled steel cylindrical inner cavity during the cold finishing process, numerical simulation method has been used for in-depth analysis of cold finishing forming process, and get the convex defect forming regularity. At the same time, stress, velocity and point tracking method have been used to analyze the thin-walled steel tube warm extrusion forming process by simulation software, and the reasons for the formation defects have been summed up. At last, two solutions have been proposed on the basis of the above inquiry.2In order to analyze the first solution multi-objective optimization of process parameters, orthogonal experiment method has been used. Three process parameters, the die semiangle of concave die, the upper bevel angle of the workpiece and finishing speed have been explored for the influences of cold finishing forming quality, and finally found the combination regimen optimal process parameters, and to develop a warm extrusion system + blank + cold finishing of new technology. Finally, an optimal combination regimen of process parameters has been found, and a new finishing technology warm extrusion + billet + cold finishing has been developed.3The second solution back-pressure cold forming process finishing has been analyzed through FEM. Explore the feasibility of the back-pressure technology which is applied to cold finishing process and controls the flow of the partial metal material to eliminate cavity convex defects. At last, a new back-pressure cold finishing mold has been designed based on the results of numerical simulation.Keywords: thin-walled steel tube, finite element analysis, process optimization, orthogonal experiment, back-pressure cold finishing目錄第一章 緒論11.1前言11.2課題研究背景11.3國外發(fā)展現狀21.4國內研究現狀31.5發(fā)展趨勢41.6本文的研究目的和內容5第二章 產品零件的結構特點和工藝流程分析62.1前言62.2產品零件結構特點62.3產品工藝流程分析72.4工藝參數82.4.1冷精整量82.4.2入模半角8第三章 冷精整過程的塑性有限元數值模擬103.1前言103.2DEFORM-3D軟件簡介103.3塑性有限元模型的建立103.4有限元數值模擬分析123.4.1冷精整數值模擬結果123.4.2缺陷形成原因分析133.4.3缺陷高度變化規(guī)律分析163.5小結18第四章 冷精整工藝優(yōu)化方案擬定194.1前言194.2方案一194.3方案二194.4環(huán)境、法律、安全、健康、倫理等因素的影響19第五章 冷精整工藝參數多目標優(yōu)化215.1前言215.2正交試驗法原理215.3正交試驗設計225.4正交試驗結果分析235.5最佳工藝參數組合的數值模擬驗證255.6小結26第六章 背壓式冷精整工藝276.1前言276.2背壓成形原理276.3塑性變形區(qū)金屬流動分析286.4背壓體冷精整有限元模型建立及參數設置296.5數值模擬結果分析316.6模具整體結構設計336.7小結35第七章 結論與展望367.1結論367.2展望36致 謝38參考文獻3940第一章 緒論1.1 前言進入二十一世紀以來，世界市場的競爭日趨激烈，全球制造業(yè)更是以不可抵擋的姿態(tài)在競爭的浪潮中獨占鰲頭，機械產品的加工技術進一步得到重視和發(fā)展，產品的生產周期、生產設備的耗材以及生產設備使用的便利性也日趨重要。擠壓工藝憑借其高精、高效、優(yōu)質、低耗以及能夠顯著改善產品的組織、性能等優(yōu)點在汽車、航空、航天等行業(yè)得到廣泛應用。擠壓技術發(fā)展到今天雖然已經有兩百多年的歷史，但在擠壓機理、模具制造以及擠壓工藝方面仍然不是十分完善。盡管如此，它能夠久經不衰不僅得益于其材料利用率高、產品質量好、生產效率高等諸多優(yōu)勢，更是因為隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，將擠壓成形規(guī)律、缺陷形成原因以及擠壓工藝優(yōu)化等分析水平上升到了一個新的臺階。計算機高效的數據處理能力可以將復雜的擠壓演變過程形象化，結合傳統(tǒng)的擠壓工藝與現代制造方法，使得擠壓技術可以日臻完善。在本課題中，將借助DEFORM-3D有限元分析軟件，對薄壁鋼筒型零件的冷精整過程進行數值模擬，分析可能形成的缺陷并對其工藝過程進行優(yōu)化。1.2 課題研究背景本課題研究的主要對象是應用于液壓系統(tǒng)過濾器的殼體濾筒。液壓系統(tǒng)工作性能的影響因素，一方面包含系統(tǒng)的結構和系統(tǒng)元件的性能，另一方面還包含系統(tǒng)的污染防護和處理能力。系統(tǒng)的污染和雜質對液壓系統(tǒng)的可靠性以及元件的使用壽命有直接的影響。液壓系統(tǒng)過濾器的主要作用就是過濾液壓系統(tǒng)中出現各種污染和雜質25。雜質混入液壓油后，與液壓油一起的循環(huán)往復，會對液壓系統(tǒng)造成不可逆的損壞，嚴重影響其工作的穩(wěn)定可靠性。例如，堵死液壓元件中相對運動部件之間的間隙以及節(jié)流小孔和縫隙；使相對運動部件之間的油膜被破壞，造成間隙表面被劃傷，使內部泄露增大，并且增加發(fā)熱、降低效率。據統(tǒng)計，液壓系統(tǒng)中75%以上的故障都是由液壓油中混入了雜質造成的。因此對于高精度的液壓系統(tǒng)來說，保持液壓油清潔，防護液壓油被污染是至關重要的26。液壓系統(tǒng)過濾器的殼體壓降和潔凈濾芯壓降對過濾器的過濾能力和過濾精度有直接的影響。所以為了滿足液壓系統(tǒng)過濾器的工作要求，濾筒需要承受很大的油壓載荷。這就要求作為濾筒的薄壁鋼筒零件應具有一定的機械強度，保證在一定的工作壓力下不會因液壓力的作用而受到破壞以及在一定的工作溫度下，應保持性能穩(wěn)定，有足夠可靠性和耐久性。近年來，隨著中國的工業(yè)化進程轉入重工業(yè)為主的階段，重工業(yè)所占比重越來越大，大型液壓設備在中國市場，尤其是汽車、航空、航天和管道等市場的剛性需求逐年增大。迅猛發(fā)展的制造行業(yè)推動了大型液壓設備及其周邊產業(yè)的欣欣向榮。據市場的不完全統(tǒng)計，在中國液壓設備市場中，外國投資企業(yè)已經占有了超過60%的市場份額，尤其是大型、精密的液壓設備的市場。外資企業(yè)僅僅是把中國當作是其廉價的生產制造基地，而關鍵的核心技術仍然被外資企業(yè)牢牢的掌握在手中。由此看來，想要實現從制造大國向制造強國的轉變，就必須掌握制造工藝核心技術，加速實現關鍵的零部件完全自主化生產。鍛壓件是液壓設備零部件的重要組成部件，鍛壓件在國內市場的需求非常巨大。現階段我國開始實施中國制造2025計劃，在向制造強國發(fā)展的浪潮下，國家提出了“創(chuàng)新驅動、質量為先、結構優(yōu)化、綠色發(fā)展”的基本方針，為此鍛壓企業(yè)普遍面臨結構轉型和技術升級等壓力。以產品成形質量高、材料利用率高、加工生產效率高、經濟環(huán)保等一系列優(yōu)勢著稱的溫冷復合成形技術，已經成為塑性成形的重要發(fā)展方向，也十分符合現階段以及未來十年的發(fā)展潮流。1.3 國外發(fā)展現狀在20世紀6070年代國外首次出現的“溫鍛”這種新型鍛造工藝。溫鍛是介于冷鍛和熱鍛之間的一種壓力加工技術，它的工藝特點是把工件加熱到金屬再結晶溫度以下進行鍛造。在國際冷鍛學術1971年會議上正式確定了溫鍛加工需要的溫度范圍。溫鍛技術于1980年后開始普遍應用在汽車、管道等制造業(yè)，根據美國Blanc Engineering Corporation發(fā)布的數據發(fā)現該公司鍛件產量已經超過125萬噸，而且采用溫鍛技術加工的鍛件已經超過了產量的一半。同年西德Bill Company聲稱基于溫鍛工藝的廣泛采用，該公司可以生產不銹鋼、高碳鋼及其他合金鍛件。時至1990年，在西方發(fā)達國家的汽車生產制造中，溫冷復合成形技術已經被深入的研究。德國科學家西福格講解了在汽車行業(yè)中溫冷復合成形技術的使用現狀,分析了利用不同加工方法生產同一批零件的工藝成本,并且總結了各種工藝的優(yōu)勢與缺點。埃克哈德科納教授進行了基于溫冷復合成形工藝加工復雜形狀零件的可行性分析，以汽車行業(yè)中三個重要的零件為例，討論了其不同的成形工藝，以達到分析溫冷復合成形技術在工藝和成本方面的優(yōu)勢的目的從二十世紀開始，國外學者十分致力于溫冷復合成形工藝的研究，使其發(fā)展迅速。在韓國，常教授帶領研究團隊運用冷精整技術得到了符合“凈成形”工藝要求的齒輪齒面幾何形狀、尺寸以及表面粗糙度工藝要求的齒輪零件，完成了從溫鍛齒輪毛坯到最終成品的后續(xù)精整加工。同樣為了得到近凈成形的齒輪零件，在日本，趙教授另辟蹊徑，從金屬流動控制入手。李教授從有限元仿真和實際實驗兩個方面研究利用溫冷復合成形技術生產等速萬向節(jié)球籠，從而優(yōu)化了當前的生產工藝。在德國，石教授針對冷精整工藝作為近凈成形后處理的可行性進行了研究，并以圓柱直齒輪為例驗證了冷精整工藝有效改善齒輪預鍛件的表面質量、提高產品尺寸精度的作用，精整后只需少量機械加工便可獲得產品成品。現階段，隨著潤滑工藝不斷的被研究，溫擠壓的精度和生產效率越來越高，已經成為復雜零件的主流加工方法。在德國，ThyssenKrupp公司的車用精鍛齒輪已經使用溫精鍛工藝大批量直接生產。在美國，超過50%的精鍛件都是運用溫冷復合成形技術加工而成14。憑借著溫冷復合成形工藝顯著的經濟效益，這項技術不久便被廣泛運用于汽車、紡織以及電器等工業(yè)部門的大批量生產中?，F如今，這項技術已經在機械零件制造中成為了一種極為重要的加工手段，并且遍及國民經濟的各個領域。1.4 國內研究現狀我國溫鍛技術比西方國家發(fā)展晚。擠壓成形工藝在新中國成立前是極其滯后的。直到1970年由于工業(yè)生產的需求，擠壓加工的材料才開始由鉛、錫等有色金屬發(fā)展到鋼。近20年來，跟隨著現代科學技術和我國工業(yè)生產茁壯成長的腳步，熏陶在國家節(jié)能減排的大背景以及成長在對鍛件生產質量、加工精度愈加嚴格的市場中，我國的溫冷復合成形技術也同時得到了迅猛的發(fā)展。張質良教授整理匯總了國內外溫鍛工藝的相關資料,調理清晰的概述了成形機理、成形材料范圍、工藝特征以及模具結構等溫塑性成形的諸多內容,現如今己經變?yōu)榱藝鴥韧鉁劐懠庸すS重要的技術參考手冊7。胡慶華教授細致鉆研了利用溫冷復合成形技術加工205型號軸承內外圈套料。張寶紅教授成功的利用了溫冷復合成形技術生產杯形零件，其成形后不需要進行多余的機加工的特性也成功解決了材料利用率和生產效率雙低的難題。柴蓉霞教授研究了利用溫冷復合擠壓技術生產薄壁鐘形零件，利用材料的分流以及劃分區(qū)域轉移的研究方法優(yōu)化了原有的工藝方案。朱懷沈教授利用廣義胡克定律計算公式計算出精整量的最小值，同時建立了正向冷擠壓精整工藝加工直齒圓柱齒輪的三維彈塑性有限元模型, 得出齒輪的相對壁厚以及齒面冷精整量與齒面回彈量之間的變化規(guī)律20。張浩教授建立了三維剛塑性有限元模型，仿真模擬了利用溫擠壓技術加工經典的汽車殼體類零件時內部金屬流動的情況，總結出毛坯溫度和摩擦系數與成形載荷之間的關系。上海交通大學塑性成形工程系和上汽鍛造總廠合作，分析了汽車制造工業(yè)里的典型零件的溫冷復合成形工藝過程，對制造生產工藝過程和最優(yōu)化的模具結構設計方案進行了總結，將理論轉化為生產實際7?？梢哉f，溫冷復合成形技術是一個十分有效的精密體積成形工藝，值得大力推廣。盡管溫冷復合成形技術在過去幾十年的風雨中得到了較為顯著的進展，但這項技術仍舊十分稚嫩，依然缺乏理論研究以及實際生產方面的技術參考資料，依然缺乏針對溫冷復合成形工藝的工藝參數（其中包含摩擦潤滑條件、合理的金屬流線分布、模具結構、模具磨損規(guī)律以及模具延壽技術等）較為系統(tǒng)和全面的概括總結，依然缺乏對溫成形、冷精整新生產工藝方面的創(chuàng)新性研究。1.5 發(fā)展趨勢隨著日益激烈的世界市場的競爭，尤其從21世紀開始，決定企業(yè)能否生存發(fā)展的最重要因素已經轉變?yōu)槠髽I(yè)產品的開發(fā)能力。產品的生產周期、生產設備的耗材以及設備使用的便利性也變得日益不可忽略。在制造和生產金屬制件以及機器零件的過程中，由于需要大幅度地提高生產效率、增大金屬材料的利用率以及提升產品的制造精度等諸多因素，新型的成形技術越來越被各個工業(yè)國家和企業(yè)重視。擠壓工藝正是作為一項高效率、高精度、優(yōu)品質、低消耗的先進制造生產工藝技術逐漸登上了機械制造的舞臺。相比于常規(guī)的模鍛技術，擠壓工藝在材料的利用率、產品的質量精度、生產的效率等諸多方面具備很大的優(yōu)勢，在中小型鍛件大規(guī)?；a中應用較多。由于擠壓技術具備了以上所述優(yōu)勢，因而普遍的被國內外廠家重視，并且發(fā)展迅猛。根據近20年來的發(fā)展勢頭看，隨著不斷提高的模具材料性能、不斷改進的成形設備力學性能以及不斷研發(fā)的表面潤滑處理方法，在實際制造生產中擠壓技術的應用越來越廣泛。盡管這項技術仍然被看作是一種發(fā)展中的技術，盡管在擠壓機理、擠壓工藝以及模具制造等諸多方面擠壓成形工藝仍然存在不完善的地方，但是現在可以利用高效的計算機數據處理功能將傳統(tǒng)工藝和現代制造方法結合起來，使擠壓工藝日臻完善?？梢灶A見，溫冷復合成形生產線的自動化程度將大大提高，計算機控制整條生產線的運作，機械手執(zhí)行每道工序的操作，運用在線監(jiān)控和檢測，實現快速的生產節(jié)拍快、高效的效率。溫冷復合成形技術將不斷突破材料的限制，在有色金屬中陸續(xù)展開，可成形的零件種類變得更加豐富。CAD/CAM/CAE技術在溫冷復合成形工藝中的運用將更加成熟與廣泛，并向著質量優(yōu)先、創(chuàng)新驅動、綠色發(fā)展的方向發(fā)展。1.6 本文的研究目的和內容本課題來源于企業(yè)的實際需求。薄壁鋼筒是液壓系統(tǒng)過濾器的重要部件，承受的油壓載荷很大，目前常采用冷溫復合擠壓工藝進行生產。但是在冷精整時內腔頂部易出現凸起的缺陷。擠壓件的冷精整成形過程演變比較復雜，材料特性、溫度條件、摩擦條件和潤滑情況、坯料尺寸和模具形狀等因素對變形過程都有一定影響，所以對其進行研究是擠壓件成形質量控制的前提。主要研究內容如下：1. 研究制定了薄壁鋼筒溫冷復合擠壓工藝，通過DEFORM-3D等手段對冷精整成形過程進行數值仿真分析，初步探討了冷精整成形機理和缺陷形成原因。2. 利用正交試驗研究了擠壓速度、毛坯形狀以及模具工作部分結構等因素對金屬成形過程的一般影響規(guī)律，得出最佳的成形工藝參數組合，并對冷精整成形過程進行優(yōu)化， 3. 研究了背壓式冷精整工藝，設計了新的背壓式冷精整模具，并且對不同的背壓力進行仿真分析和性能評測，找到最適合的方案。第二章 產品零件的結構特點和工藝流程分析2.1 前言計算機輔助設計，是利用計算機及其圖形設備幫助設計人員進行設計工作，簡稱CAD。在機械產品設計過程中，設計人員可以使用計算機分擔計算、信息存儲以及制圖等多項工作。CAD能夠減輕設計人員的工作負擔，縮短設計周期并且提高產品設計質量。UG是現階段模具行業(yè)最常使用的一種CAD三維建模軟件。其憑借著半參數化的設計，比Pro/E等相同功用的軟件更具自由性和設計操作性。因為它可以在同步建模的環(huán)境下去除產品的參數對配套的模具進行設計和開發(fā)，被大多是國內外模具廠家所青睞。在章節(jié)中，主要使用UG來對所研究的零件以及模具進行三維建模，分析了薄壁鋼筒零件的形狀和結構特點，并且參考殼體類零件的擠壓機理和擠壓工藝，制定出了符合產品工藝要求以及使用需求的一種溫冷復合擠壓工藝。2.2 產品零件結構特點本文所研究的擠壓件屬于薄壁鋼筒型零件，其形狀結構相對簡單。薄壁鋼筒擠壓件零件圖如圖2.1所示，圖2.2是在UG軟件中建立的相對應的三維模型。圖2.1 薄壁鋼筒零件圖圖2.2 薄壁鋼筒三維模型該零件使用的材料是20#鋼。20#鋼是一種優(yōu)質低碳碳素鋼，其成形塑性好、韌性高、強度低，現已成為一種常用的冷擠壓鋼。根據圖2.1、圖2.2可以看出，薄壁鋼筒零件主要由凸臺和鋼筒兩部分組成，零件總長為235mm，鋼筒壁厚為8.1mm，筒壁長度為211mm，鋼筒頂部有高度為13.5mm的正六邊形凸臺。2.3 產品工藝流程分析生產該零件的坯料是圓柱形毛坯，首先經過墩粗和壓凹整形兩道工序加工為擠壓毛坯。凸臺和筒壁部分由溫復合擠壓成形得到，由于凸臺和鋼筒過度處的結構特殊、形狀復雜，所以擠壓后不希望在過度部分進行后續(xù)機加工。另外，因為鋼筒外壁和凸臺處均要求有0.5mm的跳動公差且壁厚較薄，所以若薄壁鋼筒外壁直接經過溫復合擠壓一次成形得到比較困難，不僅不易控制零件成形精度，而且擠壓模具需要極高的尺寸精度和表面粗糙度，大大增加了模具制造難度和成本。綜上所述，對于該薄壁鋼筒型零件現采用三道擠壓成形工序進行加工，首先采用溫復合擠壓工序進行預成型，加工出頂部凸臺、過度部分以及內腔；隨后進行兩次冷精整工序使筒壁部分拉長變薄，最終達到零件圖紙要求的尺寸、形狀、位置精度，兩次冷精整工序對擠壓件的最終精度有重要的直接的影響；最后在冷精整工序后需要對鋼筒底部進行后續(xù)修邊取長，取長的加工余量必須保證不少于10mm。因此，參考軸對稱殼體類零件現階段工廠實際生產時普遍采用的工藝流程制定出如下所示的溫冷復合擠壓工藝：下料拋丸涂層加熱鐓粗整形溫復合擠壓退火拋丸磷皂化處理精整殼體退火拋丸磷皂化處理精整殼體取長其中，退火工序以及拋丸、磷皂化處理工序不僅消除了溫復合擠壓工序后的擠壓件殘余應力，而且為后續(xù)的冷精整工序提供了良好的潤滑條件、有效的提高了目標金相組織的塑性。2.4 工藝參數2.4.1 冷精整量薄壁鋼筒冷精整時，其冷精整的過程是彈塑性變形過程，所以可以使用廣義胡可定律計算其冷精整量的回彈量。胡克定律計算公式為：=E （2-1）=ln(D+)2D2 （2-2）其中，是屈服應變；是屈服應力；E是彈性模量；D是薄壁鋼筒成品零件的外徑；是冷精整的精整量。由于薄壁鋼筒的材料是AISI-1020(20#鋼)，所以取=245Mpa，E=206GPa，D=68.2mm，經過計算并參考該零件的實際生產情況，設計第一次冷精整從79mm到73mm，精整量為6mm，斷面收縮率A為25.78%；第二次冷精整從73mm到68.2mm，精整量為4.8mm，斷面收縮率A為25.82%，兩者均在合理的減徑精整變形量范圍中。因為在冷精整成形過程中的精整變形量較大而回彈量相對較小，所以可以完全忽略擠壓件的彈性變形，回彈量忽略不計。所以在本課題的數值仿真時可以定義冷精整過程是塑性變形過程。2.4.2 入模半角精整凹模的入模半角（圖2.3）是另一個十分重要的工藝參數。為了達到精整薄壁鋼筒外徑的目的，對薄壁鋼筒冷靜精整時，工件通過凹模入模半角的擠壓，擠壓力被分解為軸向擠壓力和徑向擠壓力，在軸向擠壓力的作用下，鋼筒溫擠壓件表面層的金屬產生縮頸流動，從而產生減徑精整的效果。圖2.3 冷精整凹模入模半角示意圖薄壁鋼筒冷精整成形過程是一種正擠壓過程，在相同的擠壓變形程度下如果凹模入模半角較小，則軸向擠壓力會變大，導致動模面壓會比較高，對工件的表面質量和形位精度有一定的提高；另一方面凹模的入模半角也不可以過小，入模半角過小會導致冷精整力的徑向分力變小，不易控制金屬材料的流動，從而影響冷精整的效果?？梢愿鶕櫥瑒┑倪x擇、摩擦條件、斷面收縮率、擠壓速度以及擠壓變形程度等影響因素進行計算從而得到合理的精整凹模入模半角的許用范圍。通過計算并且結合實際生產選取薄壁鋼筒冷精整凹模的入模半角取值范圍在315。在本章節(jié)中定義冷精整凹模入模半角為5，定徑工作帶長度為4mm。第三章 冷精整過程的塑性有限元數值模擬3.1 前言眾所周知，擠壓成形的演變過程十分復雜，其模型的本構關系的影響因素也十分眾多，對它的定量分析在目前階段不盡人意。但是基于計算機高效率的計算而發(fā)展開的數值模擬技術已經成為了實踐生產中對擠壓機理研究以及成形工藝改善的一大助力。有限元數值模擬不僅可以反映金屬塑性成形的應變、應力、載荷、速度等變化規(guī)律，而且可以將其應用到模具的設計開發(fā)、工藝優(yōu)化之中。運用數值模擬技術，可以在不需要進行物理試生產的情況下，得到擠壓成形過程中的應力、應變、應變速度以及溫度分布等信息，幫助設計人員了解設計的產品在加工制造過程中可能會出現的各種情況，及早發(fā)覺產品和工藝的缺陷并且加以修正優(yōu)化。這會大大減少產品的研發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)和試生產成本，在國內外，有限元數值模擬已經成為了一種常見的設計手段。在本章節(jié)中，將使用DEFORM-3D有限元數值模擬軟件對薄壁鋼筒冷精整過程進行仿真，研究冷精整時金屬材料的演變規(guī)律并且找出薄壁鋼筒內腔頂部凸起缺陷的形成原因。3.2 DEFORM-3D軟件簡介DEFORM-3D是由美國加利福尼亞大學Battelle實驗室研發(fā)出來的基于剛塑性有限元的體積成形分析軟件，十分適用于分析擠壓成形工藝，在分析材料流動、模具填充、鍛造負荷 、模具應力、晶粒流動、金屬微結構和缺陷產生發(fā)展等工藝數據方面有很大的能力2。模擬塑性成形過程時利用DEFORM-3D軟件，可以研究成形過程中材料的流動規(guī)律、預測各種可能形成的缺陷、優(yōu)化模具結構和工藝方案并且減少物理生產試驗和修模時間、成本18。3.3 塑性有限元模型的建立整個數值模擬試驗是基于 DEFORM-3D 軟件進行的，有限元模型是在DEFORM-3D前處理器模塊中建立的。因為完全忽略了工件的彈性變形，所以采用塑性有限元模型對冷精整過程進行模擬。仿真過程中定義所用的材料質地均勻并且呈現各向同性，體積力與慣性力均忽略不計并且材料服從Mises屈服準則。因為薄壁鋼筒零件、凹模以及凸模均為軸對稱結構，所以選擇工件以及模具實體的1/2進行建模，并且需要在建模后設置對稱的邊界條件，從而減少了數值模擬時計算機運算的工作量，在不影響模擬精度的條件下增加了工作效率。將薄壁鋼筒工件以及凸模、凹模三維模型轉為stl格式并且導入DEFORM-3D有限元分析軟件，作為有限元網格的劃分載體。薄壁鋼筒毛坯定義為塑性變形體，材料數據直接選取DEFORM-3D材料數據庫中AISI1020（20#鋼）材料，溫度設為20C。采用四面體單元對其進行網格劃分，網格單元劃分數為8000。因為本課題研究對象為鋼筒內腔頂部的缺陷區(qū)域，所以同時對鋼筒頂部區(qū)域進行網格局部細化，如圖3.1所示。在DEFORM-3D數值模擬過程中，工件的體積會發(fā)生減少，從而影響數值仿真的分析精度，所以需要對已劃分網格的工件進行體積補償。在仿真過程中凸模和凹模均不發(fā)生形變，所以定義為剛性體，無需對其進行網格劃分。凸模固定不動，凹模為主動模，進給速度設置為10mm/s。冷精整成形過程中毛坯和凸模、凹模之間的接觸摩擦均定義為庫侖摩擦模型，摩擦因數設置為0.12，為了減少仿真軟件模擬步數，減少運算工作量，所以設置凹模的起始位置與薄壁鋼筒工件在豎直方向發(fā)生干涉，干涉值定義為0.001。所建模型如圖3.2所示。局部細化分區(qū)域圖3.1 薄壁鋼筒毛坯有限元模型圖3.2 薄壁鋼筒冷精整有限元模型與薄壁鋼筒制造工藝流程吻合，整個數值仿真過程也分為第一次和第二次冷精整兩部分。需要根據工件所劃分的網格單元長度的1/3左右來確定模擬參數中的每步長度，一般情況下，都是根據最小網格單元長度的1/31/10來確定步長的取值，經過測量計算現設定模擬步長為2mm。第一次冷精整時設定總步數為100，每經過五步保存一次模擬實驗數據。第二次冷精整以第一次結束后的仿真實驗結果為基礎模型，更換第二次冷精整凹模模型，總步數在第一次冷精整的基礎上另外增加130步。此時總模擬步數為230步。3.4 有限元數值模擬分析3.4.1 冷精整數值模擬結果通過DEFORM-3D模擬處理器進行運算，再由后處理器打開運算的模擬結果，可以得到兩次冷精整數值模擬結果效果圖，如圖3.3所示。（a）第一次冷精整結果圖 （b）第二次冷精整結果圖圖3.3 冷精整結果圖可以看出，冷精整過程中鋼筒壁厚均勻，鋼筒底部高度基本一致，且金屬高度落差均在10mm的修整取長范圍內。鋼筒頂部六邊形凸臺結構、凸臺與鋼筒外壁過渡部位角度準確、形狀完好，沒有受到冷精整過程的影響。但是鋼筒工件頂部與凸模之間出現拱形間隙，最終在薄壁鋼筒頂部形成了凸起缺陷。3.4.2 缺陷形成原因分析圖3.4 頂部缺陷鋼筒內腔頂部凸起缺陷如圖3.4所示。在仿真初始過程中（第5步）缺陷就開始初步形成，第二次冷精整時缺陷高度進一步增大并且隨著模擬步數的增大頂部缺陷也變得越來越明顯。圖3.5 第10步時工件的應力分布和速度分部為了定性分析冷精整過程中鋼筒金屬材料的受力情況以及流動走向，總結缺陷形成原因，我們需要比對鋼筒的應力場和速度場。圖3.5分別表示第一次冷精整過程中，凹模與薄壁鋼筒頂部接觸時的應力分布和金屬材料流動速度矢量分布。通過分析可以看出，在應力場中，由于凹模與工件的接觸區(qū)域在工件頂部，所以在凹模與凸模的擠壓力和摩擦力的共同作用下，接觸區(qū)域的最大應力為1150MPa，遠遠大于接觸部分的上下兩側區(qū)域。在速度場中，接觸區(qū)域的金屬材料流動速度矢量出現分流，在接觸部分下側區(qū)域的金屬材料向下流動，在接觸部分上側區(qū)域的金屬材料向上流動。為了對缺陷成因得出更明確的結論，我們需要定量分析工件與凹模接觸區(qū)域及其兩側的應力和速度大小。所以以第一次冷精整為例，在冷精整初始階段的接觸區(qū)域及其兩側以及工件頂部的中心位置分別設置了追蹤點，如圖3.6所示。其中P1對應接觸部分的下側區(qū)域，P2對應工件與凹模的接觸區(qū)域，P3對應接觸部分的上側區(qū)域，P4對應工件頂部的中心位置。圖3.6 工件追蹤點分部對上文給定的四個追蹤點在第一次冷精整全過程內分別進行應力和速度追蹤，并繪制應力-時間以及速度-時間曲線圖，其結果如圖3.7所示。（a）應力-時間曲線 （b）速度-時間曲線圖3.7 追蹤點的應力追蹤和速度追蹤從應力-時間曲線圖中可以看出，在冷精整的初始階段（從起始到第3.36秒內），四個追蹤點的應力大小按降序可排列為P2P3P4P1,既應力在接觸區(qū)域最大，上側區(qū)域次之，隨后是工件頂部中心位置，而接觸部分的下側區(qū)域最小。根據最小阻力定律可以得出結論，冷精整初始階段，在工件與凹模的接觸區(qū)域金屬材料向上流動的趨勢要比向下流動的趨勢強；另外工件頂部的金屬材料因為受到較大的徑向擠壓分力，其產生的應力也隨著P3點應力的增大而增大，工件頂部中心的金屬材料在四周以及筒壁材料的擠壓下均有向中間流動的趨勢并且呈現出向上拱起的態(tài)勢。3.36秒之后，凹模下移，接觸區(qū)域離開工件頂部，工件頂部的4個追蹤點所受到的應力開始逐漸減小，并在下降的趨勢下開始波浪式的起伏。同樣，從速度-時間曲線圖中可以看出，在冷精整的初始階段（從起始到第3.36秒內），四個追蹤點的金屬材料流動速度大小按降序可排列為P2P4P3P1,既在接觸區(qū)域的金屬材料流動速度最大，其次是工件頂部的中心位置以及接觸部分的上側區(qū)域，接觸部分的下側區(qū)域金屬材料的流動速度最小，幾乎為零。可以驗證工件內腔頂部的凸起缺陷正是在冷精整初始階段成形的。但是隨著冷精整凹模的逐步向下進給，工件與凹模接觸部分的下側區(qū)域金屬材料的流動速度迅速增大，并超過了接觸區(qū)域的金屬材料流動速度，隨后兩者在第7.2秒左右同時先后減少至0；同時工件頂部的中心位置以及接觸部分的上側區(qū)域金屬流動速度在小幅上升過后也在第4.2秒左右逐漸減小到0。綜合應力-時間曲線圖與速度-時間曲線圖可以得出初步的結論，薄壁鋼筒內腔頂部的凸起缺陷在冷精整的初始階段逐步成形并且其高度將達到最大值。隨后，當凹模向下運動，凹模與工件的接觸部分離開工件頂部，凸起缺陷的高度不會有明顯變化。下面我們將對這一結論進行驗證。3.4.3 缺陷高度變化規(guī)律分析由于在整個仿真過程中設置為每隔5步保存一次模擬數據，所以在兩次冷精整模擬過程中，每經過5步測量一次薄壁鋼筒內腔頂部與凸模之間的間隙的最大距離，記錄下測量數據并且繪制成如圖3.8所示的凸起缺陷高度隨模擬仿真步數的變化規(guī)律圖。圖3.8 凸起缺陷高度變化規(guī)律圖從第0步開始直到第一百步為第一次冷精整過程，第100步到230步為第二次冷精整過程。從變化規(guī)律圖中我們可以看出，在兩次冷精整的初始階段（第一次冷精整的第0步到第25步以及第二次冷精整的第100步到第125步），凸起缺陷高度迅速增長（增長變化值分別為1.1048mm以及3.1326mm）并且到達最大值，第二次冷精整的增長變化值要遠遠大于第一次冷精整。在隨后的精整擠壓過程中，凸起缺陷高度均緩慢降低，其減少變化值分別為0.1794mm和0.6725mm。根據圖3.8可以驗證，薄壁鋼筒件的內腔頂部凸起缺陷主要成形于冷精整初始階段，在隨后的筒壁精整階段（為方便表述，將缺陷高度減小階段命名為缺陷恢復階段），凸起高度不升反降，最終形成了我們所觀察到的拱形凸起。圖3.9 第10步與第50步速度矢量對比圖圖3.9分別表示了第一次冷精整初始階段（第10步）以及筒壁精整階段（第50步）的金屬材料流動速度矢量分布。通過對比可以看出在缺陷恢復階段，薄壁鋼筒件內腔頂部金屬的流動方向從初始階段的豎直向上變化為與凹模速度方向相同。這是因為隨著凹模向下移動，冷精整凹模與工件的接