DEFORM黃銅擠壓

1、目 錄第一章 擠壓工藝參數(shù)的確定11.1 坯料及尺寸選擇11.2 擠壓溫度和工模具預(yù)熱溫度11.3 擠壓速度11.4摩擦系數(shù)1第二章 模具尺寸及工藝參數(shù)的確定22.1 工模具結(jié)構(gòu)示意圖22.2 工模具結(jié)構(gòu)分析22.3 工模具尺寸設(shè)計(jì)22.3.1擠壓筒尺寸設(shè)計(jì)22.3.2擠壓墊尺寸設(shè)計(jì)32.3.3擠壓模尺寸設(shè)計(jì)32.3.4工模具尺寸的確定4第三章 擠壓設(shè)計(jì)方案的制定53.1設(shè)計(jì)方案分組53.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程53.2.1擠壓工模具及工件的三維造型53.2.2 擠壓模擬前處理53.2.3 生成庫(kù)文件53.2.4模擬運(yùn)算和后處理5第四章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析64.1擠壓速度對(duì)擠壓力的影響64.2擠壓速度溫度變化的影

2、響74.3擠壓速度對(duì)最大應(yīng)變的影響94.4擠壓力對(duì)表面損傷的影響114.5擠壓力對(duì)等效應(yīng)力的影響12總 結(jié)14參考文獻(xiàn)15第一章 擠壓工藝參數(shù)的確定1.1 坯料及尺寸選擇擠壓成品為f18mm的黃銅（DIN CuZn40Pb2）圓棒，為確保擠壓過(guò)程有一定的擠壓比確定坯料斷面圓直徑為f140mm，長(zhǎng)300mm的黃銅圓棒。1.2 擠壓溫度和工模具預(yù)熱溫度擠壓材料是DIN CuZn40Pb2,為保證擠壓時(shí)的高塑性第抗力，要求有一定的擠壓溫度，參考資料可知，對(duì)于擠壓DIN CuZn40Pb2棒材，錠坯原始溫度在580630；又由于擠壓本身是產(chǎn)熱的，則擠壓初始溫度不可過(guò)高，否則擠壓到一定溫度有可能導(dǎo)致擠壓

3、坯料熔化，故此設(shè)計(jì)擠壓溫度選擇610。在擠壓時(shí)，均勻加熱的錠坯，由于出爐后的空氣、輸送工具以及擠壓筒的冷卻作用，內(nèi)外溫度不均，擠壓金屬外層變形抗力高于內(nèi)層，這勢(shì)必導(dǎo)致流動(dòng)不均勻。因此希望采用的筒溫與錠溫相似，以減少錠坯橫斷面上的溫度梯度，從而降低工具冷卻作用對(duì)流動(dòng)不均勻的影響；由于擠壓筒及模具的預(yù)熱溫度一般不超過(guò)450，故此設(shè)計(jì)擠壓筒及模具的預(yù)熱溫度為400。1.3 擠壓速度 在選擇擠壓速度時(shí)應(yīng)綜合考慮合金的可擠壓性、制品質(zhì)量要求、擠壓設(shè)備能力等因素的影響；擠壓速度對(duì)制品組織與性能的影響，主要通過(guò)改變金屬熱平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)。擠壓速度低，金屬熱量逸散較多，致使擠壓制品尾部出現(xiàn)加工組織；擠壓速度高，錠坯

4、與工具內(nèi)壁接觸時(shí)間短，能量傳遞來(lái)不及，有可能形成變形區(qū)內(nèi)的絕熱擠壓過(guò)程，使金屬的速度越來(lái)越高，導(dǎo)致制品表面裂紋。擠壓時(shí)速度過(guò)大或過(guò)小均會(huì)導(dǎo)致擠壓缺陷，且擠壓速度過(guò)高時(shí)對(duì)擠壓設(shè)備和擠壓坯料的要求均會(huì)提高，擠壓速度過(guò)小時(shí)，無(wú)法滿足擠壓生產(chǎn)效率，故此設(shè)計(jì)選擇擠壓速度為1060mm/s，觀察擠壓速度對(duì)制品組織的影響。1.4摩擦系數(shù)溫度改變常引起摩擦系數(shù)的變化，在較高的溫度下回產(chǎn)生較多的氧化鐵皮，是擠壓時(shí)的摩擦系數(shù)增大。技術(shù)流動(dòng)均勻程度除了與其的導(dǎo)熱性有關(guān)，還由于加熱制度不同時(shí)，氧化膜與錠坯間的結(jié)合強(qiáng)度不同，從而改變了接觸界面的邊界條件。根據(jù)相應(yīng)的溫度設(shè)定其摩擦系數(shù)，故此設(shè)計(jì)的擠壓墊摩擦系數(shù)為0.6，擠

5、壓筒及擠壓模摩擦系數(shù)為0.1。第二章 模具尺寸及工藝參數(shù)的確定2.1 工模具結(jié)構(gòu)示意圖擠壓工模具示意圖如下圖2-1所示：圖2-1 工模具示意圖2.2 工模具結(jié)構(gòu)分析 擠壓制品為f18mm的棒材，擠壓所需的工具有擠壓筒、擠壓墊和擠壓模。擠壓筒容納高溫錠坯，是由兩層或三層以上的襯套以過(guò)盈熱配合組裝在一起構(gòu)成的；擠壓筒的尺寸包括筒內(nèi)徑、外徑和長(zhǎng)度。擠壓墊是用來(lái)防止高溫的錠坯直接與擠壓桿接觸，消除其消除其端面磨損和變形的工具；其尺寸包括擠壓墊直徑和厚度。擠壓模是擠壓生產(chǎn)中最重要的工具，是錠坯成形的直接工具；模子尺寸只要有模角、工作帶長(zhǎng)度和直徑、出口直徑、入口圓角、模子的內(nèi)徑和外徑及長(zhǎng)度。2.3 工模具

6、尺寸設(shè)計(jì)根據(jù)擠壓成形要求，擠壓所用坯料為f140×300mm，擠壓制品為f18mm的棒材。2.3.1擠壓筒尺寸設(shè)計(jì)擠壓筒是所有擠壓工具中最貴重的部件，在擠壓過(guò)程中防止錠坯金屬外流；其尺寸有筒內(nèi)徑、外徑和筒長(zhǎng)。2.3.1.1擠壓筒內(nèi)徑計(jì)算擠壓筒內(nèi)徑時(shí)要考慮擠壓筒內(nèi)徑與錠坯的偏差量，即筒錠之間有間隙值，按間隙值計(jì)算： （2-1）式中，錠坯直徑，mm； 筒錠之間的間隙值，mm，可查下表2-1。表2-1 筒、錠間隙選擇金屬材料擠壓機(jī)擠壓筒直徑mm間隙值，mm類(lèi)型噸位，MN銅臥式10010030030013510立式675120122.3.1.2擠壓筒外徑根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步確定，擠壓筒的外徑應(yīng)大

7、致等于其內(nèi)徑的45倍，即： （2-2）2.3.1.3擠壓筒長(zhǎng)度 （2-3）式中，擠壓墊厚度，mm；2.3.2擠壓墊尺寸設(shè)計(jì)擠壓墊做成圓形，其外徑應(yīng)比擠壓筒內(nèi)徑小。值與擠壓筒的內(nèi)徑有關(guān)，由于我們所用的擠壓機(jī)臥式擠壓機(jī)，所以其值可取0.51.5mm。擠壓墊的厚度可等于其直徑的0.20.7倍。2.3.2.1擠壓墊直徑可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)式： （2-4）2.3.2.2擠壓墊厚度可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)式： （2-5）2.3.3擠壓模尺寸設(shè)計(jì)擠壓模的結(jié)構(gòu)形式和各部分尺寸對(duì)擠壓力、金屬流動(dòng)均勻性、制品尺寸精度及其使用壽命都有極大影響，所以模子的尺寸設(shè)計(jì)是最重要的。2.3.3.1模角、工作帶長(zhǎng)度和入口圓角r（1） 模角是模子的最基

8、本參數(shù)之一，它的大小直接影響死區(qū)的大小，進(jìn)而影響制品的質(zhì)量；這里的模角=45；（2） 工作帶長(zhǎng)度有稱(chēng)定徑帶，是以穩(wěn)定尺寸和保證制品表面質(zhì)量的關(guān)鍵部分。這里的工作帶長(zhǎng)度=50,mm；（3） 入口圓角半徑的作用是為了防止低塑性合金在擠壓時(shí)產(chǎn)生表面裂紋和減輕金屬在進(jìn)入工作帶時(shí)所產(chǎn)生的非接觸變形，同時(shí)也是為了減輕在高溫下擠壓時(shí)模子的入口棱角被壓頹而很快改變?？壮叽缬玫模贿@里的r=5mm。2.3.3.2工作帶直徑模子工作帶直徑與實(shí)際所擠出的制品直徑并不相等。擠壓棒材的?？字睆娇捎孟率接?jì)算： （2-6）式中，擠壓制品的直徑，mm，為f18mm； 裕量系數(shù)，用來(lái)考慮各種因素對(duì)制品尺寸的影響，看查下表2-2得

9、。 表2-2 裕量系數(shù)合 金值 含銅量不超過(guò)65%的黃銅 紫銅、青銅及含銅量大于65%的黃銅 純鋁、防銹鋁及鎂合金 硬鋁和鍛鋁0.0140.0160.0170.0200.0150.0200.0070.0102.3.3.3出口直徑模子的出口直徑一般應(yīng)比直徑大35mm，因過(guò)小會(huì)劃傷制品的表面。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)式： （2-7）2.3.3.4模子的外徑和（1） 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于棒材，其模子外徑等于的（1.251.45）倍，為一般擠壓棒材的外接圓最大直徑，通常等于擠壓筒內(nèi)徑的（0.80.85）倍；即： （2-8）（2）為出口段長(zhǎng)度，這里取30mm。2.3.4工模具尺寸的確定結(jié)合式（2-1）（2-8）以及表2-1、

10、2-2和有關(guān)數(shù)據(jù)得：（1） 擠壓筒內(nèi)徑：=145mm；（2） 擠壓筒外徑：=580725mm，這里取=600mm；（3） 擠壓筒長(zhǎng)度：=350mm，其中取20mm；（4） 擠壓墊直徑：=143.5144.5mm，取=144mm；（5） 擠壓墊厚度：=28.8100.8mm，取=30mm；（6） 工作帶直徑：=18.25219.908mm，取=18.5mm；（7） 出口直徑：=21.523.5mm，取=22mm；（8） 模子的外徑：=145178.7mm，取=175mm。以上數(shù)據(jù)即為擠壓工模具尺寸。第三章 擠壓設(shè)計(jì)方案的制定3.1設(shè)計(jì)方案分組本設(shè)計(jì)方案共分為8組進(jìn)行擠壓模擬，其分組數(shù)據(jù)如下表3-

11、1所示；表3-1 擠壓方案的分組序號(hào)擠壓墊摩擦系數(shù)擠壓筒擠壓模摩擦系數(shù)擠壓桿速度/mm.s-1擠壓模錐角/ °擠壓溫度/ 定徑帶長(zhǎng)度/ mm工模具預(yù)熱溫度/ 10.60.11045610504002153204255306407508603.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程擠壓工模具及工件的三維造型根據(jù)給定的幾何尺寸，運(yùn)用PRO/E分別繪制坯料、擠壓墊、擠壓模、擠壓筒的幾何實(shí)體，文件名稱(chēng)分別為workpiece，top die，bottom die，object 4。輸出stl格式。3.2.2 擠壓模擬前處理建立新問(wèn)題：程序®DEFORM6.1®File®New Proble

12、m® Next®在Problem Name欄中填寫(xiě)Stick extrusion® Finish®進(jìn)入前前處理界面；在Simulation Control中，勾選SI以及勾選“Deformation”和“Heat Transfer”。定義對(duì)象材料，設(shè)置擠壓溫度610，選擇屬性為DIN-CuZn40Pb2。實(shí)體網(wǎng)格化，用絕對(duì)網(wǎng)格劃分，Size Ratio改為1.5，Min Element改為2。定義top die、bottom die和object 4，定義溫度為400，設(shè)置top die速度10mm/s。其他7組方案的速度如表3-1所示。模擬控制設(shè)置，在

13、Simulation Control中，設(shè)置Number of Simulation Steps為100、Step Increment to Save為5、With DieDisplacement為1®點(diǎn)擊OK按鈕完成模擬設(shè)置；在Stop中，設(shè)置Z軸距離為-100。調(diào)整對(duì)象位置關(guān)系：在Object Positioning中設(shè)置Z軸方向?yàn)?00。邊界條件定義，填入擠壓墊的摩擦系數(shù)0.6、擠壓筒和擠壓模的摩擦系數(shù)為0.1 以及傳熱類(lèi)型為Fomging ，完成邊界條件設(shè)置。3.2.3 生成庫(kù)文件在工具欄上點(diǎn)擊Database generation按鈕 ®點(diǎn)擊Check按鈕

14、4;沒(méi)有錯(cuò)誤信息則點(diǎn)擊Generate按鈕®完成模擬數(shù)據(jù)庫(kù)的生成。然后退出前處理程序界面。3.2.4模擬運(yùn)算和后處理完成運(yùn)算后進(jìn)行后處理，觀察載荷曲力、溫度變化、破壞系數(shù)的曲線圖和云圖。第四章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析本設(shè)計(jì)按照擠壓桿速度共分為8組方案，下面是這8組方案的比較分析，通過(guò)各組方案中載荷曲力、溫度變化、破壞系數(shù)的曲線圖或者云圖進(jìn)行分析，由于方案較多且各組方案的云圖趨勢(shì)相似，故只取方案一分析。4.1擠壓速度對(duì)擠壓力的影響（1） 如下圖4-1和載荷曲線在開(kāi)始極短的時(shí)間內(nèi)曲線呈垂直上升，此段屬于填充擠壓階段，發(fā)生彈性變形，變形均勻，載荷均勻增加；而后階段呈緩慢的曲線上升，此段屬于平流擠壓階

15、段，發(fā)生塑性變形，變形不均勻，載荷不均勻增加，隨著擠壓過(guò)程的進(jìn)行，產(chǎn)生加工硬化，變形抗力增加，擠壓力越來(lái)越大。在擠壓的最后階段，載荷曲線變化劇烈，此段是紊流擠壓階段，筒內(nèi)的金產(chǎn)生劇烈的徑向流動(dòng)。圖4-1 方案一載荷曲線圖（2） 根據(jù)擠壓桿的速度不同，從deform中提取載荷曲線的數(shù)據(jù)，然后在excel中做出8組方案的相應(yīng)表格，求出每組的平均載荷，即平均擠壓力；其數(shù)據(jù)如表4-1所示：表4-1 平均擠壓力 方案方案一方案二方案三方案四方案五方案六方案七方案八擠壓桿速度/mm.s-11015202530405060平均載荷/N8817398696458906768782338755717696618

16、77296907634從表4-1中平均擠壓力做出的圖表如下圖4-2，可以看出方案六的平均擠壓力最小，方案八最大；隨著擠壓速度的增加，坯料的溫度不能及時(shí)散出，則坯料的溫度越來(lái)越高；溫度越高，坯料與工模具的粘結(jié)愈嚴(yán)重，怎摩擦力越大，所需的擠壓力也越來(lái)越大；從圖4-3中可以看出，擠壓力整體呈上升趨勢(shì)，但是有波動(dòng)，特別是方案六，這說(shuō)明了擠壓力不僅僅與擠壓速度呈正比；根據(jù)資料得知，金屬變形抗力、擠壓溫度、擠壓方法、擠壓比、錠坯長(zhǎng)度、擠壓速度、擠壓模角、工具表面狀態(tài)等.圖4-2 8組方案的平均擠壓力折線圖4.2擠壓速度對(duì)溫度的影響（1）如下圖4-3相所示，在整個(gè)擠壓過(guò)程中，坯料中心溫度分布比較均勻且較高，

17、因?yàn)楣ぜ行牟慌c擠壓模具接觸，傳熱都很少，溫度不能及時(shí)散出；擠出來(lái)的部分坯料溫度最高，而在制品的最前端溫度有所降低，因?yàn)樵摱闻c空氣接觸，熱量散出，溫度降低；而與擠壓墊相接觸的一端溫度最低，主要是由于在擠壓過(guò)程中與擠壓墊接觸的一端存在著熱交換，使溫度降低。圖4-3 方案一溫度變化云圖（2）根據(jù)擠壓桿速度的不同，從deform中提取溫度變化的數(shù)據(jù)，然后在excel中做出8組方案的相應(yīng)表格，制成8組方案的對(duì)比圖如圖4-4所示。從下圖溫度變化中可以看出每組方案在一開(kāi)始的填充擠壓階段溫度基本不變，變形產(chǎn)生的熱量較少；當(dāng)坯料進(jìn)入擠壓模錐形區(qū)，溫度急劇增加，這是由于不均勻變形導(dǎo)致的；由于本設(shè)計(jì)的定徑帶長(zhǎng)度較

18、長(zhǎng)，摩擦較大，所以坯料通過(guò)定徑帶時(shí)溫度有所增加。圖4-4 8組方案溫度變化對(duì)比圖（3） 不同的擠壓速度，坯料的溫度不同，擠壓速度越大，坯料的溫度越高。從下圖中可以看出隨著擠壓速度的增加，坯料的最高溫度也相應(yīng)的增加；因?yàn)樗俣仍娇?，熱量越?lái)不及散出，溫度越高。其各組最高溫度如下表4-2所示以及最高溫度走勢(shì)圖4-5。表4-2 坯料最高溫度表 方案方案一方案二方案三方案四方案五方案六方案七方案八擠壓桿速度/mm.s-11015202530405060最高溫度/6396456466566606626676634.3擠壓力對(duì)最大應(yīng)變的影響（1） 如下圖4-5所示,從圖中可以清晰地看出，擠壓過(guò)程中剛開(kāi)始出現(xiàn)

19、應(yīng)力最大的位置在剛剛進(jìn)入擠壓模的位置，因?yàn)樵诖颂幱捎诠ぜ闹睆郊眲∽兓?，金屬流?dòng)的阻力最大，不均勻變形也最大，產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力；在擠壓制品段應(yīng)力分布較均勻，且數(shù)值較大，該段是在錐形區(qū)三向壓應(yīng)力狀態(tài)下擠壓后的結(jié)果；未擠出的部分應(yīng)力分布比較均勻但應(yīng)力較小，因?yàn)閿D壓筒的摩擦力有摩擦力使得此處金屬流動(dòng)很難，變形很小，則應(yīng)變很小。因?yàn)?組方案的最大應(yīng)變?cè)茍D相似，故只取方案一最大應(yīng)變?cè)茍D分析。圖4-5 方案一最大應(yīng)變?cè)茍D（2） 根據(jù)8組方案中的最大應(yīng)變?cè)茍D可以總結(jié)出每組應(yīng)變的最大值，如下表4-3所示；以及利用表4-3中數(shù)據(jù)做出不同擠壓速度對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)變值變化趨勢(shì)如下圖4-6所示。表4-3 各方案最大應(yīng)變

20、值方案方案一方案二方案三方案四方案五方案六方案七方案八擠壓桿速度/mm.s-11015202530405060最大應(yīng)變值/(mm/mm)2.983.052.923.163.084.163.432.94圖4-6 方案一最大應(yīng)變變化圖從表4-3和圖4-6中可以看出，擠壓速度的與最大應(yīng)變之間沒(méi)有一定的線性關(guān)系，這說(shuō)明了擠壓桿速度的變化對(duì)坯料的最大應(yīng)變影響很小，縱使在某方案區(qū)其最大應(yīng)變值有增大的趨勢(shì)。從理論上分析，擠壓速度越大，所需的擠壓力越大，坯料擠出的速度加快，但是這與應(yīng)變的變化沒(méi)有直接影響。查有關(guān)資料應(yīng)變的變化與摩擦系數(shù)、材料性質(zhì)以及載荷和溫度等綜合因素，某一個(gè)因素的變化對(duì)其影響不大。4.4擠壓

21、力對(duì)表面損傷的影響（1）如下圖4-7所示,隨著擠壓變形的進(jìn)行，坯料破會(huì)愈嚴(yán)重，因?yàn)殡S著擠壓過(guò)程的進(jìn)行工件的變形越來(lái)越大，不均勻變形也越嚴(yán)重，同時(shí)殘余應(yīng)力也增加，金屬內(nèi)部晶格畸變也是越來(lái)越嚴(yán)重，則擠壓變形的進(jìn)行破壞情況越來(lái)越嚴(yán)重。從8組方案的破壞系數(shù)云圖中可以看出，破壞最嚴(yán)重的部分是擠壓制品，而擠壓出的部分基本沒(méi)有什么損傷；由于8組方案中的破壞情況相似，所以只選取方案一中破壞系數(shù)云圖進(jìn)行分析。圖4-7 方案一破換系數(shù)云圖（2） 從deform中導(dǎo)出8組破壞數(shù)據(jù)，觀察8組方案的破壞趨勢(shì)，如下圖4-8所示分析不筒的擠壓速度對(duì)制品表面質(zhì)量的影響，圖4-8 破壞系數(shù)曲線從上圖中可以看出擠壓桿的速度越大，

22、擠壓制品的破壞情況越嚴(yán)重；如果擠壓速度過(guò)大的話，有可能導(dǎo)致擠壓制品表面出現(xiàn)微裂紋，甚至?xí)霈F(xiàn)斷裂；所以擠壓速度越大對(duì)制品的表面質(zhì)量影響很大，制品的質(zhì)量越差。4.5擠壓力對(duì)等效應(yīng)力的影響（1）后處理中觀察最大應(yīng)變?cè)茍D如下圖4-9所示,由于方案多且云圖相似，故僅取方案一等效應(yīng)力分析。從圖中可以清晰地看出，錐形變形區(qū)應(yīng)力分布較集中，且數(shù)值較大，為三向壓應(yīng)力狀態(tài)，因?yàn)榇藚^(qū)域不均勻變形劇烈； 擠壓筒內(nèi)的坯料中心應(yīng)力分布均勻且應(yīng)力較小，因?yàn)榇硕巫冃尉鶆?。圖4-9 方案一等效應(yīng)力云圖（2）從deform中導(dǎo)出8組破壞數(shù)據(jù)，觀察8組方案的等效應(yīng)力趨勢(shì)，如下圖4-10所示分析不筒的擠壓速度對(duì)制品表面質(zhì)量的影響；

23、不同的擠壓速度對(duì)應(yīng)各組方案中的等效應(yīng)力如下表4-4所示。表4-4 各組方案等效應(yīng)力方案方案一方案二方案三方案四方案五方案六方案七方案八擠壓桿速度/mm.s-11015202530405060等效應(yīng)力/(MPa)91.9394.3997.3796.0398.4193.4297.8698.44圖4-10 等效應(yīng)力變化趨勢(shì)圖從表4-4和圖4-10中可以看出，隨著擠壓速度的增大，等效應(yīng)力出現(xiàn)波動(dòng)，但整體還是呈增加的趨勢(shì)，也就說(shuō)擠壓速度越大，等效應(yīng)力越大。理論分析，擠壓力越大，等效應(yīng)力越大，雖然與實(shí)驗(yàn)?zāi)M有所差異，這可能是由于擠壓模擬本身的差異導(dǎo)致的。總 結(jié)本設(shè)計(jì)是通過(guò)改變擠壓桿速度探究對(duì)棒材擠壓的影響，例如擠壓力、擠