材料专业DEFORM课设

材料控制专业综合性实验报告

指导教师 程俊伟 . 专业班级 1206091 . 姓 名 柳子岩 . 学 号 120609121 .

第一章 坯料及工艺参数的设计

1 实验目的与内容

实验目的:

1） 了解认识DEFORM-3D软件的窗口界面。 2） 了解DEFORM-3D界面中功能键的作用。

3） 掌握利用DEFORM-3D有限元建模的基本步骤。 4） 学会对DEFORM-3D模拟的数据进行分析。

1.1坯料尺寸的确定

坯料尺寸的确定十分重要。坯料尺寸选择的是否合理，直接影响到挤压制品的质量、成品率、生产率等技术经济指标。坯料尺寸（直径和长度）越大，制品越长，从而使切头尾、切压余的几何损失和挤压周期内的辅助时间所占的比例降低。对压余所导致的金属几何损失，增大直径或者增加长度对成品率的影响不同。坯料体积一定时，增大直径和减短长度使几何损失增加，减小直径增加长度，几何损失减小。 1.1.1坯料直径设计

选择坯料直径时，一定要在满足制品断面机械性能要求和均匀性要求的前提下，尽可能采用较小的挤压比。

查热挤压各种金属材料时的工艺参数值表可知，黄铜DIN-CuZn40Pb2挤压比=10~（300~400）之间，取=65，则根据式

22F0R0D0 22F1R1D1 （1-1）

式中，F0——挤压筒横断面积（mm²）；

F1——制品横断面积（mm²）；

D0——挤压筒内径（mm）； D1——制品直径（mm）。

已知D1=18mm，从而有

D0D16518mm=145mm

为了便于操作/监测和维修，本设计卧式挤压机，则坯料直径可根据挤压筒直径计算，取直径差ΔD=5mm，则有

Dp=D0－ΔD=（145－5）mm=140mm

1.1.2坯料长度设计

在进行工艺计算时，不同产品可选取不同坯料长度，以提高成品率。

对重金属棒型材坯料最大长度为2~3.5D0，因此，坯料长度在290~507.5mm范围内，本设计取坯料长度为300mm。 1.2工艺参数的设计

确定挤压工艺参数时，可以综合考察金属与合金加工时的可挤压性和对制品质量的要

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求（尺寸与形状的允许偏差，表面质量，组织和性能等），以满足提高成品率与生产率的需要。热挤压过程的基本参数是挤压温度和挤压速度（或金属出口速度），两者构成了对挤压过程控制十分重要的温度-速度条件。在选择挤压工艺参数时，一般是在理论分析的基础上进行各种工艺试验，考察产品质量，并参考实际生产的经验值。 1.2.1摩擦系数的确定

在横断面上，由于外层金属在挤压筒内受摩擦阻力作用而产生剪变形，使外层金属的晶粒遭到较大破碎，且在挤压制品断面会出现组织的不均匀性。在制品的长度上，也是由于外摩擦的作用，出现组织的不均匀性。因此，设计合理的摩擦系数，对于成功实现挤压模拟十分重要。在满足一定条件下，本设计取挤压垫摩擦系数为0.3，挤压筒与挤压模摩擦系数均取0.5。 1.2.2挤压速度的确定

挤压时的速度一般可分为三种：挤压速度——挤压机主柱塞、挤压杆与挤压垫的移动速度；金属流出速度——金属流出模孔时的速度；金属变形速度（也称变形速率）——单位时间内变形量变化的大小。

通常挤压速度越大，不均匀性流动加剧，副应力增大，在挤压制品上会引起周期性周向裂纹或破裂。挤压速度的影响通过以下三个方面起作用：第一，挤压速度高，流动更不均匀，副应力增大；第二，挤压速度提高来不及软化，加快了加工硬化，使金属塑性降低；第三，挤压速度的提高，增加了变形热效应，是铸锭温度上升，可能进入高温脆性区，降低金属加工塑性。

综上，挤压速度的确定需在一个允许的范围内，因此在黄铜的允许挤压速度范围内去挤压速度值为20mms1。

1.2.3工模具预热温度的确定

挤压时，工模具需要进行预热，如果不预热的话，坯料与挤压模具间温差较大，会产生较大的热转递，从而使坯料的温度分布不均匀，影响成品件的性能。本小组课程设计的主要任务即是关于工模具预热温度不同对挤压结果的影响，考虑到任务书所给的范围是0~500℃，分配任务时，以50℃为梯度，各自采用所选择的实验温度进行试验。

第二章 模具尺寸的确定

2.1挤压工模具示意图

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图2-1 挤压工模

2.2模具尺寸的确定

根据挤压机的结构/用途以及所生产的制品类别的不同，挤压工具的组成和结构形式也不一样。挤压工具一般包括：模子、穿孔针或芯棒、挤压垫、挤压杆和挤压筒。此外，还包括其他一些配件如：模垫、支撑环、压力环、冲头、针座和导路等。本设计主要针对基亚通、挤压模、挤压垫进行结构及尺寸的设计。

2.2.1模子的结构及其尺寸的确定

模子是挤压生产中最重要的工具。它的结构形式、各部分的尺寸，以及所用的材料和加工处理方法，对挤压力、金属流动均匀性、制品尺寸的精度、表面质量及其使用寿命都有极大的影响。模子可以按照不同的特征进行分类，根据模孔的剖面形状可分为平模、流线模、双锥模、锥模、平锥模、碗形模和平流线模七种。

模子的主要参数如下： （1）模角α

模角是模子的最基本的参数之一。它是指模子的轴线与其工作端面间所构成的夹角。根据已知条件挤压模锥角α=60°。 （2）工作带长度hg

工作带又称为定径带，是用以稳定制品尺寸和保证制品表面质量的关键部分。倘若定径带过短，则模子易磨损，同时会压伤制品表面导致出现压痕和椭圆等缺陷。但是，如果工作带过长，又极易在其上粘结金属，使制品表面上产生划伤、毛刺、麻面等缺陷。

根据已知条件工作带长度hg=20mm。 （3）工作带直径dg

模子工作带直径与实际所挤出的制品直径并不相等。设计时通常是用裕量系数C1来考虑各种因素对制品尺寸的影响。C1查表2-1可得。

表2-1 裕量系数C1

查表2-1可知，本设计C1值在0.014~0.016之间，取C1=0.015。

合 金 含量不超过65%的黄铜 紫铜、青铜及含铜量大于65%的黄铜 纯铝、防锈铝及镁合金 硬铝和锻铝 C1值 0.014~0.016 0.017~0.020 0.015~0.020 0.007~0.010 挤压棒材的工作带直径dg用下式计算：

dg=dm+C1dm （2-1） 式中，dm—棒材的名义直径（mm）。 代入数据，则有

dg=dm+C1dm=（1+C1）dm

=（1+0.015）×18mm=18.27mm

取整，则dg=19mm。 （4）出口直径dch

模子的出口直径一般应比工作带直径大3~5mm，因过小会划伤制品的表面。又因为

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dg=19mm，dch的范围是22~24mm之间，本设计取dch=23mm。

（5）入口圆角半径r

入口圆角半径r的作用是为了防止低塑性合金在挤压时产生表面裂纹和减轻金属在进入工作带时所产生的非接触变形，同时也是为了减轻在高温下挤压时模子的入口棱角被压颓而很快改变模孔尺寸用的。

入口圆角半径r值得选取与金属的强度、挤压温度和制品的尺寸有关：对紫铜和黄铜取2~5mm。且根据已知条件，模孔过渡圆角半径为5mm。 （6）模子的外心尺寸D和H

模子的外圆直径和厚度主要是根据其强度和标准系列化来考虑的。它与所挤压的型材类型、男挤压的程度及合金的性质有关。根据经验，对棒材、管材、带材和简单的型材，模子外径可按照式（2-2）进行计算 D=（1.25~1.45）Dω （2-2） 式中，Dω—挤压棒材的外接圆直径（mm）。 根据已知条件，Dω=140mm，取系数值1.35，则

D=1.35×140mm=1mm

模子的厚度H值近年来趋向于减薄，其强度主要靠模垫和其他支撑环来保证。但是，从提高模子刚度和减轻弹性变形方面考虑，H值又应增大。一般根据挤压机能力的大小取H值分别为20、25、30、40、50、70和100毫米。 2.2.2挤压垫的结构及尺寸确定

挤压垫是用来防止高温的锭坯直接与挤压杆接触，消除其端面磨损和变形的工具。挤压时，一般用规格相同的一组挤压垫轮流使用，以防止其过热。

垫片的外径应比挤压筒内径小ΔD值，ΔD太大时，可能造成局部脱皮挤压，从而影响制品质量；ΔD值也不能过小，以防与挤压筒内衬套摩擦加速其磨损。

垫片的厚度可等于其直径的0.2~0.7倍。

因为挤压垫的尺寸需利用挤压筒的数据，故稍后进行具体计算。 2.2.3挤压筒的结构及尺寸确定

挤压筒是所有挤压工具中最贵重的部件，由两层或三层以上的衬套以过盈配合组装在一起构成的。之所以将挤压筒制成多层，是为了使筒壁中的应力分布均匀些和降低应力的峰值；同时，在磨损后只需更换内衬套而不必换掉整个挤压筒，从而可节约大量的合金钢材。

挤压筒尺寸的确定包括：筒内径、筒长和各层衬套的厚度。 （1）挤压筒内径D0

计算锭坯直径时，可按公式（2-3）计算

Dp=D0－ΔD （2-3） 式中，Dp——锭坯外径（mm）； D0——挤压筒内径（mm）；

ΔD——使锭坯顺利送入又不产生纵向裂纹的间隙值。 因此，挤压筒内径可按式（2-4）计算

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D0=Dp+ΔD （2-4）

已求得Dp=140mm，查表2-2可知，ΔD=5mm，代入式（2-4），有

D0=Dp+ΔD=(140+5) mm=145mm

(2)挤压筒长度Lt

挤压筒长度通常可用两种方法来求得。 一是按照式（2-5）计算

Lt=(Lmax +L)+t+S+l1 （2-5）

Lmax——锭坯最大长度式中，（mm），对重金属棒型材为2~3.5D0，对重金属管材1.5~2.5D0，

对铝合金可取4~6D0，其中对管材不大于4.5D0，对扁挤压筒锭坯则最大长

度Lmax=3~5H；

L——锭坯穿孔时金属增加的长度（mm）； t——模子进入挤压筒的深度（mm）； S——挤压垫厚度（mm）。

二是通过选择挤压机型号，从而确定挤压筒长度。本设计采取方法二，经计算最终确定选择倒三角内置卧式挤压机。从而知道挤压筒长度为Lt=560mm。

因为采用的是卧式挤压机，所以ΔD在0.5~1.5mm，本设计取ΔD=1mm。因此，挤压垫的外径为144mm。挤压垫的厚度为其直径的0.2~0.7倍，取系数为0.5，则有挤压垫厚度为72mm。

2.3挤压工模具尺寸图

图2-2 挤压工模具尺

第三章 挤压模拟试验

根据给定的几何尺寸，运用CAD或Pro/E分别绘制挤压垫、挤压模/挤压筒和坯料的

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几何实体，文件名称分别为“jiyadian”、“jiyamo”、“jiyatong”、“piliao”，输出STL格式。程序→DEFORM6.1→New Problem→Next→填入名称→Finish→进入前处理界面。 3.1前处理 3.1.1添加对象

连续3次点击Insert Object按钮，添加4个对象。 3.1.2单位制度选择

点击Simulation Control→Main→Units→SI→Mode选Deformation及Heat Transfer。 3.1.3导入和定义材料并设置对称面

在对象树上选择Work piece→点击General按钮→Assign Temperature填入温度为350→点击OK→单击

按钮，选择材料库中的DIN－CuZn40Pb2,单击Load，完成材料基本属性

按钮，在弹出的对话框中选择事先画好的CAD，对几何体进行几何检查，结果质量合格，单

界面。 单击Geometry→或CAE造型文件。导入后单击

击OK键。其他同上，但是不需要定义材料种类，且在定义温度时，要根据各自工模具预热温度分别定意挤压垫/挤压模及挤压筒的温度。

点击

，点击添加坯料的两直角面；挤压垫、挤压模、挤压筒的直角面，点

击Symmetric Surface添加对称面。

3.1.4网格划分及工件体积补偿

选择Work piece，单击Mesh→Detailed Settings→Absolute绝对划分网格→在Size Ratio栏中，设置尺寸比率为1.5，Min Element Size中，设置最小单元尺寸为2。→单击Surface Mesh 按钮，进行对象表面网格划分，再单击Sold Mesh按钮，生成体网格。

单击Property→在Target Volume卡上选中Active选项→点击按钮→点击Yes按钮→勾选Compensate during remeshing。 3.1.5设置运动参数

选择Top Die，单击Movement→Speed→在Direction选中主动工具运行方向+X→Define

选项，其性质选为Constant,设置速度值20。3.1.6模拟控制设置

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点击Simulation Control→Step→Number of Simulation Steps中填入模拟步数，如150→Step Increment to Save中填入每隔5步保存信息→Solution Steps Definition→With

Constant Die Displacement填入距离步长1→点击OK完成设置。

3.1.7定义接触关系

单击→出现对话框，单击

→Deformation选项种Constant选项填入0.1。

点击Thermal→选中Constant选项，选择传热类型Forming。另外两个接触关系，设置方法同上，但在Constant中均填入0.5。 3.1.8生成库文件

在工具栏上点击→→没有错误信息则点击→完成模拟数据库的生成。 3.1.9退出前处理

在工具栏上点击

，退出前处理程序界面。

3.2运行

退出前处理后，在DEFORM-3D的主窗口中，选择Simulator中的Run选项，试验就开始运行了。在运行过程中，可点击Process Monitor查看模拟进程，某一数据规律呈现平稳状态时即可停止运行，点击Stop。

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3.3后处理

在DEFORM-3D的主窗口中选择DEFORM-3D Post选项，进入后处理窗口。点击Graph选择挤压垫，勾选所需输出的数据如Damage、Strain、Stress、Temperature。出现数据曲线图后，右击鼠标，点击Export graph data，保存1.04~1.09之间的数据。将记事本中的数据复制到Excel表中，求其平均值。将各组数据组合在一起，制成表格如下：

表3-1 各温度下的数据记录表 温度 （℃） 0 50 100 200 250 350 450 500 载荷 （N) 2320909.00 23281.00 2121319.00 2347824.01 2279551.00 2268528.72 2270356.00 20884.00 最大应力 （Mpa） 217.41 214.80 182. 192.37 203.80 177.38 220.23 153.11 最大应变（mm/mm) 2.37 2.25 1.95 2.40 2.40 2.45 1.74 2. 最小温度（℃） 333.44 381.41 403.16 421.23 446.50 478.31 528.06 537.38 最大温度（℃） 618.18 619.43 600.49 629.74 633.00 633.08 634.53 0.35 3.06 2.09 2.65 3.02 2.03 1.87 2.99 2.14 破坏系数 第四章 实验结果数据分析

4.1挤压工模具预热温度对载荷的影响

根据表3-1的数据利用Excel画出载荷—温度回归曲线图如下图4-1所示。

240000023500002300000载荷/N225000022000002150000210000020500000100200300400500温度/℃600

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分析：从上图4-1可以看出，由于受到个别点的影响，载荷的变化曲线略有波动。这种波动可能是模拟的过程中参数设置不准确或操作错误导致的。除去这样的个别点不看，在整个温度变化范围内，载荷呈下降趋势。这说明随着挤压工模具预热温度的升高，载荷减小。

4.2挤压工模具预热温度对最大应力的影响

根据表3-1的数据利用Excel画出最大应力—温度回归曲线图如下图4-2所示。

250200图4-2 最大应力—温度回归曲

0100200300温度/℃400500600最大应力/MPa150100500线图

分析：从上图4-2可以看出，在0℃～100℃范围内，最大应力呈下降趋势；在100℃～350℃范围内，最大应力有略微上升；在350℃～500℃范围内，最大应力再次呈下降趋势。最大应力在局部温度范围内的变化趋势虽有不同，但从0℃～500℃整个温度范围上看，其最大应力仍然呈下降趋势。所以忽略个别偏差较大的点，随着工模具预热温度的升高，最大应力下降。

4.3挤压工模具预热温度对最大应变的影响

根据表3-1的数据利用Excel画出最大应变—温度回归曲线图如下图4-3所示。

32.5图4-3 最大应变—

0100200300温度/℃400500600最大应变/mm/mm21.510.50温

度回

分析：从上图4-3可以看出，在0℃～500℃的变化范围内，除去450℃时最大应变较小以外，总体上最大应变没有变化。说明挤压工模具预热温度对最大应变的影响不大。 4.4挤压工模具预热温度对最小温度的影响

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根据表3-1的数据利用Excel画出最小温度—温度回归曲线图如下图4-4所示。

60050040030020010000100200300温度/℃400500600

图4-4 最小温度—温度

分析：从上图4-4可以看出，点的分布具有较为严格的线性关系。随着挤压工模具预热温度的升高，制品的最小温度呈线性增加。

最小温度/℃

总 结

本实验通过CAD和DEFORM对镦粗过程进行了模拟，经过无摩擦镦粗和有摩擦镦粗之间的对比分析，验证了均匀变形和不均匀变形的变形特点。把书本的知识应用到模拟当中，使我对课本的知识有了更进一步的理解。通过这次实验，培养了我运用书本知识解决实际问题的能力。

通过老师的讲解和PDF的学习，初步运用了DEFORM进行简易的应用，通过镦粗的前处理和求解以及后处理，对DEFORM有了一个全面的认识，虽然只是材料成型方面的应用，没有涉及到热处理的学习，但感觉DEFORM很强大，把AUTOCAD与DEFORM联系在一起能使自己的学习更加全面。DEFORM能够帮助我们设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本。提高了工模具设计效率，降低生产和材料成本。缩短了产品的研究开发周期。同时我也学会了使用DEFORM-3D进行简单的材料成型模拟，分析成型过程中工件的应力、应变、破坏系数及挤压工具载荷的变化。通过DEFORM软件的学习，为以后工作提供了一种非常实用的试验方法，也有助于现在对本专业的技术研究。本次课程设计得到了以下结论：①随着挤压工模具预热温度的升高，载荷减小。②随着工模具预热温度的升高，最大应力下降。③挤压工模具预热温度对最大应变的影响不大。④随着挤压工模具预热温度的升高，制品的最小温度呈线性增加。⑤制品的最大温度是随着挤压模预热温度的升高而升高。⑥挤压模具预热温度对破坏系数没有太大影响。虽然实验所得的部分数据与实验结论相违背，但所有实验都是存在误差的，误差的产生原因也各不相同。实践证明，课本中的知识并不是对所有的实验都满足的。通过本次设计，我重新熟悉了如何在文档中插入公式、制作表格、修改表格、利用CAD画图等计算机运用技巧；也懂得了如何运用标准、规范、手册、图册和查阅有关资料。

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