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1、江 西 理 工 大 学 南 昌 校 区毕 业 设 计（论文）题 目：电机端盖锻造CAE工艺模拟系 ：机电工程系专 业：模具设计与制造班 级：10模具学 生：左初峰学 号：10311115指导教师： 吴晨刚 职称：讲师- 15 - / 18摘 要随着这些年计算机科学的快速发展和有限元技术应用的快速成熟，CAE技术模拟分析金属在塑性变形过程中的流动规律在现实生产中得到越来越广泛的应用。CAE技术的成功运用，不仅很大的缩短了模具和新产品的开发周期，降低了成本，提高了企业的市场竞争能力，而且还有利于将有限元分析法和传统的实验方法结合起来，进而推动模具现代制造业的快速发展。DEFROM-3D是针对复杂金
2、属成形过程的三维金属流动分析的功能过大的过程模拟分析软件。该软件不仅稳健性好，而且易于使用。典型的DEFROM-3D应用包括锻造、摆辗、轧制、旋压、拉拔和其它成形加工手段。本文是运用DEFORM-3D软件对电机端盖产品进行成形分析和热处理，并利用此软件对原始方案进行优化。关键词：CAE；DEFORM-3D；成形分析；热处理；锻造Abstract With the rapid development of computer science and application of finite element with the rapid maturation of CAE technology a
3、pplication, simulation analysis of metal flow law during plastic deformation are more and more widely in the real production. The successful use of CAE technology, not only greatly shortened the mould and the new product development cycle, reduce cost, increase the market competitive power of enterp
4、rises, but also conducive to the finite element analysis method and the experimental method are combined, the rapid development of modern manufacturing industry and promote mold. DEFROM-3D is for the process analysis of three-dimensional flow of metal complex metal forming process features large sim
5、ulation software. This software is not only good robustness, and easy to use. Typical DEFROM-3D applications including forging, rotary forging, rolling, spinning, drawing and other forming methods. This paper is the use of DEFORM-3D software on the end cover of the motor product analysis and heat tr
6、eatment process, and the optimization of the original scheme using this software.Keywords: CAE; DEFORM-3D; process analysis; heat treatment; forging第一章 塑性成型CAE技术1.1塑性成型CAE技术概念塑性成型计算机辅助工程（CAE）的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算机模型并进行计算机仿真分析。一方面，CAE技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答；另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析简单化
7、，使复杂的过程层次化，节省大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确，在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用。同时CAE这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展，技术的发展又推动了许多相关的基础科学和应用科学的进步。在企业中，材料科学中CAE技术的应用，能提高产品的质量，缩短新产品开发周期，降低生产成本。可以使产品更早地投入市场，获得更好的经济效益，更重要的是赢得了宝贵的时间。时间的丧失意味着失去市场的先机，最终将失去客户。1.1.1国外CAE技术现状衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。目前，一些发达国家在这方面已达到了较高的水平，仅以有
8、限元分析软件为例，国际上不少先进的大型通用有限元计算分析软件的开发已达到较成熟的阶段并已商品化，如ANSYS、MARC、DEFORM、DYNAFORM、AUTOFORM、SUPERFORGE、SUPERFORM、MOLDFLOW等。这些软件具有良好的前后处理界面，静态和动态过程分析以及线性和非线性分析等多种强大的功能，都通过了各种不同行业的大量实际算例的反复验证，其解决复杂问题的能力和效率，已得到学术界和工程界的公认。在北美、欧洲和亚洲一些国家的机械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽车、电气工业设计等许多领域中得到了广泛的应用。就CAE技术的工业化应用而言，西方发达国家目前已经到达
9、了实用化阶段。通过CAE与CAD、CAM等技术的结合，使企业能对现代市场产品的多样性、复杂性、可靠性、经济性等做出迅速反应，增强了企业的市场竞争能力。在许多行业中，计算机辅助分析已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施。以国外某大汽车公司为例，绝大多数的汽车零部件设计都必须经过多方面的计算机仿真分析，否则根本通不过设计审查，更谈不上试制和投入生产。计算机数值模拟现在已不仅仅作为科学研究的一种手段，在生产实践中也已作为必备工具普遍应用。1.1.2我国CAE技术现状随着我国科学技术现代化水平的提高，计算机辅助工程技术也在我国蓬勃发展起来。科技界和政府的主管部门已经认识到C
10、AE技术对提高我国科学技术水平，增强我国企业的市场竞争能力乃至整个国家的经济建设都具有重要的意义。近年来，我国的CAE技术研究开发和推广应用在许多行业和领域已取得了一定的成绩。但从总体来看，研究和应用的水平还不能说很高，某些方面与发达国家相比乃存在不小的差距。从行业和地区分布方面来看，发展也还很不平衡。目前，一些大型通用有限元分析软件已经引进我国，在汽车、航空、机械、材料等许多行业得到了应用，而且在某些领域的应用水平并不低。不少大型工程项目也采用了这类软件进行分析。我国已经拥有一批科技人员在从事CAE技术的研究和应用，取得了不少研究成果和应用经验，使我们在CAE技术研究方面紧跟着现代科学技术的
11、发展，开发出CAXA等工具有自己的产权的CAE软件。但是，这些研究和应用的领域以及分布的行业和地区还很有限，现在还主要局限于少数具有较强经济实力的大型企业、部分大学和研究机构。我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了CAE技术的发展。在CAE分析软件开发方面，我国目前仍落后于一些发达国家。计算机软件是高技术和高附值的商品，目前的国际市场为美国等发达国家所垄断。我国自己民族的软件工业还非常弱小，仅占有很少的市场份额。作为一个国家，一个民族不能长期依赖于引进外国的技术和产品，因此我们必须加大力度开发自己的计算机分析软件，只有这样才能改变在技术上和经济上受制于人的局面。1.2金属塑形成形
12、技术金属塑性成型成形技术是现代制造业中金属加工的重要方法之一，它是金属坏料在模具的外力作用下发生塑性变形，并被加工成棒材、板材、管材以及各种机械零件、构建或日用器具的技术。与金属切削加工、铸造、焊接等加工方法相比，金属塑性成型具有以下特点：（1） 组织、性能得到改善和提高。金属材料经过相应的塑性加工后，其内部组织发生显著变化，例如炼钢铸出的钢锭，其内部组织疏松多孔，晶粒粗大且不均匀，偏析也比较严重，必须经过锻造、轧制或挤压等塑性加工，才能使其结构致密，组织改善，性能提高。因此，90%以上的铸钢都要经过塑性加工 成钢坏或钢材。此外，经过塑性成型后，金属的流线分布合理，从而改善了工件的性能。（2）
13、 材料利用率高。金属塑性成形主要是靠金属在塑性状态下的体积转移来实现的，不产生切削，因而材料利用率高，可以节约大量的金属材料。净成形工艺材料以用率接近100%。（3） 生产效率高，适用于大量生产。这一点在金属的轧制、拉丝和挤压等工艺中尤为明显。在冲压工艺中，随着生产机械化与自动化程度的提高，生产率也得到相应的提高。例如，高速压力机的行程次数已达到15001800次/min，在双动拉深压力机上形成一个汽车覆盖件仅需几秒。（4） 尺寸精度高。不少成形方法已达到少、无切削的要求。例如，精密模锻的锥齿轮，其齿形部分可不经切削加工而直接使用。精锻叶片的复杂曲面可达到只需磨削的精度，旋压液压缸的表面粗糙都
14、Ra范围为0.400.20m，可以直接使用。由于金属塑性加工具有上述特点，因而在冶金、有色金属加工、汽车、拖拉机、宇航、船舶、军工、仪器仪表、电器和日用五金等工业部门中得到广泛应用。金属塑性成形的种类很多，分类方法目前还不统一。按照成形的特点，一般塑性加工分为轧制、拉拔、挤压、锻造和冲压五大类。每类又包括多种加工方法，形成各自的工艺领域。在轧制、拉拔和挤压的工程中，变形区是不变的，属稳定的塑性流动过程，适于连续的大量生产，提供型材、板材、管材和线材。金属塑性成型在工业生产中分为：自由段、模锻、板料冲压、挤压、拉拔、轧制等工艺方法。1.3 DEFORM-3D软件 DEFORM-3D图形界面既强大
15、又灵活，为用户准备输入数据和观察结果数据提供了有效工具，DEFORM-3D还提供了3D几何操纵修正工具，这对于3D过程模拟极为重要。DEFORM-3D延续了DEFORM系统几十年来一贯秉承的力保计算准确可靠的系统。在最近的国际范围复杂零件成形模拟招标演算中，DEFORM-3D的计算精度和结果可靠性，被国际成形模拟领域公认为第一。相当复杂的工业零件，如连杆、曲轴、扳手，具有复杂筋-翼的结构零件、泵壳和阀体，DEFORM-3D都能够令人满意地例行完成。1.3.1 DEFORM的发展20世纪70年代后期，位于美国加州伯克利的加利福尼亚大学小林研究室在美国军方的支持下开发出有限元软件ALPID（Analysis of Large Plastic Incremental Deformation）。1990年在此基础上开发出DEFORM-2D软件。该软件的开发者独立出来成立SFTC公司（Scientific Forming Technologies Co.），并推出了DEFORM-3D软件，DEFORM-3D是集成了原材料、成形、热处理和机加工软件。DEFORM-3D的理论基础是经过修订的拉格朗日定理，属于刚塑性有限元法，其材料模包括刚性材料模型、塑性材料模型、多孔材料模型和
