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1、 本科生毕业设计（论文） 学院（系）： 机电工程系 专 业： 学 生： 指导教师： 完成日期 2010 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析 Forming Simulation and Process Optimized Analysis of The Parts of Socket Wrench in Hot Extrusion总计： 毕业设计（论文）33 页表 格： 4个插 图 ： 45幅套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析Forming Simulation and Proce
2、ss Optimized Analysis of The Parts of Socket Wrench in Hot Extrusion 学 院（系）： 机电工程系 专 业： 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2010-5-16 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析机械设计制造及其自动化专业 摘 要根据热挤压成形理论,针对套筒扳手零件自身的特点，采用复合挤压成形工艺进行热成形，借助DEFORM-3D有限元软件对成形过程进行了模拟、分析。以挤压成形工序和反
3、挤压成形工序为重点，分析了成形过程中金属的流动规律及应力，应变的分布情况，得到载荷-行程曲线。对工艺参数进行了优化，验证了数值模拟结果的正确性及该复合挤压成形工艺的可行性。 关键词 套筒扳头；热挤压；有限元；数值模拟；数值分析Forming Simulation and Process Optimized Analysis of The Parts of Socket Wrench in Hot ExtrusionMechanical Design,Manufacturing and Automaction Major LI FangenAbstract: According to the t
4、heory of hot extrusion and the trait of the parts of socket wrench part itself, the hot extrusion was carried out by adopting the compounded forming technics. Forming process was simulated and analyzed through utilizing the DEFORM-3D FEM software. Putting the extrusion working procedure into emphasi
5、s, the loadstroke curve can be got by analyzing the metallic running rule, distribution of stress and strain in forming process.Finally, the process parameter was optimized, the truth of the value simulation and feasibility of the compounded extrusive fomings was verified.Key words:The parts of sock
6、et wrench;Hot extrusion;FEM;Simulation of numerical value; Analysis of numerical value目 录1 绪论11.1 本课题的目的和意义11.2 本课题的主要研究内容11.3 小结22 套筒扳头热挤压工艺的确定22.1 热挤压工艺概述22.2热挤压工艺中的重要工艺参数72.3 套筒扳头热挤压成形工艺方案的确定83 套筒扳头成形过程的有限元仿真及模具的优化分析93.1有限元分析软件的背景介绍93.1.1 DEFORM的介绍103.1.2 DEFORM的功能103.1.3 DEFORM的突出特色103.2有限元成形模拟技
7、术113.2.1几何模型的建立和网格划分113.2.2 有限元模拟过程113.3 基本参数设定113.4 模拟的过程步骤123.4.1创建新目录123.4.2模拟控制设定123.4.3创建新对象123.4.4 工件划分网格133.4.5 定义工件的传热边界条件133.4.6 输入工件的材料133.4.7 保存模拟文件生成数据库进行模拟143.4.8 后处理143.5 热挤压模拟前的分析153.6 热挤压成形的模拟分析164 用MATLAB对模拟的结果进行优化分析24结束语31参考文献32致谢33 套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析1 绪论1.1 本课题的目的和意义套筒扳手是制造维修
8、业的一种常用工具，在工作过程中主要承受扭矩，所以要求零件强度高，另外必须耐磨，防锈。随着制造水平的不断提高，近年来，它的品种不断增多，对质量的要求也越来越严格。目前主要采用挤压方式生产套筒扳手的主要部件套筒扳头。套筒扳头成形的锻造方法有很多，比如冷挤压、温挤压、热挤压等，各种成形方法各具优缺点，选择时应根据具体的生产条件、材料、工件的复杂性等综合考虑选择具体的成形方法，以达到最好的经济性。热挤压工艺与冷挤压相比，由于毛坯加热，提高了塑性，降低了变形抗力，因此可以挤压强度较高，断面形状复杂、尺寸较大的零件。同时还可以增加每一步的变形量，减少变形工歩数，生产方法比较灵活，也可以连续生产。但热挤压也
9、存在一些缺点：由于在热加工温度下变形，因此对模具有一定的耐热性要求；在模具设计中要求考虑冷却系统；毛坯的加热与冷却使挤压件的表面粗糙度值变大且降低了零件的尺寸精度。本次实验我们采用的是热挤压，热挤压成形方法比较优越，节省工序。但是，由于热挤压成形方法过程中金属与模具之间存在很大的摩擦力，造成金属变形大，应力分布不均匀，内圆弧处极易出现折叠现象，产生一些废品。因此，套筒扳头件内圆弧挤压过程必须很好的控制摩擦力，优化内圆弧的半径，使金属流动均匀，摩擦力小，才可以形成优质的工件。然而，在实践中靠经验去优化模具的效率低，精度无法保证。但是我们可以通过Deform3D的有限元分析软件进行模具成形的仿真和
10、分析，以达到优化相关参数（比如温度的设定、挤压速度、过渡圆角）的目的。这个过程中我们充分考虑影响热挤压成形的因素，进行有针对性的模拟和分析，从而选择合适的模具内圆角参数，进而提高工件的质量，到达优化的目的。1.2 本课题的主要研究内容根据热挤压成形理论,针对套筒扳头零件自身的特点，采用反挤压成形工艺进行热成形，借助DEFORM-3D有限元软件对模具成形进行了模拟分析与优化。本课题主要是进行挤压模具设计与优化,重点分析了成形过程中金属的流动规律及应力、应变的分布情况，得到载荷-行程曲线。同时在试验时研究了加热温度、挤压速度、过渡圆角等一些参数对金属流动、应力应变、成形质量和成形力的影响,并以此为
11、依据，对工艺参数进行了优化，验证了数值模拟结果的正确性及该复合挤压成形工艺的可行性。利用套筒扳头反挤压工艺，不仅使套筒扳头实现了真正内孔成形，而且还实现了套筒扳头零件的内外一次成形，同时还获得了沿轴向分布的全纤维金属流线和致密的金属组织，在实际应用中验证了该工艺设计的合理性与科学性。挤压模具在设计过程中,还要考虑金属的塑性,变形抗力,应力与应变的影响因素,如化学成分,组织结构的变化,变形速度,变形温度,应力状态的改变,都将决定模具的质量,精度和使用寿命的提高.1.3 小结本章概述了套筒扳头热挤压的有关目的和意义及DEFORM-3D的有关应用，重点指出了本课题主要研究内容。2 套筒扳头热挤压工艺
12、的确定2.1 热挤压工艺概述所谓热挤压就是在挤压前将毛坯加热到金属再结晶温度以上某个温度下进行的挤压（见下表21），从而获得所需要的热挤压件的一种加工方法1。一般碳钢的热挤压加工温度区间见图21所示。表2-1金属的再结晶温度 图21 碳钢的加工温度区域 由图2-1可见热挤压时，毛坯是在很高的压应力作用下产生塑性变形。所以包括高温下塑性很低的材料，均可以承受很大的变形而不发生破坏。 热挤压工艺过程包括：毛坯的制备毛坯预热和加热涂敷玻璃润滑剂挤压卸下模具（凸、凹模）、芯棒，清除制件上的玻璃润滑剂精加工。根据此零件的结构特点以及热挤压工艺的要求，热挤压工艺方案可以如下图2-2所示： 下料 墩粗 成形
13、 图22 套筒扳头热挤压工艺简图按照金属的流动方向和凸摸运动方向挤压可以分为三大类：正挤压、反挤压和复合挤压。正挤压的特点是被挤压金属的流动方向与凸模（冲头）的运动方向一致，而凹模则是固定不动的。如图23a) 挤压前的初始状态 b) 挤压时的网格变化情况图23 正挤压空心件的金属流动情况反挤压的特点是金属流动方向与凸模的运动相反。采用反挤压能制成圆形、正方形、矩形以及其它形状的空心零件。如图24a) 反挤压初始状态 b) 进入稳定状态 c)反挤压终了状态图24 反挤压杯形件的金属流动情况 复合挤压的特点是在挤压的过程中毛坯的一部分金属的流动方向凸模运动方向相同，而另外一部分金属的流动方向与凸模运动的方向相反。金属的流动方向如图2-5a) 双杯类挤压件 b) 杯-杆类挤压件图25 复合挤压杯形件的金属流动情况 热挤压基本上有如下几种形式如图26所示。其中a、c、d的形式应用最广。a应用于挤压筒形零件，c应用于挤压管形零件，d应用于棒形零件。b也是应用于挤压棒形
