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1、,毕业设计答辩,材料成型及控制工程0921班 陈铁刚 2013年6月6日,科信学院,设计的题目为：摩托车尾盖锻造工艺及模具设计；其零件图如下所示,一、毕业设计题目,二、课题的主要研究内容 本课题研究的主要内容为： 1.设计Al6061合金摩托车尾盖锻造相关参数； 2.通过零件的塑性成形工艺分析，用三维软件(PRO/E)设计该零件的锻造模具； 3.用金属材料塑性成形模拟软件Deform 3D-V6.1进行有限元分析。,1.相关参数设定,（1）材料选择因摩托车趋向轻量化发展，故本次锻造材料选择为Al6061-T6。其锻造工艺性如下： Al6061合金中的主要合金元素为镁与硅 ，有良好的塑性和优良的
2、可焊性、抗蚀性、可机加工性。其合金产品大多在固溶处理与时效后应用（T6状态），时效温度155-165，保温18h。该合金锻造温度范围380500。具有可锻性 、导热性良好 、对应变速率敏感 、锻造温度范围窄、流动性差等特点。,（2）锻造模具工艺及方式的选择,本次锻造模具工艺设计为精密模锻，选择等温锻造方式。因为精密模锻工艺能获得表面质量好、机械加工余量少且尺寸精度较高的锻件；且等温锻造特别适合于那些锻造温区窄的难变形材料，其锻造过程变形材料中常发生动态再结晶，从而使锻件中的组织呈均匀的等轴细晶形态，故而其成形的零件尺寸精度高。,（3）加工余量的制定,加工余量根据JB3834-85标准所规定的原
3、则，应考虑下列因素：公差等级、锻件质量、锻件形状复杂系数。精密模锻尺寸公差可达0.05mm ，表面粗糙度可达Ra3.20.8m。根据计算，锻件的形状较复杂，为S3级 ，质量约为 0.49954kg ，故确定该零件加工余量为1.72.2mm，本设计中定为2mm。,（4）模锻公差的制定,精密模锻件公差可达到IT4级，而尾盖除了机加工的表面外，其他尺寸公差一般为IT13级，故根据GB/T 18042000来制定锻件公差 ，其部分公差如右图所示。,（5）模锻斜度的设定,为了便于脱模，锻件表面上需有模锻斜度，模锻斜度可分为外加模锻斜度和自然模锻斜度。若锻造设备没有顶出机构，所以必须留出模锻斜度，精密模锻
4、时铝合金锻件的模锻斜度为13，本锻件取为1 。因本模具中有顶出机构，故可以不留斜度。,（6）冲孔连皮的设定,对于直径小于25mm的内孔,锻件一般不锻出,采用压凹使成形饱满。对内孔等于或大于25mm的锻件时不能直接获得透孔，在该部位留有一层较薄的金属称为连皮。本设计中为平底连皮，其厚度s通常在4mm8mm范围内，选择为5mm。其内圆角半径经计算为6.5mm，本模具设计中选择为6mm。,（7）确定毛坯的形状和尺寸,用PRO/E可以算出锻件的体积为：V锻=8.9104mm3，根据体积成形体积不变原理，得V坯=V件+V连皮=8.9104mm3，坯料的形状为8.817mm3，其中公差为IT13级。由于体
5、积成形时铝合金内部的缺陷（如缩松、缩孔）会被压实，体积会变小一点，所以毛坯体积取得相对大一点。,（8）凹模的设计,设计为组合凹模，具体如下图,（9）凸模的设计,凸模的设计如下,（10）模具的装配图,2.绘制PRO/E图 （1）绘制零件图,（2）绘制锻件图,（3）绘制模具型腔图,（4）绘制其余零件图,绘制其余零件图,绘制其余零件图,（5）绘制装配图,3.尾盖塑性成形的有限元分析,（1） DEFORM-3D简介DEFORM-3D是一套基于工艺模拟系统的有限元系统（FEM），专门用于分析各种金属成形过程中的三维（3D）流动，提供工艺分析数据，及有关成形过程中的材料和温度的流动。DEFORM-3D可以
6、应用于金属成形的冷加工、热加工等工艺。DEFORM-3D的典型应用：拉深、锻造、挤压、压塑、冷镦、机加工、轧制、开坯、镦锻等。,（2）操作步骤,1.双击桌面DEFORM-3D图标，进入DEFORM-3D的主窗口。 2.File New Problem或在主窗口点击如图所示按钮 。 3.在接着弹出的窗口中默认进入普通前处理（Deform 3D-preprocessor）。 4.接下来在弹出的窗口中用第四个选项“Other Place”，选择工作目录然后点击“Next”。 5.在下一个窗口中输入题目的名称 (Problem name)BLOCK点击Finish。,前处理操作窗口由图形显示窗口、物体
7、参数输入窗口、物体显示及选择窗口以及各种快捷按钮组成。,图形显示窗口,物体参数输入窗口,物体显示窗口,物体选择窗口,（一）设置模拟控制方式及模拟名称,1.点击按钮 进入模拟控制参数设置窗口。 2.在Simulation Title一栏中把标题改为BLOCK。 3.设置Units为English，勾选Deformation选项。 4.点击OK按钮，返回到前处理操作窗口。,在模拟控制窗口中的main选项下可以设置：1、单位制1）、SI：国际单位制2）、English：英制注：deform软件允许用户调入模型后再设置单位。,（二）设置模拟方式主要有1）、拉格朗日增量模拟方式；2）、稳态机加工模拟方式
8、；3）、稳态挤压加工模拟方式； 注：一般模拟问题应该选择增量模拟方式，如果用户模拟的是车削或拉伸过程，并且使用欧拉求解方法，则选用稳态模拟方式。 注：求解方式的设定在 菜单下设置。典型的模拟一般在默认的情况下便可计算的很好。,3、设置模拟类型1）、deformation：变形模拟 2）、heat transfer：传热模拟 3）、transfmation：相变模拟 4）、diffusion：扩散模拟 5）、grain：晶粒度模拟 6）、heating：热处理模拟,（三）导入毛坯几何文件,1.在前处理的物体操作窗口中点击按钮 (Geometry) ，然后再选择 (Import Geometry)
9、，选择在CAD中或其他CAE软件中的造型文件。 2.在DEFORM3D v6.1的版本中，默认第一个物体是工件（毛坯），所以物体属性默认为Rigid-plastic。,注意：在输入几何体后，必须检查输入的对象是否出现问题，检查方法如下： 1）、点击按钮 ，查看弹出的对话框。对于一个封闭的几何体，必有1个面，0个自由边，0个无效的实体。 2）、外法线方向的检查。点击按钮查看对象的外法线是否指向对象外。如果方向反了，点击按钮。,（四）划分网格,对于那些非刚性材料和考虑传热影响的刚体(Rigid)材料，需要划分有 限元网格：1.点击按钮进入网格划分窗口；2.可以在网格数量输入框中输入单元数或用滑动条
10、来设定。在本例 中，划分为80000。3.点击下面的按钮Preview可 以预览，如果满意，可以点击按 钮Generate Mesh来生成网格。 注：1）preview只划分元件表面;2）generate mesh即划分表面单元又划分体单元。（具体网格划分总类见后面）,（五）导入模具文件,1. 导入上下模具的几何文件。在前处理控制窗口中点击增加物体按钮 Inter Objects进入物体窗口。可以看到在Objects列表中增加了一个名为Top Die的物体。 2.在当前选择默认Top Die物体的情况下，直接选择 然后选,3.重复步骤1-3，导入下模的几何文件，系统会自动命名该物体为Botto
11、m Die。而后我们可以在显示窗口中看到上下模以及上面导入的金属体。,（六）设置上模的运动参数,1.首先在物体列表中选中Top Die在前处理的控制窗口中点击按钮Movement ，进入物体运动参数设置窗口。2.在运动控制窗口中，设置参数Direction 为-Y，Speed为1。,（七）设置物体温度,由于某些材料属性与温度相关，所以即使在整个模拟过程中温度并 不变化，仍需要给物体设置一适当的温度值，否则可能得不到正确的模 拟结果。在DEFORM3D v6.1的版本中，默认工件温度为68F。(修改 温度的方式为在物体窗口中选中物体Workpiece，点击General按钮，然 后点击按钮 在弹
12、出的输入物体温度窗口中，输入所需 温度。)本设计中锻件，凸凹模温度均为华氏932,（八）设置材料,1.在物体列表窗口中选择Workpiec 2.在前处理控制窗口中，点击中的 按钮导出材料库。 3.在材料选择窗口中，选择Al选项中的Al6061 4.点击按钮 便可将材料导入。,（九）改变物体的空间位置,在DEFORM中，虽然不可以直接进行几何造型，但是可以通过旋 转(Rotation)平移(Offset)等方法来改变物体的空间位置。点击按钮 , 便可以进入到Object Positioning窗口中，进行操作。,（十）定义物间关系,1.在前处理控制窗口的右上角点击 按钮，会出现一个提示，选择Ye
13、s弹出Inter Object窗口。 2.定义物间从属关系：在v6.1中，系统会自动将物体1和后面的物体定为从属关系（Slave-Master），即软的物体为Slave，硬的物体设为Master。,1.点击按钮 ，进入新的窗口 2.选择剪切摩擦方式Shear，输入常摩擦系数constant，如果你对具体的摩擦系数没有概念，可以选择工艺种类。本例中摩擦系数系统会设为0.08，点击Close按钮，关闭窗口。 3.回到Inter Object窗口后选择第二组。 4.重复1-2的操作，将Bottom Die和Workpiece的摩擦系数也设为0.12（也可以在第2步后，点击按钮）,切记在上述操作后，被
14、定义的物体组之间并没有接 触关系，只是定义了它们之间一旦接触后的摩擦系数， 真正定义接触必须点击按钮 ，在这个操作后， 互相接触的物体，Mater会自动与Slave发生干涉，互相 嵌入。这是为了更快地进入接触状态，节省计算时间，互 相嵌入的深度，是由窗口中的Tolerace（接触容差）来 定义的.在本例中，不必改动接触容差值，直接点击按钮 Generate All生成接触关系。,（十一）设置模拟参数,1.在前处理控制窗口的右上角选择按钮 进入Simulation Control窗口。 2.选择左侧第二个选项Step进行模拟步数和步长的设定。 3.设置Number of Simulation S
15、teps：100。这个参数的意思是除非模拟意外终止，否则程序将运行至100步即若模拟未被终止，整个过程将分成100步完成。设置Step Increment to Save：5。这里的意思是每模拟5步，会将中间阶段结果写入数据库，这是避免每步都保存，造成数据文件过大。 4.设置primary die。设置主模具。,5.前面设置了100步，但每一步的含义还没有明确，在下面设置With Constant DieDisplacement为0.1。 6.OK关闭该窗口 注：计算步长方式选择：1）由时间决定；2）由模具行程决定。对于通常变形问题，采用行程方式较好。,2、模拟步长的确定 1）、对于几何形状简
16、单，边角无流变或其他严重的变形问题，步长可选择模型中较小单元的1/3为参考标准。 2）、对于复杂几何形状诸如飞边或平面模外挤，步长取1/10，步长太大可能引起网络的迅速锐变，而太小会引起不必要的计算时间。,（十二）生成数据库文件,说明：有限元分析引擎把模拟计算的结果写在数据库文件中，该文件需在前处理环节产生，此时一些模拟信息(如材料属性、运动控制参数等)会被写入该文件，因而在前处理数据都输入好时必须生成数据库文件。 1.在前处理控制窗口点击Database按钮 ； 2.在弹出的Database Generation窗口中点击 按钮，看是否在上述过程中是否有遗漏或错误之处，检查没有错误时再点击按钮 生成数据库文件。 注：如果其间没有发生错误，系统会弹出Database Generated消息窗口，点击OK按钮关闭此窗口。在Database Generation窗口的DataChecking一栏中绿色表示正常，红色表示严重错误必须纠正，黄色代表可能导致错误的警告信息。 3.点击Database Generation中的OK按钮返回到前处理控制窗口。,
