热锻模膛优化和缺陷分析

浙江本科毕业论文2012届题目热锻模膛优化和缺陷分析学院机械与汽车工程学院专业机械设计制造及其自动化班级学号学生姓名指导教师完成日期2012年5月21日I热锻模膛优化和缺陷分析学生姓名指导教师摘摘摘摘要要要要本文的目的是为了解决锻造塑性变形程度不足现象，综合分析在锻造过程中温度、模膛结构、塑性成形规律、应力、应变、损伤系数等对锻件成形的影响，预防潜在的失效模式，根据分析结果解决缺陷问题，优化模具。本文从以下两个方面进行论述一部分是分析材料性能和设计及优化模具模膛另一部分是应用PRO/ENGINEER三维造型和DEFORM3D模拟分析锻造过程来优化模具。在初期材料分析和优化模具阶段，可分为材料力学分析和模膛结构优化两个步骤，通过分析材料金相组织随温度的变化和力学性能来确定合适的锻造温度、抗拉强度、屈服强度、拉伸率等。在优化模膛结构阶段，通过一般的设计、优化过程来逐步确定合理的模膛和锻造所需的其他参数。在DEFORM3D模拟分析阶段，对整个锻造过程进行了模拟仿真。通过后处理中LOWNET和点迹示踪、矢量图、云图、变形、力行程曲线等后处理功能，分析成形过程铜坯的温度场及不同区域温度的变化；成形过程中铜坯不同区域应力及应变的变化；成形过程中金属流动方向分析。以分析结果为依据改变部分不合理结构，优化模具。为了进一步研究和分析铜坯在锻造过程中的塑性变形特性，本文还做了如下对比实验（1）铜坯在不同初始温度下成形后的温度分布对比；（2）相同体积不同尺寸的铜坯成形过程的对比。最后，对一些不合理的模膛结构、飞边桥结构、锻造温度、铜坯尺寸等作出了改进，预防潜在的失效模式，并进一步优化模膛。关键词关键词关键词关键词锻造DEFORM3D成形模拟模膛优化IIOPTIMIZATIONANDDEFECTANALYSISOFTHEHOTFORGINGDIEBORESTUDENTADVISORABSTRACTTHEAIMSOFTHISPAPERARETOOVERCOMETHELACKOFTHEPLASTICDEFORMATIONANDANALYZEALARGENUMBEROFTHEFACTORSTOTHEPLASTICDEFORMATIONINTHEFORGINGPROCESSOPTIMIZINGTHEMOLDANDSHORTENINGTHEDESIGNCYCLEACCORDINGTOTHERESULTSOFTHEANALYSISTHEBODYOFTHEPAPERCANBEBROADLYDIVIDEDINTOTWOPARTSINTHEONEPART,TODESIGNTHEMOLDACCORDINGTOTHEDESIGNMANUALANDPRACTICALEXPERIENCEINTHEANOTHERPART,THEMAINCONTENTISTOSIMULATIONOFTHEFORGINGPROCESSANDOPTIMIZETHEMOLDBYUSINGPRO/ENGINEERANDDEFORM3DATTHEANALYSISANDDESIGNSTAGE,TWOSTEPSCANBEDIVIDEDINTOMECHANICALANDOPTIMIZATIONOFTHESTRUCTURAL,TODETERMINETHEAPPROPRIATEFORGINGTEMPERATURE,TENSILESTRENGTH,YIELDSTRENGTHANDELONGATIONATTHESTAGEOFOPTIMIZINGTHESTRUCTURE,THEAIMSARETODETERMINETHEMOLDBOREANDFORGEDTHEOTHERPARAMETERSTHROUGHTHEGENERALDESIGNANDOPTIMIZATIONPROCESSONDEFORM3DSIMULATIONANALYSISPHASE,THEENTIREFORGINGPROCESSHAVEBEENSIMULATEDINTHEPOSTPROCESSING,IUSETHELOWNET,POINTTRACESTRACER,VECTOR,CLOUDDEFORMATIONANDFORCESTROKECURVE,TOANALYSISOFCOPPERBILLETTEMPERATUREFIELDANDTHECHANGESOFTHEDIFFERENTREGIONALTEMPERATURE,TOANALYSISOFTHESTRESSANDSTRAINATDIFFERENTREGIONS,TOANALYSISTHEDIRECTIONOFTHEMETALFLOWINTHELAST,IANALYZETHERESULTSTOCHANGESOMEOFTHEIRRATIONALSTRUCTUREANDOPTIMIZETHEMOLDINORDERTOFURTHERRESEARCHANDANALYSISOFTHEPLASTICDEFORMATIONCHARACTERISTICSOFTHECOPPERBILLETSINTHEFORGINGPROCESS,THEMORERESEARCHESHASBEDONEASFOLLOWS1THECOPPERBILLETBECONTRASTEDINTHETEMPERATUREDISTRIBUTIONUNDERTHEDIFFERENTINITIALTEMPERATUREAFTERFORMING2TOCONTRASTTHEFORMINGPROCESSBETWEENTHEDIFFERENTSIZESOFTHESAMEVOLUMEOFTHECOPPERBILLETFINALLY,SOMEOFTHEUNREASONABLESTRUCTURESOFTHEMOLDBORE,FLYINGSIDEOFTHEBRIDGESTRUCTURE,FORGINGTEMPERATURE,COPPERBILLETSIZEHAVEMADEIMPROVEMENTKEYKKKWORDFORGINGDEFORM3DFORMINGSIMULATIONMOLDOPTIMIZATIONIII目录中文摘要I英文摘要II目录III第一章绪论111锻造综述112有限元模拟在金属塑性加工中的应用113论文研究的目的与内容2第二章热锻模具材料分析与模膛的优化421毛坯材料铅黄铜HPB591的力学性能4211锻造温度的分析与选择4212HPB591的变形能力分析522热锻模具模膛理论设计及部分结构优化6221锻件圄各部分结构的初步合理优化6222终锻模膛的结构、尺寸的合理设计及优化分析13223热锻用铜坯体积、尺寸的理论计算16第三章基于DEFORM的铜坯锻造成型模拟1831分析的理论基础和基本原理1832拟分析的问题1933成形过程模拟的建立及合理控制19331模型建立及网格划分19332材料热物性参数的设定与选取20333成形过程的模拟控制2034结果分析与讨论20341成形过程铜坯的温度场及不同区域温度的变化21342成形过程中铜坯不同区域应力及应变的变化22343成形过程中金属流动方向分析2435对比实验及分析潜在的失效模式26351铜坯在不同初始温度下成形后的温度分布对比26352相同体积不同尺寸的铜坯成形过程的对比28353在成形过程中压力变化分析2936损伤系数分析31361损伤值云图分析31第四章基于DEFORM3D模拟分析后模具的改进34IV41孔内部凸台尺寸的改进3442锻造温度的分析改进3443铜坯尺寸的改进3444飞边桥的改进3445潜在的失效模式及预防34总结36参考文献37致谢38浙江科技学院毕业论文1第一章绪论11锻造综述热锻是把加热好的金属毛坯放在固定于模锻设备上的模具内进行锻造的一种工艺1。热锻是一种重要的精密锻造成型技术。锻件的机械性能好、生产效率高、精度高、表面质量好、材料利用率高等特点，在锻造小型零件领域得到了广泛应用。目前国内传统的模具设计制造主要依赖于生产经验，而在近几年里，随着数值计算技术的快速发展，计算手段越来越成熟和多样化，使得在生产前对塑性成形进行仿真模拟，提前预防设计缺陷成为可能。形成一条可行的、系统化的设计路线，能大大缩短模具的设计周期，提前预防设计缺陷。通过直观的仿真模拟和数值化计算，提供了强有力的理论支撑。传统的设计方法主要依赖于生产经验，工艺和模具都要在生产过程中经过多次的调整，以满足对产品质量的要求。对于锻造成形的数字化解决方法目前较为成熟的有大变形弹塑性有限元法、主应力解法、上限法、功平衡法等。大变形弹塑性有限元法目前运用的比较广泛，在国内外都有广泛的市场。DEFORM3D有限元系统、ANSYS有限元分析软件都是应用大变形弹塑性有限元法较成功的分析软件。基于数值模拟的成形工艺是当今国际热锻学术界较热门的研究课题。通过数值模拟对成形工艺进行分析，并根据数值模拟结果对工艺参数进行优化，以达到减少材料损耗、降低成形载荷、提高模具寿命的目标。12有限元模拟在金属塑性加工中的应用121DEFORM3D的发展在20世界70年代后期，加利福尼亚大学研究室开发出了有限元软件ALPID。在1990年，由以ALPID开发出了DEFORM2D软件2。该软件的开发者独立出来成立了SFTC公司（SCIENTIFICFORMINGTECHNOLOGIESCO）,并且推出了DEFORM3D软件，DEFORM3D软件是集成了原材料、成形、热处理和机加工的一款软件。DEFORM软件是基于拉格朗日理论开发的一款有限元分析软件，对于锻造、铸造等工艺有专门的运行平台。DEFOERM属于刚塑性有限元法。在软件的材料库里，包含了丰富的各种材料。如塑性材料模型、刚性材料模型、弹性材料等等。在划分单元格过程中，DEFORM采用的是四边形单元类型，与其他软件相比较，DEFORM在计算运行时会自动根据用户设定的极限值进行自动单元网格划分，对于有限元分析，带来很大的便利。DEFORM3D在运行时，当变形量超过设定值时，软件开始重新划分单元网格，在重浙江科技学院毕业论文2新划分单元格时，划分体积会有损失，随着体积损失的加大，计算误差也相应的加大，对于DEFORM，在同类软件中，体积损失最小2。DEFORM3D软件提供了三种迭代计算方法。同时该软件提供了丰富的材料库和常用的大多数标准。几乎包含了所有常用材料的弹性变形数据、热能数据、晶粒长大数据、热交换数据、塑性变形数据、材料硬化数据和破坏数据。122DEFORM3D的特点DEFORM3D的运行环境是一个集成的环境，可以分步建模、成形仿真、热传递的分析模型、现有常用生产设备的特性的仿真模拟。可应用于冷锻、温锻、热锻等的工艺参数分析。如模具寿命、料坯填充过程、锻造载荷校核、应力应变分析和生产过程缺陷产生预防分析等。在分析前期，一旦设定好基本数据后，计算过程无需人工干预，可自动重新网格换分，自己运行再计算。在前处理中自动生成边界条件，确保数据准确、可靠、快速。DEFORM3D模型来自CAD三维系统的面或实体造型（STL/SLA）格式。对于各种参数的求解，可以单独求解，也可以耦合在成形过程分析中一起求解分析。DEFORM3D的后处理功能很强大，对于一个分析软件，后期处理数据手段很重要。在DEFORM3D中有云图分析、点迹追踪图、FLOWNET、应力应变图、压力行程曲线等后处理功能。其中镜面反射功能，对于用户处理对称面和周期对称面提供了强大便利。13论文研究的目的和内容EFOT系列四口三通阀适用于采暖系统和空调风机盘管系统中供回水的通断控制，由四口三通阀与电热驱动器组成，电热驱动器带动启闭件上下运动。驱动器采用电热驱动器，动作稳定。EFOT系列四口三通阀为常闭阀门，广泛应用于供热、空调、地暖等系统中。四口三通阀材料通常采用铅黄铜，如HPB591，常由锻造得到毛坯件。在锻造过程中，由于锻造出的四个空心圆柱长度较长，所以得到的锻造件往往不饱满，长度不够，且容易引起其他锻造缺陷。论文研究的目是为了解决锻压拉伸不足，综合分析在锻造过程中各种因素对锻件成形的影响，根据分析结果适当优化模具，缩短设计周期。论文研究的主要内容分为以下几点1、总结出加热黄铜料坯在锻造成形过程中的最优温度，使得料坯在锻造过程中有最好的金属流动性。2、合理设计模具，根据设计手册设计锻件囱，选择合适的热锻件凹凸圆角，选择拔模斜度的适合范围。设计合理的飞边槽等，使得模具能满足产品功能前提下更易脱模，通过设计飞边槽来控制冲压饱满和节省材料。3、选择合适的造型软件和分析软件，对初始设计原图进行模拟分析，提取数据，进浙江科技学院毕业论文3行分析。4、选择合适的运行平台。由于硬件限制，仿真分析时运行困难，针对这类热锻模具，选择合适的运行平台。5、解决仿真分析时运行数据庞大的问题，减少计算数据，加快运行速度。6、通过分析软件DEFORM3D，应用后处理手段来观察、分析锻造过程的各种变化情况和锻造缺陷。7、通过研究实例和分析数据等，最大程度优化模具结构，改进设计之初的模具，预防潜在的锻造缺陷，缩短设计周期。浙江科技学院毕业论文4第二章热锻模具材料分析与模膛的优化21毛坯材料铅黄铜HPB591的力学性能211锻造温度的分析和选择本实例的零件是四口三通阀，HPB591是黄铜阀体的常用材料，选用HPB591作为阀体类锻件材料具有广泛的代表性。铅黄铜HPB591在常温下塑性较好，但是在高温下，由于铅的原因，塑性会下降，将出现加工脆性区。铅黄铜在热加工时应避开320600的蓝脆区6。在连续挤压过程中温度达到800度以上在820860区域时，会出现红脆区3。在这一区域内加工时，材料会出现粗晶脆性。在挤压过程中应注意，合理安排加热温度。铜锌二元合金相图如图213所示，铜锌二元系相图中包含有五个包晶反应和、等六个相。ZN含量/质量图21铜锌二元合金相图铅黄铜HPB591的相变温度为720°C，在720°C以上温度锻造时，金属的金相组织会呈现单相组织，在冷却过程中相内均匀析出相晶粒，组织均匀。在低于720的温度条件下锻造时，金属塑性流动的不均匀性在后续的机械加工时会体现的比较明显，在金属内部产生附加应力从而锻件在加工过程中有几率产生裂纹现象3。过735以上，黄铜HPB591的塑性将急剧下降，可知在相变温度720以上的良好塑性变形区域范围很浙江科技学院毕业论文5窄。生产中难以控制，不好采用，而选择在两相区温度范围内锻压。一般把锻造的温度控制在630700范围内。HPB59L在320600范围内出现蓝脆性区，因而在选择锻造温度时，应尽量避免锻造在此温度范围内进行。铅黄铜HPB59L的热态体积变形区域在600800之间，600700为超塑性蠕变区，在等温等速条件下，微细晶粒会产生晶界滑移和扩散蠕变。740790为热锻造区，720760为超塑锻造区。此实例可把锻造的温度控制在630700范围内，因转移毛坯到模膛过程中，会导致散热，温度下降，所以毛坯加热最大温度可在720左右。212HPB59L的变形能力分析金属变形过程中，随着变形持续进行，拉伸不断加大，到达一定程度后，会出现缩颈现象并拉裂。故分析料坯在一定条件下的拉伸率有助于分析变形过程中拉伸引起的现象，如拉伸不到位、拉裂等。在引用文献中，作者对HPB59L的伸长率进行了试验并得出了较好的结论3。所用的试样标距为2000MM，在不同温度下屈服强度、抗拉强度、延伸率、面缩同温度的关系如下图所示3图22屈服强度，抗拉强度同拉伸温度的关系浙江科技学院毕业论文6图23延伸率和面缩同拉伸温度的关系如图22显示，试样在温度600°C700°C之间时，抗拉强度和屈服强度持续降低。在图23显示，试样在温度600°C700°C之间时，延伸率和面缩持续上升，综合考虑，锻压温度在600°C700°C时应变性能最好。22热锻模具模膛理论设计及部分结构优化221锻件圄各部分结构的初步合理优化一、确定分模面热模锻的分模面是指上下模的分接面。确定分模面的原则（1）容易脱模。保证锻件能从锻模膛中沿打击方向顺利取出是最根本的原则。通常把脱模面选在锻件最大水平投影面上。（2）热锻坯料在模膛中受力成形过程中沿水平方向变形能力比沿模膛深度方向要强。（3）平横侧压力。为防止锻模在侧压力的作用下而产生错位，应避免不对称分模。（4）保证承力面强度主要的力是剪切应力的面，不宜作分模面。（5）便于检查锻模件错位的原则。本实例考虑到如图25所示空心圆柱中需锻出特殊结构，减少后续精加工工序，节约成本，选如图24中经过圆柱中心线的基准面RIGHT作为分模面，最为合理。浙江科技学院毕业论文7图24分模面二、确定机械加工余量和锻件公差1机械加工余量和工艺块的确定机械加工余量的确定与锻件的形状复杂程度、零件的精度要求、锻件的材质、锻造设备、热处理的变形量、工艺条件等都有关系。本实例是以黄铜棒HPB591作为料坯锻压成型。金属塑性成型能力强，锻压得到的尺寸精度高、表面光洁度高、金像组织细密、力学性能稳定等。图25锻件剖面示意图锻件质量MPV21其中铅黄铜HPB591的密度P是85/GCM3HPB591体积V是186324E53浙江科技学院毕业论文8MPV85/GCM3186324E5315837555G零件表面粗糙度要求不高，RA16M即可，所以外形轮廓可直接锻出，不需要留有机械加工余量。锻件形状复杂系数S以包容锻件最大轮廓的圆柱体或长方体为实体计算的质量称为锻件外廓包容体质量MN。锻件形状复杂系数是锻件质量MF，与之相应的锻件外轮廓包容体质量MN之比，也等于锻件体积VF与锻件外廓包客体体积VN之比。VF18632418E53因锻件料坯是圆柱棒，故VN可按最大轮廓的圆柱体的算法，根据图23外轮廓尺寸，VN127054026382992E53SMF/MNVF/VN（22）SVF/VN0291926锻件外包容尺寸根据S值的大小，锻件形状复杂系数分为4级S1级简单063SLS2级一般032S063S3级较复杂016S032S4级复杂0S016故本实例的S级为S3级，较复杂。浙江科技学院毕业论文9表21锻件内外表面加工余量根据表21，可查的初选的厚度方向单边加工余量为1015MM，水平方向余量为1015MM。考虑到加工材料，设备，工艺等方面的原因和实际生产经验，可在如图21中的A端面、B端面、C端面、D端面、大圆柱主体两端面取单边10MM的加工余量。2尺寸公差在热模锻过程中，由于终锻温度的波动、模膛磨损、和上下模运动时导致的锻件尺寸偏差。模锻件公差主要由锻件质量M、锻件形状复杂系数S、材质系数、分模面形状决定。表22锻件的长度、宽度、高度及错差、残留飞边公差（普通级）浙江科技学院毕业论文10表23锻件的厚度及顶料杆压痕公差（普通级）根据表格查询，实际生产经验和工艺设备等，可取如图210终锻件热锻件图中L21200250MM，H1805150MM，D1400150MM，D220050050MM,D330050050MM。三、锻模斜度为了使锻模能从模膛中脱模，一般锻件与模膛侧壁接触的部分需带一定的斜度，称之为拔模斜度。锻件在冷却时趋于离开模壁方向的一侧称为外拔模斜度，可用A表示。如图24所示，外模锻斜度A，可按锻件各部分的高度H与宽度B以及长度L与宽度B的比值（H、L）确定，见表24。如图22所示的分模面方向和图25所示需设计拔模斜度的部位有两处外拔模斜度。图27锻件的外模锻斜度浙江科技学院毕业论文11表24模锻锤、锻压机和螺旋压力机上锻件的外模锻斜度A数值拔模部分是圆柱端面，故H/B05，L/B1，考虑到锻压方式是开式模锻，飞边部分面积较大，初选拔模斜度可适当放宽，取10°00'。四、内外圆角半径锻件上的圆角可以使得料坯更容易充满模膛，金属流动所受阻力减小，起模方便，圆角太小容易使得在热处理或后续加工时产生裂纹和坍塌。所以在制件允许下，应尽可能的放大圆角。（1）外圆角半径锻件上的凸角半径称为外圆角半径，与模膛中的凹角相对应。R太小，会导致金属流动困难，局部应力集中，开裂等现象。一般情况下A值取值按如下R余量A（23）式中A零件上的圆角半径或倒角。R值也可按表23取值。表25锻件外圆角半径（锻模内圆角半径）R（2）内圆角半径锻件上的凹圆角半径称为内圆角半径，与模膛中的凸圆角半径相对应。R值太小，会导致脱模困难，金属流动纤维被割断，导致折叠等现象出现。一般情况下R值按下式确定浙江科技学院毕业论文12R（1525）R（24）也可按表24确定表24锻件内圆角半径（锻模外圆角半径）R图28锻件内外圆角半径如图28所示，“”号代表锻件外圆角半径，“”号代表锻件内圆角半径。在圆柱长度方向单边留有1MM的机械加工余量，考虑到锻件锻压的实际经验，可取两小圆柱端面圆角为05MM，大圆柱端面圆角半径为10MM。经后续仿真分析，R太小导致缺陷时，可适当放宽半径。如图25所示的锻件内圆角半径都是非加工面，取零件半径即可。五、冲孔连皮锻件一般不能锻出通孔，只能锻出盲孔。如图29所示是锻件内孔，锻件内孔为20MM25MM，锻件内孔不锻出，一般压凹使其成形饱满。浙江科技学院毕业论文13图29锻件内孔在零件内孔中有个凸台结构，锻件内孔孔壁和凸台都不需后续机械加工。故在设计冲头时需注意头部半圆柱的高度落差引起的冲压不饱满现象。222终锻模膛的结构、尺寸的合理设计及优化分析终锻模膛的结构、尺寸的合理设计及优化分析终锻模膛的结构、尺寸的合理设计及优化分析终锻模膛的结构、尺寸的合理设计及优化分析一、热锻件囱由于终锻温度和室温的温度差异，会引起锻件热涨冷缩的现象。收缩率是指由终锻温度降至室温时金属材料单位尺寸的变化，它与材料的线膨胀系数和终锻温度有关。锻件材料黄铜HPB591的终锻温度是650°C，CU的线胀系数是165106°C1，模锻件的收缩率可按下式确定Y（A1T1A2T2）100（25）式中Y收缩率（）；A1从温室到终锻温度范围内坯料的平均线胀系数（1/°C）；T1锻件从模膛中取出的温度（°C）；A2在预热温度下的模具线胀系数（1/°C）；T2模具的预热温度（在锻造过程中保持恒定温度）（°C）；Y（165650118200）100084浙江科技学院毕业论文14图210终锻件热锻件图常温下锻件体积为V186324E53，收缩率为Y084热锻件体积VRV/1084，VR18790238E53。在后续锻件图三维造型和模膛设计时考虑热涨冷缩，可增加相应的体积。二、热锻模终锻模膛的飞边槽设计1飞边槽的作用造成足够大的水平方向上的阻力，迫使金属流动充满型腔，确保锻件尺寸。缓冲打击。由于飞边槽内金属的阻隔，使上下模膛不会直接撞击，提高模具寿命。容纳多余金属。当模膛充满金属后，多余的金属流向飞边仓内，飞边槽设计质量不仅会直接影响或决定模膛的寿命，还会影响锻件质量，设计需合理。2飞边槽常用结构如下图A是最常用的飞边槽结构8。图B常用于不对称的锻件，切边时需翻转180°，图C用于锻件形状复杂，坯料较大的情况。图D设有阻力槽，用于金属难于充满模膛的局部位置。飞边槽锻压后利用压力机上的切边模切除飞边。3飞边槽的主要尺寸飞边槽的主要尺寸是桥部高度H、桥部宽度B、以及入口圆角半径R等。当高度H减小，宽度B增大时，沿水平方向上的阻力增大，有利于金属充满模膛。如果过度大时，容易引起锻不足，模膛磨损，缩短模具寿命。相反H增大，B减小时，流向仓部的阻力减小，不利于金属充满型槽，导致冲不足，毛边太厚。浙江科技学院毕业论文154设计飞边槽飞边槽设计有两种方法，吨位和计算法9。本实例采用计算法设计飞边槽。图211常用飞边槽结构结合生产条件锻压机选J53160，压力机气动顶杆机构设在下模台上，故飞边槽结构选用图28中的B结构，即飞边槽设在下模。飞边槽接触面摩擦阻力为2BT，见图212，设摩F擦力达到最大值等于TF。由于该摩擦力在桥部引起的压应力为1FFHT2BFHBS（26）即桥部阻力大小关系与FHB成正比，据有关文献推荐FHB46为宜，后期再改变飞边槽的形状和尺寸，达到金属即充满模膛，又节约金属。图212飞边槽浙江科技学院毕业论文16在选择飞边桥部高度时，也可使用下面经验公式计算HF075MP（27）式中HF飞边桥部高度（MM）；PM热模锻压力机的名义压力（MN）。根据经验可初选16MN的压力机，根据表25可选HF2，B10,B10,L40,R110,R22。表25热模锻压力机终锻模膛飞边槽尺寸（单位MM）尺寸设备/MN10162025315406380120HF223455668B101010121515202024B101010101010101218L404040505050606060R11115152225253R2222233444223热锻用铜坯体积、尺寸的理论计算锻件体积为VF1863243VJVFVD（28）VD（16710）3（29）式中VF锻件的体积VD飞边的体积飞边槽充满系数，形状简单的锻件取0305，形状复杂的取0508，两端面一般取1。浙江科技学院毕业论文17VD100263VJVFVD186324100261963503毛坯的直径D'P3251963504100050463MM取毛坯尺寸DP50MM，则毛坯长度LP100MM。浙江科技学院毕业论文18第三章基于DEFORM的铜坯锻造成形模拟31分析的理论基础和基本原理311选择造型和分析软件仿真分析试验是为了验证和解决在热锻模具设计过程中遇到的问题，通过三维造型技术、有限元数值模拟技术等，优化模具，缩短设计周期和降低成本。本试验选择PRO/ENGINEER三维造型软件和DEFORM3D（有限元系统模拟）。312钢粘塑性有限元的基本原理根据材料HPB591的特点，选择钢粘塑性有限元模型。在金属塑性成形过程中，对于大多数体积成形问题中，弹性变形量相对于非弹性变形量来说占比例很小，一般情况下可忽略不计，就是说可以将材料视为钢（粘）塑性材料。钢塑性有限元法的理论基础，是基于等效积分形式的虚功原理以及泛函变分法5。313金属塑性成形中摩擦的分类及机理在塑性成形过程中，摩擦类型根据其性质可分为干摩擦、流体摩擦、边界摩擦、混合摩擦四种。（A）干摩擦（B）边界摩擦（C）流体摩擦图31摩擦分类示意图图32混合摩擦接触面的放大模型图混合摩擦是指在摩擦表面上同时存在干摩擦、流体摩擦、边界摩擦的混合状态的的摩擦。一般金属塑性成形过程中的摩擦都属于混合摩擦，并且对于不同的加工工艺，随着接浙江科技学院毕业论文19触压力的增大，干摩擦所占的比例会逐渐加大。在整个成形过程中，摩擦系数在不断的变化，在选取摩擦系数时，需考虑这个因素。32拟分析的问题在设计模具时，设计的各个部件都是依据理论原理和经验来完成的，在一些问题中，需要有限元系统模拟来验证和分析，得到具体的数据和结果来进一步确定和优化模具。把一些后期试模阶段问题提到设计阶段。（1）对应锻件特点，本实例在拉伸深度方向易出现拉伸不足，开裂等现象，需模拟验证，在特点位置的损伤系数。（2）在锻造过程中，由于金属塑性成形过程很快，在封闭的模膛中，易形成高温高压的环境，对锻件影响很大，需观察成形过程中温度场的分布。（3）由于锻件内外圆角的影响，会影响锻件塑性流动，较小的圆角会阻碍流动，需模拟得出数据并修正圆角。（4）对于拉伸不足问题合理设计和修改飞边桥的尺寸。（5）不同料坯尺寸形状对成形过程的影响。33成形过程模拟331模型建立及网格划分根据实际尺寸，利用三维造型软件PORE建立料坯、上下模膛的有限元模型，并将其转换为STL文件导入DEFORM3D中进行绝对网格划分。划分网格的方式有两种一种是相对网格划分，一种是绝对网格划分。相对网格划分方式采用相对网格设置方式，用户只需指定固体单元的数量，无论目标物体形状怎么变化，其单元数量恒定。绝对网格划分方式划分的单元，随着目标物体的形状复杂，单元数目也会随着增加。两种划分方式都依靠划分网格权重来分配物体上各个部分的网格大小。绝对网格划分方式，随着物体形状越来越复杂，单元数量的增加能更好的描述物体的表面。图33划分网格后的WORKPIECE浙江科技学院毕业论文20332材料热物性参数的设定与选取本模拟以实际锻件材料为依据铜坯选用了DINCUZN40PB2,上下模具选用AISIH13，其温度范围分别为550750°C和8001000°C。符合实际锻造的要求。选取WORKPIECE初始温度为720°C，TOPDIE和BOTTOMDIE预热温度为200°C。WORKPIECE物理性质为弹塑性PLASTIC,TOPDIE和BOTTOMDIE物理性质为钢塑性。333成形过程的模拟控制1上模具为主模，在成形过程中以一定速度沿负Z轴方向运动。下模具不动，铜坯放置在下模具上。图34各部件初始位置2在模具下落过程中，可把开始运动到接触铜坯这一过程省略掉，直接从接触铜坯开始模拟，这样可以节约存储空间。在整个模拟过程中设置补偿选项以确保计算的精确度。模拟过程划分为100步，每10步储存一次数据，每一步下降距离为03MM。34结果分析与讨论整个锻压成形过程经历了镦粗阶段、充满模膛阶段、挤出飞边阶段、打靠阶段四个阶段。最终成形如下图显示。图35最终成形图浙江科技学院毕业论文21图36成形后铜坯的温度分布云图图37锻造过程中4点的温度变化曲线341成形过程铜坯的温度场及不同区域温度的变化在整个锻压过程中，经历的时间较短，不同区域的温度变化差异较大。根据温度差异可明显分成四个色带。分别是锻件圆柱主体表面、空心圆柱、飞边桥、飞边仓。如图36所示，其温度大致在680°C，790°C，820°C，730°C。在图37上的P1点0117S时刻开始温度下降，下降温度较均匀。P3、P4点在0159S之后温度开始急剧上升。导致其上升原因主要是形成空心圆柱时金属经过圆角时金属流动困难，摩擦加剧，温度急剧上升。从图36和37的温度分布来看，铜坯的初始加热温度偏大。从图中可观察出成形锻压件存在几点明显的缺陷。1成形后的锻压件的总体温度偏高，其锻压温度不在600°C700°C最佳温度范围内。浙江科技学院毕业论文222四个圆柱口明显冲压不足，金属流向圆柱口的能力不足，需改善。图38锻造过程中应力变化云图342成形过程中铜坯不同区域应力及应变的变化图38显示的应力云图中内部区域应力分布较均匀，无明显的应力集中现象。在锻造过程中成形出孔壁的时间段容易出现应力集中现象。在孔壁周围分别选取了10个点，采用点迹追踪法观察其在锻造整个过程中的应力的变化情况。从图38中的应力曲线变化情况来看，从00905S时刻起在孔壁周围应力有明显的提高。10个点的应力变化趋势较一致，无大的变化起伏。在末时的应力P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P14分别为124MPA、839MPA、78MPA、663MPA、93MPA、839MPA、805MPA、847MPA、649MPA、663MPA、116MPA、130MPA、465MPA、37MPA。在14个应力值中按位置可分为四组，以P1、P2、P3、P4为一组，P5、P6、P7、P8为二组，P9、P10、P11、P12为三组，P13、P14为四组。一组中124MPA、839MPA、78MPA、663MPA的数值依次减小，即越靠近孔壁端面，受的压力的越大，其内部的压力反而小。四组数据649MPA、663MPA、116MPA、130MPA也有同样的规律。在孔的底部的P5、P6、P7、P8应力值在93MPA、839MPA、805MPA、847MPA，在底部应力分布较均匀。P13、P14两点的应力值465MPA、37MPA。两点因位置并未对称，所以应力值有一定偏差，可知其位置附近的应力值大概在40MPA左右。试验可知在孔的四周应力分布合理。如图39中，显示在铜坯表面的圆角、端面、靠近飞边桥、边缘处的部位受力较集中。由于在这些位置突变性强，金属流动所受阻碍加大，所受应力相对较大。在孔壁端面取一点，在内孔凸台边缘均匀取三点作点迹跟踪，绘出应力变化曲线图。在图310中所示四浙江科技学院毕业论文23点的应力一直保持较为平稳的变化率，只在最后打靠阶段，由于压力增大，金属充满模膛，导致应力急剧上升。图39表面应力分布云图图3104点应力变化曲线图本实例的锻件，观察其在整个锻造过程中变形的情况，发现在成形孔壁的位置区域应变程度最大，在孔壁周围取10个点分析其应变变化过程，可知在这一区域的应变都在20以上，导致在这一区域会出现一些锻造不良情况，例如成形不饱满、开裂等现象。在出现实际锻造缺陷时，因重点考虑这些因素。图311锻造过程中应变变化云图浙江科技学院毕业论文24343成形过程中金属流动方向分析在锻造过程中，金属变形时流动的分布情况能影响锻件的力学性能、影响锻造的一些缺陷，例如夹层、开裂等。在成形过程中的某些特定时间段，金属流动分布往往呈现出明显的流动趋势和特点。通过观察其流动的趋势，能判断出形成状况的好坏，对锻件性能的影响等。下面根据在特定时刻流动分布来分析其带来的影响和好坏。图312STEP60时流动分布云图在STEP60时，正处于形成孔的初始阶段。在图312中显示在B、C区域中，两端的金属以飞边桥为界限，一部分流向飞边仓，另一部分流向孔壁。在A区域的金属，从飞边桥为界限，一部分流向飞边仓、另一相反方向部分分成两条支流分别流向两孔方向。显示的流动现象较理想。图313STEP70时流动分布云图在STEP70时，一个显著的特征是在孔的内部开始形成明显的半凸台，在半凸台即A区域有三个方向的金属汇聚填充。图中显示孔内部深孔往上流向凸台，从飞边桥方向流向凸台的两支对称金属流。三故金属流向同一部位填充时，易于形成夹层，存在包裹住空气的隐患。ABCA浙江科技学院毕业论文25图314STEP80时流动分布云图在STEP80时，与STEP70相比较，孔壁成长明显，各个方向的金属流汇聚往Z轴方向流动，呈现明显的方向性，成形时晶粒会拉长，呈纤维状，力学性能好。在STEP103时，由于孔壁的成形有快慢，在图315中A、D部分孔壁成形快速,B、C部分相对较慢，导致成形后期A、D部分的金属流向B、C部分。图中显示，B、C区域金属流向呈弯曲状，在最终成形时可能出现弧形的曲线痕迹，在这种成形过程中在此区域的局部有金属流动混乱现象，这种现象存在着形成锻造缺陷的隐患。图315STEP103时流动分布云图在STEP106时，锻造阶段即将进入打靠阶段，由图316显示在孔壁端面金属料明显流向端面边缘，呈现向两边扩散的现象。在A区域显示金属料填充较混乱。成形后这一区域的金相组织较杂乱。ABCD浙江科技学院毕业论文26图316STEP103时流动分布云图35对比实验及分析潜在的失效模式351铜坯在不同初始温度下成形后的温度分布对比在一开始设计的铜坯初始温度720°C时，由于锻压成形过程快速，锻压件会急剧升温，部分会达到800以上，进入红脆区，形成的金属组织会过于粗大，经过合适的调整，设置初始温度为670°C，得到的各方面的结果较为理想。比较两者之间的各个参数，发现得到了明显的改善。（A1）（B1）图317720°C初始温度下成形末时温度分布云图A浙江科技学院毕业论文27（A2）B2图318670°C初始温度成形末时温度分布云图在图317和318中，可分为A、B、C、D、E、F、G这七个区域所代表温度分布来比较。（A1）是铜坯初始温度720°C的成形温度云图，（A2）是铜坯初始温度670°C的成形温度云图。由之前的锻造温度分析可知成形时温度在600°C700°C时，铜坯的抗拉强度、屈服强度、拉伸率等都是最佳状态。在600°C700°C范围内其形成的组织细密，力学性能好。当温度降低到320°C600°C时，会出现蓝脆区，温度达到800°C以上，在820°C860°C时出现红脆区，导致材料出现粗晶脆性现象。比较A1和A2中的A区可知，温度分布在600°C700°C内，力学性能影响差异较小。B区中两者温度都达到了800°C及以上，此区域因为飞边桥结构因素，成形过程中阻止金属料流入飞边仓，摩擦加剧，温度急剧升高，回出现粗晶脆性现象，但是区域处在飞边区域，不影响零件性能。C区温度在700°C左右，亦不影响零件性能。在成形过程中形成孔壁时，由于孔壁较长，拉伸率较大，填充饱满较困难，所以在孔壁成形全过程中处在锻压最佳温度范围内，才能使金属填充过程容易。在此温度范围内，拉伸率达到最佳。在B1所示点迹温度曲线4中，其最终成形时温度达到744°C。在真个过程中，其温度都处在720以上，对于伸长率不利。在B2所示点迹温度曲线4中，在整个成形过程中，其温度大致处在670°C700°C左右，在最后打靠阶段中，温度有明显上升，温度至727°C，对其成形影响不大。图319内部温度分布云图浙江科技学院毕业论文28在图319中是初始温度修改为670°C时，成形过程内部温度分布云图和曲线。图中P1、P2、P3、P4四点代表典型的内部区域温度变化，从图中看出P1圆柱主体内部的温度高于其表面温度，末时在686°C左右，在这个变化过程中温度变化趋势平稳。P2点区域温度末时在709°C，在整个成形过程中温度分布在670°C709°C范围内，在最后成形孔壁阶段温度变化较大，可能是在最后阶段金属流动受阻较大，内部压力增加的原因导致。P3和P4点的温度变化近似，温度范围在670°C720°C，在最后成形孔壁阶段温度变化较大，跟P2点曲线变换原因相同。352相同体积不同尺寸的铜坯成形过程的对比在铜坯体积一定的情况下，圆柱棒可以有不同的圆柱直径和长度。不同的规格对于锻件的成形过程有很50120和大的区别，通过观察成形过程的不同来判断较合适的规格尺寸。分别比较6090两种规格的铜棒成形过程。从图320A中显示出模膛里的冲头先跟铜坯表面接触，B中模膛边缘先跟铜坯表面接触。由于先接触的部位不同，导致成形过程产生较大区别，材料出现粗晶脆性现象。（A）冲头先接触（B）模膛边线接触情况图320模膛与铜坯初始接触情况在图321和图322中是部分成形云图，在STEP20中比较A1和A2可看到A1先跟冲头接触，形成孔的邹形，A2中显示上模膛边界先挤压掉多余的金属料。B1,C1,D1显示圆柱主体和圆柱孔同时成形，由于先期先形成孔的邹形，有一部分的金属料在成形前期就已经进入模膛，以至于后期充满模膛较容易。B2,C2,D2中显示先形成圆柱主体邹形，再成形圆柱孔，在成形前期由于模膛边界挤压掉了部分多余金属料，导致后期成形孔时缺少金属料，充满模膛较困难。F1显示金属充满模膛，成形较饱满。F2显示金属未充满模膛，在成形孔时两侧的圆柱孔壁有凹陷。浙江科技学院毕业论文29A1B1C1D1E1F1图321冲头先接触锻压过程部分云图A2B2C2D2E2F2图322模膛边界先接触锻压过程部分云图比较两种规格的铜坯，可看出图321所示的成形过程比图322所示的成形过程要合理，后者的成形过程存在明显的缺陷，不能采用。通过比较，选择铜坯50120的规格。353在成形过程中压力变化分析设计阶段根据计算公式得出成形所需最大压力值是160T。在DEFORM3D后处理时,绘出TIMELOAD曲线图。图中所示绿色的曲线是TOPDIE上模的压力变化曲线。图中显示上模的压力变化大致可分为3个阶段，分别以STEP50、STEP70、STEP100、STEP109为临界步。在第一个阶段STEP50之前，压力值不大，曲线变化平稳。在这个阶段中，属于镦浙江科技学院毕业论文30图323压力变化曲线图粗阶段，铜坯变化不大，不大的压力值就能促使铜坯变形。在第二阶段STEP70之前，铜坯开始变形，压力值相应有较大的增加。在第三阶段，包括了锻压充满模腔阶段和挤出飞边阶段，金属流动变化很大，需很大的压力值推进金属流充满模腔和挤出飞边。在最后锻压打靠阶段，压力值急剧上升，其压力值能达到143E07N。在初选压力机时压力值为160T，比较这两个数值可看出，初选的压力机能满足金属成形所需的压力。ABCD图324部分成形阶段云图浙江科技学院毕业论文3136损伤系数分析金属塑性成形过程中塑性断裂的现象是一个复杂的过程，裂纹的出现是由变形区应力、应变、温度、变形速率以及材料抵抗塑性断裂的能力大小等场量决定的。本实例研究的材料HPB591，在塑性变形过程中局部区域变形复杂、塑性变形率大，有必要分析其损伤系数并预测塑性断裂现象的区域和可能性。研究塑性断裂现象需采用以下基本方法一是选择一个合适的塑性断裂判断准则，用以计算损伤值和能判断出现塑性断裂的临界值；二是需要求出塑性损伤断裂准则中需要用到的应力、应变、温度、变形速率以及材料抵抗塑性断裂的能力大小等场量数据。本文采用DEFORM3D软件自带的COCKCROFTANDLATHAM韧性断裂准则来分析。判断对应的参数为损伤系数DAMAGECOCKCROFTANDLATHAMI提出的韧性断裂准则认为断裂与拉伸主应力有关。对应给定的材料、温度和主应变，在拉伸状态下应变能达到一个临界值即产生断裂。可用下式表示CFD031式中等效应力；最大拉伸应力；D等效应变增量；F断裂等效应变；C由压缩试验计算得到的材料常数。361损伤值云图分析（A）（B）图325损伤系数在表面、内部上的分布浙江科技学院毕业论文32图325所示损伤系数分布云图是在最后成形时内外的分布情况。如图显示，在锻件圆柱主体内部损伤系数最小，而在孔壁区域损伤系数最大，表面容易产生缺陷。在整个塑性变形过程中，在四个孔壁区域变形最复杂、塑性变形率最大。料坯在填充孔壁区域时料坯受到模膛表面摩擦力很大，沿着O型圈轨迹孔壁成长速度区别很大，整个过程中拉应力很大，应变率不断增大。最终造成区域的损伤系数较大，（A）（B）图326损伤系数变化曲线和Z向三点分布图326B中显示P1，P2，P3三点依次沿着Z轴方向，A中是3点随着时间变化损伤系数的变化全过程。由A中看到，3个点都在某一时刻开始损伤系数曲线曲率突然变大，越靠近端面，曲率突变时间越早，损伤系数也越大。观察三点在塑性成形过程中的位置变化和应变规律得知，当点所在区域料坯填充进孔壁形状模膛时，曲率突变，损伤系数增长率加大。由此可得出结论，料坯越早进入孔壁形状模膛，受到的拉伸率越大，损伤系数也越大，越靠近孔端面，越容易产生缺陷，产生塑性断裂。（A）（B）图327损伤系数变化曲线和Y向三点分布图327B中三点沿Y方向排布，P1点最接近孔壁外表面。A是三点对应的整个过程损伤系数的变化情况。如图A显示表明点P3在曲率平缓阶段在一段时间内比其他两点的损伤系数有着明显的升高。跟踪三点在成形过程中的位置变化可知这一现象的原因是因为P3点较其他两点先进入孔壁区域，应变率先变大。在0121S时刻起，P1点损伤系数超过其浙江科技学院毕业论文33他两点，并最终系数从大到小一次是P1、P2、P3。显示规律是越靠近孔壁外表面，损伤系数越大。分析其界面方向的料坯来源，得知越靠近外表面，来源于切边桥区域方向的料坯比重越大，拉伸率也越大，最终形成这种现象。（A）（B）图328损伤系数变化曲线和P1点位置图328显示P1点的损伤系数变化情况，从A中显示其曲线整体的平均曲率变化不大。但其曲线曲率突变呈阶梯形式。分析其成形过程，得知在曲线曲率平缓时间段内，P1位置基本维持不变，相应各场量在这一区域内也基本不变化。造成不断上升的损伤系数的原因可能是靠近冲头圆角区域时，料坯流动受阻碍越大，应力、应变情况更复杂，温度不断升高，延展性减弱，材料力学性能变差，容易造成缺陷。浙江科技学院毕业论文34第四章模拟分析后得出的结论及模具的改进41孔内部凸台尺寸的改进（A）（B）图41孔结构改进前后对比在DEFORM3D模拟成型过程中，发现B结构比A结构更容易充满模膛。在成形孔壁时金属料流速更均匀，形成的孔壁的金相组织更理想。42锻造温度的分析改进由之前DEFORM3D模拟锻造过程的温度分布云图，可知在刚接触时刻铜坯温度由720°C改为670°C最合适。在整个锻压过程中温度分布始终在最合适的锻造温度范围内。43铜坯尺寸的改进在一定体积的情况下，铅黄铜挤压铜棒的铜坯改为50120MM最为合适。改进后的铜坯在锻压时成形顺序和金属流动更加合理。在模拟阶段铜坯总体体积有一定程度的加大，是为了有足够的金属料坯充满模腔，在实际生产时可进一步适当减小铜坯的总体体积。44飞边桥的改进在设计之初时飞边桥高度为2MM，为了增加流向飞边仓的阻碍力，使金属料更易充满模膛，把飞边桥改为1MM。这在后续切边工艺时，所需压力减小，更经济。45潜在的失效模式及预防451易形成氧化膜缺陷区域分析其塑性成形整个过程中温度的变化及分布，可知在孔内部凸台凹角处易形成封闭区，凹角边缘温度很高，造成高温高压，料坯跟封闭空气及料坯内杂质反应成形氧化膜，从而影响锻件力学性能和尺寸精度。452易形成粗晶脆性缺陷区域分析其塑性成形过程中温度变化及分布，在孔内部凸台凹角处易温度较高，温度可达浙江科技学院毕业论文35790°C，随着铜坯初始加热温度的波动，此区域可能达到820°C以上，达到蓝脆区温度下限，形成粗晶脆性现象。需要注意并预防。在飞边桥区域温度在蓝脆区温度范围内，晶粒粗大，力学性能差，较脆，对后续切边工艺有利。453最终成形压力值的计算验证通过第三章中压力分析，成形过程中压力最大值的确定，可知160T的压力机能够满足锻造过程所需压力。摩擦压力机最为合适，可选摩擦压力机如J53160。浙江科技学院毕业论文36总结毕业设计是大学教学过程中最后阶段采用的一种总结性的实践教学环节。是在校大学生最后一次对知识的全面检验。对学生基本知识、基本理论和基本技能掌握和提高程度的一次总测试。通过毕业设计，使得对各方面有一次全面的梳理和提高，为以后撰写专业的论文打下基础。对我个人而言，毕业设计是一次对自己大学四年一次总结。通过毕业设计，梳理自己所学的基本理论知识、基本实践能力，为毕业以后参加工作做好准备。通过这次对模具的设计和分析优化，对锻造模具缺陷分析有了一个完整的概念。对模具的设计和构造有了初步的认识，对HPB591铅黄铜的材料性质有了较深刻的认知。通过对模具的三维造型和应用DEFORM3D软件进行锻造过程模拟分析，对这两款软件有了更深刻的认识。在做数据处理和分析时，需要提取大量的数据，运用后期处理手段来分析模拟过程的缺陷。通过大量的分析实践，锻炼了自身在分析问题、解决问题的能力。同时也暴露出了自身很多问题，对自己以后进一步的提高自己有着很大的进步。毕业设计是对自己的一次综合能力的全面考察，在这一过程中，梳理了自己以前学习的理论知识，总结了一些自己的心得。同样，不少缺点不可避免的暴露出来，使得自己在某些方面长进不少。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。浙江科技学院毕业论文37参考文献1王以华锻模设计技术及实例M北京机械工业出版社，200912李传民，王向丽，闫华军DEFORM503金属成形有限元分析实例指导教程M北京机械工业出版社，2006123王栋梁铅黄铜连续挤压工艺的研究D辽宁大连交通大学200964鄂大辛成形工艺与模具设计M北京北京理工大学出版社，200785张振江基于DEFORM3D的液缸锻件成型计算机模拟及其锻造裂纹成因分析D四川西南交通大学200856王静有色金属材料手册M北京中国标准出版社，20067张武基于DEFORM的铜质三通精密锻模研究实验J佳木斯大学学报20111，29（1）368杨宪章热锻模模具终锻模膛飞边槽的设计问题J甘肃科技20107，261470719张渝，安治国，周杰曲轴锻模新型飞边结构的智能优化设计J重庆大学学报2010113311717610陶文琉空调机用黄铜三通阀的温挤压成形数值模拟J精密成形工程2010322515311张金标，林克璐，张少伍黄铜阀体多向冲压成形过程的模拟J金属铸术200903383757812韦媚媚，梁栋，赵哲加热温度、时间和冷却方式对黄铜金相组织的影响J广东公安科技20101，（1）485313孙家广计算机辅助设计基础M北京清华大学出版社，200014戴向国PRO/ENGINEER2000轻松学习与实