以管材为坯料的空心套管热挤压成型模拟设计说明书

本科毕业设计（论文）BACHELOR DISSERTATION论文题目： 以管材为坯料的空心套管热挤压成型模拟 学科专业作者姓名导师姓名完成时间以管材为坯料的空心套管热挤压成型模拟摘 要叙述了采用热挤压工艺生产半轴套管的特点,计算了坯料尺寸，介绍了挤压模具结构设计，并对半轴套管热挤压工艺进行了仿真模拟。热挤压是将金属坯料加热到一定的温度，然后放进模具中。在强烈的三向不均匀压缩力的作用下，坯料被挤压成所需要的形状和尺寸的一种先进的压力加工方法。这种工艺不需要特殊设备，且通常不产生模锻时那样的飞边，加工余量小，挤压用的材料可以是各种牌号的钢材。变形程度也几乎不受限制。Deform是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员： 设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本。 提高工模具设计效率，降低生产和材料成本。缩短新产品的研究开发周期。通过设计巩固所学知识，掌握机械制造设计的一般方法和程序。熟悉设计过程即注意事项，在设计的过程中，学习一些专业前沿知识和设计经验。具体任务如下： 1.培养学生综合运用所学基础课、专业基础和专业课的知识，分析和解决加工过程技术问题的工作能力。 2.巩固、深化和扩大所学基本理论、基本知识和基本技能。 3.理论分析的能力、制定设计或试验方案的能力、设计计算和绘图的能力、计算机应用能力、撰写论文和设计说明书的能力等等。 关键词: 空心套管; 汽车半轴套管; 模具设计;仿真模拟Hollow casing blank, mold design and simulationABSTRACTDescribed using the hot extrusion process to produce the characteristics of the axle casing, to calculate the blank size, extrusion die structure design of the axle casing hot extrusion process simulation.Hot extrusion of metal billets heated to a certain temperature, and then into the mold. Under a strong compressive force to the uneven effect, the billet is extruded into the desired shape and size of a state-of-the-art pressure processing methods. This process does not require special equipment, and usually do not produce the forging the kind of flash allowance small extrusion materials used can be of various grades of steel. Deformation is almost unlimited.Deform is a process based on finite element simulation system for the analysis of metal forming and its related industrial forming process and heat treatment process. On the computer to simulate the entire process to help engineers and designers: design tools and product process, reduce the expensive cost of field trials. Improve the tool and mold design efficiency, reduce production and material costs. Shorten the new product development cycle.Through the design of the consolidation of the knowledge, master the mechanical design of the general methods and procedures. Familiar with the design process that matters, in the design process, to learn some advanced professional knowledge and design experience.Specific tasks are as follows:1. Students learn the integrated use of the basic courses, professional knowledge base and specialized courses, analyze and solve technical problems in the work of processing capacity.2. Consolidate, deepen and expand the basic theory, basic knowledge and basic skills.3. Theoretical analysis of the capacity to develop the ability to design or test plan, design skills computing and drawing ability, computer skills, writing papers and the ability to design specifications and so on.KEY WORDS: Hollow casing; automobile axle casing; mold design; simulation目 录第一章 绪论11.1 课题的背景及意义11.2 国内外研究现状21.2.1汽车半轴套管制造现状21.2.2 热挤压成形工艺及模具研究31.3 课题主要研究内容7第二章 零件的工艺分析及成形装置绘制82.1 零件的功用、结构及特点82.2 关键技术82.3 毛坯的选择82.3.1管材的选择82.3.2确定毛坯的技术要求92.3.3绘制毛坯图92.4 模具设计考虑因素和技术条件的确定102.4.1设计时应考虑的因素102.4.2模具设计的技术条件及基本要求112.4.3热挤压模具设计程序112.5 模具工作部分设计122.5.1挤压件图的设计122.5.2挤压力估算及挤压设备的选择122.5.3凸模设计142.5.4凹模设计162.5.5顶出装置设计17第三章 汽车半轴套管热挤压成形模拟183.1仿真所用软件DEFORM-3D的介绍183.2 构建模型193.2.1单元类型的选取203.2.2材料模型的确定203.2.3网格划分与重划分213.2.4接触和摩擦定义223.2.5约束定义233.2.6 初始条件设定233.3 数值成形模拟与分析243.3.1 模拟挤压过程243.3.2 数值分析25第四章 结论28参考文献29致 谢30附 录3129第一章 绪论1.1 课题的背景及意义随着机械工业的迅速发展，汽车、摩托车等交通工具的生产规模日益扩大，模锻件质量及成本的竞争压力愈来愈大，发展少无切削加工显得非常重要。当前生产的发展，除了要求锻件具有较高的精度外，更迫切地是要解决复杂形状的成形问题，同时还要不断提高产品的质量、减少原材料的消耗、提高模具寿命，增强产品的市场竞争力。节省材料和能源，降低生产成本，提高产品质量，这些要求随着汽车（特别是轿车）生产的规模化而变得越来越重要。汽车工业具有高投入、大批量和高技术含量等特点，其零部件结构复杂且精度高，加工难度大，这使得先进的生产加工工艺在汽车制造业发挥的作用越来越大。汽车半轴套管又称汽车轮毂半轴管，是焊接在汽车后桥两端用来连接车轮和动鼓的零件，承载很大的载荷和复杂的交变应力，因此要求半轴套管要具备组织致密、金属流线分布合理、抗疲劳强度高等特点。半轴套管管件厂、内孔深、难加工，采用机械加工会造成金属流线断裂，严重影响其使用性能和寿命3。而热挤压是在三向压应力状态下成形，可得到具有细小等轴晶粒和良好金属流线的优质产品。汽车半轴套管工作环境的特殊性决定了其较高的质量要求和挤压工艺参数的精确化。传统挤压工艺的制定主要是建立在经验的基础上，采用试错法不断调整工艺参数和修改模具，不仅研发周期长，而且挤压件的质量难以保证。随着有限元法与金属成形理论的交叉融合以及计算机硬件及其相关软件技术的进步，数值模拟技术的应用使得复杂的金属塑性成形过程变得直观而具体，在实际工业生产中也得到广泛应用。有限元数值模拟方法采用计算机对金属成形过程进行分析，掌握变形过程中各种场量的变化情况。并可对变形过程中内部缺陷等进行预测，对挤压工艺的制定具有总要的参考价值。本次设计利用有限元软件DEFORM对套管坯料的挤压过程进行了数值模拟。并对挤压后工件的损伤、应力场、应变场及其分布的原因进行了分析，为制定生产工艺提供了参考。1.2 国内外研究现状1.2.1汽车半轴套管制造现状目前国内主要是使用实心棒料加热后进行汽车半轴套管的生产。而德国、日本等汽车工业发达的国家均有使用管材生产套管的成功范例。使用管材的优越性在于可提高材料利用率，平均可达到95%左右，同时能简化工艺。汽车半轴套管传统制造工艺有以下几种12：1、自由锻锤胎模锻成形 图1-1胎膜锻半轴套管如图1-1所示采用的工艺为：下料加热拔长杆部墩头预成行预冲盲孔终锻成形。2、模锻成形模锻成形采用的工艺为：下料加热拔长杆部墩头终锻3、正挤横轧复合成形工艺本工艺罐体和法兰盘各自单独成形管体由无缝钢管轧制，如图1-2所示：图1-2 正挤横轧复合成形工艺轧辊形状可以保证滚梯正确成形。套管法兰盘部分由胎模锻造，最终经过机械加工将两者焊接成形。该成形工艺使得生产率以及材料利用率有显著提高13。4、平锻机上成形坯料采用无缝钢管，在平锻机上锻造成形。5、镦挤成形镦挤成形工艺工序为：一次加热压型冲孔正挤二次加热镦挤成形。在给定锻件几何形状尺寸，给定材料和给定设备条件的情况下，利用较为成熟的DEFORM-3D软件对汽车半轴套管零件成形的关键工艺进行数值模拟，可得到金属塑性变形过程的金属流动、应力应变、温度分布等规律，也可以进行模具受力分析，研究其成形规律，主要考虑温度、挤压速度、摩擦力等主要因素的影响，达到预测并减少成形缺陷和失效形式，提高材料利用率的目的7。1.2.2 热挤压成形工艺及模具研究挤压是将挤压模具安装在压力机上，利用压力机的往复运动9，在一定温度下使金属受到三向压应力而发生塑性变形，从而挤出所需尺寸、形状及性能的零件。圆柱形零件挤压过程如图1-3所示。图1-3圆柱形零件挤压示意图挤压成形是一种先进的少无切削金属加工工艺，它具有省料、节能和节省机械加工工时、工件性能高等优点5，具体表现在：1）提高金属的变形能力。金属在挤压变形区中处于强烈的三向压应力状态，可以充分发挥其塑性，获得大变形量。例如，纯铝的挤压比可以达到500，纯铜的挤压比可达400，钢的挤压比可达4050。对于一些采用轧制、锻压等其他方法加工困难乃至不能加工的低塑性难变形金属和合金，尤其适合于采用挤压法进行加工。2）力学性能远高于其他加工方法生产的同类产品。对于某些需要采用轧制、锻造进行加工的材料，例如钛合金、LF6、LC4、MB15锻件，挤压法还常被用作铸锭的开坯，以改善材料的组织，提高其塑性。与轧制、锻造等加工方法相比，挤压制品的尺寸精度高、表面质量好。随着挤压技术的进步、工艺水平的提高和模具设计与制造技术的进步，现已可以生产壁厚0.30.5mm、尺寸精度达到0.05mm的超小型高精密空心型材。3）产品范围广。挤压加工不但可以生产断面形状简单的管、棒、线材，而且还可以生产断面形状非常复杂的实心和空心型材、制品断面沿长度方向分阶段变化的和逐渐变化的变断面型材，其中许多断面形状的制品是采用其他塑性加工方法所无法成形的。挤压制品的尺寸范围也非常广，从断面外接圆直径达5001000mm的超大型管材和型材，到断面尺寸有如火柴棒大小的超小型精密型材均可采用这种工艺。4）生产灵活性大。挤压加工具有很大的灵活性，只需要更换模具就可以在同一台设备上生产形状、尺寸、规格和品种不同的产品，且更换模具的操作简单方便、费时少、效率高。5）工艺流程简单、设备投资少。相对于穿孔轧制、孔型轧制等管材与型材生产工艺，挤压生产具有工艺流程短、设备数量与投资少等优点。挤压成形技术按坯料加热的温度分为冷挤压、温挤压和热挤压三种形式21。与冷、温挤压相比，热挤压具有金属变形抗力低、加工余量小、力学性能好等优点，具体表现在：1）金属坯料经过加热和挤压变形，消除了原来材料因铸造和拉拔而引起的缺陷，变形后的金属纤维组织呈由内向外的连续状态分布，提高了制件的力学性能；2）金属坯料经过加热和挤压后，内部晶粒得细化，增强了金属的致密度，提高了表面抗蚀能力；3）热挤压适合于任何形态的部件，特别是对头大杆小的杆类件、深孔的杯形件、齿形件等更为有利；4）热挤压可节省大量金属材料、明显提高产品质量，对于大批量生产具有显著的市场化经济效益。因此在机械制造、国防、航天等领域应用比较广泛。由于热挤压工艺具有上述优点，因而越来越受到人们的重视，特别是近几年来，随着工程实践的发展11，我国一些学者在管、壳、筒、罩等挤压工艺及模具的设计方面取得了较大进步，主要体现在：1）在热挤压模具设计及工艺实验方面，根据工程需要，对热挤压工艺对不同试件成形的可行性、成形参数对挤压成形过程的影响等进行了研究，设计并制造出了适合于热挤压成形的各类模具，并对模具的关键部件、影响模具寿命的因素等进行了深入探讨。如重庆大学黄光胜等对变形镁合金进行了热挤压研究，他在特定的挤压条件下，挤出了11种规格的棒材、管材、型材，挤压出的试件均具有较好的力学性能；北京机电研究所徐春国等结合非对称锥形壳体零件，研究了镁合金材料AZ31的热挤压成形工艺，他们通过采用热反挤压的方法，优化了工艺过程，实际生产出了批量的合格挤压件。实验研究发现，对AZ31镁合金在适当的温度下进行热挤压，生产的产品综合质量比较理想；上海交大洪慎章用反挤压工艺代替多道变薄拉伸工艺制造铝合金圆筒外壳，他所用的材料为防锈铝合金LF2，筒壁厚为0.5mm，选用的挤压设备为1250KN开式双柱压力机，实验结果表明这种工艺明显提高了制件的表面质量，节约了材料；华中科技大学程俊伟等根据AZ31变形镁合金的特点，设计了实心棒材、矩形和圆形截面、薄壁空心型材试样，对坯料加热、模具预热、润滑剂、挤压比、挤压速度及挤压力等工艺参数，进行了系统的试验研究；中国科学院金属研究所张士宏等对镁合金管材挤压成形进行了工艺分析及实验研究，经试验，镁合金挤压管材表面质量很好，表面粗糙度与精度均令人满意，挤压出管材无裂纹，他同时确定了镁合金、铝合金等几种材料管材挤压成形工艺参数，分析了管材挤压成形时变形力的变化规律；重庆大学汤成刚设计了一种镁合金模拟热挤压的实验装置，他借助计算机程序控制，用镁合金挤压的模拟实验替代工业生产实验，模拟镁合金在热加工过程中的受热和受力情况，找出镁合金挤压过程中所需挤压力和流动性受挤压温度和变形速度的影响规律，得出了镁合金在挤压变形过程中的最佳工艺参数。2）热挤压的数值模拟技术发展较快。利用数值模拟的方法为热挤压工艺的设计、挤压设备选择和工艺实验等提供可靠的数据，仿真软件ANSYS、DEFORM、MSC等得到了广泛应用。如武汉理工大学张博等利用ANSYS软件模拟了汽车桥壳热挤压工艺动态传热的过程；昆明理工大学陈义武等应用CAE仿真软件MSC对铜管热挤压过程进行了计算机仿真，准确地模拟了挤压纯铜过程中的金属流动规律，数值模拟结果与实验结果基本相符，为优化挤压工艺提供了重要的理论依据；上海交大周飞等采用刚塑性有限元方法，对一典型的铝型材非等温成形过程进行了数值模拟，分析了铝材挤压的三个不同阶段，给出了成形各阶段的应力、应变和温度场分布情况以及整个成形过程中模具载荷随时间变化情况，这些模拟结果进一步优化了模具设计；上海交大轻合金精密成形国家工程研究中心王新等采用G1eeb1e3000型热力学模拟试验机，对不同温度和应变速率下的AZ31B镁合金的变形行为进行了研究，得到材料的真实应力应变曲线，导入专业成形数值模拟软件，对不同尺寸、温度、速度条件下的金属变形过程进行了数值模拟，根据模拟数据建立了挤压极限图，并通过挤压工艺试验对所得的挤压极限图进行了验证，结果吻合得很好；中北大学李琳琳等对AZ31镁合金薄壁管挤压成形过程进行了数值模拟，通过等温压缩实验得到AZ31镁合金应力应变数据，建立了材料变形的数学模型，拟合出材料成形的应力应变曲线，探讨了AZ31镁合金挤压成形过程中温度、速度、润滑以及模具形状等因素对金属流动的影响，为管类零件挤压成形工艺提供科学的依据。在国外，挤压工艺应用也比较广泛8，早在1797年，英国人布拉曼（S.Braman）设计了世界上第一台用于铅挤压的机械式挤压机，并取得了专利。1820年英国人托马斯首先设计制造了液压式铅管挤压机，这台挤压机具有现代管式挤压机的基本组成部分：挤压筒、可更换挤压模、装有垫片的挤压轴和通过螺纹连接在轴上的随动挤压针，从此，管材挤压得到了较快发展。著名的Tresca屈服准则就是法国人Tresca在1864年通过铝管挤压实验建立起来的，1870年，英国人Haines发明了铝管反向挤压法，即挤压筒的一端封闭，将挤压模固定在空心挤压轴上实现挤压。1897年，法国、德国先后开发了铅包覆电缆生产工艺，成为世界上采用挤压法制备复合材料的历史开端。1927年出现了可移动挤压筒，并采用了电感应加热技术。1930年欧洲出现了钢的热挤压，但因采用油脂、石墨等作润滑剂，其润滑性能差，存在挤压制品缺陷多、模具寿命短等致命缺点。1942年发明了玻璃润滑剂之后，钢的热挤压真正得到较大发展并被用于工业生产。六十年代，国外广泛采用热挤压技术挤压管道用的三通管，结果表明用热挤压技术生产的三通管具有节省材料，整体强度高等优点。进入80年代以后，国外的挤压仿真技术飞速发展，如Lee等用弹塑性有限变形理论对曲线模平面挤压过程进行了分析。Shah和Kobayashi采用刚塑性有限元法，分析了轴对称状态下无摩擦的锥模挤压。Guo等采用刚塑性有限元技术，对复合挤压过程进行了数值模拟。阮雪榆等对双层金属的正反向挤压工艺进行了有限元分析。Long等采用热力耦合弹塑性有限元法分析了弹性和热效应对挤压件成形精度的影响。1.3 课题主要研究内容本课题的主要研究内容如下：1）根据所给的图纸确定毛坯的制造方法，拟定工艺；2）选择模具的结构类型，设计凸模、凹模；3）使用DEFORM-3D进行工艺仿真模拟及分析。第二章 零件的工艺分析及成形装置绘制2.1 零件的功用、结构及特点半轴套管是汽车冲压、焊接式后桥总成上的重要零件， 是汽车后桥上的重要保安件，在车辆行驶过程中它承受复杂的交变应力作用15，服务条件恶劣，同时，半轴套管两端固定在托架上，传动轴穿过半轴套管，起保护传动轴的作用。其零件结构图如下：图2-1半轴套管零件2.2 关键技术汽车半轴套管热挤压成型的关键技术如下:1）模具的结构设计, 特别是热挤压凸、凹模的设计； 2）模具材料的选择及热处理。2.3 毛坯的选择2.3.1管材的选择 坯料形状和尺寸对挤压件的充填性和模具寿命影响很大4。若坯料与凹模直径尺寸相差较大，坯料放入凹模以后，容易偏离中心，这会导致挤压件出现壁厚不均匀、孔口不齐等问题。若坯料与凹模直径相差过小，则加热的坯料放置较为困难。根据汽车半轴套管形状特点及热挤压工艺的实际，为了便于送料及毛坯定位，选用无缝钢管。通常按照下式计算坯料体积：v0=（v+v1+v2）（1+）式中 v0坯料的体积（mm3）；v工件的体积（mm3）；v1机加工与工艺余量的体积（mm3）；v2飞边的体积（mm3）；金属加热损耗率。由此式计算出坯料体积，坯料高度可由下式确定：管材的选择方法：标准YB/T5035，长度根据所给的图算出体积来选择10。经计算，对汽车半轴套管采取热挤压工艺加工时，若采用外径95mm、壁厚为14mm的管材，则坯料高度H=365mm。2.3.2确定毛坯的技术要求1）热处理：1625HRC； 2)尖角倒钝；3)探伤：无裂纹；4)材料：45#。2.3.3绘制毛坯图 在外加工表面上加上机械加工余量（2mm），内加工表面加上机械加工余量（1mm），绘制出如下毛坯图，并标注尺寸和技术要求14。图2-2半轴套管锻件图2.4 模具设计考虑因素和技术条件的确定 2.4.1设计时应考虑的因素挤压模具设计不同于一般的机械零件设计，而是介于机械加工与压力加工之间的一种工艺性设计。在设计时需要考虑从设计到加工、生产各个环节的因素16。首先应考虑挤压机的结构、挤压模的选择或设计、模具的结构和外形尺寸、模具材料、挤压系数、制品的形状、尺寸及允许的公差、模孔的形状、方位和尺寸、模孔的收缩量、变形挠度、定径带阻碍系统、挤压时的应力应变状态等确定的因素。其次应考虑模具尺寸和形状的精度、定径带和阻碍系统的加工精度、表面粗糙度、热处理硬度、表面渗碳、脱碳以及表面硬度变化情况、端面平行度等模具制造过程中的影响因素。 最后还要考虑在试验过程中模具的装配及支承情况、铸锭、模具和挤压筒的加热温度、挤压速度、工艺润滑情况、产品品种及批量、合金及铸锭质量、被挤压合金铸锭规格、产品出模口的冷却情况、模具的对中性、挤压机的控制与调整、导路的设置、输出工作台及矫直机的长度、挤压机的吨位和挤压残料长度等。 在设计前，拟订合理的工艺流程和选择最佳的工艺参数，综合分析影响模具效果的各种因素是合理设计挤压模具的必要和充分条件。2.4.2模具设计的技术条件及基本要求（1）模具的工作部分（凸模、凹模等）应当有较高的强度和较长的使用寿命。经调质处理后，其硬度值达到4852HRC；（2）有足够高的制造精度，模具的形位公差和尺寸公差应符合图样的要求，保证模具工作部分能够方便而可靠地固定在模架上；（3）有足够的表面粗糙度，配合表面应达Ra3.21.6m，工作带表面达Ra1.60.4m；（4）模具无内部缺陷，一般应进行超声波探伤和表面质量检查后才能使用；（5）挤压完成后制件及残料能够方便地取出；（6）模架能牢固地安装在压力机上，并且有利于文明生产；（7）模具制造要简单，成本费用要低。除此之外，设计者还必须考虑生产条件与规模、现有设备情况、以及材料的变形性能、生产制品的质量要求、必须达到的技术、经济效果等18。满足上述设计要求的挤压模具的模座、模板、垫块要有较厚支撑，能承受一定的压力而不变形，要具有较大的接触面积，并且能将负荷分配到压力机滑块或工作台面上。模具的紧固方法应合理，且具有安全防护装置。承受高应力的模具构件上，不应有尖角、不相切的圆角半径和横断面的急剧变化。各个构件的几何形状与结构均应设计合理，消除应力集中。不论是工作零件还是辅助零件，配合关系要合理，动作协调一致、准确可靠，并具有一定的强度储备，即使发生局部或短时过载，也不会影响模具的正常工作和使用寿命。2.4.3热挤压模具设计程序在设计热挤压模具之前，首先应依次进行下列工作：（1）制定挤压件图；（2）选择成形的工艺方案；（3）确定毛坯的尺寸和形状；（4）拟定挤压工艺过程；（5）计算挤压力；（6）选择设备。然后按选取的设备确定上下模座的形式，选择模架结构，决定大致的轮廓尺寸，并进行模具封闭高度的核算。在经过必要的计算之后，便可着手绘制模具草图。在草图中，模具的主要零件，如凸模、挤压凹模、挤压筒、侧芯等，均应绘制到能看清、能理解的程度，外形则要求绘出较为清晰的轮廓。草图上不仅有可供讨论的模具结构与附属装置，还有可供参考的概略尺寸。设计前，首先按照选择设备的装模空间，决定模具在工作状态，即完全闭合下的最大高度，根据设备工作台和垫板空间的大小，决定模座的最小外形尺寸。这样，模具的外廓尺寸便可大致确定下来。设计时首先从工作部分开始，然后根据设备的装模空间、挤压件类型、成形方式和挤压工作的实际需要决定模具结构和退料方式，根据变形方式和精度要求决定导向方法。模具总装图设计完成后，便可绘制零件图。2.5 模具工作部分设计2.5.1挤压件图的设计 根据图2-1所示的汽车半轴套管的结构特点，制定出如图2-2所示的半轴套管的挤压零件图。根据此图可计算出汽车半轴套管的变形程度。断面缩减率：式中d0变形前金属的外径尺寸（mm）； d1变形后金属的内径尺寸（mm）挤压比：对数挤压比：2.5.2挤压力估算及挤压设备的选择模具设计时首先要根据初步拟定的挤压参数估算完成挤压所需的最大挤压力6，以便进一步选择挤压设备，确定挤压参数，完成模具设计。由于影响挤压力的因素很多，至今还没有找到完全符合实际情况的计算方法，由于汽车花键套挤压属于综合挤压，可按以下方法进行挤压力估算。(1)公式计算法 汽车半轴套管挤压过程中，当形成半轴套管的型腔被坯料充满后，坯料受上凸模和侧芯三向挤压力作用，沿上凸模运动相反的方向向上流动，挤压力大幅上升，所以可用估算反挤压力公式来计算整个挤压过程的挤压力：式中 p挤压力（N）； D挤压模凹模的工作直径（mm）； d挤压凸模的工作直径（mm）； 挤压终了温度的金属材料的抗拉强度（MPa）。（2）单位挤压力估算法 半轴套管热挤压时的单位挤压力可按以下公式计算：式中p单位挤压力（MPa）； s变形温度下静态拉伸时的屈服应力（MPa）; D挤压凹模的直径（mm）； d挤压凸模的直径（mm）； 摩擦系数，无润滑热挤压可取0.5，有润滑热挤压可取0.20.25。 而总挤压力F=pN式中N挤压的作用面积（mm2）。这两种算法中，第一种算法在考虑了材料在不同温度下抗拉强度的同时，还考虑了工件形状特别是壁厚的影响，第二种算法则考虑了摩擦和材料的屈服强度。第一种算法的结果偏于保守。无论哪种结果，试验选用800 kN压力机都能满足要求。 2.5.3凸模设计凸模结构及与上模板的连接在热挤压的过程中，凸模挤压金属坯料使之发生变形，工作条件比较恶劣，这就要求采用合理的金属材料，在本设计中，经调质处理，硬度达1625HRC，图2-3所示为常用正挤压凸模的典型常用结构和尺寸示意图17。凸模的工作端面的形状在产品零件允许的情况下，最后设计成锥形，以利于金属的流动和充满模腔。凸模各部分尺寸的计算方法如表2-1所述：表2-1 凸模工作尺寸计算方法结构尺寸计算方法凸模工作直径dd=D-(0.1-0.15)/mm式中D-挤压凹模内腔的直径凸模圆柱部分直径d1d1=（1.2-1.7）d/mm凸模上端部分直径d2d2=d1+0.2d/mm凸模工作部分高度HH7d/mm凸模圆柱部分高度hh=（1-1.5）d1/mm圆柱部分到工作部分的圆角半径RR=(0.1-0.2)d/mm凸模工作端圆角半径rr=0.5-1.5/mm根据以上尺寸及技术要求，设计出如图2-4所示的反挤压模具凸模模具结构图。凸模上断面尺寸变化处的应力集中是引起凸模损坏的根本原因，因此本设计中采用圆角过渡来来减少或消除应力集中问题。一般凸模要设置工作带以减轻金属流动的摩擦力，但由于汽车半轴套管长径比较大，利用带工作带的凸模进行挤压时，挤压成形以后的筒部出现了弯曲变形的问题，因此没有采用工作带结构。为了保证凸模装卸简便，紧固可靠，凸模的整体形状一般做成阶梯形，与上模板之间靠固定套夹和垫块夹紧。凸模固定套呈截锥形状，是为了增大支承面积，以增加凸模的抗弯强度和稳定性，凸模固定套与模板采用内六角螺栓联接。 图2-3 热挤压凸模结构示意图 图2-4 热挤压凸模结构图凸模校核单位挤压力：式中F挤压力（N）； S挤压轴轴端截面积（mm2）。稳定性校核式中F临凸模的临界压力J凸模的断面惯性矩（N），其中为凸模直径； E钢材的弹性系数（MPa），E=2.1 105MPa； L凸模的有效长度（mm）。凸模的安全系数：凸模压缩强度和稳定性符合要求。2.5.4凹模设计在构成模具的全部零件中，凹模和坯料接触并直接参与变形过程19，它是成形加工的最重要工作零件。挤压时，凹模在高压和巨大摩擦作用下，工作条件相当恶劣。在本课题中，凹模采取了挤压筒和挤压凹模的复合结构，这主要因为凹模深度较大，且半轴套管结构比较简单，加工难度不大。做成整体式结构以后，即可从一定程度上解决上述问题。图2-5所示为热挤压凹模的典型结构和尺寸示意图，各尺寸的计算方法如表2-2所述。 图2-5热挤压凹模的典型结构和尺寸示意图表2-2 凹模工作尺寸计算方法结构尺寸计算方法凹模内腔直径D式中-挤压件的头部直径 -收缩率（1.2%-1.5%）凹模的工作孔眼直径d式中-挤压件的杆部直径凹模工作孔眼高度hh=(0.8-1.2)d/mm凹模内腔放置坯料部分的高度h1h1=H0+R+10/mm式中H0-坯料高度 R-凹模型腔入口处圆角半径凹模外圆定位部分高度h2h2=8-12/mm凹模底部外圆直径D1D1=(2.5-3.5)D/mm凹模内腔入口处的圆角半径RR=3-5/mm根据图2-5的结构示意图和表中各尺寸的设计准则，设计出了如图2-6所示的热正挤压凹模结构图。半轴套管的加工是通过挤压凹模和凸模的配合实现的20。凸模与挤压凹模之间采用间隙配合，为使挤压凹模与锻件及凸模之间有较好的配合，要求挤压凹模的上表面及通孔加工达到较高的精度（一般达0.8mm以上）。挤压凹模材料选用9Mn2V，经调质处理，硬度达4852HRC。套筒的型腔可以用电火花加工，而后对腔内进行打磨，以提高内表面质量。图2-6 热挤压凹模结构图2.5.5顶出装置设计 顶料装置的使用情况直接影响到模具生产的效果。在生产过程中，顶料装置的顶杆是一易损件，由于它的失效影响了生产的正常进行，为了解决顶杆早期失效的问题，需做些实验来确定其优化设计方案。顶杆的失效形式一般是：头部敦粗变形、杆部弯曲和断裂几种。结合专业知识及实践经验，可以找出对顶杆性能产生影响的各种因素主要有：材料牌号、热处理硬度、结构形式、原材料质量等。根据以上因素及挤压件的尺寸确定了如图2-7的顶杆结构图。图2-7 热挤压顶出装置结构图第三章 汽车半轴套管热挤压成形模拟3.1仿真所用软件DEFORM-3D的介绍DEFORM（Design Environment for Forming）是由美国Battle Columbus实验室在八十年代早期着手开发的一套有限元分析软件1。DEFORM有限元软件能够分析金属压力和组织互耦合的二维和三维大变形问题。典型的DEFORM-3D应用包括锻造、挤压、墩头、轧制、自由锻、弯曲和其他成形加工工艺。DEFORM-3D是模拟三维材料流动的理想工具。系统中集成了在任何必要时能够自行触发自动网格重划生成器，生成优化的网格系统。在要求精度较高的区域，可以划分比较细密的网格，从而降低计算机的运算的规模，并显著提高计算效率。DEFORM-3D图形界面既强大又灵活，为用户准备输入数据和管擦结果数据提供了有效工具。DEFORM-3D还提供了3D修正工具，这对于3D过程模拟极为重要。DEFORM-3D的计算精度和结果可靠性，被国际成形模拟领域所公认。对于相当复杂的工业零件如两岸、衢州、扳手、具有复杂筋-翼的结构零件、泵壳和阀体，DEFORM-3D能够得到令人满意的结果。DEFORM-3D软件的模拟结构是由前处理器、模拟处理器和后处理器三大模块组成。1.前处理前处理器包括三个字模块：1）数据输入模块，便于数据的交互式输入，如：初始速度场、温度场、边界条件、冲头行程以及摩擦系数等初始条件；2）网格的自动划分和自动再划分模块；30数据传递模块，当网格重划分后，能够在新旧网格之间实现应力、应变、速度场、边界条件数据的传递，从而保证计算的连续性。这三个模块主要完成以下功能:1)用户交互界面2)力学模型的建立与离散化（包括变形体与模具）3)初始边界条件的提法4)材料模型的确定5)数据交换接口力学模型的建立与离散化以及初始、边界条件的设定是前置处理的关键。材料模型的确定可以按照既定的弹塑性、弹粘塑性、刚塑性、刚粘塑性模型输入相应的物理和热能参数；也可以根据用户提供的试验曲线及数据，软件系统自动进行拟合并转化成仿真所需的模型和参数。数据交换接口为用户提供与其他图形系统的数据和几何信息的交流途径，目前DEFORM-3D软件不具备实体造型能力，但它提供一些通用的CAD软件数据接口，主要以IGES,STE及UNV等接口进行交换。2.模拟处理器真正的有限元分析过程是在模拟处理器中完成的。DEFORM运行时，首先通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线性方程组，通过直接迭代法和Newton-Raphson法进行求解，求解的结果以二进制的形式进行保存，用户可在后处理器中得到需要的数据。3.后处理器DEFORM-3D软件的后处理器主要是对有限元计算产生的大量数据进行解释，以便形象地、直观地描述塑性成形各个阶段的变形行为。后处理器的关键技术在于计算结果的可视化，该软件很好地实现了计算结果的可视性。通过软件自身的后处理模块，用户可以对计算结果进行直观的反应，也可以及时的发现和纠正计算中的错误。DEFORM仿真系统后置处理能向用户提供如下结果：1)金属的塑性流动模式（常以变形网格和速端图表示）；2)金属变形的应力场、应变场、温度场的分布（常以等值线、等色面表示）；3)各种力能参数曲线。3.2 构建模型在UG中生成所需几何模型，并输出.STL格式的实体模型然后倒入DEFORM-3D软件中创建物理模型。物理模型的构造在有限元仿真中是一个至关重要的环节，模型构造是否合理直接 影响着计算效率、求解精度；在模型构造过程中，往往会因为某个小环节处理不得当，导致求解精度降低、计算效率低下，严重时会引起求解中断。所以，在构造物理模型时，以理论作为指导，对各因素考虑周全，经多次试算、对比分析、优化，最终得到一个能反映真实情况而又高效的模型2。物理模型构造所要做的工作主要有单元类型选取、材料模型确定、网格划分与重划分、接触定义、施加约束、初始条件设定等。3.2.1单元类型的选取单元类型的选择是进行网格划分的必要前提，有限元程序根据所定义的单元类型进行实际的网格划分。单元类型在很大程度上影响着求解时间和求解精度，同时对单元网格的划分和重划分也有重要影响。所以，合理 选择单元类型，对于有效模拟三维金属成形的流动状况有着重要作用。一方面，对于不同问题应选择不同类型的单元，另一方面，对于同一问题在保证求解精度的前提下可以选择几种不同类型的单元。在金属塑性成形有限元分析中，需反复迭代求解非线性方程组，计算量非常大，而且在非稳态大变形分析时，又要进行畸变网格的重划分，因此复杂单元处理起来不太方便。对于金属三维成形问题，在有限元数值模拟中常用到的单元主要有两类：四节点四面体单元和八节点六面体单元。四面体单元计算效率高，在相同单元数量前提下，比采用六面体单元节省约25%的计算时间而且较易于实现网格划分和重划分，尽管四面体单元存在着计算精度低问题，但通常情况下仍能得到令人满意的求解结果。所以，考虑到汽车半轴套管成形过程中金属流动状况，为了节省求解时间，同时又要保证网格划分和重划分的顺利进行，套管和模具均采用四面体实体单元进行网格划分。3.2.2材料模型的确定考虑硬化的金属材料非线性的本构关系主要分为以下四种类型：即弹塑性、刚塑性、弹粘塑性、刚粘塑性，如图3-1所示。有限元模拟的精度很大程度上取决于本构关系能否真实反映材料的真实特性。在金属塑性成 形有限元仿真中，釆用刚（粘）塑性材料模型时，计算量较小，求解效率较高， 但无法对卸载过程进行模拟，不能预测回弹、残余应力等；而弹（粘）塑性在成形中既有塑性变形又有弹性变形,较为符合金属成形的真实情况，但是弹(粘）塑性对计算机的硬件要求较高，同时计算时间较长。本课题中，挤压状态为热挤压，模具的变形很小，可以视为刚体，又由于在热挤压加工过程中，金属的塑性变形量很大，可以忽略其发生的弹性变形，由于热挤压温度超过再结晶温度，变形程度很大，而变形速度并不大；在挤压过程中，变形材料和模具极少发生粘合现象，所以可以将变形金属视为刚塑性体，用刚塑性材料模型来简化。图3-1金属材料非线性模型在实际挤压生产过程中，模板和模具的变形都很小，又考虑到节约计算机的计算时间，将模具视为刚体，采用四节点四面体实体单元模型，模具材料默认，锻件材料釆用45#钢。本文所使用的材料的应力应变曲线如图3-2所示 图3-2钢在应变速率为1s-1 、5s-1 、10s-1时的S-e曲线3.2.3网格划分与重划分有限元分析中，网格质量的好坏直接影响着求解的效率和精度，当单元类型确定后，网格的质量取决于网格划分的精度等级和单元边长 等因素，网格划分的精度越高，生成的单元边长越小，单元质量越好，求解精度越高。但是，网格划分的精度越高，生成的单元总数也越多，计算所需的时间也越多。所以，在进行网格划分时，要做到求解精度和计算效率二者兼顾。由于模具材料采用刚性材料，网格划分的精度及生成单元的大小对求解结果精度没有影响，所以对模具模型只粗略划分网格（也可不划分网格）。而锻件网格划分的精度在很大程度上决定了求解结果精度，所以对锻件应采取网格细化，又考虑到节省计算时间、提高求 解效率，因此对锻件采用较密的网格密度，得到较小的网格单元。对于DEFORM-3D软件的网格细化是采用窗口来实现的，窗口内的网格密度可以设置为窗口外网格密度的100倍甚至史大，即可实现网格细化的目的。窗口是随着挤压过程流动的，这样可以保证在整个挤压过程变形区内的网格较细。单元的总数为80000，节点的总数为14629。网格划分后得到的有限元模型如图3-3所示。图3-3有限元模型图对于复杂的大变形金属成形过程，往往难以用一成不变的单元网格把变形过程模拟完毕。这是因为，在模拟分析过程中，单元附着在材料上，材料在流动过程中极易使相应的单元形状产生过度变形导致网格畸变，往往会导致计算精度降低，引起不收敛，严重时甚至不能继续进行计算。因此，保证仿真过程中发生大的金属变形后计算分析仍能继续进行，获得的计算结果仍具有足够的精度是非常必要的。DEFORM-3D具有自适应网格重划分功能，在网格畸变达到一定程度 后会自动重新划分畸变的网格，生成新的高质量网格，从而保证了计算结果的精确性。3.2.4接触和摩擦定义在从DEFORM-3D中，定义接触类型有三种方式，分别是点面接触（Nodes to Surface Contact）、线面接触（Lights to Surface Contact）、面面接触（Surface to Surface Contact）。点面接触用于当一个节点碰触到目标面时使用，例如一个球体与平面接触就属于点面接触；线面接触主要是指两物体接触轨迹是一条直线，例如当圆柱体的圆周面与平面接触时就是线面接触；面面接触是指两物体接触处形状是曲面或平面，例如一个物体渗透到另一物体中时的接触就是面面接触。在汽车半轴套管热挤压过程中，上下模具的表面已经渗透到工件表面，所以模具与工件的接触类型为面面接触。在汽车半轴套管热挤压成形过程中，工件主要靠模具的摩擦作用挤压成形，所以模具和工件间的摩擦直接影响着工件的成形质量。在有限元仿真中，摩擦模型的选定和摩擦系数的设定对于仿真结果有着重要的影响。在计算金属塑性成形中接触表面上摩擦力时，常用以下两个数学表达式定量描述；库仑摩擦条件和剪切摩擦条件(1)库仑摩擦条件：若不考虑接触面上的粘合现象，则认为摩擦符合库仑定律，即摩擦力与接触面上的正压力成正比，其数学表达式为： T=PN式中，T为摩擦力、为摩擦系数、PN为接触面