（机械电子工程专业论文）工程机械半轴套管热挤压工艺及装备研究.pdf

摘要 摘要 半轴套管是工程机械驱动桥上重要的零件，工作时承受着由于工作环境变化 产生的各种复杂的交变应力。半轴套管锻造质量的好坏，对于工程机械安全运行 有着重要的意义。半轴套管传统加工工艺存在着材料利用率偏低，成形工步较多， 成本较高的缺点，已经不能满足近净成形的要求。热挤压加工使金属在加工过程 中处于三向压应力状态，金属流线连续均匀分布，提高了工件的力学性能，已经 成为金属塑性成形研究的一个重要方向。 金属塑性成形过程数值模拟是将精密锻造理论与数值模拟仿真技术结合起来 的现代化分析方法，可以在短周期内以较低成本设计出良好的工艺参数，生产出 高质量产品。数值模拟仿真可以实时描述整个金属塑性成形过程，并且可以根据 模拟过程中出现的各种缺陷实时修改工艺参数，是新工艺开发的重要手段。 本文全面分析了国内外的研究现状，在阅读和查证大量相关文献的基础上， 开发了半轴套管热挤压工艺。文中利用p r o e 造型软件对半轴套管及挤压模具进行 三维实体建模，并利用模拟软件d e f o r m 3 d 对三种成形方案进行数值模拟。文 中对半轴套管不同成形方案中金属流动情况、产品成形载荷、等效应变以及等效 应力等进行了分析。在对仿真模拟结果进行分析的基础上，制定了最优的工艺方 案，并设计了合理的挤压模具结构。同时针对半轴套管体壁厚不均现象产生的原 因，设计了新型可调速旋转平台，即通过改变模具运动状态减小零件的同轴度误 差，并设计其电路控制系统。 本研究丰富了挤压变形的内容和理论，开发了半轴套管体的挤压精锻成形工 艺，并设计了热挤压旋转平台，可以为类似结构零件的生产提供理论和实践依据。 关键词半轴套管；热挤压：数值仿真；挤压设备 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea x l e s h a f ts l e e v ei sa ni m p o r t a n tp a r tt ot h ee n g i n e e r i n gm a c h i n e r yd r i v e a st h e w h e e la x l es u p p o r t ，i te n d u r e sm u c hc o m p l i c a t e dc r o s s - v a r i e t ys t r e s sb e c a u s eo ft h e v a r y i n ge n v i r o n m e n t t h eq u a l i t yo fa x l e s h a f ts l e e v ee f f e c t st h es a f eo p e r a t i o no ft h e e n g i n e e r i n gm a c h i n e r y t h et r a d i t i o n a ll o o s et o o l i n gf o r g i n gt oa x l e - s h 雄s l e e v em a k e t h eh i 曲c o s ta n do v e r f u l lc r a f tp r o c e s s ，i th a s n tc o m p l e t e dt h ea i mt on e a rn e ts h a p e f o r m i n go ff o r g i n g t h eh o te x t r u s i o nt e c h n o l o g yc a l lm a k em a t e r i a ld e p r e s s e ds t r e s si n t h r e ed i r e c t i o n s ，s oi tc o m p a c ti n t e r i o ri s s u ea n di m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f w o r kp i e c e ，w h i c hh a sb e e nt h ed i r e c t i o no fp l a s t i c sw o r k i n g t h es i m u l a t i o no fm e t a lp l a s t i cd e f o r m i n gi sak i n do fm o d e ma n a l y s i sm e t h o d s w h i c hi n t e g r a t et h et h e o r yo fp r e c i s i o nf o r g i n ga n dt e c h n o l o g yo fs i m u l a t i o n t h e p r o d u c t 、j l ，i t l l1 1 i g hq u a l i t yc o u l db eg o ta tl o w e rc o s ti ns h o r tp e r i o db yt h es i m u l a t i o no f m e t a ld e f o r m i n g t h ee n t i r e p r o c e s so fm e t a ld e f o r m i n gc o u l db ed e s c r i b e d , s i m u l t a n e o u s l y ；t h ed i ea n df o r g i n gt e c h n o l o g yc o u l db ei m p r o v e di nt i m e l y 、析t l l a n a l y z i n gt h er e a s o n so fw o r k p i e c e sf l a w s ，s oi ti sa ni m p o r t a n tm e a n so fd e v e l o p i n g n e w f o r g i n gp r o c e s s b a s e do na n a l y z i n gt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hs t a t u s ，t h i sp a p e re x c o g i t a t e s t h eh o te x t r u s i o nt e c h n o l o g yo fa x l e - s h a f ts l e e v e t h e3 - dg e o m e t r ym o d e l i n go f a x l e s h 撒s l e e v ea n dt h ep r i m a r ym o u l dw a sm a d eb yp r o es o f t w a r e t h et h r e e f o r m i n gp r o c e s sw a ss i m u l a t e db y d e f o r m - 3 ds o f t w a r e t h r o u g hn u m e r i c a l s i m u l a t i o no ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h et e n d e n c yo fm e t a l l i c f l o w , t h ef o r m i n go ft h ed e f o r m a t i o nr a t e ，t h ef o r m i n gl o a d ，e q u i v a l e n ts t r a i n , a n d e q u i v a l e n ts t r e s s c t b a s e do nt h er e s u l to ft h ef e ms i m u l a t i o n , t h eo p t i m i z a t i o nc r a f t o ft h es e m i - a x l es h a f tp a r t sh a sb e e ns t i p u l a t e da n dt h es t r u c t u r eo fm o u l dh a sb e e n d e s i g n e d m e a n w h i l e ，t h ep a p e ra n a l y z e st h er e a s o no fu n e v e nt h i c k n e s si n t h eh o t e x t r u s i o np r o c e s s t h en e wr o t a t i n gp l a t f o r mw i t ha d j u s t a b l es p e e da n dt h ec i r c u i t i i i 山东大学硕十学位论文 c o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e dw h i c hd e c r e a s e sc o a x i a le r r o rb yt h ew a yo fc h a n g i n gt h e m o t i o nc o u l ds t a t eo ft l l em o u l d n i sr e s e a r c he n r i c ht h ec o n t e n ta n dt h e o r yo fe x t r u s i o n ，d e v e l o ph o te x t r u s i o n p r e c i s i o nt e c h n o l o g yo fa x l es h a f ts l e e v e ，a n dd e s i g nt h en e wr o t a t i n gp l a t f o r m 1 1 1 e p r o g e n yo ft h er e s e a r c hc a np r o v i d ea c c o r d a n c ef o re x t r u s i o nt h es i m i l a rp r o d u c t s k e yw o r d sa x l e - s h a f ts l e e v e ；h o te x t r u s i o n ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e x t r u s i o n 一 r _ x l m p m e n t i v 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 近年来工程机械制造业飞速发展，其各部分零件的生产工艺也成为重要的研 究课题。半轴套管是工程机械驱动桥上重要的零件，作为驱动桥两端的轮边支承， 工作时承受着由于环境变化产生的各种复杂交变应力。半轴套管锻造质量的好 坏，对于工程机械驱动桥的安全运行与否有着重要的意义，是其能否正常工作的 必要前提。 半轴套管的加工一直是制造业的难题，由于其工作环境的特殊性，要求零件 的内部组织致密、金属流线分布合理【l 】。传统的加工工艺在锻造出工件外形以后， 内孔进行机加工，这会破坏零件锻造时形成的金属流线，进而严重影响零件的机 械性能以及使用寿命，同时降低了材料的利用率。因此，以净成形和近净成形为 目的的塑性加工技术成为重要的研究方向【2 】。采用精密塑性加工工艺生产的零件 表面仅有少量加工余量，使得材料的利用率得到很大提高。尤其采用以挤压为主 的精密模锻工艺生产时，使材料的利用率提高到9 2 ，同时其金属纤维沿零件轮 廓形状分布，连续致密，力学性能得到很大提高【3 】。 随着有限元法与金属塑性成形理论的交叉融合以及计算机硬件及相关软件 技术的进步，金属塑性有限元仿真模拟技术得到了快速发展。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。采用有限元数值模拟方法，可实现对成形过程的实时跟踪描述，从而获得 金属的流动规律、各种因素对成形行为的影响以及成形过程中模具的应力状态分 布。目前体积成形过程的模拟分析已经成为拟制造技术的核心要素，可以用较小 的代价，在较短的时间内开发出可行的或最优的工艺方案，以达到降低产品的开 发成本，提升产品竞争力的目的 4 1 。 山东大学硕十学位论文 1 2 半轴套管生产工艺研究现状 半轴套管生产工艺已经成为国内外积极研究的课题之一。本课题研究的半轴 套管的形状为变径变截面且带有较大法兰。这种半轴套管目前一般采用圆钢或者 无缝钢管为材料，其主要的生产工艺有以下几种： l 、自由锻锤胎膜锻成形 图1 - 1 胎膜锻半轴套管嘲 产品如图1 1 所示。采用的工艺为：下料一加热一拔长杆部一镦头预成形一 预冲盲孔一终锻成形。采用此种方法生产率较低，劳动强度大。 2 、模锻成形 模锻锤模锻所采用的工艺为：下料一加热一拔长杆部一镦头一终锻【6 】。 3 、正挤横轧复合成形工艺 本工艺管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。 轧辊形状可以保证管体正确成形。套管法兰盘部分由胎模锻造，最终经过机械加 工后将两者焊接成形。该成形工艺使得生产率以及材料利用率有显著提高，但是 产品经焊接而成，机械强度下降。 = 嗣；嚣一 第1 章绪论 l 图1 - 2 特轧工艺成形【7 】 4 、平锻机上成形 坯料采用无缝钢管，在平锻机上锻造成形。缺点是成形过程中钢管表面易发 生凹陷，废品率较高，使得校正工作量增大，同时设备投资较大l 引。 5 、镦挤成形 镦挤成形工艺工序为：一次加热一压型一冲孔一正挤一二次加热一镦挤成 形。采用该工艺生产工步较多，且不能够成形通孔，需要二次加工。 船 坯耩 压登正挤镦挤成形 图1 - 3 镦挤成形工艺 9 1 通过以上的比较可以看出，目前半轴套管的成形工艺存在着材料利用率低、 生产成本高、工步多、零件质量不可靠等缺点，因此开发新的加工工艺也成为重 要的研究方向。 山东大学硕十学位论文 1 3 金属塑性成形技术的研究现状 1 3 1 金属塑性加工特点 金属塑性成形技术已经成为目前制造业加工中金属加工的重要方法【l o 】。与 以往的金属切削加工、焊接、铸造等方法相比，具有以下特点【l l 】： 1 、金属组织、性能得到提高。经过塑性加工后的金属其内部组织结构致密， 偏析得到很大改善，流线分布合理，工件的性能得到很大提高。 2 、材料的利用率高。塑性成形加工基于体积不变原则，不产生切屑，加工 余量小。因而可以减少材料的浪费，提高资源的利用率。 3 、尺寸精度高。塑性成形加工可以实现近净成形或净成形加工，零件表面 光洁，尺寸公差范围小，表面质量好，加工精度较高。 4 、生产率高，适用于成批生产。金属塑性成形加工多用数控技术和数控设 备实现自动化生产，较适于产品大量生产。 1 3 2 塑性成形技术研究现状 金属塑性成形技术作为一种独立的加工技术是由法国工程师屈雷斯加 ( h t r e s c a ) 提出的最大切应力屈服准则发展起来的，随后塑性流动方程以及应力 应变准则的提出使得塑性成形理论得到较大发展。1 9 1 3 年米塞斯( v o n m i s e s ) 从 纯数学的角度提出米塞斯屈服准则，使得塑性理论基础得以完善。此后有关塑性 成形过程中的应力应变和变形力的求解方法逐渐增多，包括工程计算法、滑移 线法、上限分析法、网格法以及密栅云纹法等。 金属塑性成形过程是一个受多因素影响的高度非线性的复杂过程，它的成形 过程受到材料性能、模具性能以及众多工艺参数如挤压力、挤压温度、速度等的 影响。传统的工艺和模具设计一般是根据经验图表或公式为依据的，这种基于经 验的方法往往会造成实际生产中的废品产生【1 2 4 1 。 随着计算机技术的发展，采用数值模拟的方式对成形过程金属的运动进行实 时追踪，并且利用计算机反复演示其成形过程，以揭示金属流动的规律和研究各 种设定因素对金属成形过程的作用及影响已经成为发展趋势。根据传统方法演化 出来多种实用的数值分析方法，包括经由上限法发展出来的上限元法( u b e t ) v a 4 第1 章绪论 及由滑移线法发展出来的矩阵算子法，同时出现了一些新的数值模拟方法，其中 包括有限差分法( f d m ) ，加权余数法( w r m ) 以及有限元法( f e a ) 等。目前应用较 为广泛的是有限元法，它是一种基于离散单元数值求解的计算方法。这种方法能 够直观的跟踪金属在加工过程中的流动状态，同时能够求解金属变形中的应力状 态、温度传递状态以及分布状况等信息，从而为模具型腔的优化设计、产品工艺 方案的制定及优化设计提供了科学依据1 ”1 1 。 1 3 3 金属塑性成形工艺研究趋势 l 、闭式冷精锻 锻件无飞边金属损耗，尺寸和表面精度可达到精密加工水平，内在质量好， 精锻生产率高，便于实现近净成形制造。适用于小型零件的无飞边精密模锻，是 精密模锻的主要发展方向之一。 ： 2 、温锻 锻件氧化和脱碳大为减少，变形抗力较低，所需设备吨位减少，可实现连续 自动化生产，尤其适宜高碳钢、高合金钢、高强度耐热合金钢等难变形材料的精 锻与挤压精密成形。 3 、复杂零件的可分凹模模锻 本加工工艺将普通模锻和挤压工艺综合运用，改善了普通模锻产生飞边的缺 点，同时可模锻复杂的零件，使得锻件不仅仅局限于轴对称零件，并能获得较高 质量的产品。 4 、粉末金属注射成形 这种加工方法是一种高效的近终成型方法，融合了塑料成形与粉末冶金工艺 的优点。金属注射成形是生产小型复杂形状精密金属零件的有效方法。可以用普 通塑料注射机高效成形出像塑料制品一样复杂形状的精密金属以及陶瓷制品等 2 2 - 2 3 1 。 5 山东大学硕+ 学侍论文 1 4 金属塑性成形的有限元数值模拟 1 4 1 有限元法简介 金属塑性成形过程是一个十分复杂的变形过程，变形过程中既存在着几何非 线性现象，又存在着物理非线性和初值条件的非线性。所以长期以来对金属塑性 成形过程求其精确解非常困难。过去应用更多的是简化、假设以及经验数值分析 方法。但是这种近似方法难以适应实际工业生产的需要。随着计算机硬件的发展， 有限元数值模拟方法在金属塑性成形过程的数值模拟中得到普遍应用。 有限元法是将求解域离散为一组有限个形状简单、且仅在节点处相互连接的 集合体，用一组插值函数描述基本未知量在其中的分布，通过单元尺寸的缩小， 使得数值解将越来越逼近精确解【2 睨5 l 。有限元法与其余数值模拟方法相比较而 言，功能较强，精度较高，解决问题的范围较广。采用有限元分析方法可以方便 的分析温度传递状态、工件和模具之间的摩擦影响以及速度敏感性等多种问题， 并能够有效地预测加工过程中缺陷的产生。 1 4 2 金属塑性成形的有限元技术发展 针对金属塑性成形而言，有限元技术经过多年的发展，形成了弹塑性有限元 法和刚塑性有限元法两种典型的分析方法。 l 、弹塑性有限元法 1 9 6 5 年m a r c a l 首先提出弹塑性有限元法并成功将它应用于结构受力分析。 1 9 6 7 年m a r c a l 和k i n g 以及1 9 6 8 年y a m a d a 基于m i s e s 屈服准则和p r a n d t l r e u s s 应力应变关系推导出了弹塑性刚度矩阵，并用增量方法分析了金属塑性成形问 题。此后基于小变形假设的求解金属成形问题的研究方法不断兴起。1 9 6 9 年l e e 等人推导出可用于处理大变形计算的有限元列式，弹塑性有限元法获得较大的发 展。但是由于计算方法较为复杂，当时在求解大变形假设问题时并没有得到广泛 应用。 2 、刚塑性有限元法 金属塑性变形一般为大变形问题，材料的弹性变形量部分较小，可以忽略不 计，一般采用刚塑性材料模型。1 9 7 3 年l e e c h 和s h i n ok o b a y a s h i 第一次提出 6 第1 章绪论 基于变分原理的刚塑性有限元法。1 9 7 9 年z i e n k i e w i c z 2 6 】等提出了基于罚函数法 的体积不可压缩条件的刚塑性有限元法。 刚塑性有限元法的计算基于前材料累加变形的几何形状和硬化状态，故可以 用小变形的方法来处理金属塑性成形中的大变形问题。而且变形后的构形可以通 过在离散空间上的速度积分获得，进而避开对复杂非线性问题的求解。因此实现 该方法易于实现且编程效率较高。但其仅适用于对金属塑性变形区的分析，而不 能直接用于分析弹性区域的应力应变状态。 针对材料对速率的敏感性，刚塑性有限元法又可分为刚塑性有限元法和刚粘 塑性有限元法。刚塑性有限元法适用于材料对速率敏感性不大的冷加工以及温塑 性加工过程的分析。而对材料速度敏感性较大的热j n - r 成型则要采用刚粘塑性有 限元法。p e r z y n a 对粘塑性材料的屈服准则以及本构关系进行了系统的研究。刚 粘塑性有限元法在分析超塑性成形和高温成形工艺时计入时间、速度效应。r e b l o 对稳态过程的热力耦合计算进行了分析。o h 等学者基于刚塑性变分原理推导出 了刚粘塑性有限元求解列式 2 7 - 2 8 1 。目前，采用刚粘性有限元法分析塑性成形问 题已经成为较为先进的方法之一。 1 4 3 有限元分析软件应用 近年来，随着有限元理论以及计算机图形技术的高速发展，各种用于金属塑 性成形分析的软件应运而生。金属塑性成形过程的数值仿真模拟也成为模具 c a d c a m c a e 技术的重要核心因素。 2 0 世纪7 0 年代中期，随着o s i a s 和m c m e c k i n g 等学者采用e u l e r 描述法建 立针对材料大变形的弹塑性有限元列式之后，金属塑性变形仿真技术不断完善， 并在工程实际生产中得到成功的应用。1 9 8 0 年f o r d 汽车公司的s c t a n g 开发出 了m t l f r m 系统，用于汽车车身覆盖件成形分析的数值模拟，并在生产中投入 运用。同时，国内外学者围绕大变形塑性成形仿真进行了广泛的研究，先后开发 出了用于金属板料成形过程模拟的通用系统，如美国的d y n a f o r m 、m a r c ， 法国的p 枷s t a m p 、o p t r i s 和德国的i n d e e d 等。 同时，刚塑性理论的不断完善，一系列基于刚粘塑性有限元数值分析的通用 金属体积成形软件也迅速发展。1 9 7 9 年美国的b a t t e l ec o l u m b u s 实验室在空军基 7 山东大学硕十学何论文 地的支持下开发了刚塑性及刚粘塑性有限元法通用程序a l p i d ，该程序随着研 发人员的不断开发逐渐形成功能强大的d e f o r m 软件。另外较为通用的体积成 形软件还有美国的a u t o f o r g e 软件及法国的f o r g e 3 软件冽。这些软件可 以实时跟踪金属在变形过程中的流动情况，并且可以模拟与变形有关的各种物理 量，如温度、应力应变关系、位移、速度以及载荷等，从而为实际生产提供了 良好的数据支持。 1 5 本课题的研究内容和意义 1 5 1 课题研究背景 半轴套管加工已经成为后桥加工的难题，其工作环境的复杂性要求其零件内 部组织合理，产品精度较高，而半轴套管本身具有多个台阶以及较大法兰结构， 属于大型复杂零件。以往的传统生产工艺存在以下其缺点： 1 、分体制造时，需要分别模锻法兰与管体焊接，焊缝处零件整体强度和质 量降低，可靠性不足。 2 、毛坯装夹时若产生偏心，则锻件同轴度将会产生很大偏差，造成壁厚不 均匀，使得零件的质量降低，废品率增加。 3 、因零件锻造比很大，一般大于l l d 3 5 ，产品壁厚差异难以控制，壁薄而 长时易产生折叠现象，零件质量难以保证。 4 、材料几何废品率较高，利用率低；设备吨位大，投资多，成本高； 5 、由于生产时过多依靠经验，对操作者要求较高。 6 、锻压生产时劳动强度较大，生产效率低下。 随着制造业的发展，提高生产效率、零件质量可靠性以及材料利用率成为必 然要求，因此采用新型工艺生产成为必然趋势。 1 5 2 课题研究内容 本文在分析国内外半轴套管研究现状的基础上，基于刚塑性以及刚粘塑性有 限元理论的分析，研究半轴套管的热挤压成形过程及其设备，工作任务主要分为 以下几个部分： 8 第1 章绪论 1 、分析半轴套管加工工艺的研究现状，针对该半轴套管零件图合理确定加 工余量以及圆角过渡，设计出满足锻压条件的半轴套管的挤压锻件图。 2 、针对半轴套管锻件图，研究开发半轴套管挤压锻造的新型工艺，首先预 成形法兰及管体下半部分，然后通过反挤压内孔成形半轴套管法兰上部，最终正 挤压内孔终成形锻件。 3 、基于金属刚塑性成形理论的分析，采用d e f o r m 3 d 软件实现对工艺路 线的模拟，观察模拟过程中的金属流动状态、压力分布、应力、应变以及温度状 态等因素。实时监测在成形过程中出现的各种飞边损耗以及产品缺陷。验证工艺 路线的可行性。降低生产过程中废品率的产生，节省资源。 4 、结合锻件图以及成形工艺，依照相关设计手册，设计各个工序的模具零 件图。 5 、在已有加工设备的基础上，设计新型挤压旋转系统。改进模具的运动状 态，使得工件在锻造过程中能够随模具转动，减少因工件偏心而产生的同轴度误 差，提高工件的质量，同时设计出相应的控制电路图。 1 5 3 课题研究意义 本课题在大量的分析研究现有工艺优缺点的基础上，旨在开发出更为合理优 越的新型工艺，开发过程中通过先进的仿真软件d e f o r m 一3 d 模拟新工艺的整 个生产过程，起到了指导实际生产，验证并优化现有工艺流程，缩短新工艺开发 周期的作用，同时使得工件的质量得到很大提高，产品的可靠性得到保障。 本课题的研究具有一定的经济价值。半轴套管是工程机械零部件中的重要安 保部件，应用广泛。采用热挤压的工艺路线可以减少材料的浪费，合理加工余量 的选择降低了后续加工过程中刀具以及设备的损耗。 本项研究完成了对热挤压加工设备的改进，使得零件的质量得到保证，同时 对于加工工艺以及设备的探索将会对现有的挤压领域研究具有定的理论价值。 因此本课题的研究具有良好的经济、社会以及理论意义。 9 第2 章热挤乐成形的理论萆础 曼曼蔓曼曼曼曼曼量量曼皇皇曼皇曼曼i 曼皇曼曼皇量曼曼量曼! 曼曼曼舅曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼置量量皇曼皇曼皇曼皇曼曼 2 1 热挤压工艺 2 1 1 挤压工艺定义 第2 章热挤压成形的理论基础 挤压加工是一种少切削或者无切削的金属压力加工方法，其原理是利用锻压 设备的运动，带动挤压模具往复运动，使得变形金属在三相压应力的作用下产生 塑性变形。 金属挤压加工可以成形各种复杂零件，而且可以用于合金与低塑性金属加 工，同时挤压工艺还可以用于成批生产有色金属与黑色金属零件1 3 0 1 。 2 1 2 挤压工艺分类 挤压工艺按金属变形流动方向与挤压力作用方向可以分为以下几种【3 1 - 3 5 ： l 、正挤压：挤压时金属流动的方向与凸模的运动方向一致。适宜挤压多种 不同形状的零件。 2 、反挤压：挤压时金属流动的方向与凸模的运动方向相反，较适宜挤压断 面形状规则的空心件。 3 、复合挤压：挤压中一部分金属流动方向与挤压凸模的运动方向相同，另 一部分金属流动方向与挤压凸模的运动方向相反，是正挤压工艺与反挤压工艺的 复合。适宜挤压断面形状规则的双杯类或杯杆类挤压件。 4 、径向挤压：挤压过程中金属的流动方向与挤压凸模的运动方向垂直，分 为分流式径向挤压和汇流式径向挤压两种。可以成形枝权类零件及杯形零件。也 可成形花键轴及各种齿轮的齿形部分。 5 、减径挤压：挤压时变形程度较小，坯料直径仅轻度缩减。可用于挤压直 径差较小的长阶梯轴类挤压件以及作为深孔薄壁杯形件的修正后续工序。 6 、镦挤复合挤压：挤压中一部分金属轴向流动，另一部分径向流动。主要 用于带凸缘和中部直径较大的杆类挤压件。 7 、斜向挤压：挤压时，金属的流动倾斜或着弯曲于挤压凸模的运动方向， 山东大学硕+ 学位论文 适用于带有弯曲分支或倾斜的复杂零件。 挤压工艺按毛坯金属的再结晶温度不同可以分为以下几种： 1 、冷挤压：在回复温度以下的挤压过程，一般指室温下进行。 2 、温挤压：将金属加热到金属再结晶温度以下、回复温度以上的某个温度 范围进行的挤压过程。 3 、热挤压：将金属加热到金属再结晶温度以上的某温度范围以内进行的挤 压过程。 2 1 3 热挤压工艺特点 热挤压加工是最早采用的挤压成形技术，它是基于材料的塑性特点在热锻温 度下对各种金属进行挤压成型。热挤压过程中，材料处于较强的三向压应力状态， 其塑性较好。各种挤压方式包括正挤压、反挤压、复合挤压和正向挤压均适用于 热挤压加工过程。目前，热挤压加工常用于制造普通等截面长形工件，管材以及 棒料等各种零件。 l 、热挤压优点 ( 1 ) 热挤压生产可使材料的变形抗力降低，对于挤压设备的要求相应降低， 因此，可以用于材料强度较高、断面形状复杂或者外形尺寸较大零件的生产。 ( 2 ) 使用热挤压方法加工工件时，零件机械加工余量较小，一般情况下单边 余量范围为0 5 - - 2 5 m m 。 ( 3 ) 热挤压件的表面质量较高，粗糙度较小，一般可达r a 3 2 ，尺寸精度可 到6 7 级。因次，热挤压可以实现净成形或近净成形加工。 ( 4 ) 热挤压生产的持续时间较短，劳动生产率较高。 2 、热挤压的局限性【3 1 】 ( 1 ) 热挤压生产采用的模具工作环境恶劣，使用寿命较低。例如采用普通合 金工具钢制作的的凹模，仅能用于生产1 0 0 0 2 0 0 0 只挤压件。 ( 2 ) 热挤压生产由于加热产生氧化、热膨胀以及脱碳的问题，使得产品的表 面质量以及尺寸精度降低。因此对采用热挤压方式加工的零件，坯料的加热方式 一般是选择无氧化加热或少氧化加热。 ( 3 ) 钢制热挤压的厚度必须大于2 t u r n 。 1 2 第2 章热挤压成形的理论摹础 3 、热挤压工艺特点 热挤压工艺过程是指金属坯料加热到所需温度时，迅速地除去加热坯料表面 产生的氧化皮，然后放入热挤压模具的型腔内进行挤压。在一次热挤压过程结束 以后，可完成一个热挤压件的生产。然后根据下一段工序进行切边或冲孔加工。 热挤压工艺过程如图2 1 所示。 图2 - 1 热挤压工艺过程 热挤压加工工艺具有以下特点【3 8 】： ( 1 ) 加热方式的选择。热挤压时要将金属坯料加热到一定温度，为了延长热 挤压模具的使用寿命，应尽量采用无氧化和少氧化加热。 ( 2 ) 毛坯的选择。为保证挤压件的质量，要求毛坯端面平整，否则加工过程 中将会引起产品的壁厚不均等缺陷。 ( 3 ) 变形期间的冷却和润滑。模具在高温下工作，如果长期不冷却容易产生 热疲劳。润滑剂可以降低变形金属与模具的变形抗力，减少摩擦。良好的润滑和 冷却条件可以有效地提高模具寿命。 “) 合理选用模具材料。热挤压成形过程中，挤压模具将承受复杂的交变应 力。因此在进行零件加工工艺设计时，应该充分考虑到模具的受力状态以及温度 条件等因素。在模具设计时，要保证所选模具材料的强度、硬度以及韧性达到热 挤压生产的要求，同时要求材料在高温下要具有良好的热稳定性、热疲劳抗力以 及热熔损性能。 ( 5 ) 挤压材料的体积设计必须符合要求，金属体积计算过大会使得金属流动 受阻，造成挤压压力上升过快，使得模具出现破裂或设备出现损坏。若金属体积 计算过小，则会使挤压零件的尺寸小于负公差，致使废品出现。 2 2 金属塑性成形理论基础 2 2 1 塑性力学的基本假设 金属塑性成形是基于塑性力学的研究实现的。塑性力学是固体力学的个分 1 3 山东大学硕十学停论文 支，指的是在一定的环境因素和加载条件下，金属的应力一应变之间呈现复杂的 非线性关系，而这些非线性的应力应变分布规律即是塑性力学的研究对象。传统 上对于这种规律的认识一般来源于实验中总结出来的材料超过弹性极限后的状 态，以确定材料的本构关系，从而建立塑性力学的基本方程。 由于金属塑性成形过程是一个十分复杂的过程，在数学求解方面也有诸多限 制，获得精确解比较困难。为了能够更好的指导实际生产过程，在研究塑性成性 问题时，一般做如下假设和近似处理： l 、材料的均匀性假设。假设变形体由连续介质组成，应力应变和位移量均 连续变化，求解时可以转化成连续的坐标函数。 2 、体积力为零假设。根据金属塑性变形时所受外力的不同，可分为表面力 和体积力两种。表面力是由于工具或传力介质产生的作用于变形体表面上的力。 体积力是作用于变形物体各个质点上的力，与各质点的质量成正比。塑性成形中 体积力很小可以忽略不计。因此，塑性成形中的外力指的是表面力。 3 、材料的匀质性、各向同性假设。假设变形体各个质点的化学组成以及组 织结构均匀并且相同，即各点的外力性能和物理性能均相同，不随坐标而改变。 4 、外力作用下变形体处于平衡状态。即作用于变形体的整体以及每个单元 上外力系矢量均为零，且外力系对于任一点的总力矩均为零。 5 、初始应力为零。材料内力指的是材料内各质点之间存在着相互作用，是 材料本身所具有的特性。为研究的方便，假设材料在受外力作用之前，附加内力 为零。 6 、体积不变假设。塑性变形时，体积的微量变化相比塑性变形量很小，为 了简化计算，可假设体积不变【3 9 1 。 2 2 2 刚塑性基本方程 刚塑性有限元法的理论基础基于变分原理，即以能量积分的形式把塑性偏微 分方程的求解转化为泛函的极值求解问题。塑性变形问题是一个边值问题，它的 基本方程和边界条件如下所述【咿4 2 1 ： l 、平衡微分方程 仃! ，= 0 ( 2 - 1 ) 1 4 第2 章热挤乐成形的理论荩础 2 、速度与应变速率关系( 几何方程) 叠= u + y 川) 2( 2 - 2 ) 3 、应力应变与速率关系( 本构方程) 套口= a 痧0( 2 3 ) 艽：三至( 2 - 4 )几= 一一 2 云 公式中方为等效应力， 厅= 序而 享弓周 4 、米塞斯( m i s e s ) 屈服准则 1 7 = y 公式中y 为材料的屈服应力 5 、体积不可压缩条件 亩= 6 叠驴= 0 6 、边界条件( 控制方法) ( 2 - 6 ) 应力边界条件：o j n j = 乃 ( 2 7 ) 速度边界条件：y ，= 访 ( 2 8 ) 由以上公式可见，这个边值问题的数学描述是一个上述偏微分方程，其直接 求解比较困难，实际运用中可以将其转换为以变分法对泛函求值，再利用计算机 求解。变分法求解泛函问题的主要步骤如下： 1 、根据实际物理问题建立泛函及约束条件。 2 、通过对泛函变分获得微分方程。 3 、求解欧拉方程，得到所需解函数。 2 2 3 刚塑性有限元的变分原理 1 、马可夫( m a r k o v ) 变分原理 求解刚塑性边值问题，在满足上述基本方程和边界条件的前提下，使得泛函 1 5 山东大学硕十学位论文 兀= 工蠢d y 一p , v , d s ( 2 - 9 ) 一阶变分6 n = 0 ( 取驻值) 时，所求得到的1 ，即本题的精确解。这即是马可 夫变分原理【4 3 1 。其物理意义指刚变形体的总能耗功率等于变形的内部变形功率 与变形体表面力功率之差。 在求解上述方程时，应满足体积不可压缩条件，即由= 6 猫 = 0 ，则( 2 9 ) 取 一阶变分可以描述为 6 兀= 工动动矿一l 剪鹏= 0 ( 2 - 1 0 ) 由以上推导过程可见，马可夫变分原理基于场变量满足一定约束条件，包括 几何方程边界条件、速度边界条件以及体积不可压缩条件。但在实际问题的求解 中，前两者实现比较容易，而体积不可压缩条件实现较为困难。基于此种原因， 可以将上述约束条件引入总能耗泛函，使得约束在对泛函变分的求解过程中得到 满足。变分原理相应的引申为广义变分原理，它是分析不可压缩连续介质力学问 题的基础。典型的广义变分原理包括拉格朗日乘子法，罚函数法和可压缩特性法 【4 4 - 4 5 】 o 2 、刚塑性材料广义变分原理 ( 1 ) 拉格朗日乘子法 拉格朗日乘子法即用拉格朗日乘子将式( 2 6 ) 表述的体积不可压缩条件引入 泛函( 2 9 ) ，得到一个新的泛函： l - i = 工翻y 一肌d s + m ：v d v ( 2 - 1 1 ) 对上述公式求一阶变分( 驻值) ，即8 r i = 0 ，可得： 6 f i = 工厅菇d y 一p z w d s + 1 2 f i g v d v + 工a 栝v d y = o ( 2 - 1 2 ) 根据虚功原理以及速度边界条件可解得： 仃f = 仃0 + 九6 d ( 2 - 1 3 ) a = 仃m ( 2 1 4 ) 由( 2 1 4 ) 可得出引入的拉格朗日乘子a 即为静水压仃m 。 ( 2 ) 罚函数法 罚函数法是指用一个大正数k 把体积不可压缩条件作为一个惩罚项引入泛 1 6 第2 苹热挤j 千成形的珲论基础 函( 2 - 9 ) ，得到一个新的泛函： 兀= 工蠢一l 舢+ 了k 工( 叠矿) 2 d y ( 2 - 1 5 ) 其中k 为罚数，即对于违反约束条件的惩罚引入的数值。通常k = 1 0 5 1 0 6 。 在满足边界条件的基础上，对( 2 15 ) 求一阶变分： 6 n = 工础y 一p 6 v , d s + k 工。挺矗矿= 0 ( 2 - 1 6 ) 根据虚功原理使得泛函取极值，得到： ：ik【，矗(2-17)o-m v1 = 一is “ 矿 ( 3 ) 可压缩特性法 可压缩法指假设材料的相对密度并非1 0 0 ，而是具有少量的可压缩性，此 时，可以假定体积变化率与静水压有关，从而由应变速率直接计算出应变分量。 以上是三种典型的约束处理方法。其中虽然拉格朗日乘子法求解方程的计算 时间较长，且需要较多的存储空间和计算时间，但相比罚函数法和体积可压缩法， 其求解不受引入参数( 罚数k 或者可压缩特性的常数g ) 误差的限制，因此当静水 应力和体积不变形要求比较严格时，应该采用拉格朗日乘子法。 3 、刚粘塑性材料变分原理 当金属材料在塑性变形时，应变速率对流动应力有明显影响时，材料呈现粘 性特性，在进行分析时，应该计入时间、速度效应。刚粘塑性材料的变分原理为： 在满足几何方程、体积不可压缩条件以及位移速度边界条件的一切允许速度场 中，其精确解使下列泛函 i - i = i r e ( 蓉口矽y 一p v d s ( 2 - 1 8 ) 取驻值即8 i - 1 = 0 ： 8 1 - i = 工6 e ( 叠口) 瑟y l p , s v d s = 0 ( 2 - 1 9 ) 式中e ( 叠口) 为塑性变形功率，若孑= 孑( 叠，虿，丁) 其，对应的功函数为： e ( = r 4 仃瘫v = r 耐( 2 - 2 0 ) 将以上各式综合求解可得： 6 i - i 篁工甜动y l 筇协d s = 0 ( 2 - 2 1 ) 1 7 山东大学硕十学位论文 刚粘塑性变分原理与马可夫变分原理相同，同样可以引入拉格朗日乘子法、 罚函数法以及体积可压缩法求解。以上推导可见刚塑性材料变分原理与刚粘塑性 材料变分原理相同，故可将两种材料模型的阶变分各式统一。 2 2 4 刚塑性有限元列式求解 刚塑性有限元列式的求解过程主要如下所述： l 、离散化 离散化指将求解区域进行网格划分，一般采用四节点四边形等参单元或三维 砖单元进行划分。要求在单元体积内保持场函数连续，建立单元泛函并集成化得 到整体泛函。最后对整体泛函一阶变分求驻值，即可得到精确解。各离散单元的 泛函可以用拉格朗日乘子法、罚函数法或可压缩特性法求解。 2 、建立整体刚度矩阵 对于金属的塑性变形问题，经过离散化可以得到一组以节点的速度分量作为 未知量的非线性方程组，求解时需要对其进行线性化处理。 3 、求解整体刚度矩阵 刚塑性有限元中的整体刚度方程是一个非线性方程组，其求解方法通常采用 n e w t o n r a p h s o n 方法进行迭代计算，即用第n - 1 次计算值与修正量之和作为第n 次迭代的结果，并进行泰勒级数展开，该方法具有较快的收敛速度。 2 3 本章小结 本章主要对热挤压成型的理论基础进行了相关研究，分析了热挤压工艺路线 及其特点，以及热挤压仿真模拟的数值计算方法和理论依据，主要包括以下几方 面内容： l 、简要介绍了热挤压的工艺过程及在工艺方案实施中应该注意的问题。 2 、分析了金属塑性成形的基本理论，包括塑性力学及基本假设条件以及刚 塑性材料的基本方程及边界条件。 3 、研究了刚塑性n 粘塑性的广义变分原理及求解方法。 1 8 第3 章半轴套管热挤压成形丁艺设计及建模 第3 章半轴套管热挤压成形工艺设计及建模 3 1d e f o r m 软件简介 3 1 1d e f o r m 软件概述 本文热挤压工艺数值模拟软件采用d e f o r m 3 d ，造型软件采用p r o e 三 维造型软件。d e f o r m 软件的前身是美国a l p i d 有限元分析程序，逐渐发展为 商业化数值模拟软件，并由美国的s f t c 公司推广p 6 。1 9 9 8 年推出d e f o r m 3 d 三维模拟系统，2 0 0 2 年发布4 0 版本，同年d e f o r m 2 d 发布了7 2 版本。本文 采用的是d e f o r m 3 dv e r s i o n6 1 ( s p l ) 版本。 d e f o r m 软件的理论基础是基于拉格朗日定理的刚塑性有限元法【4 刀，专门 用于分析各种金属材料成形过程中的金属流动状态，为实际生产过程提供模拟分 析数据。其典型的应用是为各种金属成形工艺和热处理的数值模拟提供有价值的 工艺参数，包括锻造、挤压、拉拔、轧制、弯曲以及切削等多种塑性成形工艺过 程【4 8 1 。d e f o r m 软件适用于各种材料的零件成形过程数值模拟，包括刚性材料、 塑性以及弹性金属材料、粉末烧结体材料、聚合物材料等。d e f o r m 提供了与“ 计算机设计软件c a d 的无缝接口【4 9 l ，通过在计算机上预成形各种工艺过程，使 得技术人员专注于工艺的研究和模具设计，降低了试验