（车辆工程专业论文）机车杯形件温挤压工艺及模具设计研究与实践.pdf

北京交通大学硕士学位论文 e x t r u s i o nd i e ， t h ed e s i g no fd i ea n df e f i 】a l ed i e ，a sw e 1a s t h eo b s e r v i n gp r o c e e d i n gi nt h e d i ed e s i g n i n g u s i n gt h e a n s y sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， i tc h e c k e do u tt h ei n t e n s i t y ， o d ti m i z e st h es t r u c t u r eo fw a r me x t r u s i o nd i e ， a n dw a s v a li d h t e di nc o n d i t i o no ft h em a n u f a c t u r e t h em e t h o d r e c o 册e n d e dg u a r a n t e e st h ef e a s i b i l i t y o f t e c h n 0 1 0 9 y ， s h o r t e n e dt h em a n u f a c t u r ep e r i o do fp r o d u c t s ，e c o n o m i z e st h e r a wm a t e r i a l s ， a n da f f o r d st h ec o n d i t i o n f o rt h e v 0 1 u m e p r o d u c e i nt h i sp a p e r ，t h e s ec o n t e n t sa r ed i s c u s s e da sf 0 1 l o w s ： 1 a c c o r d i n ga st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o t p r o t e c t i n g t h en u t ，i ta s c e r t a i n e dt h em o l d i n gt e c h n o l o g yo fw a r m e x t r u s i o n ， a n d g a v e t h e p a r a m e t e r s o ft h em 0 1 d i n g t e c h n 0 1 0 9 y ： 2c o n f i r j i lt h e d i ec o n f i g u r a t i d nw h e nn u t sa r ep r o c e s s i n g b y t h e p r o t e c t i o n o fb 0 1 t s ，a n dd e s i g n e dt h e c o r r e s p o n d i n gd i ea n df e m a l ed i e ； 3i n t e n s i o nw a sa n a l y z e da n dc h e c k e do f fb yu s i n ga g o o d s i z e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，a n s y s i t s h o w st h a tt h ed i e si nt h i sd js s e r t a t i o na r ee l i g i b l ea n d f e a s i b l e ， t h es u b s e q u e n tm a n u f a c t u r ea l s oa p p r o v e di t k e yw o r d s ： w a r me x t r u s i o n ；d i ed e s i g n ； f e m ： n u m e r i c a l s j 叭】 a t jo n i i i 北京交通大学硕二匕学位论文 第一章文献综述及选题意义 1 1 挤压技术的发展及现状 挤压是根据会属塑性变形原理，利用装在压力机上的模具， 在相当大的挤压力作用下，金属在模腔内产生塑性变形，使坯料 变成所需形状、尺寸以及具有一定性能的零件的工艺过程。 约在1 7 9 7 年，英国人布拉曼( s b r a m a n ) 设计了世界上第一 台用于铅挤压的挤压机，并取得了专利。1 8 2 0 年，英国人托马斯 ( b t h o m a s ) 首先设计制造了液压式铅管挤压机，这台挤压机具 有现代管材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 挤压得到了较快的发展。著名的t r e s c a 屈服准则就是法国人 t r e s c a 在1 8 6 4 年通过铅管的挤压实验建立起来的。1 8 7 0 年，英 国人h a i n e s 发明了铅管的反向挤压法，即挤压筒的端封闭，将 挤压模固定在空心挤压轴上实现挤压。1 8 7 9 年法国的b o r e l 、德 国的w e s s l a u 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。大约在1 8 9 3 年，英国人 j r o b e r t s o n 发明了静液挤压法，但当时没有发现这种方法有何工 业应用价值，直到2 0 世纪5 0 年代( 1 9 5 5 年) 才开始得以实用化。 1 8 9 4 年英国人g a d i c k 设计了第一台可挤压熔点和硬度较高的黄 铜及其他铜合金的挤压机，其操作原理和现代挤压机基本相同。 1 9 0 3 年和1 9 0 6 年美国人g w l e e 申请并公布了铝、黄铜的冷挤 压专利。1 9 1 0 年出现了铝材挤压机，1 9 2 3 年，d u r a a l u m i n u m 最先 报道了采用复合坯料成形包覆材料的方法。1 9 2 7 年，出现了可移 动挤压筒，并采用了电感应加热技术。1 9 3 0 年，欧洲出现了钢的 热挤压，但由于当时润滑剂润滑性能差，存在挤压制品缺陷多、 工模具寿命短等致命弱点。1 9 3 8 年( 即第二次世界大战中) 德国 北京交通大学硕士学位论文 在弹药制造业中，最先采用了钢的冷挤压方法，秘密的用于引信 和弹壳的制造。钢的挤压真正得到较大发展并被用于工业生产， 是在1 9 4 2 年发明了玻璃润滑剂之后。1 9 4 1 年，美国人hh s t o u t 报道了铜粉末直接挤压的试验结果。1 9 6 5 年，德国人r s c h n e r d e r 发表了等温挤压实验研究结果，英国的j m s a b r o f f 等人申请并 公布了半连续静液挤压专利。1 9 7 1 年，英国人d g r e e n 申请了 c o n f o r m 连续挤压专利之后，挤压生产的连续化受到极大重视，于 2 0 世纪8 0 年代初实现工业化应用。同时，温挤压技术在7 0 年代 也开始在生产中应用。 由上述可知，挤压技术的前期发展过程是从软金属到硬金属， 从手工到机械化、半连续化，进一步发展到连续化的过程。而从 2 0 世纪5 0 年代后期至2 0 世纪8 0 年代初期，欧美、日本等先进国 家对建筑、运输、电力、电子电器用铝合金挤压型材需要量的极 具增加，近2 0 年来高速发展的工业技术对挤压制品断面形状复杂 化、尺寸大范围化与高精度化、性能均匀化等要求，以及厂家对 高效率化生产和高剩余价值产品的追求，促进了挤压技术的迅速 发展，具体表现为：( 1 ) 小断面超精密型材与大型或超大型型材的 挤压、等温挤压、水封挤压、冷却模挤压、高速挤压等正向挤压 技术的发展与进步；( 2 ) 反向挤压、静液挤压技术应用范围的扩大； ( 3 ) 以c o n f o r m 为代表的连续挤压技术的实用化；( 4 ) 各种特殊挤压 技术，如粉末挤压，以铝包钢丝和低温超电导材料为代表的层状 复合材料挤压技术的广泛应用；( 5 ) 半固态金属挤压、多坯料挤压 等新方法的开发研究等。从应用范围看，从大尺寸金属铸锭的热 挤压开坯至小型精密零件的冷挤压成形，从以粉末、颗粒料为原 料的直接挤压成形到金属间化合物、超导材料等难加工材料的挤 压加工，现代挤压技术得到了很广泛的开发与应用。 在我国古代殷墟中，曾出土过金箔，厚度仅0 o l m m ，它可能 是人类历史上最早的冷锻件，至今已有3 3 0 0 多年的历史。河北怀 来县出土的战国时期的“红铜锤胎薄细缶”，器壁薄到1 2 咖，也 北京交通大学硕士学位论文 怒典型的冷锻件。北宋的沈括在他的梦溪笔谈中还专门讲到。 瞧出于长翅的封建统治，使这秽工艺在我国没有得到发展。直到 解放前夕，我国的挤压技术还是极端落后，只有极少数工厂用锻、 锈等金弱来按压牙膏警袋线麓、警稠一类戆产品。瑟中固藏立蜃， 挤压技术得到了发展。5 0 年代丌始了铝铜及其台金的挤压发展： 年代以后发鼹了黑色鑫耩蓊蘸。藩前，不少工j 一已缀织了挤压 的专门化生产，零件种类发展到千种以上。研究工作也十分广泛 的开展起来。 1 2 挤压技术的优点 薪压加工悬种少、无切屑加工工艺，它其有高产，优藤， 低消耗的优点，目前醴经成为一种重要的加工手段普及于各个 工业部门，在轻合金尤熊是铝合金的加工行业中，经过挤压加工 鼹产晶占了解憾滋豹5 0 一6 。筠。 采用挤压加工技术生产比其它加工方法( 如轧制、锻造等) 有更大的优越髋和可靠性。归纳筵来，挤压加工有以下特点： ( 1 ) 在菸压过程中，被按压金j 嚣在变形区获鼹比李l 铡、锻造 更为强烈和均匀的三向虚力状态，这可充分发掸被加工金属的翅 经。 ( 2 ) 按压浃不但可以生成断西、形状鞍麓单的管、捧、型、 线产品，而且可以生产断面变化、形状极复杂的型材和管材如阶 段舔嚣黧耪逐澎变嫒瑟型 孝、蛰吴形霸鞭戆懿整体投型材、形状 极复杂的空心型材和变断面管材、多孔管材等。 北京交通大学硕士学位论文 ( 3 ) 挤压加工怒灵活性大，只需变换模子等挤压工具即可在 一台设备上生产形状、窥格和箍释不同的制品。更换简单工具的 操作简单易行、费时少、工效高。 ( 4 ) 挤压制品襞面质量好。随潜工艺水平的提高和模具质量 懿滚进，瑰在已能生产壁蓐为0 。0 。l 撼臻，表瑟凝髓度为v l ，6 v o 8 的超薄、超高精度、商质量表面的型材。这不仅大大减少 总工作量和简化后步工序，同时也提高了被挤压金属材料的综台 利用率和成黯率。 ( 5 ) 挤压过程对金属的力学性能也有良好影响，特别是对某 些疑有菸鍪效应静合金来说，萁揆歪裁品在淬火时效岳，缀两强 度性能( 乩仃。) 远比其他方法加工的同类产品要高，这对挖掘 合龛材料潜力，满足特臻使翔要求熬有实嗣价值。 ( 6 ) 工艺浚程麓攀，生产操 乍方便，次接压帮可获褥毙热 模锻或成型轧制等方法面积更大的熬体结构部件，而且设备投资 少，模兵费翔低，经济效益离。 。3 挤压的分类 壤据按压麓蠹衾震熬鹰力应交状态、揆压方囊、滤漕状态、 挤压温度、挤压速度、工模具的种类和结构、坯料的形状和数目、 钢麓的形敬和数磊等的不同，挤压静分类方法不同。 按挤压方向分：曩三按压；反接压；复合按压；见圈1 1 按挤压温度分：冷挤压；温挤压；热挤压 羧耪压速度分：惩速按压；裹遴按压；净壹菸丞 北京交通大学硕士学位论文 按制品形状分：棒材挤压；管材挤压：型材挤压 牟和挚 图1 1 ( a ) 正挤压毛坯及示意图 ( c ) 复合挤压毛坯及示意图 1 4 温挤压及其特点 挤压示意图 ( b ) 反挤压毛坯及示意图 温挤压是在冷挤压和热挤压的基础上发展起来的一种少无切 削塑性成形工艺。它的变形温度一般是在室温以上再结晶温度以 下的温度范围内。也有将加热温度低于热锻终锻温度的变形归于 其中。 温挤压成形在一定程度上兼备了冷挤压与热挤压的优点，同 时也减少了它们各自的缺点。 温挤压由于是将坯料加热到某一温度进行加工，坯料的变形 力比冷锻小，成形比冷挤压容易，可以采用比冷挤压大的变形量， 从而减少工序数目，减少模具费用和压力机吨位，可以采用刚性 不很大的通用设备，模具寿命也比冷挤压时提高很多。 另一方面，与热挤压相比，由于加热温度低，氧化脱碳减轻， 北京交通大学硕士学位论_ 文 产品尺寸公差等级较高，产品的力学性熊较高。锏的温挤压与冷 挤压、热挤压技术经济比较见表1 1 。 表1 1钢温挤压与冷挤压、热挤压技术经济比较 项目 交形方法 热挤压温挤压冷挤压 2 0 0 交形温度范围 8 5 0 1 2 0 0室温 8 5 0 o 0 3 产品精度m m o ，5 o 驰0 2 s o 2 5 产品组织晶粒粗大晶粒细化晶粒细化 辍少氧无氧 | 产品表面质量严重氧化、脱碳 化、脱碳化、脱碳 工序数量少较少较多 能量消耗 太少少 劳动条件蒺较好好 温锻主要用于以下几种情况 ( 1 ) 冷锻交澎时变形联裂戢变形力麓戆不锈镪、台金镪、辜建 承钢和工具钢等； ( 2 ) 冷变形时塑性麓、容翁开裂的材料，如铝合金、铜合盒 等 ( 3 ) 冷态难加工，而热态时严重氧化、吸气的材料，如钛、 镪、铬等； ( 4 ) 澎状复杂，或菇为了改善产品缀合力学牲鹱面不宣采曩 6 北京交通大学硕士学位论文 冷锻时 ( 5 ) 变形程度较大，或者零件尺寸较大，以致冷锻时现有设 备能力不足时； ( 6 ) 为了便 二组织连续生产时。 1 。5 选题的意义 1 5 1 温挤压技术的优点明显 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。 2 ) 制品综合质量高。挤压变形可以改善金属材料的组织，提 高其力学性能。 3 ) 挤压制品尺寸精度高，表面质量好。挤压制品是净形或近 净形件。 4 ) 产品范围广。 5 ) 工艺流程简单，设备投资少。挤压生产大大减少了机械加 工工序，缩短工艺流程。 6 ) 节约原材料。由于挤压工艺是净形或近净形技术，所以大 大节约了原材料。 7 ) 工艺条件好。挤压采用压力机成形，生产环境好。 随着能源危机的同趋严重，人们对环境质量的更加关注，加 之市场竞争的日益加剧，促使锻件生产向高质、高效、精化、节 北京交通大学硕士学位论文 能、节材方向发展。由于冷挤压只限于中小型零件，而对较大零 件，高强度材料还不易实现。而温挤压可获得与冷挤压相近的性 能及尺寸精度和表面光洁度，另外，温挤压对毛坯要求润滑与热 挤压差不多，比冷挤压要求低的多，而锻件尺寸精度及表面光洁 度又比热挤压高得多。综合这些因素，温挤压的发展前景将会更 加广阔，在机车制造领域也应予推广。 1 5 2 温挤压技术在机车制造行业应用潜力很大 温挤压技术已经在航空航天、汽车、摩托车、电器、各种线 型材等很多工业制造领域广泛应用。而在机车制造方面，每台内 燃机车需用锻件很多，应用挤压成形的锻件微乎其微。内燃机车 用锻件应用挤压技术生产的潜力很大，目前，一一台内燃机车需用 锻件2 0 多吨，七八百种，其中很多可以尝试应用挤压技术制造。 1 5 3 以杯形件为突破口发展机车零件的挤压生产 机车零件中有很多的杯形零件，使用批量较大，适于应用温 挤压技术生产，以d f 7 c 型内燃机车锻件中的杯形零件之一气 缸螺栓保护螺母为例，对其进行温挤压工艺研究，优化挤压工艺 参数，科学设计温挤压模具。确定这一类零件的温挤压生产工艺 思路，以此为突破口，积累经验，进一步发展其他类机车零件的 温挤压生产。 1 5 4 尝试有限元数值模拟技术在温挤压中的应用 在工业企业中，应用有限元数值模拟技术多用在产品设计阶 北京交通大学硕士学位论文 第二章有限元基本原理简介 2 1 有限元理论概述 有限元法是用来分析各种结构问题的强有力的工具。在经典的 固体力学理论工作中，尽管人们已经进行了几百年的努力，但所能 解决的实际问题为数不多。然而，有限元法却能成功地解决各种各 样的固体力学的问题，如杆系、板与壳( 包括薄板、厚板、筒体、 任意壳等) 和大变形问题等等。不论结构的几何形状和边界条件多 么复杂，不论材料性质和外加荷载如何多变，使用有限元法处理均 可获得满意的答案。有限元法解决实际问题的能力远远超过了经典 方法，并且已经取了公认的成就，因而受到普遍重视。无论是大型 飞机、大型舰船，还是高层建筑、水利大坝，有限元法均可方便地 进行结构分析。虽然这种方法起源于结构分析，但是由于它所依掘 理论的普遍性，已经被成功地推广到其它领域之中。 本论文所涉及的挤压模具应力场分析采用的是静力有限元法。 其实质是：先将结构( 连续体) 分割成数目有限的小单元体( 单元) ， 这些小单元体彼此问 x 北京交通大学硕士学位论文 弹往力学静变分簌疆( 寝功漂璎) 建立怒举元缝患力与结点位移之 滴瓣单元关系( 擎元剐袭方程) 。鼓蜃，恕全部攀元熬终点力与绩 点位移之间的单元关系缀合起来，就得戮一组以结构结点位移为未 知量的线瞧方程组，并考虑结构的约束情况，消去结点位移为零豁 方程，再妇最后的线性代数方程组就可求得结构上二有限个离散点的 冬位移分_ 爨。求褥了结构上各结点簸位穆分量后，即可按单元的几 何方程鄹物理方程求德各单元应变和应力分量。 2 。2 囊限元的分析过程 有限元法采用位移法，即以结点位移为基本来知量来解决实际 工程中靛计算溺题。结橡蒜教拢蜃鼹位移援式的选择，道紫假定单 元约位移模式为萦一多壤式，其领数积酚数与单元灼自出度数和近 似解有关。 1 ) 授摄已选定的位移模式，可愆结点位移捅值方法导浅单元内 点的位移的矩阵表达式 秒 = 融】 ( 2 一1 ) 式中，驴卜一单元内任一点的使移剃阵； 防卜擎元豹绩患位移列簿； 锣 - 一单元的形函数列阵，它的元索是任一点位移坐标的函 数。 ( 2 ) 选定了各单元豹位移模式强磊，裁可以报撼内任点的几何 方程、物理方程和虚功方程来分聿斤单元的力学特性。 ( a ) 把 2 1 ) 代入几何方稷，可导如单元结点位移列阵的单 1 1 北京变通大学砸士学位论文 元应变表达式： 黏 = 陋弘p ( 2 2 ) 式中，秘一单元蠢 王一点汝应交列薛； 陴卜单元的应变矩阵，它的元素为任一点位景坐标 的函数。 ( b ) 把式 2 2 ) 代入物理方程中，可导出用予单元结点的位 移列阵表达式： p = 【d p 】r ( 2 3 ) 式中，扫 一举元内经一点静应力列阵； p 】一擎元蛉弹性矩阵它与枣孝糕特性有关。 ( c ) 利用变分原理( 虚功原理) ，建立作用于单元上的结点力和结 点位移之间的关系式，即单元平衡方程： 网。= 融8 p ( 2 4 ) 式中，p 】e _ 一单元等效结点力； 陆 。单元刚度矩阵。 辞】j j 弘r p p 弘奄庇 ( 2 5 ) ( 3 ) 建立露系平衡方程。这过程惫括以下两个方嚣： ( a ) 是将冬单元憨霪凄艇藩瞎】。，应鼹壹接刚凄法或其它方法缀 集成整体刚度矩阵 盯 ； ( b ) 是将作用于各单元的等效结点列阵，集合成总的载荷列阵 北京交通大学硕上学位论文 ( f ) ，于是就得到了整体的刚度矩阵 世 、载荷列阵( f ) 和整 体的结点位移列阵p ) 所表示的整体平衡方程： 丘 p ) = ( 尸)( 2 6 ) 式中， 打 一整体的刚度矩阵； ( 户) 一整体等效结点力： 一整体的位移坐标的函数。 ( 4 ) 考虑到整体结构的几何约束情况，修改式( 2 6 ) ，变成以 未知结点位分量为未知数的代数方程组，才能解出所有未知结点的 位移。 ( 5 ) 出修改后的式( 2 6 ) 求解未知结点位移，最后，再用式( 2 3 ) 和己求解出的结点位移计算各单元的应力，并加以整理得出 满意的结果。 2 3 刚塑性有限元简介 2 3 1 刚塑性有限元的基本理论 用刚塑性有限元法计算金属塑性成形时的力能参数主要有三 种方法：拉格朗日乘子法、罚函数法和体积可压缩法。本课题采 用的是体积可压缩法，因此这里仅介绍体积可压缩法的基础理论。 一般材料变形时，总认为体积是不变的，故屈服条件与平均 应力无关。对于体积可压缩材料，屈服应力与平均应力有关，并 写成 北京交通大学硕士学位论文 玎五( s 。+ 丢g 盯。) 占。，= 兄t ，= s 。， 写成通式，则为 “一习( s 一号咿u ) 体积应变速率为 s 。= s 。+ s ，+ s 。= s 、。占。，= 寻g 盯。 这样，式( 2 8 ) 还可以写成 占，。= 兄s + 占。3 丰占 由式( 2 8 ) 得 五酣吾g 盯m 钆2 五5 盯丑 5 ，+ 舌g 吼 盱a 5 z + 亏g 口j 占。，= 旯s 。 占。= s 。 把这些公式代入单位体积塑性变形功率公式 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 盯+ 占+ = 仃，g ，+ 仃y sy + 盯：占：+ 2t ，y 占；y + 2 ，。sy ；+ 2t 。s ；。 ( 2 1 1 ) 得 盯+ 占8 所以 ： 盯 g r ，盯 s + 2 s + ：叫 s ( 5 2 术 3 2 + ) ： s + 2 ， s + 2 j s 3 2 丑 2 3 北京交通大学硕士学位论文 ；+ s + = ；丑( s jz 。+ g 盯：，) 2 詈五盯+ 气 一 则 丑2 三占+ 盯 ( 2 1 2 ) 上 把式( 2 一1 2 ) 代入式( 2 9 ) 及式( 2 一l o ) ，则有 s 。= s + 盯+ ( 昙乳一2 9 。j ，) ( 2 一1 3 ) 一 d t = 盯+ 雪占- - + ( 1 g 2 9 ) 占u 占- 占+( 2 1 4 ) 由式( 2 1 4 ) 得 一1 盯，= 盯 委占；+ ( 1 g 一2 9 ) s 。 s + j 一 口，= 盯委s ，+ ( 1 g 一2 9 ) 占。 s + j 盯。= 盯 导s 。十( 1 g 一2 9 ) s 。 占+ ) 把这些公式代入式( 21 1 ) ，则 所以 1 矿盯+ ( 委s ；，) 占+ 1 扩盯8 ( 妄钆) s + t 。= d + ( 兰占。，) s + ；4s + = ；+ 昙( s ：+ 占；+ s ：) + ( 1 g 一2 9 ) 。 j n ( 占。+ s ，+ s ：) + ；( 2 s 。，+ 2 占，；+ 2 s 。：) 1 ( 占。一占，) 2 + ( 占。一占，) 2 + ( 占；一s ，) 2 + 6 ( 占十占+ s 毛) + 占： 1 6 北京饔嬗太掌砸士学位碜爱 堪罐墒薅确崮碾锈飞点拶e 是攀之爨靼西翳藏蛩馑臻挎； 莓二荔羹鎏鍪 必鬃要霆疆n 明妊鹾焦烈戮机鬟蓊攀薹纂囊餮爹生蛾鬻器 疆翳黪廷醒鬈然癸强吲等浦薄磊= 落伐鬈萋妻雾囊爹= = 囊墨塞 登勰娶羞囊= | 。萋霪塑箝萼蛔鬻诣砰巍跏黼鲨萼釜蘩耋，。黉攀 莹蠹蟊茂号鬟鬟= 霎二雾鼗鍪霪 蠹海蟹爱k _ 錾；鏊霎鹜量箩； ；i ，篓矗! l i i 如蕊冀囊董 事囊骛受掣警面薹誊羹吲 z 饿i 型鬻孽忑菩葶壤耀帮击刚譬 薹零霎：藿羹羹i x 北寰交通大学硕士学位论文 一 哄陋争r 一卜警h溯褥i 畴p 秘m m 卜警川 a 每囊= 汀 v r 妒泌一肚艮p y ( 2 2 7 ) 如 j 2 ； 对掰有的零元，群可以箨翻像式( 2 2 7 ) 的缝巢，将所有这些方 程按式( 2 2 3 ) 集合起来，则可得到下式 口 一如k = 豫l 一。 ( 2 2 8 ) 由式( 2 2 8 ) r 口可以求出，把求出函 进行修正，反复迭代 直捌获敛。 另外，还褥掇一下这萃孛方法毒刀始速度场的选撰。由于此方法 应用的屈服条件与平均应力有关，即泛函式( 2 一t 6 ) 中已隐含着 落积霹压缭这一祭 牛。教在遥择初始速爱汤露不必严穆圭蠡瀵是这 一条件，而在随后迭代收敛真实解时，泛函可自动使体积可压缩 这一条件褥虱满足。 2 霹剐塑性鸯限元计算牵若干阀题的处理 2 4 1 初始速度场的确宠 搿塑链育羧元计算时，要基予一拐始速瘦溺反复迭代收敛于 真实解。可见，初始速度场直接影响到收敛速度问题。当初始速 度沥与实际速度场籀差较大时，就难以收敛，甚至还发靛。所以， 北京变通火学硕士学位论支 正确选择初始速度场是极为重要的。这次设计用泛函来确定初始 速泼场。带泛函来镳定速度场的关键是选择好泛函形式。森和小 圾暇在应用体积可压缩法时是建立一个便于求导和莎楣似瓣泛函 g g = 芸 ；v 。 j + 霎瞄，m 4 + v 曼 ( 2 2 9 ) 式中：口，譬，v 。分澍是单元e 的等效应力，等效应变速率及体积 搬，为单元憨数 度 为与模具稳接触熬荦元数 f ，4 ，v 分别为接触单元赡表面剪应力，表露积裁耀对速 2 4 2 摩擦条件的选取 摩擦是塑性加工中普遍存在的问题。由于影响的因素很多，对 其研究还不够完善，故很难定量地确定其大小，一般都作一些假 设以便于近似计算。在有限元计算中，如何正确地给定摩擦力直 接影响到毒疆元款诗算糖度。本次设诗遐黟是库仑瘁攘条傅。 假设摩擦应力遐摩擦系数和正压力的函数。 t=up( 2 3 0 ) 式中：p 是歪压力，h 为摩擦系数。 北京交通大学硕士学位论文 采用这一摩擦条件进行计算时，可先假设一摩擦力分布，由此 诗算出_ 疆三压力，器| ；= | j 此歪压力求麟攘力，懑瘁擦力又可求感正压力， 这样反篾迭代直歪前后两次迭代时摩擦力分布基本上一样为止。 2 4 3 减速因子謦的确定 每次迭代求出的速度场增爨，不是麓增量的全量来修正这陂 场，而越先乘以个小于l 的系数0 来修丁f 速度场。这是由于在 迭代初期，所求的速度场增量不是小变形条件及n e w t on _ r a p h s o n 线性纯时凝瑕设豹微小鬟，两是与原速度场接近甚至还大几十倍。 所以，当用全量相加时，会使原速度场更加失舆。所以，在整个 迭钱过簇中，必须正确筑选择毽镬墓毒翻 u 秘乘蜃g 恰到好处 地修正原速度场。 选择b 值的原则是既要保证收敛，又要使遮代次数较少。所 以，在迭弋翅期园子如 骟大，敞墨应敷报小；迭 弋最期，由予 速度场已经基本上与真实速度场接近，此时的d u ) 很小，故b 值 应褒褥大些，壤其基本上接近矮全量修正速疫场。 2 。4 。4 收敛判据 刚槊性有限元的迭代求解过程中，必须给出收敛判掇。收敛刿 据是判断迭代何时收敛的标准。本程序是用节点力的不平衡量浓 剡甄鲍。 当泛函的一阶变分为零时，对应的解为真实速成度场。由此 速度场计算出的每一节点的节点力应与绘定的节点载何相等。但 是应用援塑性裔限元法使泛函最小化时，其泛函的一阶变分不完 北京交通太学颤士学位论文 全等于零，只是接近于零。故由此遮度场计算出的节点力与节点 载荷是不相簿的，存在一不平衡量 翻p = 艺眩) 。也。 窆慨) ， ，；1产1 ( 2 3 1 ) 式中，壤是晷詹节点懿单元数。嫒，瑶，髭分剐戈x ，y ，z 方向k 节点的单元节点力，而p 。p mp 。为x ，y ，z 方向的节点力 载荷。 不平德程度可鲻下式表示 4 s ：争堕 爨艇 ( 2 3 2 ) 其中，n 为节点数，a 为所有单元边界丽的平均值。邋常翻s 取1 0 “以下即认为收敛。 2 4 5 刚塑性交界面的处理 雕塑牲畜限元楚建立在瓣鏊缝交分蘸瑾麓磁上豹，瑟躐熬性交 分原理只适用于塑性变形区，对于刚性区不适用，故在计算时必 须确定塑经区和掰穗区。毽在计算刚开始时，狠难预先准确建确 定塑性区与刚性区的变界面。现在，常用下蕊的办法来处理。 计算开始时，先取一比较大的睡域进行计算，并选一等效应 变速率的极限值f 。当5 s 。 时，则认为楚塑性变形区。这样，塑性区和刚性区的对应泛瞬为 叩 、-j眩 臻川 北衷交通大学磁七学位论文 o = ( 2 3 3 ) 式中：。一般敬0 0 2 。 对于刚塑性区的单元，当用体积可压缩法时，应力一应变关系 为 一 盯，= 仃。孝g ，+ ( 1 g 一2 9 ) g ，艿，譬+ 。 ( 2 3 4 ) 占。对收敛影酾较大。对于边界较为复杂丽又存在较大刚性区 静谤凝下，s 。应联大些，荔于收敛。霜露，在交髟瓣秀戆时，出 于初始速度场与真实速度场相差较大，故8 。应取大些。当迭代数 次后，速陂场己接近真实场，则可取小些，以使剐性区变小，计 算燹为真实。 0 踟 s s 球 强 只 肛， 一 矿 y d d s s f 肛，畦 北京交通大学硕士学位论文 第三章c a e 技术及有限元软件a n s y s 简介 3 1c a e 技术及其应用概述 c a e 即计算机辅助工程，指工程设计中的分析训算与分析仿 真，其含义表现为以下几个方面： ( 1 ) 运用工程数值分析中的有限元等技术，分析计算产品结 构应力及变形等物理场量，给出整个物理场在空间与时间上的分 布，实现结构的从线性及静力计算分析到非线性和动力的计算分 析； ( 2 ) 运用工程优化设计的方法，在满足各种工艺和设计的约 束条件下，对产品的结构、工艺参数、及结构形状进行优化设计， 使产品结构性能和工艺过程达到最优； ( 3 ) 运用结构强度与寿命评估的理论、方法和规范，对结构 的安全性、可靠性及使用寿命作出评价和估计： ( 4 ) 运用运动学和动力学的理论和方法，对由c a d 实体造型 设讨+ 的机构及整机进行运动学、动力学仿真，给出机构整机的运 动轨迹、速度、加速度，以及动力的大小等。 c a e 软件可分为通用类和专用类，前者主要是针对特定类型的 工程或产品，用于产品的性能分析、预测和优化的软件。它以在 某个领域的应用深入而见长，如美国e t a 公司的汽车专用c a e 软 件l s d y n a 3 d 及e t a f e m b 等。通用软件可对多种类型的工程和产 品的物理学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化，以实现产 品技术创新。它以覆盖的应用范围广而著称，如a n s y s 、p a t r a n 、 n a s t r a n 矛口m a r c 等。 北京交通大学硕士学位论文 c a e 的技术种类很多，包括有限元法( f i n i t ee 1 e m e n t m e t h o d ，f e m ) 、边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，d e m ) 和有 限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) 等。每种方法各有 其应用领域，其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结 构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学和电磁学等。 它进一步发展为结合不同领域，如流体和结构力学，电路学与电 磁学的结合，使c a e 的发展越来越快，应用也越来越广泛。 c a e 软件的作用和发展趋势 c a e 起始于2 0 世纪5 0 年代中期，c a e 从诞生到2 0 世纪7 0 年 代初期处在成长阶段，主要是扩充和完善基本功能、算法和软件 结构。到2 0 世纪8 0 年代中期，逐步形成了商品化的通用和专用 c a e 软件，如a n s y s 软件，下面简要介绍一下a n s y s 软件。 3 2 有限元分析软件a n s y s 简介 a n s y s ( a n a l y s i ss y s t e m ) 是一种融结构、热、流体、电磁 和声学于一体的大型c a e 通用有限元分析软件，可广泛用于核工 业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、 国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水 利，以及日用家电等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计 算机及操作系统( w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x ) 中运行。 3 2 1 a n s y s 的技术特点 a n s y s 的技术特点如下： ( 1 ) 可实现多场及多场耦合功能 北京交通大学硕士学位论文 ( 2 ) 是实现前后处理、分析求解及多场分析统一数据库的大 型f e a 软件； ( 3 ) 是具有流场优化功能的c f d 软件； ( 4 ) 融前后处理与分析求解于一体； ( 5 ) 强大的非线性分析功能； ( 6 ) 快速求解器； ( 7 ) 最早采用并行计算技术的f e a 软件； ( 8 ) 支持从个人机、工作站到巨型机的所有硬件平台； ( 9 ) 可兼容个人机、工作站、大型机及巨型机等硬件平台上 的全部数据文件； ( 1 0 ) 在个人机、工作站、大型机及巨型机等硬件平台上具 有统一的用户界面； ( 1 1 ) 可与大多数c a d 软件集成并有接口： ( 1 2 ) 具有智能网格划分； ( 1 3 ) 具有多层次多框架的产品系列； ( 1 4 ) 具有良好得用户开发环境。 3 2 2a n s y s 的基本功能 a n s y s 的基本功能如下： 1 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力，这种分析广泛应用 于机械工程和结构工程。非线性静力分析通常通过逐渐施加载荷 完成，以获得精确解。 2 结构动力学分析 北京交通人学硕上学位论文 用来求解随时间变化的的裁荷对缩构或部件的影响，并考虑 载蓑隧时闻豹变纯、疆照亵矮性戆影嚷。 3 结构非线性分析 结榆非线健导致结构或部件的喻应随外载荷不成比例交纯， a n s y s 可求辫静态和瞬杰非线性闯题。 4 动力学分析 a k s ￥s 哥分辑大墼3 p 柔傣运动。当运动豹豢积彩哟起主要作 用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性并确定 结构中由此产生的应力、应交和变形。 5 ，热分橇 对于热分析的3 种基本类型，即传导、对流、辐射均可进行 稳态和瞬态、线 生帮 线淫分析。熬分孝斤还具有可戳模羧耪辩戳 化和溶解过程的相变分析能力及模拟热与结构应力之间的热一结 构祸合分析能力。 6 。逛磁场分辑 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、 溺流、憩场分拆、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失 等，还可以用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速 器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。 了。计 x 北京交通大学硕士学位论文 元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。 8 声场分析 声学分析用来研究在含有流体的介质当中声波的传播或分析 浸在流体中的固体结构的动态特性，这些功能可以用来确定音响 话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布或预测水剥振动 船体的阻尼效应。 9 压电分析 用于分析2 d 或3 d 结构对交流( a c ) 、直流( d c ) 或任意随时 间变化的电流或机械载荷的响应，这种分析类型可用于换刚譬 薹零霎：藿羹羹i x 北意爱通大学硪。l 学位论定 ( 6 ) 磁一结构分析 ( 7 ) 感应振荡分析 ( 8 ) 电磁一电路分携 ( 9 ) 电一结构分析 ( 1 0 ) 电一磁分辑 ( 1 1 ) 电一磁一热分析 ( 1 2 ) 电一磁一熬一结构分橱 ( 1 3 ) 压力一结构分析 ( 1 4 ) 速度一温度一挺力分移千 ( 1 5 ) 稳态一流一固体分析 2 优化设计 优托设i 于是一释寻我确定最傀方案翁技术，设计方案的任俺 方丽都是可以优化的，如尺寸、形状、支撑位置、制造赞用、自 然频率和材料特毪等。实际上所有可参数化的a n s y s 选颈均可作 优化设计。 3 拓扑优化 辐努德讫是捂形状优纯，也稼为并澎优纯。獒蟊标愁寻找系 受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案，这种方案在拓扑 优化中表现为“最大刚度”设计。用户只需给出结构的参数( 材 料特性、模型和载耱等) 和要省去的材料露分比，程序即可自动 进行优化。 4 。蕈元生琵 如果在模型中加入或删除材料，则其中相应的单元就“存在” 或“消亡”。单元生死选项用于在这种情况下杀死或重新激活单元， 北京交通大学硕士学位论文 式中：医】= 陋r 田r 阻p 把上式代入式( 2 2 3 ) ，则得 a 西。 a 缸r：胙+ 迎丛芝坚矿 北京交通大学砸士学位论立 第四章保护螺母温挤压工艺分析及模具设计 4 1 内燃机车气缸螺栓保护螺母产品介绍 此零件气缸螺栓保护螺母，是应用在东风7 型内燃机车 用1 2 v 2 7 5 型柴油机上的零件。如图41 所示。 图4 1 气缸螺栓保护螺母零件图 可以看出，此件属典型的杯形件，采用复合挤压成形。设计 其挤压什图如图4 2 所示。 其挤压件图如图4 2 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图4 2 气缸螺栓保护螺母挤压件图 4 2 温挤压模具设计 4 2 1 挤压模具的分类 按工艺性质可分为：正挤压模、反挤压模、复合挤压模等 按导向装置可分为：导柱导套模、无导向模、导板模、模口 导向模、导筒模等； 按使用用途可分为：有色金属挤压模、黑色金属挤压模等。 根据气缸螺栓保护螺母挤压件的特点，要选用黑色金属导柱 导套复合挤压模。 4 2 2 温挤压模具的结构组成 上下模板是挤压压力的主要支承部分，由于挤压的单位压力 较高，上下模板不能采用铸铁材料。上下模板加导柱、导套组成 北京交通大学硕士学位论文 有导向的挤压模架。卸料板也有导向作用，其导向的基准仍为模 架导柱。挤压时挤压件的端面往往是不平的，卸料时使凸模受力 不均匀，可能造成凸模偏移而折断。卸料板有强有力的导向时， 提高了凸模的稳定性。 卸料板和顶件杆：挤压件有时会粘在凸模上，有时会粘在凹 模中，卸料板和顶件杆可以将工件取下。卸料板镶块和顶件杆都 必须采用工具钢制造。 凸模与凹模垫板：为了防止高的挤压单位压力直接传递给模 板而造成局部凹陷或变形，必须在凹模底端加上垫板以便把加： 压力均匀分散传递，起到缓冲作用。垫板必须采用模具钢加工。 凸模与凹模：这是挤压模具的工作部分，凸模和凹模承受了 最大的挤压单位压力，应选用具有一定韧性的高强度钢材制造。 为了加强凹模的强度，通常采用预应力组合凹模，可用两层或三 层组合而成。 气缸螺栓保护螺母温挤压模具结构如图4 3 所示。实际生产 用模具如图4 4 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图4 3 气缸螺栓保护螺母复合挤压模具图 1 凸模2 卸料板定位套3 卸料板3 工件5 凹模压盖 6 凹模外套7 凹模8 凹模垫块9 顶杆 图4 4气缸螺栓保护螺母模具 北京交通大学硕士学位论文 4 2 。3 温挤压模具雾鬟蠢囊剐霪 i驽霪 矧矧蓥囊防丕图；蓍燮强蒯裂鬻薹“帑峁；幂剐翻小鞋翱 m 晷；溺埋溺瞬罐希疑瓿艄辎! 精韭南讯鸨萄菲。娟醵两滔托黯 蛙黟刀蛭面_ 考蛳削艮熟：和茧封裂萎臻j 溪 誊龇绁曩雌曲 剃”例虱嘲静串邑荔誊薛鄹，纠籀虽鹞蒸；纯囊雾攀曩萎瓠鲥薷i 嘣j i 诮佶拟再磐r f 臻蹩囊耄囊露璧j 篓薹。i 耋饕非羲 时 。 5 3有限元分析 图5 3 是在不同子步下的凹模应力分布图 x 北京交通大学硕士学位论文 根据气缸螺栓保护螺母的特点，选用第一种凸模结构形式， 并期以改邋，其凸模设计如图4 6 所示，凸模实物如图4 7 所示。 罄4 ，6 气艇蠓栓豢护螺母凸模霞 匿4 。7 气篷臻捡镰妒螺母凸羧 托索变遥大学鞭士学链论文 2 醋横 蹙4 。8 厨示楚常见的挤压鞠摸结稳形式，a 、b 、e 、d 圈种罄 横主臻踊于不霈蘩顼崮装鬻静辚压件，鬻煺予有色金攥揍压。民 f 常用予黑色金籍挤压。 励囫匾 泔 。j ( c ) 。 团匠盟医豳 瞄4 。8 常觅揆疆凹搂缩犄形式 颓瘟力缀合翻横是漫按压模典设计翡关键问题之一。如暴这 个问题解决不好，则往往在商的单位挤压力作用下，发生凹模的 缀向开袈。济悉蠲稹按照鼷蕊颟应力鹩情况分为三释结褥形式； 整髂潮摸、双鼷组合凹模、三屡组会凹模。如图4 9 所示。篡压 台角￥般采用l 。3 0 ，不赢趟过3 。，否劐在使用过程中各霞 会因不密锁丽松脱。醚合蟊必须研黪，其榴互谈舷西秘爱大子等 于7 0 ，才能在整个预应力蓠上施秀嚣有效的应 x 北京交通大学硕士学位论文 2 ) 在已知凹模内腔孔径的祭件下，决定各膳凹模躐径； 3 ) 决定各慧驾模翳径蠢过擞量稻瓣囱压台餮。 实践和理论分析证明，凹模的总煮经比越大，则凹模的强度 随之增加。但在总直径比增加到4 6 以后，在继续加大直径比便 对磬模强度载撬藩没有明基效聚。因此在挤压鞠摸中，总壹经比 的合理范围是4 6 。 设计凹模如图4 1 0 所示。凹模实物如图4 1 l 所示。 口7 r 删 蕊 穸 闲 蕊1萋萋 f 5 ，丰) 秘 1 1 4 1 a ) 北京交通大学硕二b 学位论文 ( b ) 图4 1 0 气缸螺栓保护螺母凹模图 ( a ) 凹模内圈( b ) 凹模外圈 图4 1 l 气缸螺栓保护螺母凹模( 最外圈的为凹模固定螺母) 北京交通大学硕士学位论文 ( 5 ) 坯料的表面处理与润滑：表面处理与润滑越好，许用变形 程度越高。 4 。4 温挤压坯料的确定 挤压件坯料一般选用与挤压件外径接近的坯料，但要考虑到 坯料加热后直径的膨胀，以保证坯料加热后能够放入凹模模腔。 2 0 碳钢的线膨胀系数为1 3 5 1 0 。 坯料的体积可以按照体积不变的假设来计算，它的原则是塑 性变形坯料的体积等于挤压件的体积，因为后续工序有机械加工， 所以可加上适当的余量。根据气缸螺栓保护螺母挤压件图纸，可 选用直径为7 0 m m 的坯料，采用冷拔型钢，也可采用机加工的光 坯。确定坯料为圆柱形，毛皮尺寸为0 7 0 4 3 m m 。如图4 1 2 所示。 图4 1 2气缸螺栓保护螺母挤压件与毛坯 坯料两端面锯切要平齐，采用带锯床下料。 北裘变通太学硪士学位论文 4 。5 温挤压温度的选择 选择溆挤压濑度所考虑的因豢：零件的变形程度、设备状况、 产晶的性畿、尺寸公差和寝面粗糙度的要求。常用温挤压温度范 围如表4 1 瓶示。 表4 1各种材料的常用温挤压温度籀围 耪瓣 瀵耪压遗度(