挤压工艺优化方案

第一章坯料及挤压工艺参数设计

1.1选择坯料

I引112rn=±・【5

坯料直径确实定

已知挤压制品为黄铜棒(DIN_CuZn40Pb2),规格为中18mm。由表7-1⑴，查得黄铜

日勺挤压比为4=10〜300,取4=65,则可得

；产。叫2

2

Fx*D,

Do==V65xl8=l45mm

其中，F0——挤压筒横断面积；耳——制品横断面积；Di)——挤压筒内径；。——制品

直径。

为了便于把热态锭坯顺利送入挤压筒，必须使两者的直径差控制在1〜15mm范围。再

由表7-12⑴，选用卧式挤压机，则取直径差AD=5mm。因此坏料的直径为

Dp=Do-A£)=145-5=140mm

1.1.2坯料长度确实定

对于重金属棒型材锭坯最大长度(ax=(2~3.5)0。⑴,则有

Lmax=(2~3.5)。0=(2~3.5)x145=290~508mn

取坯料H勺长度4ax=300mm。

1.2设计挤压工艺参数

1.2.1摩擦系数确实定

根据设计规定、所选工模具和坯料材料以及挤压温度，设定挤压垫与坯料之间、挤压

筒与坯料之间、挤压模与坯料之间的摩擦系数都为03。

1.2.2挤压速度确实定

热挤压容许口勺挤压速度与金属再结晶和塑性区的温度范围有关，当变形和再结晶速度

不协调或金属与模壁有大内摩擦时，挤压件将出现横向裂纹，因此挤压速度口勺选用要有一

定范围。由表2-31⑵，查得黄铜日勺容许挤压速度为25〜51mm.s-l本设计挤压速度取为

40mm$70

1.2.3工模具预热温度

工模具温度过低，坯料与挤压工模具间的温差则较大，会产生较大日勺热传递，从而使

坯料日勺温度分布不均匀，金属外层变形抗力高于内层，这势必导致流动不均匀，最终影响

成品棒日勺性能。因此挤压模具要进行预热，由于工模具的预热温度一般最高可到达450℃,

取为400℃。

挤压杆进行挤压筒的I距离，本设计取4=7.5mm。

挤压筒长度可按下式进行计算

L,•=lllLdA+L/,I+/-Ar=300+40+7.5-2.5=345nin

挤压筒口勺内径是根据所要挤压合金的强度、挤压比和挤压机能确定的。挤压筒的最大

直径应保证作用在挤压垫上口勺单位IE力不低于金属的变形抗力。显然，筒径越大，作用在

挤压垫上的单位压力越小,挤压筒的内径第一章已算得，为=145mm

挤压筒日勺外径可按2=(4〜5)QJ1计算，即

"=(4〜5)〃)=(4〜5)x145=580〜725nm

取挤压筒外径。=&X)mm。

2.3挤压模设计

挤压模可以按照不一样的特性进行分类，根据模孔的剖面形状可分为平模、流线模、

双锥模、锥模、平锥模、碗形模和平流线模七种。其中最基本日勺和使用最广泛内是平模和

锥模。本设计采用的为锥模。

2.3.1模角a确实定

模角a是模子日勺最基本的参数之一。它是指模子的轴线与其工作端面间所构成H勺夹角。

锥模日勺最佳模角为45。~60。？在此范围内的J挤压力最小。本设计取模角。=45，

2.3.2定径带长度。确实定

定径带是用以稳定制品尺寸和保证制品表面质量的关键部分。倘若定径带过短，则模

子易磨损，同步会压伤制品表面导致出现压痕和椭圆等缺陷。不过，假如工作带过长，又

极易在其上粘结金属，使制品表面上产生划伤、毛刺、麻面等缺陷。本设计取L=50mm。

2.3.3定径带直径d,确实定

模子工作带直径与实际所挤出的制品直径并不相等。在设计时应保证制品在冷状态下

不超过所规定的偏差范围，同步又能最大程度地延长模子的有效期限。一般是用裕量系数

G来考虑多种原因对制品尺寸的影响。G可查表5-1L查得£=0.014~0.0160本设计取

C.=0.016o则挤压棒材的模孔直径可按下式进行计算。

=(1+C,)JW=(l+0.016)xl8=18.3mm

式中，4“——棒材名义直径。

234出口直径《确实定

模子的出口直径一般应比工作带直径大3~5mmi因过小会划伤制品的表面，则有

4=&+(3~5)=18.3+(3~5)=21.3~23.3mm

本设计取4=22mm。

2.3.5出口长度《确实定

模子的厚度”值近年来趋向于减薄，其强度重要靠模垫和其他支撑环来保证。不过，

从提高模子刚度和减轻弹性变形方面考虑，H值又应增大。一般根据挤压机能力H勺大小取

〃值分别为20、25、30、40、50、70和100mm⑴。由于本设计定径带长度跟圆锥部分的J轴

向长度之和不小于100mm,因此无法按原则取值。本设计直接规定出口长度/5=25mm。

2.3.6入口圆角半径〃确实定

入口圆角半径一日勺作用是为了防止低塑性合金在挤压时产生表面裂纹和减轻金属在进

入工作带时所产生的非接触变形，同步也是为了减轻在高温下挤压时模子的入口棱角被压

颓而很快变化模孔尺寸用内。

入口圆角半径一值得选用与金属口勺强度、挤压温度和制品的尺寸有关。对于黄铜，厂

值取2〜5mmL本设计取入口圆角半径〃=5mm。

2.3.7模子外圆直径D,确实定

模子的外圆直径重要是根据其强度和原则系列化来考虑的。它与所挤压的型材类型、

难挤压日勺程度及合金日勺性质有关。一般挤压制品的最大外接圆直径。心派等于挤压筒内径

4H勺0.8〜0.85倍⑴，即

amax=(68~0.85)D0=(0.8~0.85)x145=116~123mm

取亿碎=120mm。

根据经验，对棒材、管材、带材和简朴的型材，模子外径等于最大外接圆直径的

1.25~1.35倍⑴,即为

3=(1.25-1.35)Dlimax=(1.25~1.35)x120=150〜174ml

取模子外径D2=170min。

第三章设计方案的制定

3.1设计参数的选择

本组选择的设计参数为坯料的挤压温度。供选择的挤压温度范围是530〜650℃。我们

对温度进行了分派，每个人完毕其中H勺一种温度值对应的设计方案。我所选择向温度值为

530Co

3.2制定设计方案

本组设计方案分派状况见表3-1o

表3-1设计方案分派

设计方案12345678

温度（℃）530550570580600610630650

结合前面坯料、挤压工艺参数、工模具构造参数日勺设计，运用AUTOCAD绘制出坯

料、挤压模、挤压垫、挤压筒的几何实体。再运用DEFORM软件对所选设计方案进行数

值模拟。最终本组共享彼比的设计数据，通过共同讨论、分析设计成果，得出设计结论。

详细口勺设计过程及数据分析见背面章节。

第四章设计过程与环节制定

4.1几何实体的绘制

根据前面坯料和工模具构造参数日勺设计，运用AUTOCAD分别绘制坯料、/压模、挤

压垫、挤压筒的几何实体，文献名称分别为extrusionworkpiece,extrusiondie,extrusion

dummyblock,extrusionchamber,输出STL格式。

4.2制定DEFORM模拟过程

定义对象日勺材料模型

先添加对象并更更名称，再定义它们的材料模型。在对象树上选择extrusion

workpiece—•点击General按钮-＞由于•坯料为被挤压的I对象，可视为塑性体，因此选中Plastic

选项；点击AssignTemperature按钮一填入坯料挤压温度为530℃。在对象树上选择extrusion

dummyblockf点击General按钮-由于挤压工模具都视为刚体，因此选中Rigid选项；点

击AssignTemperature按钮-＞填入挤压工模具日勺预热温度为400C；由于挤压垫是积极工具，

因此勾选PrimaryDie选项。如此反复，定义其他工模具的材料模型，由于它们都是相对静

止,因此不勾选PrimaryDie选项。

实体网格化

在对象树上选择extrusionworkpiece—点击Mesh—＞选择DetailedSettingsGeneral

选项卡•点击Absolute,SizeRatio改为1.5,ElementSizeMinElementSize,最小单元

格长度应为接触部分工模具最小尺寸H勺1/2~1/3,木设计最小尺寸为入口圆角半径，为

5mm，故最小单元格长度设为2mmt■点击SurfaceMesh，生成表面网格一点击SolidMesh

生成实体网络。

模拟控制设置

点击SimulationControl按钮fMain按钮T•由于•本设计既要考虑变形又要考虑热传

导，因此勾选“Heattransferv和“Deformation”选项。点击Step按钮—>■本设计模拟步数

取100步，在NumberofSimulationSteps栏中填入模拟步数为100；本设计由于模拟步数

比较多，因此分5步保留一下，在St叩IncrementtoSave栏中填入5；在PrimaryDie栏中

选择extrusiondummyblock；由于距离步长应为最小单元格长度的1/2~1/3,经计算距离步

长设为1mm,因此在WithDieDisplacement栏中填入1。点击Slop按钮->由于本设计坏料

压下量需基本一致，这样各组数据才有可比性，而压下量为45mm时挤压力所对应日勺载荷

图己经有一段较长的沿水平方向上下波动较小折线，阐明这段步长所时应日勺挤压力已趋于

稳定，因此在PrimaryDieDisplacement的Y方向背面的空格中填入45,设置挤压H勺终止

条件。

设置对象材料属性

在对象树上选择extrusionworkpiecef点击Material选项-点击other->■本组统一选择

DIN-CuZn40Pb2[i020-1740F(550-750C)]。

设置积极工具运行速度

在对象树上选择extrusiondummyblock7■点击MovementT■在type栏上选中Speed选项

一在Direction选中积极工具运行方向为Yf在speed卡上选中Define选项，其性质选为

Constant,根据前面工艺参数的设计，挤压速度填40mm/s。

设置坯料边界条件

由于本设计采用四分之一，因此要设置对称面。选中物体extrusionworkpiece一单击

Bdry.Cnd按钮-＞选中Symmetryplane图标f然后分别选中坯料的对称面f单击添加按钮。

由于本设计只要考虑挤压工模具内部的各参数变化状况，可以不用考虑坯料出了挤压工模

具与环境的热互换，因此就没有设置热传导边界条件。

工件体积赔偿

为了在计算和网格重划分的时候考虑到网格日勺目日勺体积，自动赔偿体积损失，需要设

置体积赔偿参数。在对象树上选择extrusionworkpiecef点击Property-＞在TargetVolume

卡上选中ActiveinFEM+meshing选项一＞点击CalculateVolume按钮。

边界条件定义

在工具栏上点击Inler-Objecl按钮—在对话框上选择extrusionworkpiece—extrusion

dummyblockf点击Edit按钮-＞点击Deformation卡Friction栏上选中Shear和Constant选

项，由前面工艺参数『、J设计，填入摩擦系数为0.3-＞点击Thermal'选中Constant选项，

选择传热类型为Forming：＞如此反复，依次设置其他接触关系。点击Generateall按钮，

生成所有接触关系。再点击Tolerance按钮，定义坯料和工模具互相嵌入的深度，以更快

地进入接触状态，节省计算时间。

生成库文献

在工具栏上点击Databasegeneration按钮-＞在Type栏选中New选项-选择途径一填

入数据库文献名stickextrusionf点击Check按钮t假如有错误信息则到前面修改对应环

节；没有错误信息则点击Generate按钮生成库文献。

第五章挤压成形CAE分析

5.1温度对挤压力日勺影响

5.1.1模拟数据时提取与处理

分别提取8个方案的变形工具加载曲线图并保留图形文献。在后处理中观测各个方案

加载曲线到达稳定阶段的起始步数，导出载荷曲线图内的数据，并提取从稳定阶段H勺起始

步数到最终终止步数日勺数据，输入SPSS记录软件中，计算各方案稳定阶段挤压力H勺平均

值，列于表5-1中。

表5-1各方案挤压力的平均值

方案12345678

温度(C)530550570580600610630650

挤压力

4.524.463.873.783.7()3.402.652.38

(MN)

5.1.2模拟数据日勺分析

运用SPSS记录软件对挤压力和温度之间日勺关系进行线性拟合。选择线性(Linear)模

型，二次项(Quadratic)模型,三次项(Cubic)模型，幕(Power)模型，指数(Exponential)

模型,复合(Compound)模型,生长(Growth)模型,对数(Logarithmic)模型，S(S)

模型，逆(Inverse)模型，逻辑(Logislic)模型进行记录，其成果见图5・1。

oOkyseived

------Linear

—LogarRhmic

—Inverse

------Quadratic

-•Cubic

-----Composd

——Power

------S

一—Growth

Exponential

抗

__Logistic

乐

力

(

M

N

)

表5-2挤压力模型成果表

ModelSummaryandParameterEstimates

DependentVariable:挤压力

ModelSummaryParameterEstimates

EquationRSquareFdfl1112Sig.ConsUnlblb2b3

Linear.945103.38516.00014.515-.019

I.ogurilliinic.93687.48916.00072.684-10.832

Inverse.92573.76916.000-7.1456310.518

Quadratic.96568.69525.000-10.933.068-7.34IE-5

Cubic.96568.73425,0002.390.0004.235E-5-6.540E-8

Compound.91464,15816.00087.541.995

Power.90054.16016.0002.256E9-3.180

S.88545.96416.001-1.8861846.958

Growth.91464.15816.0004.472-.005

Exponcnlial.91464.15816.00087.541-.005

Logistic.91464,15816.000.0111.005

Theindependentvariableis温度.

从表5-2中可以看出，二次项和三次项的鉴定系数叱（是回归方程拟合优度日勺反应，它

oObserved

-------Cubic

日勺大小直接反应了回归方程的明显程度，其值越靠近1,拟合效果越好）均为（）.965,其值

相对较靠近1,本设计选用三次项模型曲线作为温度与挤压力之间日勺关系曲线，将其单独

画在图5-2中。

由图5-2可以看出，随挤压温度的升高，挤压力随之减少。这是由于变形温度对挤压

力的影响，是通过变形抗力的大小反应出来的。一般来说，伴随变形温度的升高，金属日勺

变形抗力下降，因此挤压力减少。

5.2温度对等效应力的）影响

5.2.1模拟数据日勺提取与处理

在后处理里，选择对象树里日勺extrusionworkpiece。点击Summary按钮，在弹出时对

话框选择DeformationT•选择Stress选项卡t•点击Effective背面的生成所有步最大和最小

等效应力曲线的按钮，保留曲线，同步导出各个曲线图内的数据，从中找出进入稳定阶段

H勺时间点，提取该点到最终终止步数之间日勺数据，输入SPSS记录软件中，计算各方案此

阶段口勺等效应力最大值的平均值，列于表5-3中。

表5-3各方案等效应力的最大值

方案12345678

温度(℃)53055()570580600610630650

等效应力

671.66645.91519.57466.58453.76444.21439.05378.50

(MPa)

5.2.2模拟数据的分析

运用SPSS记录软件对等效应力和温度之间的关系进行线性拟合。选择线性(Linear)

模型，二次项(Quadratic)模型,三次项(Cubic)模型，察(Power)模型，指数(Exponential)

模型，复合(Compound)模型，生长(Growth)模型，对数(Logarithmic)模型，S(S)

模型，逆(Inverse)模型，逻辑(Logistic)模型进行记录，其成果见图5-3。

OObserved

------Lnear

-----Logaritbvn»c

-Inverse

------Quadratic

--Cubic

—Compound

------Power

------S

-"Growth

等------Exponential

效------Logistic

应

力

(

M

P

a

)

厉1ur2大4U.4＜、1人4G3、附

表5-4等效应力模型成果表

ModelSummaryandParameterEstimates

DependentVariable:等效应力

ModelSummaryParameterEstimates

EquationRSquareFdfldf2Sig.Constantblb2b3

Linear.87441.44416.0011925.620-2.412

Logarithmic.88747.19816.00()9621.991-1429.835

Inverse.89953.59216.000-933.374843628.657

Quadratic.93536.19725.0018033.170-23.201.018

Cubic.93536.19725.0018033.170-23.201.018.000

Compound.90456.30416,0007773.531.995

Power.91363.23516.0002.219EI0-2.763

S.92170.26216.0003.4341626.160

Growth.90456.30416.0008.958-.005

Exponential.90456.30416.0007773.531-.005

Logistic.90456.30416.000.0001.005

Theindependentvariableis温度.

从表5-4中可以看出，二次项和三次项的鉴定系数代均为0.935,其值相对较靠近1,

本设计选用三次项模型曲线作为温度与等效应力之间口勺关系曲线，将其单独画在图5-4中。

OObserved

-----Cubic

a

应

力

(

M

£

原1q4迫由匕笺油出小辛女曲次

由图5-4可以看出，伴随挤压温度的升高，等效应力随之减少。这是由于随温度的升

高，原子动能增大，原子间结合力减弱，产生滑移时的临界分切应力下降，屈服极限减少;

并且随温度的升高，金属答复与再结晶作用增强，抵消了加工硬化所引起的应力上升，因

此坯料进行塑性变形时的等效应力减少。

5.3温度对等效应变的影响

5.3.1模拟数据的提取与处理

在后处理里，选择对象树里的extrusionworkpiece。点击Summary按钮，在弹出的对

话框选择Deformationf选择Strain选项卡f点击Effective背面的生成所有步最大和最小

等效应力曲线的按钮，并导出数据文献。提取出稳定阶段的一段数据，并将数据输入SPSS

记录软件中，计算各方案比阶段日勺等效应变最大值的平均值，列于表5-5中。

表5-5各方案等效应变的最人值

方案12345678

温度(℃)530550570580600610630650

等效应变

12.7314.1514.9815.5514.8113.9413.3112.94

(mm/mm)

5.3.2模拟数据的分析

运用SPSS记录软件对等效应变和温度之间的关系进行线性拟合。选择线性(Linear)

模型,二次项(Quadratic)模型,三次项(Cubic)模型，累(Power)模型,指数(Exponential)

模型，复合(Compound)模型，生长(Growth)模型，对数(Logarithmic)模型，S(S)

模型，逆(Inverse)模型，逻槌(Logistic)模型进行记录，其成果见图5-5。

。Observed

------Linear

------Logarithmic

—Inverse

-----Quadratic

—Cubic

------Compound

等

------Power

效

-—S

hx--Growth

变------Exponential

(■Luyhliu

l

3

m

)

表5-6等效应变模型成果表

ModelSummaryandParameterEstimates

DependentVariable:等效应变

ModelSummaryParameterEstimates

EquationRSquareFdfldf2Sig.Constantblb263

Linear.029.18116.68516.598-.004

Logariihmic.021.12616.73527.616-2.127

Inverse.013.08116.78612.3471001.112

Quadratic.80810.49025.016-194.872.715.0(X)

Cubic.7969.76125.019-123.587.354.0(X)-3.420E-7

Compound.028.17016.69516.7101.000

Power.019,11616.74535.455-.145

S.012.07316.7972.52567.635

Growth.028.17016.6952.816.000

Exponential.028.17016.69516.710.000

Logistic.028.17016.695.0601.000

Theindependentvariableis温度.

从表5-6中可以看出，二次项的鉴定系数店为0.808,其值相对较靠近1,本设计选用

二次项模型曲线作为温度与挤压力之间的关系曲线，将其单独画在图5-6中。

OObserved

-----Quadratic

冲

效

2

变

B

m

/

m

m

)

观测8个方案中所有步数的等效应变分布状况，可以看出，每一步日勺最大等效应变基

本都分布在坯料进入定径带阶段，并旦每一种方案的等效应变最大值的最大值出目前最终

一步。观测图5-6,可以看出随挤压温度上升，坯料的延伸率增大，因此等效应变随之增

长；当温度超过580℃时，由于晶粒过度长大，延伸率开始下降，因此等效应变随之减小。

5.4温度对破坏系数的影响

5.4.1模拟数据的提取与处理

在后处理里，选择对象树里日勺extrusionworkpiece。点击Summary按钮，在弹出的对

话框选择Deformationf选择Mise选项卡-＞点击Damage背面口勺生成所有步最大和最小等

效应力曲线的按钮，并导出数据文献。提取出稳定阶段的一段数据，并将数据输入SPSS

记录软件中，计算各方案比阶段的破坏系数最大值的平均值，列于表5-7中。

表5-7各方案破坏系数的最大值

方案12345678

温度(℃)530550570580600610630650

破坏系数1.331.892.272.362.462.482.492.58

5.4.2模拟数据的分析

运用SPSS记录软件对破坏系数和温度之间的关系进行线性拟合。选择线性(Linear)

模型,二次项(Quadratic)模型,三次项(Cubic)模型，二(Power)模型,指数(Exponential)

模型，复合(Compound)模型，生长(Growth)模型，对数(Logarithmic)模型，S(S)

模型，逆(Inverse)模型，逻槌(Logistic)模型进行记录，其成果见图5・7。

OObserved

------Linear

------LogaiChmic

—inverse

-----Quadratic

••Cubic

Compound

------Power

------S

-"Growth

------Expor>ential

------Logistic

囱＜砒+H至科州A出i蛙囱

表5-8破坏系数模型成果表

Mode!SummaryandParameterEstimates

DependentVariable:破坏系数

ModelSummaiyParameterEstimates

EquationRSquareFdfldf2Sig.Constantblb2b3

Linear.76219.23316.005-3.160.009

Logarithmic.78722.12516.003-32.6015.462

Inverse.81025.62216.0027.761-3248.281

Quadratic.97082.11725.000-48.616.164.000

Cubic.97082.11725.000-48.616.164.000.000

Compound.70414.2671