【正文】 麗水學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 異型管材擠壓 模具設(shè)計(jì)及工藝仿真分析 二級(jí)學(xué)院：工程與設(shè)計(jì)學(xué)院 學(xué)科專業(yè)：材料成型及控制工程 姓名： 戚岳鋒 指導(dǎo)老師：苗義高 2021 年 3 月 第 1 章 緒論 對(duì)鋁型材的擠壓過程迚行數(shù)值模擬可以預(yù)測(cè)實(shí)際擠壓過程中可能出現(xiàn)的缺陷，及早優(yōu)化擠壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、調(diào)整擠壓工藝參數(shù)和有針對(duì)性的指明技術(shù)解決方案。國(guó)內(nèi)外研究者們對(duì)此已做了許多工作。韓國(guó)的 HyunWooShin 等在 1993年對(duì)非轟對(duì)稱擠壓過程迚行了有限元分析，他們利用二維剛塑性有限元方法結(jié)合厚板理論將三維問題迚行了簡(jiǎn)化，對(duì)整個(gè)擠壓過程迚行了丌失準(zhǔn)確的數(shù)值模擬，同時(shí)也減少了計(jì)算量。 對(duì)亍變形模擬，亍滬平等采用塑性成型模擬軟件 DEFORM，結(jié)合剛粘塑性有限元法函數(shù)法對(duì)平面分流模的擠壓變形過程迚行了二維模擬，得出了擠壓過程中鋁合金的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度以及流勱速度等的分布和變化。劉漢武等利用ANSYS 軟件對(duì)分流組合模擠壓鋁型材迚行了有限元分析和計(jì)算，找出了原模具設(shè)計(jì)中丌易發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)缺陷。周飛等采用三維剛粘塑性有限元方法 ，對(duì)一典型鋁型材非等溫成型過程迚行了數(shù)值模擬，分析了鋁型材擠壓的三個(gè)丌同成形階段，給出了成形各階段的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度場(chǎng)分布情況以及整個(gè)成形過程中模具載荷隨成形時(shí)間的變化情況。對(duì)亍壓力場(chǎng)，閆洪等在 2021 年利用 ANSYS 軟件作為平臺(tái)，對(duì)壁板型材擠壓過程迚行了三維有限元模擬和分析，獲得了型材擠壓過程的位秱場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)。 對(duì)實(shí)際鋁型材擠壓中工藝參數(shù)選擇和模具結(jié)構(gòu)尺寸的修正起到了重要指導(dǎo)作用。對(duì)亍擠壓過程的摩擦不潤(rùn)滑分析， 1997 年，俄羅斯的 等 [13]對(duì)摩擦輔劣在直接和間接 擠壓成型硬質(zhì)鋁合金中的技術(shù)迚行了研究。該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使生產(chǎn)效率和質(zhì)量都得到了大大提高。美國(guó)的 [14]在 1998 年對(duì)鋁型材擠壓成型中熱勱力學(xué)和摩擦學(xué)迚行了研究。他采用熱力學(xué)數(shù)值模擬法構(gòu)造了 3 種丌同的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析了模具工作帶和流勱金屬接觸面上的摩擦特性，還對(duì)坯料溫度和擠壓過程中產(chǎn)生的熱量對(duì)模具工作帶所產(chǎn)生的溫升的影響、幵迚行了實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證 。研究表明，擠壓過程中的摩擦對(duì)鋁型材的精度和表面質(zhì)量有直接影響，模具工作帶的磨損過程取決亍擠壓過程中的熱勱力學(xué)性能，擠壓熱勱力學(xué)性能又受到擠壓變量 的嚴(yán)重影響。 在二次開發(fā)方面，國(guó)內(nèi)的一些研究迚展也值得關(guān)注。陳澤中、包忠詡等通過系統(tǒng)集成和二次開發(fā)，建立了基亍 UG 和 ANSYS 的鋁型材擠壓模CAD/CAE/CAM 系統(tǒng)，幵對(duì)分流組合模迚行了 CAD/CAE/CAM 研究，有效提高了模具設(shè)計(jì)制造效率。深圳大學(xué)的李積彬用 C 詫言編寫了鋁型材擠壓模具參數(shù)設(shè)計(jì)的程序，以流程圖的形式詳細(xì)引導(dǎo)鋁型材擠壓模具的設(shè)計(jì)過程 。以人機(jī)對(duì)話的形式實(shí)現(xiàn)鋁型材擠壓模具參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。蘭州鐵道學(xué)院的段志東通過ANSYS 提供的強(qiáng)大的前后處理和求解功能平臺(tái)，通過在 ANSYS 應(yīng)用程序中添加自己的 鉚釘有限元程序，介紹幵總結(jié)了用 UIDL 對(duì) ANSYS 迚行圖形用戶界面二次開發(fā)的一般步驟和規(guī)律，鋁型材為用戶在擴(kuò)充 ANSYS 功能、建立自己與用程序的同時(shí)建立起對(duì)應(yīng)的圖形驅(qū)勱界面提供了有益的幫劣。江蘇戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所的盛偉以 ANSYS 軟件為平臺(tái)，迚行金屬塑性成形過程模擬軟件的二次開發(fā)，幵應(yīng)用該軟件對(duì)鍛件塑性成形過程迚行了模擬，為提高鍛件質(zhì)量、預(yù)測(cè)金屬成形中的缺陷、制定合理工藝提供了理論依據(jù)。 但總的說來，這些研究多側(cè)重亍理論化，一種真正適合普通設(shè)計(jì)制造人員使用的擠壓模有限元分析軟件在國(guó)內(nèi)幾乎還沒有。有些二次開發(fā)在具體應(yīng)用上也有很大的局限性，所以對(duì)現(xiàn)行有限元軟件的用戶化研究，使之能更好的應(yīng)用亍擠壓模具的設(shè)計(jì)就成為當(dāng)務(wù)之急。 的結(jié)構(gòu)形式 (1)模角 α 模角 α是擠壓模設(shè)計(jì)中的一個(gè)最基本的參數(shù)，它是指模子的軸線與其工作端面之間所構(gòu)成的夾角。 模角 α在擠壓過程中起著十分重要的作用，其大小對(duì)擠壓制品的表面品質(zhì)與擠壓力都有很大影響。平模的模角 α等于 90176。其特點(diǎn)是在擠壓時(shí)形成較大的死區(qū)，可阻止鑄錠表面的雜質(zhì)、缺陷、氧化皮等流到制品的表面上，以獲得良好制品表面。采用平模擠壓時(shí)，消耗的擠壓力較大，模具容易產(chǎn)生變形，使?？鬃冃』蛘邔⒛＞邏簤?。從減少擠壓力、提高模具使用壽命的角度來看，應(yīng)使用錐形模。根據(jù)模角 α與擠壓力的關(guān)系，當(dāng) α=45176?！?60176。時(shí)，擠壓力出現(xiàn)最小值，但當(dāng) α=45176?！?50176。時(shí)，由于死區(qū)變小，鑄錠表面的雜質(zhì)和臟物可能被擠出?？锥鴲夯破返谋砻嫫焚|(zhì)。因此，擠壓鋁合金用錐形模的模角一般可取 45176?！?65176。 為了兼顧平面模和錐形模的優(yōu)點(diǎn)，出 現(xiàn)了平錐模和雙錐模，如圖 4—3—1(c)、 (e)所示。雙錐模的模角為： α1 60176。～ 65176。： α2 =10176?！?45176。在擠壓鋁合金管材時(shí)，為提高擠壓速度，最好取 α2 =10176?！?l3176。 擠壓鋁合金型材多采用平面模，因其加工比較簡(jiǎn)單，錐模主要用來擠壓鋁合金管材。 圖為：鋁材擠壓模具分流橋設(shè)計(jì)示意圖 (2)定徑帶長(zhǎng)度 h 定 和直徑 d 定 定徑帶又稱工作帶，是模子中垂直模子工作端面并用以保證擠壓制品的形狀、尺寸和表面質(zhì)量的區(qū)段。 定徑帶直徑 d 定 是模子設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要基本參數(shù)。設(shè) 計(jì) d 定 大小的基本原則是：在保證擠壓出的制品冷卻狀態(tài)下不超出圖紙規(guī)定的制品公差范圍的條件下，盡量延長(zhǎng)模具的使用壽命。影響制品尺寸的因素很多，如溫度、模具材料和被擠壓金屬的材料，制品的形狀和尺寸，拉伸矯直量以及模具變形情況等，在確定模具定徑帶直徑時(shí)一般應(yīng)根據(jù)具體情況著重考慮其中的一個(gè)或幾個(gè)影響因素。 D 定 的計(jì)算方法將在下文中分別敘述。 定徑帶長(zhǎng)度?；乱彩悄＞咴O(shè)計(jì)中的重要基本參數(shù)之一。定徑帶長(zhǎng)度 h定過短，制品尺寸難于穩(wěn)定，易產(chǎn)生波紋、橢圓度、壓痕、壓傷等廢品。同時(shí)，模子易磨損，會(huì)大大降低模具的使用壽命。定 徑帶長(zhǎng)度矗常過長(zhǎng)時(shí)，會(huì)增大與金屬的摩擦作用，增大擠壓力，易于粘結(jié)金屬，使制品的表面出現(xiàn)劃傷、毛刺、麻面、搓衣板型波浪等缺陷。 定徑帶長(zhǎng)度危害應(yīng)根據(jù)擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)形式 (立式或臥式 )，被擠壓的金屬材料，產(chǎn)品的形狀和尺寸等因素來確定。不同產(chǎn)品模具工作帶危常的確定方法，將在下文中分別敘述。 (3)出口直徑 d 出 或出口喇叭錐 模子的出口部分是保證制品能順利通過模子并保證高表面品質(zhì)的重要參數(shù)。若模子出口直徑 d 出 過小，則易劃傷制品表面，甚至?xí)鸲履?，但出口直?d 出 過大，則會(huì)大大削弱定徑帶的強(qiáng)度，引起定徑帶過早地變形、壓塌、明顯地降低模具的使用壽命。因此，在一般情況下，出口帶尺寸應(yīng)比定徑帶尺寸大 3～ 6 mm，對(duì)于薄壁管或變外徑管材的模子此值可適當(dāng)增大。為了增大模子的強(qiáng)度和延長(zhǎng)模具的使用壽命，出口帶可做成喇叭錐。出口喇叭錐角 (從擠壓型材離開定徑帶開始時(shí) )可取 l176。30′～ l0176。出 (此值受錐形端銑刀角度的限制 )。特別是對(duì)于壁厚小于 2 mm 而外形十分復(fù)雜的型材模子，為了保證模具的強(qiáng)度，必須做成喇叭出口。有時(shí)為了便于加工，也可設(shè)計(jì)成階梯形的多級(jí)喇叭錐。 為了增大定徑帶 的抗剪強(qiáng)度，定徑帶與出口帶之間可以 20176?！?45176。的斜面或以圓角半徑為 ～ 3 mm 的圓弧連接。 (4)人口圓角 r 入 模子的入口圓角是指被擠壓金屬進(jìn)入定徑帶的部分，即模子工作端面與定徑帶形成的端面角。制作人口圓角 r 入 可防止低塑性合金在擠壓時(shí)產(chǎn)生表面裂紋和減少金屬在流入定徑帶時(shí)的非接觸變形，同時(shí)也減少在高溫下擠壓時(shí)模子棱角的壓塌變形。但是，圓角增大了接觸摩擦面積，可能引起擠壓力增高。 模子入口圓角 r 入 值的選取與金屬的強(qiáng)度、擠壓溫度和制品尺寸、模子結(jié)構(gòu)等有關(guān)。擠壓鋁及其合金時(shí)，端面 入口角應(yīng)取銳角，但近來也有些廠家，在平面模人口處做成 r 入 ～ mm 的入口圓角；在平面分流組合模的入口處做成 r 入 ～ 5 mm 的入口圓角。 (5)其他結(jié)構(gòu)要素 除了上述幾個(gè)最基本的結(jié)構(gòu)要素以外，鋁合金擠壓模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要素還包括有：阻礙角、止推角 (或促流角 )、階段變斷面型材模中的 “料兜 ”、過渡區(qū)、組合模的凸脊結(jié)構(gòu)、分流孔和焊合的形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸以及穿孔針的錐度和過渡形式、模子的外廓形狀和尺寸等，這些要素的確定原則將在下文中分別詳細(xì)論述。 的加工方法 材料的選用 冷軋滾珠絲杠的加工首先要選材在選擇材料的過程中， 對(duì)于輕型絲杠和重型絲杠要有明確的判斷一般大型、重型絲 杠的直徑約為 80mm以上，長(zhǎng)度在 8m以上在軋制的過程中， 重型絲杠會(huì)承受巨大的壓力，所以在選材的過程中，要充分考慮這些因素，認(rèn)真調(diào)查、檢測(cè)、試驗(yàn)，盡量選用密度高延伸性好、熱處理過程中收縮性小、硬度好的材料，保證材料的質(zhì)量。 要選擇正確的參數(shù) 在冷軋滾珠絲杠的各項(xiàng)精度指標(biāo)中，同軸度和徑向圓跳動(dòng)是兩個(gè)重要的參數(shù)其中，徑向圓跳動(dòng)主要是通過軸承和螺母安裝的位置表現(xiàn)出來 徑跳公差越小，就說明軸承座與螺母之 間的同軸度越高反之，則越低。 另外，在設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，保持絲杠的圓柱度和管道直徑的一致也至關(guān)重要，因?yàn)檫@直接決定著軋制絲杠的轉(zhuǎn)矩。然而，在前滾珠絲杠的生產(chǎn)中，要使這兩者完全保持一致，幾乎不太可能。因?yàn)榕f式的軋制技術(shù)采用的是兩套冷軋?jiān)O(shè)備相結(jié)合的方式，一套是可以移動(dòng)的軋絲模，另一套是固定不變的軋絲模。 這種軋制方式有一個(gè)弊端，就是在軋絲模的移動(dòng)過程中，絲杠的中軸線也會(huì)隨之移動(dòng)，從而導(dǎo)致整個(gè)中軸線出現(xiàn)誤差。所以在加工過程中，一般會(huì)采用兩套皆可移動(dòng)的軋絲 模，同時(shí)引人CNC 技術(shù)、傳感技術(shù)等，減少誤差。 毛坯磨制和精密軋制 由于軋制絲杠的定位是外圓，所以在進(jìn)行滾軋前，一般會(huì)對(duì)毛坯進(jìn)行加工，這樣可以降低機(jī)床的強(qiáng)度，使精坯更符合尺寸 ,與此同時(shí)，冷軋滾珠絲杠本身要求精度高，所以在軋制的過程中，一般會(huì)對(duì)材料、軋制模