Deform模拟实验报告

第一章挤压模具尺寸及工艺参数的制定
1.1实验任务
已知：空心坯料Φ90×25mm，材料是黄铜（DIN－CuZn40Pb2），内径与挤压针直径相同。

所要完成成品管直径26mm，模孔工作带直径36mm，模孔出口带直径46mm。

完成如下操作：
（1）根据所知参数设计挤压模具主要尺寸和相关工艺参数，并运用AUTOCAD(或Pro/E)绘制坯料挤压过程平面图。

（2）根据所绘出的平面图形，在三维空间绘出三维图。

并以STL格式分别输出各零件图形，并保存。

（3）运用DEFORM-3D模拟该三维造型，设置模拟参数，生成数据库，最终完成模拟过程。

1.2挤压温度的选取
挤压温度对热加工状态的组织、性能的影响极大，挤压温度越高，制品晶粒越粗大，挤制品的抗拉强度、屈服强度和硬度的值下降，延伸率增大。

由于黄铜在730℃时塑性最高，而在挤压过程中由于变形、摩擦产热使配料温度升高，若把黄铜预热到730℃，坯料可能超过最佳塑性成型温度，所以选取坯料初始温度为500℃。

挤压筒、挤压模具也要预热，以防止过大的热传递导致金属温度分布不均，影响制品质量，预热温度与坯料温度不能相差太大，故选取为300℃。

挤压速度的选取
挤压速度对制品组织与性能的影响，主要通过改变金属热平衡来实现。

挤压速度低，金属热量逸散较多，致使挤压制品尾部出现加工组织；挤压速度高，锭坯与工具内壁接触时间短，能量传递来不及，有可能形成变形区内的绝热挤压过程，使金属的速度越来越高，导致制品表面裂纹。

而且在保证产品质量和设备能量允许的前提下尽可能提高挤压速度。

根据挤压流程可计算得挤压比为λ=13，故挤压垫速度为为1.5 mm/s。

第二章工模具尺寸
2.1 挤压筒尺寸确定
2.1.1考虑坯料挤压过程中的热膨胀，取挤压筒内径为mm；
2.2.2挤压筒外径为，故挤压筒外径为mm；
2.2.3挤压筒长度
(2-1)
式中：—锭坯最大长度，对重金属管材为；
—锭坯穿孔时金属增加的长度；
—模子进入挤压筒的深度；
—挤压垫厚度。

由于金属的内径与挤压针的直径相等，则锭坯穿孔时金属增加的长度L=0，改例中模子进入挤压筒的深度t=0，挤压垫厚度s=5mm
mm
模子尺寸设计
模子的外形尺寸
模子的外圆直径和厚度主要是根据其强度和标准系列化来考虑的。

它与挤压的型材类型和难挤压的程度及合金的性质有关。

一般所挤压的材料的外接圆最大直径等于挤压筒内径的倍，故mm。

对管材，模子的外径，故模子外径为mm。

从提高模子的厚度和减轻弹性变形方面考虑，H由挤压机能力的大小选取，一般为20、25、30、40、50、70和100mm，取模子的高度mm。

模角
因为平模的挤压力较大，特别在挤压高温和高强度的合金时，模孔会因塑性变形而变小，所以选择锥模。

锥模的最佳模角为，在此范围内的挤压力最小，而且在挤压有色金属时常采用，故选取锥角为。

工作带长度
工作带又称为定径带，是用以稳定制品尺寸表面质量的关键部分。

由实践知道，挤压黄铜时工作带的长度取mm，故取工作带长度为mm。

工作带直径
根据尺寸偏差、冷却收缩量、模孔尺寸的变化确定其数值，工作带直径为
(2-2) 式中：—棒材名义直径；
—裕量系数，一般黄铜取。

mm
出口直径
模子的出口直径一般应比工作带直径大mm，因过小会划伤制品表面。

故出口直径取为41mm。

2.2.6 入口圆角半径
入口圆角半径r的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，同时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改变模口尺寸用的。

入口圆角半径r值的选取与金属的强度、挤压温度和制品的尺寸有关，对于黄铜取mm，故取。

.
挤压垫尺寸设计
挤压垫是用来防止高温的锭坯直接与挤压杆接触，消除其端面磨损和变形的工具。

该设计中已知挤压垫厚度为5mm,直径为90mm。

挤压杆尺寸设计
挤压杆是用于传递主柱塞压力的，它在挤压时承受很大的压力，由本工艺流程可知是采用正向挤压管材。

挤压杆的外径取决于挤压筒内径的大小，对立式挤压机比挤压筒内径小mm，故挤压杆外径为92 mm，并取其长度为400 mm。

根据以上数据，在PRO\E、UG环境下绘出平面，填充各个剖切面，平面图如图2-1，由下图可以清晰地看出挤压各工模具的装备位置，也可以看出采用的是正向挤压管材工艺。

图2-1黄铜管挤压过程平面图
第三章数值模拟
根据平面图利用UG（PRO\E）进行三维造型。

DEFORM-3D默认每点坐标为正值，故在三维造型时应保证在各坐标轴的正方上，且保证各零件准确对位，造型使用坐标定位。

挤压模中各倒角设置为半径为3mm，本步主要运用了实体圆柱，圆锥造型。

将三维图中的各个零件分开保存，并将每个零件以STL格式输出，并分别命名为middle die,bottom die,top die,wick,workpiece。

运用DEFORM-3D进行成型模拟，主要分为三步，即前处理，模拟运算，后处理。

DEFORM前处理过程（Pre Processer）
1.建立新问题：程序→DEFORM软件→File→New Problem→Next→在
Problem Name栏中填写“jy”→Finish→进入前处理界面。

2.添加对象：点击按钮添加对象，依次为“workpiece”,“top die”,“bottom die”,“object 4”，在Object Name栏中填入pl→点击Change 按钮→点击geometry→点击→选择pl实体文件→打开；重复操作，依次添加jyd ,jyt, jyz 。

3.定义对象的材料模型：在对象树上选择pl→点击General按钮→选中Plastic选项（塑型）→点击Assign Temperature按钮→填入温度，如500（本组温度500）→点击OK按钮→在对象树上选择jyd→点击General按钮→选中Rigid选项（刚性）→点击Assign Temperature按钮→填入温度，如300（本组温度300）→点击OK按钮→勾选Primary Die选项（定义为jyd为主动工具）→如此重复，定义其它工模具的材料模型（不勾选Primary Die选项）。

4.高速对象位置关系：在工具栏点击Object Positioning按钮进入对象位置关系调整对话框→根据挤压要求及实体造型调整相互位置关系→点击OK按钮完成。

5.划分网格：选中对象树中的“pl”对象，使之高亮显示，打开对话框，在“Number of Elements”输入栏中，输入“8000”，单击Preview按钮，预览毛坯对象网格划分是否理想，如果网格达到要求，则单击Generate Mesh按钮，生成网格。

6.定义材料：选中对象树中的“pl”对象，使之高亮显示，打开General对话框，在“Material”栏中，选择other中的材料，然后单击按钮，完成材料数据输入。

7.工件体积补偿：在对象树上选择pl→点击Property→在Target Volume 卡上选中Active选项→点击按钮→点击Yes按钮→勾选Compensate during remeshing
8.设置主动工具运行速度：选中对象树中的“jyd”对象，使之高亮显示，打开Movement→在speed/force选项卡的type栏上选中Speed选项→在Directiont选中主动工具运行，如-Y（本组驻动工具运动方向为+X）→在speed 卡上选中Define选项，其性质选为Constant,填入数度值(本组数值为1.5mm/s)
9. 模拟控制设置：点击按钮→点击Step按钮→在Number of Simulation Steps栏中填入“50”(模拟步数)→Stemp Increment to Save栏中填入“2”(每隔2步就保存模拟信息)→在Primary Die栏中选择“2-jyd”(以挤压垫为主动工具) →在With Constant Time Increment栏中填入“0.5”(步长)→点击Stop按钮→在Primary Die Displacement栏的X方向输入“25”（挤压终止时的长度）→点击“OK”按钮完成模拟设置。

10.边界条件定义：在工具栏上点击Inter-Object按钮→在对话框上选择jyd-pl →点击Edit按钮→点击Deformation卡Friction栏上选中Shear和Constant选项，选择摩擦类型如Warm forming→点击Thermal→选中Constant选项，填入传热系数→点击Close按钮→如此重复，依次设置其它接
触关系→点击Generate all按钮点击tolerace按钮→点击OK按钮完成边界条件设置。

11.生成数据库:单击按钮，在出现的窗口中，单击Check按钮，开始对各项数据进行检查。

若显示Datebase can be generated，则表示检查无误，再单击Generate按钮生成数据库。

单击Close按钮，退出该窗口。

模拟运算
在主控程序界面上，单击项目栏中的jy,db文件→单击Run按钮→单击Start →单击Summary,Preview,Message,Log按钮可以观察模拟运行情况。

后处理
模拟运算结束后，在主控界面上单击stick extrusion文件→在Post Processor栏中单击DEFORM-3D_Post按钮，进入后处理界面。

观察后处理结果。

第四章数据分析
观察温度变化
后处理中在状态变量的下拉菜单中选择
Temperature,点击播放按钮,观看成型过程中温度变化情况，截取其中一步的温度变化图,如图4-1所示。

从下图可以看出，中心温度分布较均匀且较高，这是因为工件中心不与挤压模具和空气相接触，热量散失与热传递都很小。

同时在整个挤压过程中，远离挤压垫一端的温度最高，而与挤压垫相接触的一端温度最低，主要是由于在挤压过程中与挤压垫接触的一端存在着热交换，使温度低，不接触的一端在整个过程中金属流动较激烈，且因散热不好和时间短，温度较接触端图4-1 第30步温度变化图
高且变化不大。

观察等效应力分布
后处理中在状态变量的下拉菜单中选择Stress－Effective,点击播放按钮选中第30步查看应力分布及变化情况，如图4-2所示。

从图中可以清晰地看出，中间部位应力分布较均匀，且数值较大，为三向压应力状态，从中部可以看出挤压过程中应力最大的位置出现在工件刚刚进入挤压模的位置，因为在此处由于工件的直径急剧变化，金属流动的阻力最大，不均匀变形也最大，在此处将产生较大的附加应力。

在挤压与工件的接触部位残余应力和应力都影响最小。

观察等效应变分布
在状态变量的下拉菜单中选择Strain－Effective,点击播放按钮选中第30步的应变分布及其变化情况：如图4-3所示。

从图中可以清晰的看出，在整个挤压过程中应变最大的位置出现在工件刚刚进入挤压模的位置，此时工件部的主变形量最大，也即应变最大。

中间位置应变其次，中心内部位应变较小，两端应变最小。

图4-2 第30步等效应力分布图图4-3 第30步等效应变分布图
成型过程载荷
点击Load Stroke按钮，生成变形工具加载曲线图，如图4-4。

从图中可以看出，整个挤压过程的成型载荷总体上是沿直线逐渐增加的，为随着挤压过程的进行，工件和挤压模的接触面积越多，则受挤压模具的摩擦力就会逐渐增大，同时还会受到金属内部原子的相互作用力，随着挤压过程的进行金属流动越来越困难，要求的挤压力也越大。

图形中出现的很小的起伏，主要是因为在挤压过程中DEFORM-3D成型软件进行了网络的重划分，产生了均匀应变，挤压力小幅度降低，挤压力总体上呈上升趋势。

图4-4 变形工具载荷曲线
4.5成型过程中的破坏系数分布
在状态变量的下拉菜单中选择
Damage,点击播放按钮选中第30步的
破坏系数分布曲线，由图4-5可以看出，
破坏系数整体是增大的，因为随着挤压
过程的进行工件的应变越来越大，不均
匀变形也越严重，同时残余应力也增加，
金属内部晶格畸变也是越来越严重，则
挤压变形的进行旧越容易破坏，所以工
件的破坏系数是逐渐增加的。

图4-5 第30步破坏系数分布图
第五章小结
DEFORM是对在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性，并给予工艺模拟系统的有限元模拟仿真分析软件，是一套基于工艺模拟系统的有限分析（FEM），专门设计用于分析各种金属成形过程的三维（3D）流动，提供极有价值的工艺分析数据，及有关成形过程中的材料应力、温度等分布图。

典型的DEFORM-3D应用包括锻造、挤压、镦粗、轧制、自由锻、弯曲和其他成形加工手段。

本次实验就是应用了DEFORM-3D的挤压成形加工模拟手段。

本次实验是应用DEFORM-3D的挤压成形加工模拟手段，并分析成型过程中工件的温度、等效应力、等效应变、破坏系数及挤压工具载荷的变化。

通过这次模拟训练，我们学会了许多知识。

再一次复习了以前学习的AUTOCAD、UG(PRO\E)等绘图软件的使用，学会了DEFORM-3D的基本操作，熟悉了它实际生产中的应用，DEFORM-3D图形界面既强大又灵活，能够分析金属成型过程中多个关联对象的变形和热特性，而且它还有自动重新网格划分的功能。

其间，查找资料，老师指导，与同学交流，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。

同时，在运用office完成材料成形过程模拟实验的实验报告中，练习了office软件的Word等常用编辑软件的使用方法。

在这次实验中我们学会了如何运用DEFORM-3D对实际生产过程进行模拟、解决实际问题。

在这两周的DEFORM课程模拟中，我遇到了较多的困难，在此我非常感谢指导老师张金标为我讲解整过过程中我不清楚的地方，还有一些同学在我考虑问题不周时提点我，使我的模拟训练能够顺利完成。

这次模拟对我们机械系的学生来说是一次比较有意义的经历，它让我们学习到了一些基本软件的使用和说明书的编制，理论和实践相结合使我们对课本上的知识加深了理解，为我们今后更好的学习工作奠定了基础。

参考文献
[1] 张莉，李升军.DEFORM在金属塑性成形中的应用[M].北京：机械工业出版社，2009.
[2] 马怀宪.金属塑性加工学[M].北京：冶金工业出版社，2010.
[3] 刘建生，陈慧琴，郭小霞.金属塑性加工有限元模拟技术与应用[M].北京:冶金工业出版社，2003.
[4] 余桂英，郭纪林.AutoCAD实用教程[M].大连理工大学出版社，2006.。

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