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1、 本科生毕业设计（论文） 学院（系）： 机电工程系 专 业： 学 生： 指导教师： 完成日期 2010 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析 Forming Simulation and Process Optimized Analysis of The Parts of Socket Wrench in Hot Extrusion总计： 毕业设计（论文）33 页表 格： 4个插 图 ： 45幅套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析Forming Simulation and Process Optimized Analysis o
2、f The Parts of Socket Wrench in Hot Extrusion 学 院（系）： 机电工程系 专 业： 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2010-5-16 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析机械设计制造及其自动化专业 摘 要根据热挤压成形理论,针对套筒扳手零件自身的特点，采用复合挤压成形工艺进行热成形，借助DEFORM-3D有限元软件对成形过程进行了模拟、分析。以挤压成形工序和反挤压成形工序为重点，分析了成形过程中金属的流动
3、规律及应力，应变的分布情况，得到载荷-行程曲线。对工艺参数进行了优化，验证了数值模拟结果的正确性及该复合挤压成形工艺的可行性。 关键词 套筒扳头；热挤压；有限元；数值模拟；数值分析Forming Simulation and Process Optimized Analysis of The Parts of Socket Wrench in Hot ExtrusionMechanical Design,Manufacturing and Automaction Major LI FangenAbstract: According to the theory of hot extrusion
4、and the trait of the parts of socket wrench part itself, the hot extrusion was carried out by adopting the compounded forming technics. Forming process was simulated and analyzed through utilizing the DEFORM-3D FEM software. Putting the extrusion working procedure into emphasis, the loadstroke curve
5、 can be got by analyzing the metallic running rule, distribution of stress and strain in forming process.Finally, the process parameter was optimized, the truth of the value simulation and feasibility of the compounded extrusive fomings was verified.Key words:The parts of socket wrench;Hot extrusion
6、;FEM;Simulation of numerical value; Analysis of numerical value目 录1 绪论11.1 本课题的目的和意义11.2 本课题的主要研究内容11.3 小结22 套筒扳头热挤压工艺的确定22.1 热挤压工艺概述22.2热挤压工艺中的重要工艺参数72.3 套筒扳头热挤压成形工艺方案的确定83 套筒扳头成形过程的有限元仿真及模具的优化分析93.1有限元分析软件的背景介绍93.1.1 DEFORM的介绍103.1.2 DEFORM的功能103.1.3 DEFORM的突出特色103.2有限元成形模拟技术113.2.1几何模型的建立和网格划分113
7、.2.2 有限元模拟过程113.3 基本参数设定113.4 模拟的过程步骤123.4.1创建新目录123.4.2模拟控制设定123.4.3创建新对象123.4.4 工件划分网格133.4.5 定义工件的传热边界条件133.4.6 输入工件的材料133.4.7 保存模拟文件生成数据库进行模拟143.4.8 后处理143.5 热挤压模拟前的分析153.6 热挤压成形的模拟分析164 用MATLAB对模拟的结果进行优化分析24结束语31参考文献32致谢33 1 绪论1.1 本课题的目的和意义套筒扳手是制造维修业的一种常用工具，在工作过程中主要承受扭矩，所以要求零件强度高，另外必须耐磨，防锈。随着制造
8、水平的不断提高，近年来，它的品种不断增多，对质量的要求也越来越严格。目前主要采用挤压方式生产套筒扳手的主要部件套筒扳头。套筒扳头成形的锻造方法有很多，比如冷挤压、温挤压、热挤压等，各种成形方法各具优缺点，选择时应根据具体的生产条件、材料、工件的复杂性等综合考虑选择具体的成形方法，以达到最好的经济性。热挤压工艺与冷挤压相比，由于毛坯加热，提高了塑性，降低了变形抗力，因此可以挤压强度较高，断面形状复杂、尺寸较大的零件。同时还可以增加每一步的变形量，减少变形工歩数，生产方法比较灵活，也可以连续生产。但热挤压也存在一些缺点：由于在热加工温度下变形，因此对模具有一定的耐热性要求；在模具设计中要求考虑冷却
9、系统；毛坯的加热与冷却使挤压件的表面粗糙度值变大且降低了零件的尺寸精度。本次实验我们采用的是热挤压，热挤压成形方法比较优越，节省工序。但是，由于热挤压成形方法过程中金属与模具之间存在很大的摩擦力，造成金属变形大，应力分布不均匀，内圆弧处极易出现折叠现象，产生一些废品。因此，套筒扳头件内圆弧挤压过程必须很好的控制摩擦力，优化内圆弧的半径，使金属流动均匀，摩擦力小，才可以形成优质的工件。然而，在实践中靠经验去优化模具的效率低，精度无法保证。但是我们可以通过Deform3D的有限元分析软件进行模具成形的仿真和分析，以达到优化相关参数（比如温度的设定、挤压速度、过渡圆角）的目的。这个过程中我们充分考虑
10、影响热挤压成形的因素，进行有针对性的模拟和分析，从而选择合适的模具内圆角参数，进而提高工件的质量，到达优化的目的。1.2 本课题的主要研究内容根据热挤压成形理论,针对套筒扳头零件自身的特点，采用反挤压成形工艺进行热成形，借助DEFORM-3D有限元软件对模具成形进行了模拟分析与优化。本课题主要是进行挤压模具设计与优化,重点分析了成形过程中金属的流动规律及应力、应变的分布情况，得到载荷-行程曲线。同时在试验时研究了加热温度、挤压速度、过渡圆角等一些参数对金属流动、应力应变、成形质量和成形力的影响,并以此为依据，对工艺参数进行了优化，验证了数值模拟结果的正确性及该复合挤压成形工艺的可行性。利用套筒
11、扳头反挤压工艺，不仅使套筒扳头实现了真正内孔成形，而且还实现了套筒扳头零件的内外一次成形，同时还获得了沿轴向分布的全纤维金属流线和致密的金属组织，在实际应用中验证了该工艺设计的合理性与科学性。挤压模具在设计过程中,还要考虑金属的塑性,变形抗力,应力与应变的影响因素,如化学成分,组织结构的变化,变形速度,变形温度,应力状态的改变,都将决定模具的质量,精度和使用寿命的提高.1.3 小结本章概述了套筒扳头热挤压的有关目的和意义及DEFORM-3D的有关应用，重点指出了本课题主要研究内容。2 套筒扳头热挤压工艺的确定2.1 热挤压工艺概述所谓热挤压就是在挤压前将毛坯加热到金属再结晶温度以上某个温度下进
12、行的挤压（见下表21），从而获得所需要的热挤压件的一种加工方法1。一般碳钢的热挤压加工温度区间见图21所示。表2-1金属的再结晶温度 图21 碳钢的加工温度区域 由图2-1可见热挤压时，毛坯是在很高的压应力作用下产生塑性变形。所以包括高温下塑性很低的材料，均可以承受很大的变形而不发生破坏。 热挤压工艺过程包括：毛坯的制备毛坯预热和加热涂敷玻璃润滑剂挤压卸下模具（凸、凹模）、芯棒，清除制件上的玻璃润滑剂精加工。根据此零件的结构特点以及热挤压工艺的要求，热挤压工艺方案可以如下图2-2所示： 下料 墩粗 成形 图22 套筒扳头热挤压工艺简图按照金属的流动方向和凸摸运动方向挤压可以分为三大类：正挤压、
13、反挤压和复合挤压。正挤压的特点是被挤压金属的流动方向与凸模（冲头）的运动方向一致，而凹模则是固定不动的。如图23a) 挤压前的初始状态 b) 挤压时的网格变化情况图23 正挤压空心件的金属流动情况反挤压的特点是金属流动方向与凸模的运动相反。采用反挤压能制成圆形、正方形、矩形以及其它形状的空心零件。如图24a) 反挤压初始状态 b) 进入稳定状态 c)反挤压终了状态图24 反挤压杯形件的金属流动情况 复合挤压的特点是在挤压的过程中毛坯的一部分金属的流动方向凸模运动方向相同，而另外一部分金属的流动方向与凸模运动的方向相反。金属的流动方向如图2-5a) 双杯类挤压件 b) 杯-杆类挤压件图25 复合
14、挤压杯形件的金属流动情况 热挤压基本上有如下几种形式如图26所示。其中a、c、d的形式应用最广。a应用于挤压筒形零件，c应用于挤压管形零件，d应用于棒形零件。b也是应用于挤压棒形零件，此形式由于毛坯相对于挤压筒壁没有滑动，所以摩擦力比d小，而且一般情况下不采用。但是近来这种形式有时也用于挤压有色金属零件。a) 深孔反挤压 b)实心反挤压 c)空心正挤压 d)实心正挤压图26 热挤压的四种基本形式热挤压工艺是先进的金属压力加工方法之一。挤压件的机械加工余量较小，表面质量和尺寸精度也较高，热挤压件的表面光洁度高，尺寸精度也可达IT6-7级。因此，在零件要求不太高的情况下，热挤压件无需再进行机械加工
15、，从而可以节约大量的金属材料和机加工工时，因此热挤压加工工艺是一种很有发展前途的金属加工方法。2.2热挤压工艺中的重要工艺参数在热挤压成形过程中，坯料的加热温度、润滑条件、挤压速度及模具的过渡圆角等都对热挤压成形起着关键的作用。2.2.1 坯料加热温度的确定在热挤压前毛坯要先要预热，目的是防止毛坯晶粒粗大，表面产生裂纹，提高生产率和节约能源。一般来说，在保证金属坯料不产生过烧和过热的前提下，总是希望被挤压金属的坯料温度愈高愈好，金属的塑性就越好，也就更容易金属坯料的变形。但是金属坯料的加热温度不能无限的高，因为金属坯料的加热温度过高，不仅会产生严重的氧化和脱碳，而且还可能出现过热和过烧现象。因
16、此，金属坯料的加热温度，必须严格控制在一定的范围内，通常是将金属坯料的加热温度控制在低于金属坯料熔化温度150250 之间。2.2.2成形过程中的润滑润滑剂选用的合适与否直接影响热挤压工艺的成败。对于钢，使用各种各样的玻璃粉或者玻璃纤维作润滑剂。它们不仅起润滑作用（摩擦系数=0.0270.033），还在毛坯和模具之间起隔热作用。根据热挤压工艺特点，一般要求润滑剂有如下性能：1） 具有良好的润滑性能在热挤压时，为使坯料与模具隔离，避免两者的直接接触，帮助金属流动、提高金属的填充性，降低挤压力，因此要求润滑剂在热挤压温度范围内要具有良好的润滑性能。2）具有良好的脱模性能在热挤压时，模具的温度一般在
17、200300,有时甚至高达400-500，而挤压件的温度远高于模具温度，当挤压过程结束时，如果润滑剂具有良好的脱模性，则挤压件与模具可即刻分离出去，从而减少了挤压件传到模具上的热量，也就控制了模具的温升。2.2.3.模具材料的选用热挤压模具在材料的变形过程中，要经受高的变形抗力和热应力的综合作用，单位压力可高达20002500Mpa,连续生产时模具温度可以高达到500-600甚至更高，因此在进行工艺设计时，模具材料应满足下列要求：1） 强度和韧性热挤压是金属在三向不均匀应力状态下进行热态塑性变形的压力加工工艺。在变形过程中，模具将承受相当大的单位压力，而且由于热挤压的变形速度往往较快，带有冲击
18、载荷性质。因此模具材料必须有很高的强度和韧性，才能抵抗断裂，避免模具早期裂纹的产生。2） 耐磨性由于热挤压是高温下进行的，模具一直处在循环往复的受热状态下工作，模具温度的升高一般是不可避免的，当热挤压件热容大，生产率又高，而冷却效果不理想时，模具工作表面温度可达到500-600左右。因此，模具材料仅在室温时具有很高的硬度和强度还不够，还必须具有一定的耐热疲劳性，这样才能保证模具在热挤压过程中不致于产生过大的变形。而具有足够的耐磨性，则最终提高了模具的使用寿命。2.2.4.挤压设备特点：在钢质机械零件的热挤压过程中，目前越来越多地采用专用的热挤压设备，针对热挤压工艺生产的特点，用于热挤压生产的设
19、备应满足下列要求：1）设备必须具有足够的强度和刚度2）足够的打击能量和精确的导向3）要有合适的挤压速度2.3 套筒扳头热挤压成形工艺方案的确定 图27 套筒扳头零件的结构根据零件的结构，在套筒扳头成形工艺方案中，整平工序后是要进行退火和磷化处理的。 套筒扳头热挤压材料采用25钢。 生产套筒扳头的全部流程为：备料-原材料酸洗、磷皂化-下料磷皂化-整平-退火-酸洗、磷皂化-成形-热处理（渗碳淬火或碳氮共渗）-镀锌钝化-包装入库。 各主要工序工作特点分析：1） 材料准备 主要为后工序提供稳定的工作直径，以及低而稳定的材料硬度。2）下料 本工序要求下料长度稳定，重量公差稳定在以内。3）加热 为确保零件
20、内孔对脱碳层的要求，坯料采用中频加热方式，在加热过程中应严格控制坯料的加热温度。 4） 整平 通过整平工序消除马蹄形、压塌等缺陷，整平上下断面并在上断面中心打出一中心窝，在下端面边缘形成倒角，为下道工序做准备。 5） 成形 本工序所需要完成的是挤压内孔和下端的四方，也即进行反挤压和正挤压的复合挤压过程。外圆和四方部分在模具孔中的总摩擦力远大于冲头与内孔的摩擦力，即冲头在成形结束后上行退出时并不能带动工件退出模腔，所以在这道工序中无需上推料机构，但是，下退料的退料时间是在上冲头退出工件后下顶料开始工作。3 套筒扳头成形过程的有限元仿真及模具的优化分析3.1有限元分析软件的背景介绍金属塑性成形技术
21、作为金属加工的主要方法之一，已被广泛地应用于实际生产中，它实际上是一个复杂的大变形问题，既有几何非线性问题，又有物理非线性问题，加上复杂的边界条件，使得变形机理十分复杂。其成形过程是一个受多种因素的影响的复杂过程，材料性能、模具形状、坯料形状、工艺参数、温度等对成形过程都有影响，但是随着计算技术和计算机应用的日益普及，尤其是有限元技术的不断完善，金属塑性成形过程的数值模拟技术得到了飞速发展，使塑性成形理论向实际应用方向迈进了一大步。针对具体的产品和材料，应用数值模拟技术可以定量地分析各种成形工序的应力、应变分布情况，了解塑性流动规律、温度场分布情况以及各变形参数的影响作用。塑性有限元方法可以分
22、为弹塑性有限元方法、刚塑性有限元方法和刚粘塑性有限元方法。弹塑性有限元法的主要优点是考虑弹性变形和塑性变形的相互联系不仅可以计算工件的变形、应力和应变分布以及变形力等信息，而且可以有效地处理卸载问题，计算残余应力、残余应变和回弹。刚塑性有限元法忽略了材料的弹性变形部分。在体积成形问题中，坯料的塑性变形量很大，弹性变形量相对较小，同时回弹对锻件的精度影响不大。因此，用刚塑性有限元法模拟体积成形过程是比较合适的。本章基于刚塑性有限元分析方法，以 DEFORM（Design Environment forForming）数值模拟软件为工具，对成形过程及各成形参数对成形过程的影响进行了模拟。3.1.1
23、 DEFORM的介绍DEFORM是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺，它是专为金属成形而设计的，具有非常友好的图形用户界面，可帮助用户很方便地进行准备数据和成形分析。通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员：设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场实验成本；提高工模具设计效率，降低生产和材料成本；缩短新产品的研究开发周期。DEFORM是专为大变形问题设计了一个全自动的、优化的网格再划分系统。DEFORM是一个高度模块化、集成化的有限元模拟系统，它主要包括前处理、模拟器、后处理器三大模块。3.1.2 DEFORM的功能Deform-3D
24、是专门分析各种金属成形过程中三维流动的理想模拟工具。其界面友好，易于使用，能提供极有价值的工艺分析数据，有关成形过程中的材料和温度流动3。其功能有:可进行成形分析（包括:锻造、挤压等）和热传导耦合分析；允许用户自定义子函数，定义自己的材料模型、压力模型、破裂准则和其他函数；材料模型包括刚性、弹性和热粘塑性，特别适用于大变形成形分析；在任何必要时能够自行触发自动网格重划分器，生成优化的网格系统。在变形精度要求较高的区域，可以进行网格细划分，从而降低题目的规模，显著提高计算效率；质点跟踪可以分析材料内部的流动信息及各种场量分布。针对金属大变形问题，采用基于热力耦合粘塑性有限元分析技术，将工件视为刚
25、塑性体，将上、下模具视为刚性体。利用PRO/E软件实现套筒扳头模具的三维造型，而模拟软件采用美国SETC公司开发的DEFORM-3D软件模拟，该软件是一套基于有限元的工艺仿真系统，主要用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。该软件是一个高度模块化、集成化的有限元模拟系统，进行金属加热、成形过程的分析及成形工艺和热处理工艺的仿真。3.1.3 DEFORM的突出特色DEFORM软件具有以下突出特色：模拟范围广，有材料流动，锻造负荷，模具应力，晶粒流动，缺陷成因等；适用工艺广，有冷、热、温过程，锻造，拉拔，挤压，墩头，镦粗，轧制，摆碾，机加工车削，冲切，正火，退火，淬火，回火，时效，
26、渗碳，蠕变，硬化处理等；适用设备多，可以模拟液压锻机，锻锤，螺旋压力机，机械压力机，轧机，摆碾机等；材料库很丰富，大约有149种材料流动应力数据组，其它材料需要时可自行添加。3.2有限元成形模拟技术3.2.1几何模型的建立和网格划分几何模型的生成可以在PRO/E等三维建模软件中实现，然后以STL二进制文件的格式保存，作为有限元分析与模拟过程的调用的模型。在前处理模拟过程中，开始需要调入工件模型并划分工件（一般是毛坯）的网格，其目的是为了更加直观地看到工件的变形，更好地研究工件的表面受力及内部的应力应变情况。3.2.2 有限元模拟过程本次实验我们做的是套筒扳头的成形模拟，在模拟的工程中采用的是工
27、件的1/4来分析的，而总的挤压力是本实验数据的挤压力的4倍少一点。套筒扳头的成形我们选用热挤压的方法成形，在加工过程中存在热传导现象。为了准确地模拟其成形过程不仅要模拟挤压过程，也要模拟任何热传导过程。综上所述，整个模拟过程分为三个阶段进行模拟：第一模拟步骤：工件出炉后到模具上有10s的间隔时间，在这10s内工件与外界有热传导现象。因此，这个模拟过程仅是一个热传导模拟。第二模拟过程是，工件在挤压之前，在下模具上停留2s。在这个过程中也发生热传导现象。第三模拟过程是，套筒扳头的热挤压过程。3.3 基本参数设定（1）零件材料为25钢，其热物理参数取值如下，退火是在约750快冷或800900缓冷，经
28、退火处理后的伸长率为20，硬度不大于200HB，始锻温度1050 1100，终锻温度850，装炉温度900，最高炉温1200，泊松比，密度 4。（2）模具材料选取AISIH1316502200F(9001200C),为刚性体上模具网格单元数6317个，节点1300个；环模具网格单元数5162个，节点1324个；下模具上部分网格单元数4684个，节点1331个；下模具下部分网格单元数5578个，节点1416个；下凸模网格单元数4889个，节点1285个；m为剪切摩擦因子，取0.3；k为屈服强度；热交换系数为连续成形系数取11N/sec/mm/（3）工件初始温度为1000-1200，上模具取150
29、，下模具150；（4）压力机为水压机，工作速度取200-380mm/sec。3.4 模拟的过程步骤第一模拟过程：工件与外界的热传导的模拟3.4.1创建新目录创建新的工作目录taotongbantoujiyachengxing，打开DEFORM-3D主窗口，设置工作目录到taotongbantoujiyachengxing，单击新文件按钮，接受默认值，单击【next】按钮，进入下一菜单，接着单击【next】按钮，设置心目录的名称为fangzhen，接着单击【finish】，进入DEFORM-3D前处理7。3.4.2模拟控制设定单击模拟控制按钮，打开simulation controls窗口。在文
30、本框simulation title中命名taotongbanshou，在operation name中命名为 rechuandao，设定单位为SI公制，选中热传导heat transfer选项，关闭变形deformation选项。单击模拟步信息设定【step】，设定总模拟步数为50步，每隔10步存储模拟信息6。在解题步长定义选项栏，选择with constant time increment项，填入0.2。单击【OK】，退出模拟控制菜单。 图31 模拟控制设置3.4.3创建新对象为了模拟套筒扳头的成形，工件、上模具、下模具需要定义。第一模拟过程虽然用不到上下模具，但是为了节省其余过程的模拟时
31、间，所以此阶段把上下模具也导入物体树。在物体树内激活对象1，单击【general】进入对象概要设置对话框，改变对象的类型为plastic。第一模拟工程，工件从加热炉中取出的温度大约为1100，因此在temperature栏中输入1100。接着单击【geometry】，打开输入对象几何窗口，单击，在STL格式下导入工件。单击，设置对象2，该对象命为top tie，单击【geometry】按钮，打开输入几何窗口，单击，在STL格式下导入top die。使用【check geo】和【show/hide normal】检查对象的几何特征的正确性。用同样的方法将上凹模、下凸模和凹模导入。3.4.4 工件
32、划分网格我们本次实验采用相对划分网格。点击物体信息栏中的按钮，出现对话框，在【number of elements】栏中，输入10000网格左右，则点击【preview】按钮，预览对象网格划得是否理想，如果网格划分达到要求则单击按钮。 图3-2网格设定 图3-3划分网格后3.4.5 定义工件的传热边界条件 对于第一模拟过程，只需要对工件设定传热边界条件，变形边界条件以及模具的传热边界条件待下几个模拟过程需要时再设定。设定工件热交换边界条件的具体步骤如下：激活workpiece工件，使其高度显亮。单击物体信息栏中的边界条件加载按钮，打开边界条件设计菜单，在单击【thermal】栏中heat ex
33、change with environment(与环境发生热传递)，使其反灰。此时视窗中的工件边界高度显亮。定义环境温度。11003.4.6 输入工件的材料给工件加载材料。在物体信息栏中，单击材料加载按钮，打开材料库，在steel中选择AISI-10251800-2200F(1000-1200C)，双击即可将材料加载上。3.4.7 保存模拟文件生成数据库进行模拟信息设定完毕后单击保存按钮，存储模拟项目的k文件。接下来，单击数据库按钮，打开数据库生成对话框，单击【check】按钮，检查数据库是否能够生成。在检查信息中发现？提示信息，此信息指明没有定义对象间的关系，因此单击【generate】按钮
34、，生成数据库文件。再单击【close】按钮，退出数据库生成菜单。数据库生成后，表明前处理完成，单击退出按钮，退出前处理窗口。退出前处理窗口后，回到了DEFORM软件的主窗口，在项目栏中已经存在了spike.DB数据库文件，激活此数据库文件，单击【run】按钮，打开运算菜单，向FEM运算器提交计算任务。3.4.8 后处理当模拟任务结束后，在DEFORM软件主菜单中，激活taotongbanshou.DB数据库文件，单击【DEFORM3D】按钮，进入后处理9。单击状态变量按钮，选取温度temperature作为分析对象，接着打开比例选择按钮steps global，在单击【ok】按钮。接着单击选步
35、序数按钮选取50步。此时，视图显示模拟过程中第五十步时，工件上的温度分布情况如下图3-4所示。 图3-4第五十步时工件上的温度分布热挤压成形的第二模拟过程（工件与上下模具的接触过程）、第三模拟过程（热挤压过程）的参数设定已经给定，具体的操作步骤不再累述，参考有关教材即可。3.5 热挤压模拟前的分析由于对于热挤压模具的过渡圆角处设计的尺寸过小，并且我我们这个零件的一个过渡圆角较为特殊，它不是一般的倒直角或圆角，而是一个空间的曲面过渡，我们从空间设定一个位置，决定取r10r14之间。在模拟过程会出现废品。另外，凹模过渡圆角对于模具的寿命影响很大，圆角半径微小的增加都会使模具的寿命成倍增加。我们这个
36、特殊的过渡圆角如果太小起不到过渡的作用，太大也不合适，也会使挤压力增大，因此选择必须合适，合适的过渡圆角半径是优化模具的关键。图35模具的特殊过渡圆角3.6 热挤压成形的模拟分析 我们在模拟的前两个模拟过程都是热传导（第-1到60步），不存在等效应力的变化。第三模拟过程开始有应力变化，故取初始第70步，中间第100、120、130、140，以及最后的153步的应力分布情况如下图所示： a)70步 b)100步 c)120步 d)130步 e)140步 f)153步 图3-6等效应力分布图从上面的应力分布图中，可以看到在形成倒角的处应力开始变大，在形成筒壁的过程中应力较为平稳。这是因为在形成拐角
37、处，金属的流动情况更为复杂，变形较为剧烈，导致应力相对集中。热挤压过程中取第70、100、120、130、140、153步的工件和上模具的载荷-行程曲线变化如下图： a)70步 b)100步 c)120步 d)130步 e)140步 f)153步 图3-7行程-载荷曲线图从上图可以看到挤压行程的增加，工件和上模具承受的载荷逐渐变大，随着变形程度的增加，最终挤压力达到最大值。热挤压过程中取第70、100、120、130、140、153.步的等效应变情况分布图如下： a)70步 b)100步 c)120步 d)130步 e)140步 f)153步 图3-8 等效应变图在全过程中的温度变化情况如下图
38、，我们取第10、50、60、120、140、190、235步作为参考 a)10步 b)50步 c)60步 d)80步 e)100步 f)120步 g)140步 h)153步图3-9温度变化图从上图可以看出，第1-50-60步这个过程中温度是下降的，这是因为这个过程中，工件在与外界进行着热交换。从第60步开始往后，温度又开始升高，到结束时温度达到最高，这是因为随着挤压程度的增大，工件变形程度增大，导致工件温度升高。最后展示一下我们成形工件的情况如图310所示，我们得到的工件基本上能够满足我们的要求。 a)主视图 b)俯视图 c)左视图 d)半剖视图图310热挤压工件最后成形图4 用MATLAB对
39、模拟的结果进行优化分析4.1 MATLAB的背景介绍美国Mathworks公司的MATLAB是一种集数值计算、符号运算、可视化建模、仿真和图形处理等多种功能于一体的非常优秀的图形化语言。MATLBA不仅是科学家、工程技术人员、职员和管理人员的必备工具，也是大学生和研究生需要掌握的一门技能。MATLAB语言的应用领域有：控制系统、信号处理、数据分析、通讯系统、工程数学、图形处理2。4.2优化分析过程在工程中，常有这样的问题：给定一批数据点，需要确定满足特定要求的曲线或曲面。如果要求所求曲线（面）通过所给所有数据点，这就是插值问题；在数据较少的情况下，这样做能取得较好的效果。但是，如果数据较多，那
40、么插值函数是一个次数很高的函数，比较复杂。同时，给定的数据一般是由观察测量所得，往往带有随机误差，因而，要求曲线（面）通过所有数据点既不现实也不必要5。如果不要求曲线（面）通过所有数据点，而是要求它反映对象整体的变化趋势，可得到更简单实用的近似函数，这就是拟合函数，又称曲线拟合或曲面拟合。函数插值与曲线拟合都是要根据一组数据构造一个函数作为近似，由于近似的要求不同，二者在数学方法上是完全不同的8。本次实验我们需要对模具的挤压速度、毛坯件的加热温度以及模具的过渡圆角半径进行优化，以得到合理的参数，以利于我们进行实际的生产实验，降低成本，提高设计的效率。我们本次实验也是采用了从测量和实验中得到的数
41、据点，我们可以进行优化分析。表41 毛坯件温度与挤压力的关系挤压速度v/ mm/s 温度 t /半径 r/ mm挤压力F/ kN2501060R103042501080R102902501100R102732501120R102612501140R102442501160R10246用MATLAB进行优化分析毛坯件温度与挤压力之间的关系，以得到合理的参数，得到如下程序和图像： clear %清除内存中保存的变量t=1060:20:1160; %温度的范围，以等差20增加f=304 290 273 261 244 246; %与温度对应的力A=polyfit(t,f,2); %生成向量形式的拟合多项式 At=poly2str(A,t); %生成字符形式的拟合多项式 A,AtAt = 0.0035714 t2 - 8.5571 t + 5363.5714 %生成关于温度t的方程 z=polyval(A,t); %生成数据z plot(t,f,k+,t,z,r) %绘制图像 z=polyval(A,t); %生成数据zplot(t,f,k+,t,z,
