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第六章挤压成形本章导读本章详细介绍了DEFORM-3D进行挤压仿真的一些基本操作，需要读者进一步掌握热力耦合数值模拟操作，深刻理解并掌握DEFORM-3D分析热挤压的塑性变形力学问题。6.1仿真背景6.1.1定义挤压是用冲头或凸模对放置在凹模中的坯料加压，使之产生塑性流动，从而获得相应于模具的型孔或凹凸模形状的制件的加工方法。6.1.2仿真意义挤压的应用范围非常广，其中主要应用于金属材料的成形，也可以用于塑料、橡胶、石墨和粘土坯料等非金属材料的成形。挤压时，坯料产生三向压应力，因此对于塑性较低的坯料，挤压成形也适用。挤压，特别是冷挤压，材料利用率高，材料的组织和机械性能得到改善，操作简单，生产率高，可制作长杆、深孔、薄壁、异型断面零件，是重要的少切屑加工工艺。因此，运用DEFORM-3D进行挤压仿真对工程上实际生产有着重大指导意义，包括挤压参数的优化，挤压模具的改善等等。6.1.3仿真实例本章介绍了DEFORM-3D仿真黄铜棒热挤压的过程。挤压成品为φ30×200mm的黄铜DIN-CuZn40Pb2圆棒，为确保挤压过程能够顺利进行，将坯料定为φ100×80mm的黄铜圆棒，挤压速度为20mm/s，挤压垫的摩擦系数为0.6，挤压筒和挤压模摩擦系数为0.1。挤压模具结构示意图如图6-1所示，其中挤压筒外径D1=520mm，内径d1=104mm，长度L=130mm；挤压垫外径Dt=103，厚度l2=30mm；挤压模模角w=45°，定径带长度l4=60mm，入口圆角半径r=5mm，工作带直径d2=30.45，出口直径d3=35，外径D2=120mm，出口段长度l5=27.15mm。根据工模具的几何参数，在三维绘图软件solidworks中分别绘制1-毛坯blank、2-挤压筒tube、3-挤压垫pad、4-挤压模bottomdie的零件图，按照图6-1中的位置关系，将其绘制成装配图，并以Extrusion为名保存为STL格式文件[1]，存储路径为安装目录\SFTC\DEFORM\v10.2\3D\LABS。装配图如图6-2所示。[1]将工模具绘制成装配体的目的是确定其有正确的相对位置关系，在DEFORM-3D导入该模型时，不用重新调整其位置关系。图6-1工模具二维示意图图6-2工模具三维示意图6.2建立仿真模型6.2.1创建新问题打开DEFORM-3D软件，进入DEFORM-3D主界面，单击【File】→【NewProblem】，选择【Deform-3Dpreprocessor】，单位Units选为SI，如图6-3所示→【Next】选择默认的存储地址→【Next】，输入文件名Extrusion，单击【Finish】，进入前处理界面。6.2.2定义工件1）单击，在ObjectName中将Workpiece改为Extrusionblank，单击【Change】保存改变。2）定义工件属性。在选项栏ObjectType中选择Plastic塑性材料3）定义工件温度。单击【Assigntemperature】输入600，单击【OK】保存设置，将工件的温度设置600℃。4）定义材料属性。单击，单击Material后面第一个按钮【Loadmaterialfromlibrary】，选择Other类别中的DIN-CuZn40Pb2[1050-1400F(550-750C)]，单击【Load】添加材料。如图6-4所示。图6-3创建问题窗口图6-4定义工件材料5）创建几何模型。单击→，在安装目录\SFTC\DEFORM\v10.2\3D\LABS中选择双击Extrusion-blank.STL，导入毛坯的几何模。6）检查几何模型的正确性[2]。单击【CheckGEO】，如图6-5所示，弹出GeometryCheckingResult窗口，如果图中方框里的数字如图6-6所示，则代表几何模型正确。单击【OK】退出。[2]由于本例用到的几何模型都是作者在solidworks中建立的，所以需要检查其几何模型的正确性。图6-5检查几何模型的正确性图6-6模型检查结果7）划分网格。单击，在NumberofElements中输入40000，单击【GenerateMesh】将毛坯划分为40000个网格。如图6-7所示。图6-7划分网格8）设置体积补偿。单击，选择Deformation项目栏，在选项栏TargetVolume中选择Activeinmeshing，单击【CalculateVolume】，计算出工件的网格总体积和几何体积，在弹出的窗口中单击【Yes】，将该网格几何体积作为目标体积。6.2.3定义上模具（挤压垫）1）单击【Insertobject】添加一个上模具，改变对象名称为Extrusionpad。2）定义上模属性。在选项栏ObjectType中选择Rigid刚形体。3）定义上模材料。单击【Loadmaterialfromlibrary】，弹出MaterialLibrary窗口，选择Die_material中的DIN-D5-1U.Cold。4）定义上模温度。单击→【Assigntemperature】输入450，单击【OK】保存设置。5）创建几何模型。单击→，在安装目录\SFTC\DEFORM\v10.2\3D\LABS中选择Extrusion-pad.STL，双击载入几何模型。如图6-8所示。图6-8毛坯和上模的几何模型6）检查几何模型的正确性。单击【CheckGEO】，弹出GeometryCheckingResult窗口，查看上模几何模型是否正确。7）定义上模运动。单击，选择Type选项栏中的Speed，方向Direction中的-Y方向，Constantvalue中输入20mm/s。6.2.4定义下模具（挤压模）1）单击【Insertobject】添加一个下模具，改变对象名称为Extrusionbottomdie。2）定义下模属性。在选项栏ObjectType中选择Rigid刚形体。3）定义下模材料。单击【Loadmaterialfromlibrary】，弹出MaterialLibrary窗口，选择Die_material中的DIN-D5-1U.Cold。4）定义下模温度。单击→【Assigntemperature】输入450，单击【OK】保存设置。5）创建几何模型。单击→，在安装目录\SFTC\DEFORM\v10.2\3D\LABS中选择Extrusion-bottomdie.STL，双击载入几何模型。如图6-9所示。6）检查几何模型的正确性。单击【CheckGEO】，弹出GeometryCheckingResult窗口，查看几何模型是否正确。6.2.4定义挤压筒1）单击【Insertobject】添加一个对象，改变对象名称为Extrusiontube。2）定义挤压筒属性。在选项栏ObjectType中选择Rigid刚形体。3）定义挤压筒材料。单击【Loadmaterialfromlibrary】，弹出MaterialLibrary窗口，选择Die_material中的DIN-D5-1U.Cold。4）定义挤压筒温度。单击→【Assigntemperature】输入450，单击【OK】保存设置。5）创建几何模型。单击→，在安装目录\SFTC\DEFORM\v10.2\3D\LABS中选择Extrusion-tube.STL，双击载入几何模型。如图6-10所示。6）检查几何模型的正确性。单击【CheckGEO】，弹出GeometryCheckingResult窗口，查看几何模型是否正确。图6-9毛坯、上模和下模的几何模型图6-10毛坯、上模、下模和挤压筒的几何模型6.2.5定义控制条件1）单击【SimulationControls】，进入控制界面，将仿真标题SimulationTitle改为Extrusion，将操作名称OperationName改为Extrusion，并确保单位为公制，勾选选项栏Mode中的Deformation和HeatTransfer，如图6-11所示。图6-11定义控制条件窗口2）单击【Step】，将开始步数StartingStepNumber设置为-1；总步数NumberofSimulationSteps设置为120；存储增量StepIncrementtoSave设置为5。选择SolutionStepDefinition中的WithDieDisplacement，大小为0.6mm[3]。如图6-12所示。图6-12定义上模步骤3）定义上模运动停止标准。单击【Stop】，选择项目栏ProcessParameter中的主模具位移PrimaryDieDisplacement，在Y后面输入-72，如图6-13所示。即定义上模具运动位[3]为了保证仿真的正确性，模拟计算步长通常设置为最小网格尺寸的1/3。最小网格尺寸可以通过单击【Mesh】→【Tools】→【CheckMesh】获取，本例子的最小网格尺寸为1.746。通过计算得到模拟计算步长为0.6，为了得到Φ30×200mm的制件，设置上模行程为72mm，总步数为120。移达到72mm时，仿真求算结束。单击【ok】保存设置。图6-13定义运动停止标准6.2.6定义接触关系1）单击工具栏的【Inter-object】，弹出接触询问窗口：“目前对象间的关系不存在，是否按默认值建立对象间的关系？”，单击【Yes】。2）进入Inter-Object窗口，系统默认了上模和毛坯、下模和毛坯以及挤压筒和毛坯的主次关系，不变形体为主件，变形体为辅件，如图6-14所示。3）单击上模和毛坯关系图标（2）Extrusionpad-（1）Extrusionblank，使其高亮显示，单击编辑其接触关系。4）进入物体接触数据定义窗口，选择Deformation，在Friction项目栏中，选择Type选项栏中的Shear剪切摩擦形式，并在Constant后输入摩擦因数0.6；选择Thermal，将热传系数HeatTransferCoefficient定义为常数Constant，大小为5，如图6-15所示。单击【Close】。5）单击下模和毛坯关系图标（3）Extrusionbottomdie-（1）Extrusionblank，使其高亮显示，单击编辑其接触关系。将其摩擦定义为剪切摩擦形式Shear，摩擦因数为0.1，热传系数HeatTransferCoefficient为常数5。单击【Close】关闭窗口。6）单击挤压筒和毛坯关系图标（4）Extrusiontube-（1）Extrusionblank，使其高亮显示，单击编辑其接触关系。将其摩擦定义为剪切摩擦形式Shear，摩擦因数为0.1，热传系数HeatTransferCoefficient为常数5。单击【Close】关闭窗口。7）单击【Usesystemdefaultvalueforcontactgeneratetolerance】，生成一个接触容差值为0.0873，单击【Generateall】将该容差值运用到所有接触关系，单击【OK】，保存设置并退出。图6-14定义接触关系窗口图6-15定义热传系数6.2.7生成数据库文件1）单击工具栏的【Databasegeneration】，弹出数据库生成窗口。2）保持默认的存储路径，单击【Check】，检查数据库文件是否能够生成，当出现Databasecanbegenerated时，表示设置的条件合适，数据库可以生成。3）单击【Generate】，生成Extrusion.DB数据库文件，单击【Close】。6.3分析求解及后处理1）单击【Quit】关闭前处理界面，返回DEFORM主界面。2）单击主界面右侧Simulator栏的Run命令，进入提交运算窗口，单击【OK】，在Extrusion.DB文件上出现Running绿色高亮显示标志，表明运行已经开始。在Running显示标志消失，并且系统提示NORMALSTOP：theassignedstepshavebeencompleted，表示运行结束