附錄PAGE5鋁罐沖擊擠壓工藝DEFORM-3D仿真模型設(shè)計(jì)案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u16871鋁罐沖擊擠壓工藝DEFORM-3D仿真模型設(shè)計(jì)案例概述 180901.1沖擊擠壓凹、凸模的設(shè)計(jì) 184231.1.1沖擊擠壓工藝凹、凸模材料的選擇 1300791.1.2凸模形狀及尺寸的設(shè)計(jì) 2141281.1.3凹模形狀及尺寸的設(shè)計(jì) 563741.2純鋁坯料的設(shè)計(jì) 840551.2.1鋁坯料形狀的設(shè)計(jì) 8259761.2.2鋁坯料尺寸的設(shè)計(jì) 8187291.3DEFORM-3D軟件仿真分析模型 91.1沖擊擠壓凹、凸模的設(shè)計(jì)1.1.1沖擊擠壓工藝凹、凸模材料的選擇由于沖擊擠壓工藝的特點(diǎn)，沖壓模具在工作時(shí)會(huì)承受巨大的沖擊、振動(dòng)、摩擦、高壓等載荷，甚至?xí)ぷ髟谳^高的溫度環(huán)境下，在如此復(fù)雜惡劣的工作條件下，沖壓模具容易產(chǎn)生磨損、疲勞、斷裂、變形等現(xiàn)象，從而對(duì)工件的生產(chǎn)造成影響，同時(shí)也可能出現(xiàn)安全問題。因此，對(duì)于沖壓模具材料的選擇要求要比普通模具更高。因?yàn)闆_壓工藝有所不同，所以各類沖壓模具的材料要求也有所差異，本文則根據(jù)冷擠壓工藝進(jìn)行模具材料選擇。根據(jù)冷擠壓的成形特點(diǎn)，冷擠壓模具材料應(yīng)具備高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性、一定的韌性及良好的熱硬性、熱穩(wěn)定性、耐熱疲勞性等性能[6]。在冷擠壓成形過程中，模具會(huì)承受較高的單位載荷，所以模具鋼是冷擠壓模具的主要材料。冷擠壓模具的種類繁多，常用的模具材料如表2-1[7]所示。表2-1 冷擠壓模具常用材料工作部分名稱常用材料牌號(hào)熱處理硬度凸模W18Cr4V、Cr12Mo、Cr12MoV、GCr15、W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V、Cr4W2MoV淬火后多次回火HRC60~62凹模鉛件Cr12Mo、CrWMn、T10A,YG8、YG15淬火后多次回火HRC60~64鋅件Cr12Mo、CrWMn、YG15、YG20銅件Cr12MoV、W18Cr4V、GCr15、CrWMn鋼件Cr12MoV、6W6Mo5Cr4V、YG20、YG25在選擇冷擠壓工藝模具的材料時(shí)，不僅以被擠壓工件的材料的種類、擠壓工藝的類型以及實(shí)際工作條件為根據(jù)，還應(yīng)以能夠帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益為原則進(jìn)行選材。根據(jù)上表并結(jié)合本文所講工藝，選擇Cr12MoV作為凹、凸模的材料，Cr12MoV為冷作模具鋼，具有較高的硬度、強(qiáng)度及耐磨性，可用于制作鋁件冷擠壓模的凹、凸模。1.1.2凸模形狀及尺寸的設(shè)計(jì)在鋁罐沖擊擠壓生產(chǎn)過程當(dāng)中，反擠壓凸模是鋁罐成形的關(guān)鍵零件，同時(shí)也對(duì)鋁罐成形質(zhì)量的高低有著較大的影響。反擠壓凸模有著不同的種類，根據(jù)底部形狀可以分為平底型凸模和球型凸模。其中球形凸模的單位擠壓力最小，但是球形凸模不易保持潤滑[8]。在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，多用平底型凸模，所以在本文當(dāng)中所設(shè)計(jì)的凸模類型為平底型。a）平底型凸模b）球型凸模圖2-1反擠壓凸模類型及結(jié)構(gòu)反擠壓凸模在工作過程當(dāng)中需要夾持在擠壓機(jī)上，成形部位與坯料進(jìn)行擠壓接觸，所以反擠壓凸模一般由夾持部分與成形部分構(gòu)成，如圖2-1所示。由于反擠壓凸模成形部分與坯料直接接觸，所以成形部分的形狀會(huì)對(duì)金屬坯料的流動(dòng)成形、擠壓力的大小產(chǎn)生影響，同時(shí)也會(huì)影響凸模自身的使用壽命，所以在設(shè)計(jì)反擠壓凸模時(shí)要根據(jù)受擠壓坯料的材料、形狀、尺寸及精度要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。a）平底錐形凸模b）尖頂錐形凸模c）平底凸模圖2-2反擠壓凸模的設(shè)計(jì)形狀在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，用于擠壓鋁制坯料的擠壓凸模一般有三種結(jié)構(gòu)，如圖2-2[8]所示。王嘉[9]通過比較不同結(jié)構(gòu)的凸模對(duì)金屬流動(dòng)的影響，得出結(jié)論：使用平底凸模時(shí)，金屬流動(dòng)容易集中于凸模角部，造成摩擦力增大；使用尖頂錐形凸模雖然有利于金屬的流動(dòng)，但是坯料所受的單位擠壓力會(huì)大幅提高，并且容易導(dǎo)致壁厚不均；平底錐形凸模兼顧前面兩者的優(yōu)點(diǎn)，既減小了單位擠壓力，又保證了壁厚的均勻性，廣泛用于實(shí)際生產(chǎn)。本文采用平底錐形凸模作為反擠壓凸模，為描述其結(jié)構(gòu)，則要設(shè)計(jì)相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)值（圖2-2a），根據(jù)鋁坯料的形狀和精度要求，凸模成形部分的尺寸代號(hào)、名稱、尺寸設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)如下表：表2-2反擠壓凸模成形部分尺寸參考表及設(shè)計(jì)值代號(hào)名稱尺寸參考值設(shè)計(jì)值d1凸模底部外徑成形件的內(nèi)徑51.2d2凸模擠壓接觸面直徑0.7d140r1、r2過渡處倒圓角半徑0.5~1.01.0h1工作帶長度1.5~3.93.9α錐頂角25°~35°25°Δ退讓槽退讓量（0.05~0.15）d11.2L成形部分總長度－177.85根據(jù)上表數(shù)據(jù)，使用CREO軟件繪制出的凸模尺寸及成形部分形狀如圖2-3所示。a）反擠壓凸模尺寸圖b）反擠壓凸模模型圖2-3反擠壓凸模尺寸及模型1.1.3凹模形狀及尺寸的設(shè)計(jì)反擠壓凹模是鋁罐反擠壓成形的重要部件之一，由于鋁坯料在受到凸模擠壓之后，會(huì)沿著凹模腔壁進(jìn)行流動(dòng)，所以反擠壓凹模形狀的設(shè)計(jì)對(duì)金屬塑性流動(dòng)方向有著關(guān)鍵的影響，在擠壓過程當(dāng)中，反擠壓凹模會(huì)受到極高的單位擠壓力，因此，反擠壓凹模材料的選擇與反擠壓凹模腔壁形狀的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到擠壓力過高等問題，盡可能地減少在擠壓過程當(dāng)中產(chǎn)生的應(yīng)力集中的情況。張寶紅[10]指出凹模形狀會(huì)直接擠壓成形的結(jié)果，當(dāng)凹模采用直壁型結(jié)構(gòu)時(shí)，金屬坯料受到凸模的擠壓產(chǎn)生塑性流動(dòng)，此時(shí)已經(jīng)成形的罐壁會(huì)沿著凹模腔壁作剛性上升，但是由于罐壁與凹模腔壁為全接觸，故在罐壁成形時(shí)的摩擦力會(huì)急劇上升，導(dǎo)致凹模腔壁受到的擠壓力增大，可能導(dǎo)致罐壁產(chǎn)生破損。當(dāng)采用向外傾斜的變壁厚凹模結(jié)構(gòu)時(shí)，凹模腔壁受到擠壓力最小，當(dāng)罐壁成形后作剛性上移時(shí)，并不會(huì)與凹模腔壁產(chǎn)生接觸。所以在本文當(dāng)中，凹模結(jié)構(gòu)采用變壁厚腔型。在鋁坯料受到凸模擠壓時(shí)，金屬會(huì)產(chǎn)生塑性形變，此時(shí)會(huì)沿著凹模的腔壁流動(dòng)，所以凹模腔壁的曲線類型影響著金屬成形，在擠壓成形當(dāng)中，常用的凹模腔型曲線有四種典型形狀[5],分別是階梯型、直線型、余弦曲線型和橢圓曲線型，本文研究中，選擇直線型作為凹模型腔變壁處形狀曲線，直線型、余弦曲線型和橢圓曲線型曲線如圖2-4所示。注：1.直線1.余弦曲線3.橢圓曲線圖2-4三種不同形狀變壁型腔曲線根據(jù)幾何學(xué)特征，得到四種型腔曲線的方程[11-12]如下：（1）階梯型，直線連接變壁處兩端點(diǎn)。（2）直線型，其曲線方程為：Rz（3）余弦曲線凹模，其曲線方程為：Rz（4）橢圓曲線凹模，其曲線方程為：Rz其中，R0a）反擠壓凹模結(jié)構(gòu)圖b）反擠壓凹模尺寸圖c）反擠壓凹模模型圖2-5反擠壓凹模結(jié)構(gòu)尺寸圖及模型根據(jù)坯料和凸模的形狀及尺寸，初步設(shè)計(jì)反擠壓凹模的結(jié)構(gòu)尺寸見表2-3：表2-3反擠壓凹模成形部分尺寸設(shè)計(jì)值代號(hào)名稱設(shè)計(jì)值R1凹模底部型腔半徑26.42R2凹模上部型腔半徑26.5r1、r2底面、出口面導(dǎo)半徑2L型腔變壁處高度11.2純鋁坯料的設(shè)計(jì)1.2.1鋁坯料形狀的設(shè)計(jì)由于鋁瓶罐多為圓柱體且材料為純鋁，所以毛坯應(yīng)為薄圓片形純鋁，毛坯的選擇會(huì)對(duì)成品的產(chǎn)生造成影響，因?yàn)殇X瓶罐為薄壁件，當(dāng)毛坯經(jīng)過沖擊擠壓形成杯件時(shí)，杯件可能產(chǎn)生側(cè)面破裂或十分粗糙的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象大部分都是由于毛坯表面不夠光滑導(dǎo)致，所以在沖擊擠壓工藝當(dāng)中，應(yīng)對(duì)純鋁毛坯的表面粗糙度具有較高的要求，以此防止上述現(xiàn)象的發(fā)生。在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，純鋁毛坯應(yīng)為均勻圓片形，因?yàn)槊鞯闹睆揭群穸却蟮亩?，所以工廠一般會(huì)使用沖壓機(jī)對(duì)鋁板材進(jìn)行沖裁下料，這種下料方式不僅效率高，且能夠保證毛坯的精度。由于在沖擊擠壓過程當(dāng)中，毛坯是放置在凹模當(dāng)中，所以毛坯一面的形狀應(yīng)設(shè)計(jì)為能夠與凹模進(jìn)行配合，所以本文設(shè)計(jì)的純鋁毛坯采用沖裁下料，然后進(jìn)行整形修邊處理，形狀如圖2-6所示。圖2-6坯料形狀和預(yù)成型后的形狀1.2.2鋁坯料尺寸的設(shè)計(jì)鋁坯料經(jīng)過凹、凸模配合擠壓后得到深筒形件，如圖2-7所示。圖2-7深筒形件示意圖本文當(dāng)中期望鋁坯料經(jīng)過一次反擠壓成型的鋁罐尺寸為：外徑D1=51.84mm；內(nèi)徑D2=51.2mm；高H=200mm；底部厚度t1=0.3mm；筒壁均勻厚度t2=0.3mm，計(jì)算筒形件體積：底部體積：V壁部體積：V成形鋁罐總體積：V=在能夠保證鋁坯料自由放入反擠壓凹模當(dāng)中的情況下，凹模與鋁坯料間的間隙越小越好，由于反擠壓凹模材料為冷作鋼，故可以取間隙值為0.01-0.05mm，本文當(dāng)中反擠壓凹模底部內(nèi)徑的設(shè)計(jì)值為51.84mm，故選取鋁坯料直徑為D0=51.8mm。則鋁坯料的高度為?0由于在實(shí)際生產(chǎn)過程當(dāng)中，需要對(duì)成形件進(jìn)行修邊處理，導(dǎo)致鋁坯料體積損耗，所以考慮上述情況，選取鋁坯料的高度為h0=5.3mm。1.3DEFORM-3D軟件仿真分析模型由于本文當(dāng)中的反擠壓凹、凸模均為軸對(duì)稱模型，所以在建立反擠壓凹凸模三維模型時(shí)，可將其簡化為1/4模型，從而節(jié)省后續(xù)仿真時(shí)間。根據(jù)本章當(dāng)中所設(shè)計(jì)的凹凸模、坯料形狀和尺寸，首先在Pro/E軟件當(dāng)中建立凹凸模、坯料的三維模型，然后生成.stl文件導(dǎo)入至Deform-3D軟件當(dāng)中，凹凸模及坯料的參數(shù)均為本章中所設(shè)計(jì)的值，Deform-3D圖形加載界面及模型預(yù)覽如圖2-7所示。其中坯料采用塑性模型，材料選用純鋁，在軟件材料庫中選擇AL1100，COLD，凹凸模的材料選用Cr12MoV冷作模具鋼，在軟件材料庫中選擇ASIS-D2，COLD。模型材料選擇完成之后，對(duì)鋁坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在仿真當(dāng)中劃分成64000個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格最小尺寸為0.262mm。a）文件加載界面b）凹模c）坯料d）凸模e）裝配圖圖2-8軟件加載界面及三維模型預(yù)覽劃分完鋁坯料網(wǎng)格之后，開始對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在模擬控制界面設(shè)置模擬步數(shù)，并將主要模具設(shè)置為凸模，步進(jìn)量的設(shè)置一般選取網(wǎng)格最小尺寸的1/3~1/5，所以將步進(jìn)值設(shè)置為0.05mm/step，最后根據(jù)鋁坯料的厚度及成形罐壁的壁厚設(shè)置反擠壓凸模擠壓過程的限位值，如圖2-8所示。a）步數(shù)設(shè)置b）步進(jìn)值設(shè)置c）設(shè)置反擠壓凸模限位值圖2-9仿真參數(shù)設(shè)置步驟設(shè)置完上述參數(shù)后，對(duì)主要模具凸模的動(dòng)作進(jìn)行設(shè)置，在本文仿真當(dāng)中，視凸模的運(yùn)動(dòng)為勻速運(yùn)動(dòng)，設(shè)置多組速度值進(jìn)行仿真，可以在圖2-9所示工具動(dòng)作界面設(shè)置凸模的運(yùn)動(dòng)類型。圖2-10反擠壓凸模工具動(dòng)作設(shè)置界面在反擠壓工藝進(jìn)行過程當(dāng)中，反擠壓凸模與鋁坯料，反擠壓凹模與鋁坯料為直接接觸，所以需在仿真軟件當(dāng)中設(shè)置兩接觸對(duì)象間的關(guān)系，由于反擠壓屬于冷擠壓工藝當(dāng)中的一種