沖擊擠壓鋁罐工藝設計及仿真分析摘要隨著塑料污染加劇，降塑呼聲日漸提高，鋁元素作為地殼中含量最高的金屬元素，因為純鋁及鋁合金材料具有優(yōu)良的延展性與耐腐蝕性能，鋁罐等鋁制品作為一種優(yōu)秀的包裝產品而得到迅速的發(fā)展，當前市場上的鋁制包裝主要有鋁制易拉罐、鋁瓶等，被廣泛用于液體、藥品及食品等包裝。以氣霧瓶為代表的一片式鋁罐通過沖擊擠壓工藝實現(xiàn)制造，可提高罐體強度和剛度，達到造型精美和質感淳厚的效果，且沖擊擠壓工藝具有工藝簡單、生產效率高、材料要求低等優(yōu)點，在鋁罐、鋁瓶生產行業(yè)受到重視。本文主要使用有限元分析軟件Deform-3D對鋁罐的擠壓工藝過程進行數(shù)值仿真，對仿真結果進行分析，研究模具材料、摩擦系數(shù)、擠壓速度及模具結構參數(shù)等因素的影響，基于響應面優(yōu)化，對沖擊擠壓模具進行結構工藝參數(shù)優(yōu)化，縮短工藝改進周期，降低工藝開發(fā)成本。關鍵詞：鋁罐；Deform-3D；擠壓仿真；反擠壓；響應面分析目錄摘要 I第一章緒論 11.1課題背景及研究意義 11.2國內外研究概況 11.2.1鋁罐發(fā)展歷程 11.2.2研究概況 21.3課題主要研究內容 21.4課題研究方法及手段 31.5本章小結 3第二章鋁罐沖擊擠壓工藝DEFORM-3D仿真模型設計 32.1沖擊擠壓凹、凸模的設計 32.1.1沖擊擠壓工藝凹、凸模材料的選擇 32.1.2凸模形狀及尺寸的設計 42.1.3凹模形狀及尺寸的設計 72.2純鋁坯料的設計 102.2.1鋁坯料形狀的設計 102.2.2鋁坯料尺寸的設計 112.3DEFORM-3D軟件仿真分析模型 122.4本章小結 16第三章鋁罐沖擊擠壓工藝關鍵影響因素分析 173.1模具材料的影響 173.2摩擦系數(shù)的影響 183.3擠壓速度對沖擊擠壓工藝的影響 193.4模具結構參數(shù)的影響 223.5本章小結 24第四章基于響應面分析的結構參數(shù)模型及工藝優(yōu)化 254.1響應面分析介紹 254.2正交實驗中因素水平的選定 254.3正交試驗設計 254.4響應面分析結果 264.5本章小結 29第五章最優(yōu)化設計結果驗證 305.1反擠壓凹、凸模最優(yōu)結構參數(shù) 305.2仿真模擬結果及分析 305.3本章小結 32第六章結論 33附錄 36第一章 緒論1.1課題背景及研究意義金屬鋁儲量十分豐富，是目前用量僅次于鋼鐵的第二大金屬材料[1]，純鋁及鋁合金的用途十分廣泛，并且其生產和加工的成本低廉。鋁有著非常優(yōu)秀的物理性質，其中低密度和高耐腐蝕性是最為突出的兩點。也正是因為這兩點，鋁制品被廣泛地運用于各類包裝行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，鋁在食品與飲料包裝方面的用量占包裝用鋁的75%以上[2]，鋁罐作為包裝容器在食品包裝方面占據(jù)很大一部分地位，因此食品包裝行業(yè)將如何減少鋁罐生產成本這一問題作為行業(yè)研究的重點。鋁罐包裝的生產工藝流程主要為：沖壓成形、變薄拉深、修整罐口、清洗烘干、印花烘干、對罐內進行噴涂內層及烘干、縮口/翻邊、檢測、碼垛包裝。其中主要工序為沖壓成形與拉深，而模具的優(yōu)化則能夠為鋁罐的生產減少成本。鋁罐作為常用的金屬包裝容器，有著眾多的優(yōu)點：一是具有良好的物理性能，不僅有著較小的密度還有著較高的抗腐蝕性、高強度，這樣不僅減輕了運輸?shù)某杀?，還能夠用于保存部分帶有腐蝕性的氣體或液體；二是具有良好的密封性，不僅能夠隔絕空氣，還能遮光，延長了鋁罐包裝內氣體或液體的保存期限；三是金屬鋁可以循環(huán)利用。在大型的包裝行業(yè)或者飲料生產商中，鋁罐包裝是最為常用的，而優(yōu)化鋁罐生產過程能夠為廠商減少包裝成本，其中罐體的擠壓工序是較為重要的一環(huán)，通過優(yōu)化擠壓工藝，能夠節(jié)省鋁原料的消耗、節(jié)約能源，從而為生產廠商帶來更高的利潤。1.2國內外研究概況1.2.1鋁罐發(fā)展歷程鋁罐最早出現(xiàn)于二十世紀五十年代末期，鋁罐的出現(xiàn)為未來的包裝行業(yè)指引了發(fā)展方向。目前鋁瓶罐主要有兩種生產工藝，一是沖擊擠壓瓶罐，也稱為IE罐（圖1-1a）；另一種是薄壁拉伸鋁瓶罐，也稱為DWI罐（圖1-1b）。其中IE罐是采用單片鋁原片經過沖擊擠壓、縮口后制成的單片整體罐，DWI罐可分為二片罐、三片罐。a）IE罐b）DWI罐圖1-1常見鋁罐類型1.2.2研究概況J.E.Knepp[3]針對沖壓和拉深鋁罐制作過程中的使用潤滑的問題，考慮不同潤滑劑潤滑效果的不一樣，通過調查，研究了油基和合成物基潤滑劑的特性，它們與金屬、工具、設備的相容性，以及潤滑劑彼此之間的相容性，得出了當前階段潤滑劑的使用與研究已經取得了較好成果的結論，為沖壓工藝過程中潤滑劑的使用提供了參考。在關于擠壓仿真方面，較常使用的是利用DEFORM仿真軟件對擠壓過程進行仿真。李忠[4]等人針對傳統(tǒng)模具設計中耗時長、成本高等問題，通過使用仿真軟件deform有限元分析對擠壓變形過程中材料的變形情況進行模擬，提出通過改變凹、凸模與坯料接觸部位的參數(shù)，減少沖擊擠壓工藝中模具受到的摩擦力及應力的結論，為實際生產當中工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)。許蘭貴[5]對單片變壁厚鋁罐的擠壓成形進行研究，使用數(shù)值模擬及理論分析方法，建立了變壁厚模面模型，提出了大錐度縮口變形理論及大錐度縮口工藝技術。1.3課題主要研究內容冷擠壓工藝經過長時間的發(fā)展已經十分成熟。冷擠壓工藝是在室溫條件下，通過壓力機對模具內的金屬坯料進行擠壓，使金屬坯料沿著模具間的間隙流動，其中，金屬的流動方向與凸模的運動相反的擠壓方式稱為反擠壓，鋁罐、杯型件等就是通過反擠壓方式成型。在鋁圓片進行反擠壓形成鋁罐的過程當中，鋁圓片受壓變成薄壁件，在薄壁件加工過程中容易受多種因素影響，導致變形甚至報廢。在鋁片加工成鋁罐的過程當中，沖擊力與沖擊速度的把控尤其重要，沖擊力不足與沖擊速度不夠會導致鋁罐無法成形。本文主要研究內容為根據(jù)擠出力、擠出速度、潤滑劑和表面質量等因素的影響，設計出合適的凹、凸模，使其在擠壓鋁片過程能夠減少加工形變，對凹、凸模擠壓過程進行仿真分析，得到其應力變化及容易產生缺陷的部位，再對模具進行進一步的優(yōu)化設計。1.4課題研究方法及手段在研究金屬塑性變形方面，通過力學實驗可以準確的得出在擠壓過程中的力學變化，但是卻難以將各影響因素在變形過程中的相互關系直接體現(xiàn)出來，對工藝優(yōu)化過程帶來困難，所以一般采用數(shù)值分析法。在此類方法當中，最為常用的是有限元法，通過計算機模擬金屬塑性成形過程，能夠直接求出應力、應變、載荷及能量等數(shù)據(jù)，對于工藝參數(shù)的優(yōu)化有著明顯的幫助。其中ABAQUS、ANSYS、Deform-3D等商用軟件都采用有限元方法，廣泛使用在工業(yè)生產當中。對于鋁罐的成形工藝，可使用Deform-3D軟件對擠壓工藝進行數(shù)值計算。在鋁罐擠壓仿真中使用有限體積法的優(yōu)點是在成形過程中網格不會產生畸變，在求解過程中不需要進行網格重劃[6]。鋁瓶罐生產工藝的核心步驟是擠壓成型，在擠壓成型的過程中，需要分析罐體的受力、形變、發(fā)熱等方面的問題，從而對擠壓過程進行優(yōu)化。通過計算機軟件，例如Deform-3D軟件，對凸凹模擠壓坯料時的參數(shù)變化進行分析，設計出凸凹模的最優(yōu)參數(shù)。1.5本章小結本章主要介紹了鋁瓶罐在金屬包裝行業(yè)中的應用及發(fā)展，鋁瓶罐生產過程中關鍵工藝冷擠壓技術所具有的優(yōu)點，國內外關于冷擠壓技術的發(fā)展現(xiàn)狀，以及本課題的研究背景、意義及主要研究手段。鋁瓶罐生產的關鍵工藝為冷擠壓，通過對鋁罐冷擠壓過程進行數(shù)值模擬仿真分析，可以得出擠壓過程當中每一步鋁圓片及模具受到的載荷、鋁圓片金屬流動特征及各類因素對鋁圓片擠壓成形的影響，以上述分析結果作為設計模具基礎，對鋁罐生產工藝減少成品、提高生產效率、提高產品質量都有著十分重要的意義。第二章鋁罐沖擊擠壓工藝DEFORM-3D仿真模型設計2.1沖擊擠壓凹、凸模的設計2.1.1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，沖壓模具在工作時會承受巨大的沖擊、振動、摩擦、高壓等載荷，甚至會工作在較高的溫度環(huán)境下，在如此復雜惡劣的工作條件下，沖壓模具容易產生磨損、疲勞、斷裂、變形等現(xiàn)象，從而對工件的生產造成影響，同時也可能出現(xiàn)安全問題。因此，對于沖壓模具材料的選擇要求要比普通模具更高。因為沖壓工藝有所不同，所以各類沖壓模具的材料要求也有所差異，本文則根據(jù)冷擠壓工藝進行模具材料選擇。根據(jù)冷擠壓的成形特點，冷擠壓模具材料應具備高硬度、高強度、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，不僅以被擠壓工件的材料的種類、擠壓工藝的類型以及實際工作條件為根據(jù)，還應以能夠帶來良好的經濟效益為原則進行選材。根據(jù)上表并結合本文所講工藝，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、強度及耐磨性，可用于制作鋁件冷擠壓模的凹、凸模。2.1.2凸模形狀及尺寸的設計在鋁罐沖擊擠壓生產過程當中，反擠壓凸模是鋁罐成形的關鍵零件，同時也對鋁罐成形質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]。在實際生產當中，多用平底型凸模，所以在本文當中所設計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構反擠壓凸模在工作過程當中需要夾持在擠壓機上，成形部位與坯料進行擠壓接觸，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對金屬坯料的流動成形、擠壓力的大小產生影響，同時也會影響凸模自身的使用壽命，所以在設計反擠壓凸模時要根據(jù)受擠壓坯料的材料、形狀、尺寸及精度要求進行合理設計。a）平底錐形凸模b）尖頂錐形凸模c）平底凸模圖2-2反擠壓凸模的設計形狀在實際生產當中，用于擠壓鋁制坯料的擠壓凸模一般有三種結構，如圖2-2[8]所示。王嘉[9]通過比較不同結構的凸模對金屬流動的影響，得出結論：使用平底凸模時，金屬流動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，但是坯料所受的單位擠壓力會大幅提高，并且容易導致壁厚不均；平底錐形凸模兼顧前面兩者的優(yōu)點，既減小了單位擠壓力，又保證了壁厚的均勻性，廣泛用于實際生產。本文采用平底錐形凸模作為反擠壓凸模，為描述其結構，則要設計相關的結構參數(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、名稱、尺寸設計各項參數(shù)如下表：表2-2反擠壓凸模成形部分尺寸參考表及設計值代號名稱尺寸參考值設計值d1凸模底部外徑成形件的內徑52.2d2凸模擠壓接觸面直徑0.7d140r1、r2過渡處倒圓角半徑0.5~2.02.0h1工作帶長度2.5~3.93.9α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2.1.3凹模形狀及尺寸的設計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，會沿著凹模腔壁進行流動，所以反擠壓凹模形狀的設計對金屬塑性流動方向有著關鍵的影響，在擠壓過程當中，反擠壓凹模會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計應該考慮到擠壓力過高等問題，盡可能地減少在擠壓過程當中產生的應力集中的情況。張寶紅[10]指出凹模形狀會直接擠壓成形的結果，當凹模采用直壁型結構時，金屬坯料受到凸模的擠壓產生塑性流動，此時已經成形的罐壁會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，故在罐壁成形時的摩擦力會急劇上升，導致凹模腔壁受到的擠壓力增大，可能導致罐壁產生破損。當采用向外傾斜的變壁厚凹模結構時，凹模腔壁受到擠壓力最小，當罐壁成形后作剛性上移時，并不會與凹模腔壁產生接觸。所以在本文當中，凹模結構采用變壁厚腔型。在鋁坯料受到凸模擠壓時，金屬會產生塑性形變，此時會沿著凹模的腔壁流動，所以凹模腔壁的曲線類型影響著金屬成形，在擠壓成形當中，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2.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。（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，R0、Ra）反擠壓凹模結構圖b）反擠壓凹模尺寸圖c）反擠壓凹模模型圖2-5反擠壓凹模結構尺寸圖及模型根據(jù)坯料和凸模的形狀及尺寸，初步設計反擠壓凹模的結構尺寸見表2-3：表2-3反擠壓凹模成形部分尺寸設計值代號名稱設計值R1凹模底部型腔半徑26.42R2凹模上部型腔半徑26.5r1、r2底面、出口面導半徑2L型腔變壁處高度12.2純鋁坯料的設計2.2.1鋁坯料形狀的設計由于鋁瓶罐多為圓柱體且材料為純鋁，所以毛坯應為薄圓片形純鋁，毛坯的選擇會對成品的產生造成影響，因為鋁瓶罐為薄壁件，當毛坯經過沖擊擠壓形成杯件時，杯件可能產生側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致，所以在沖擊擠壓工藝當中，應對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。在實際生產當中，純鋁毛坯應為均勻圓片形，因為毛坯的直徑要比厚度大的多，所以工廠一般會使用沖壓機對鋁板材進行沖裁下料，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中，毛坯是放置在凹模當中，所以毛坯一面的形狀應設計為能夠與凹模進行配合，所以本文設計的純鋁毛坯采用沖裁下料，然后進行整形修邊處理，形狀如圖2-6所示。圖2-6坯料形狀和預成型后的形狀2.2.2鋁坯料尺寸的設計鋁坯料經過凹、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中期望鋁坯料經過一次反擠壓成型的鋁罐尺寸為：外徑D1=52.84mm；內徑D2=52.2mm；高H=200mm；底部厚度t1=0.3mm；筒壁均勻厚度t2=0.3mm，計算筒形件體積：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，本文當中反擠壓凹模底部內徑的設計值為52.84mm，故選取鋁坯料直徑為D0=52.8mm。則鋁坯料的高度為?0由于在實際生產過程當中，需要對成形件進行修邊處理，導致鋁坯料體積損耗，所以考慮上述情況，選取鋁坯料的高度為h0=5.3mm。2.3DEFORM-3D軟件仿真分析模型由于本文當中的反擠壓凹、凸模均為軸對稱模型，所以在建立反擠壓凹凸模三維模型時，可將其簡化為1/4模型，從而節(jié)省后續(xù)仿真時間。根據(jù)本章當中所設計的凹凸模、坯料形狀和尺寸，首先在Pro/E軟件當中建立凹凸模、坯料的三維模型，然后生成.stl文件導入至Deform-3D軟件當中，凹凸模及坯料的參數(shù)均為本章中所設計的值，Deform-3D圖形加載界面及模型預覽如圖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，對鋁坯料進行網格劃分，在仿真當中劃分成64000個網格，網格最小尺寸為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覽劃分完鋁坯料網格之后，開始對仿真參數(shù)進行設置，在模擬控制界面設置模擬步數(shù)，并將主要模具設置為凸模，步進量的設置一般選取網格最小尺寸的1/3~1/5，所以將步進值設置為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)設置b）步進值設置c）設置反擠壓凸模限位值圖2-9仿真參數(shù)設置步驟設置完上述參數(shù)后，對主要模具凸模的動作進行設置，在本文仿真當中，視凸模的運動為勻速運動，設置多組速度值進行仿真，可以在圖2-9所示工具動作界面設置凸模的運動類型。圖2-10反擠壓凸模工具動作設置界面在反擠壓工藝進行過程當中，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中設置兩接觸對象間的關系，由于反擠壓屬于冷擠壓工藝當中的一種，所以將兩接觸對象之間的摩擦設置為剪切摩擦，且摩擦系數(shù)選取仿真軟件當中冷擠壓的適用值0.12，在后文當中會改變摩擦系數(shù)來進行摩擦系數(shù)對擠壓過程中載荷力的影響進行試驗，具體的參數(shù)設置如圖2-10所示。a）對象間關系設置界面b）摩擦系數(shù)設置界面圖2-11對象間關系參數(shù)設置完成上述所有設置之后，進行數(shù)據(jù)文件產生操作，如圖2-11所示，計算機會自動檢查.DB文件是否有誤，待無誤后點擊產生按鈕即能產生.DB文件，隨后在軟件主界面點擊運行即開始仿真。圖2-12仿真文件產生操作2.4本章小結在本章內容當中，首先根據(jù)工藝要求，查閱資料后選取了適合用于鋁罐沖擊擠壓生產工藝的凹凸模材料，并構造出鋁罐沖擊擠壓工藝DEFORM-3D仿真模型設計方案。本章內容首先所講的是反擠壓凸模的設計，根據(jù)減少單位擠壓力，保證生產中薄壁的質量等要求，選取平底錐形凸模，并查閱相關文獻后，初步設計出反擠壓凸模的形狀及尺寸。根據(jù)相關的一些文獻，列舉了四種常見的凹模變壁厚曲線，初步選取直線型腔曲線，并初步設計了反擠壓凹模成型腔的一些重要尺寸。最后根據(jù)預期鋁罐成形尺寸及反擠壓凹模尺寸，設計出鋁坯料的形狀及通過計算得出了鋁坯料的尺寸。第三章鋁罐沖擊擠壓工藝關鍵影響因素分析3.1模具材料的影響在上一章內容中講到，反擠壓凹凸模的材料應該根據(jù)擠壓工藝的類型作選擇，所以根據(jù)本文選擇了Cr12MoV冷作模具鋼作為反擠壓凹凸模的材料，在本小節(jié)當中，將使用Cr12MoV冷作模具鋼與理想狀態(tài)下剛體作為凹凸模材料，使用Deform-3D軟件進行擠壓仿真，比較兩者對擠壓工藝的影響。在Deform-3D軟件當中，加載完成鋁坯料及凹凸模的模型之后，需要對凹凸模型進行網格劃分，否則無法選擇凹凸模的材料類型，此處將凹凸模劃分為32000個網格，并在軟件材料庫中選擇對應Cr12MoV的型號，如圖3-1所示。a）凹凸模型網格劃分b）材料類型的選擇圖3-1模型網格劃分及材料選擇完成以Cr12MoV作為凹凸模材料的仿真之后繼續(xù)以剛體作為凹凸模材料進行仿真，待兩者都仿真完成之后對仿真結果進行比較分析，主要仿真結果中的載荷曲線圖。a）Cr12MoV材料載荷曲線b）剛體材料載荷曲線圖3-2載荷曲線通過圖3-2可以看出，以Cr12MoV作為凹凸模材料或是將凹凸?？醋鲃傮w，仿真結果中載荷曲線的最大值均為462kN，且兩條載荷曲線幾乎一致，所以能夠得出結論：以Cr12MoV作為反擠壓凹凸模材料與理想狀態(tài)下情況一致，Cr12MoV可以作為反擠壓凹凸模材料。3.2摩擦系數(shù)的影響沖擊擠壓工藝屬于金屬塑性加工，而在塑性加工當中，摩擦是普遍存在的問題，在實際加工當中，摩擦力的大小會受許多因素的影響，而在仿真當中，一般都做一些假設進行近似計算。在考慮到工件材料與模具表面的接觸情況，趙恒章[13]指出有以下三種情況：（1）材料粒子粘著在工具表面上。（2）材料粒子和工具有相對運動，但接觸壓力小。（3）隨著接觸壓力的增大，采用庫倫定律模型計算的摩擦力會超出剪切模型的計算值，這在實際中是不可能的，因為摩擦應力不可能超過材料的剪切強度。在本文的研究當中所采用的擠壓方式為反擠壓，在擠壓過程當中會產生較高的擠壓力，所以本文按照上述第三種情況考慮，采用剪切模型模擬摩擦。在各種成形條件下摩擦因子μ的值如下[14]：鋼、鋁、銅冷成形，用磷—皂潤滑劑或油，μ=0.05~0.15；鋼、銅、鋁合金熱成形，用油基或水基石墨，μ=0.2~0.4；鈦、高溫合金熱成形，用玻璃潤滑劑，μ=0.1~0.3；熱軋板材，鋁合金擠壓，不加潤滑劑，μ=0.7~1.0。本文為純鋁的冷擠壓成形，所以選用磷—皂潤滑劑或油，在仿真當中摩擦因子的設計值為μ=0.05~0.15。由于Deform-3D軟件當中配置對象間關系時，只有μ=0.08及μ=0.12兩項數(shù)值供選擇，所以在本小結中設計的仿真為相同擠壓速度及材料情況下兩種摩擦因子對擠壓工藝的影響，仿真結果如下圖所示。a）μ=0.08時載荷曲線b）μ=0.12時載荷曲線圖3-3不同摩擦因子情況下的載荷曲線從圖3-3中的載荷曲線可以看出，當摩擦因子μ=0.08時，仿真過程當中鋁坯料受到的最大載荷值為381kN，而在摩擦因子μ=0.12的情況下，鋁坯料受到的最大載荷值為462kN，并且當μ=0.08時，整個成形過程中鋁坯料受到的均勻載荷要比μ=0.12時小得多。所以能夠得出結論，摩擦因子的值越高，在擠壓成形過程當中鋁坯料受到的載荷力越大，根據(jù)沖擊擠壓工藝的要求，坯料受到的單位擠壓力要避免過高的情況，同時較低的載荷能夠減少沖壓機及凹凸模具的磨損，減少生產成本。但由于文本中凹凸模所選材料為Cr12MoV鋼材，此鋼材為高碳高鉬萊氏體鋼，在Deform-3D軟件中，此類鋼材推薦選用的摩擦系數(shù)為0.12，硬質合金模具鋼推薦選用摩擦系數(shù)為0.08，結合實際生產過程當中成本與利潤的關系，應選擇摩擦系數(shù)為0.12進行生產。3.3擠壓速度對沖擊擠壓工藝的影響在實際生產當中，擠壓速度不僅會影響工件的成形質量，還會影響產品的生產效率，所以擠壓速度的設計要以工件質量及生產效益為根據(jù)。在本文案例當中，坯料受擠壓前的初始溫度為20℃左右，結合工廠的生產實例，凸模的擠壓速度取值范圍設定為5~20mm/s。在模擬仿真當中，采用凸模工作帶長度3.9mm，凹模型腔變壁處長度1mm，摩擦因子0.12；擠壓速度分別取5mm/s，10mm/s，15mm/s。a）5mm/sb）10mm/sc）15mm/s圖3-4不同速度下的載荷曲線仿真結果如圖3-4所示。從模擬結果中可以看出，鋁坯料受到的載荷隨擠壓速度的增加而增加，這主要由于材料變形抗力增加所致[5]。在擠壓過程中，鋁坯料會沿著凹模型腔流動，凸模的工作帶及凹模型腔作導向作用，當擠壓完成之后，鋁罐薄壁會存在微小偏移，導致這種情況產生的因素可能是擠壓速度的不同，凸模工作帶的長度及凹模型腔過渡帶的長度。在實際生產過程當中，由于成本及利潤要求，產線的產能應達到每分鐘生產180個鋁罐左右，所以在鋁罐沖擊擠壓仿真中將速度設計為15mm/s，在圖3-5中，以擠壓速度15mm/s為例，展示鋁罐沖擊擠壓全過程。a）step-1b）step9c）step19d）step58e）step86f）step124圖3-5鋁罐沖擊擠壓過程由圖3-6可以看出擠壓成形后的鋁罐偏移量約為0.59mm。圖3-6偏移量的測量3.4模具結構參數(shù)的影響在第二章內容中講到，反擠壓凸模的錐頂角、工作帶長度、過渡處倒圓角半徑，反擠壓凹模型腔變壁處長度為模具設計的關鍵參數(shù)，反擠壓凹模型腔變壁及反擠壓凸模工作帶在擠壓過程當中直接與擠壓件接觸，所以這兩個參數(shù)會影響到擠壓件的成形質量，反擠壓凸模錐頂角的角度及過渡處倒圓角的半徑決定了成形鋁罐底部內的形狀，錐頂角及倒圓角的尺寸會影響金屬塑性流動過程，若尺寸選取不當容易導致擠壓過程中產生應力集中現(xiàn)象，在本節(jié)內容當中，主要選取不同凸模過渡處倒圓角半徑為變量，分析倒圓角半徑大小對仿真結果的影響，如圖3-7所示。在第四章響應面分析內容當中，會以反擠壓凸模的錐頂角、工作帶長度、過渡處倒圓角半徑三個結構參數(shù)進行正交實驗，得出最優(yōu)結構參數(shù)。a）r=0.5mmb）r=2.0mm圖3-7不同半徑倒圓角示意圖a）r=0.5mm金屬流動趨勢圖b）r=2.0mm金屬流動趨勢圖圖3-8金屬流動趨勢圖a）r=0.5mm載荷圖b）r=2.0mm載荷圖圖3-9載荷曲線通過圖3-8我們可以看出，當過渡處圓角半徑較小時，金屬流動會集中在擠出口，此處受到的應力最大，當過渡處圓角半角變大時，可以看出擠出口的流動密集程度明顯減小，從而此處受到的應力也會較小?？梢缘贸鼋Y論，凸模過渡處圓角半徑越大，擠出口處的應力就越小。但是從圖3-9中得知當凸模過渡處圓角半徑增大時，擠壓件受到的最大載荷及平均載荷會有所減小。在后續(xù)的章節(jié)當中，將會對擠壓速度、摩擦系數(shù)及模型主要結構參數(shù)進行優(yōu)化分析，從而得出最優(yōu)化模型參數(shù)。3.5本章小結在本章內容當中，主要對影響沖擊擠壓工藝結果的四個主要因素進行對比分析并查閱由關Deform-3D仿真分析文獻，得出了以下結論：1.所選的冷作模具鋼與理想情況下剛體兩組仿真結果相差不大，模具的材料對沖擊擠壓工藝的影響并不大；2.根據(jù)工藝的不同，潤滑劑的選擇會有所不同，摩擦因子的大小決定了沖擊擠壓工藝產品的生產質量，所以應當選用適當?shù)臐櫥瑒┻M行潤滑；3.沖擊擠壓工藝的擠壓速度從根本上影響著擠壓工藝的成形質量與生產效率；4.反擠壓凹、凸模的結構參數(shù)對沖擊擠壓工藝有著較大的影響。第四章 基于響應面分析的結構參數(shù)模型及工藝優(yōu)化4.1響應面分析介紹響應面分析法(ResponseSurfaceMethodology,簡稱:RSM)，是利用合理的試驗設計方法并通過實驗得到一定數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應值之間的函數(shù)關系，通過對回歸方程的分析來尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，解決多變量問題的一種統(tǒng)計方法。隨著科學技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)實中工程計算模型變得比以往復雜許多，計算量也越來越大，運算時間也越來越長，由于許多工程問題當中影響因素與響應量的關系是非線性的，而響應面分析法能夠很好地解決這種既耗時又非線性地優(yōu)化問題[15]。4.2正交實驗中因素水平的選定成形載荷的大小直接關系到擠壓噸位的選取[16]，壓力機噸位的選擇直接關系到產品的生產成本，成形載荷越小，所選壓力機的噸位也越小，生產成本也隨之減少；相反的，選取壓力機的噸位越大，生產的成本也會越高。而且成形載荷過大，工件及擠壓模具受到的壓力也越大，可能導致工件及模具發(fā)生破損，而成形載荷較小，可能導致工件無法成形，所以在實際生產當中，應當將成形載荷控制在適當值。在上一章的內容當中講到，影響成形載荷的因素有摩擦系數(shù)、擠壓速度及模具關鍵結構參數(shù)，而摩擦系數(shù)及擠壓速度的選擇已經在第三章內容提到，摩擦系數(shù)選擇μ=0.12，擠壓速度選擇v=15mm/s。所以在響應面分析當中，選擇反擠壓凸模倒圓角半徑、工作帶長度及錐頂角角度作為優(yōu)化參數(shù)。選擇的試驗因素及取值范圍分別為：凸模過渡處倒圓角半徑r1的取值范圍為0.5mm~2.0mm；工作帶長度L的取值范圍為2.5~3.9mm；錐頂角α的取值范圍為25°~35°。4.3正交試驗設計表3-1試驗因素水平分析水平(A)凸模過渡處倒圓角半徑r（mm）(B)工作帶長度h1（mm）(C)錐頂角α（°）10.52.52521.253.230323.935根據(jù)一節(jié)中講到的試驗因素及取值范圍，設置三種水平三個因素的正交表。正交試驗水平如表3-1所示，并將試驗數(shù)據(jù)填入下表3-2正交試驗記錄表中。表3-2正交試驗記錄表編碼FactorAFactorBFactorC平均成形載荷（kN）Z11.253.230291Z21.252.535302Z323.225306Z40.53.930309Z50.53.235326Z61.253.230283Z71.253.935293Z823.930296Z90.53.225319Z101.252.525290Z110.52.530335Z121.253.230286Z1323.235320Z1422.530317Z151.253.9252804.4響應面分析結果將上一小節(jié)中的數(shù)據(jù)導入響應面分析軟件DesignExpert中，如圖4-1所示。經過軟件計算分析，得出殘差的正態(tài)分布圖如4-2所示，理論上數(shù)據(jù)點越靠近直線越準確，圖4-3為各因素的影響曲線，圖4-4為響應面三維圖。根據(jù)載荷值期望為小，軟件分析得出最優(yōu)參數(shù)如圖4-5所示，其中最優(yōu)參數(shù)為：反擠壓凸模過渡處圓角半徑r=1.34mm，工作帶長度h1=3.9mm，錐頂角α=26°。圖4-1軟件數(shù)據(jù)列表截圖圖4-2殘差的正態(tài)分布圖a）過渡圓角半徑b）工作帶長度c）錐頂角圖4-3各因素影響曲線圖4-4響應面三維圖圖4-5最優(yōu)參數(shù)4.5本章小結本章的主要內容是介紹最優(yōu)化參數(shù)的分析方法：響應面分析法，根據(jù)前文的分析，選擇摩擦系數(shù)、擠壓速度及凸模過渡處倒圓角作為正交試驗因素，進行正交試驗分析。根據(jù)試驗結果選出最優(yōu)參數(shù)。其中最優(yōu)參數(shù)仿真結果見第五章內容。第五章 最優(yōu)化設計結果驗證5.1反擠壓凹、凸模最優(yōu)結構參數(shù)在第二章內容中設計的反擠壓凹、凸模結構的基礎上，結構第四章中所優(yōu)化的工藝參數(shù)，在Pro/E軟件中建立鋁坯料、凹凸模的三維模型并導出為Deform-3D可識別的stl文件，模型中各個關鍵工藝參數(shù)設置如表5-1所示。鋁坯料采用塑性模型，材料為AL1100工業(yè)純鋁，劃分網格為32000個，采用系統(tǒng)的自動重劃分法，凹凸模采用剛性材料，為節(jié)省仿真時間減少計算量，模型均設計為1/4模型。表5-1模型各項工藝參數(shù)坯料直徑（mm）52.8凹模型腔變壁處高度（mm）1坯料厚度（mm）5.3凹模底部型腔內徑（mm）52.84坯料溫度（℃）20摩擦系數(shù)0.12凸模外徑（mm）52.2凸模過渡處倒圓角半徑（mm）1.34凸模工作帶長度（mm）3.9擠壓速度（mm/s）15錐頂角（°）265.2仿真模擬結果及分析圖5-1為優(yōu)化參數(shù)后整個鋁罐沖擊擠壓過程。step-1，凸模底面剛好接觸鋁坯料上部，變形開始；step10，鋁坯料開始塑性流動，金屬將從凸模工作帶與凹模型腔變壁處流過；step24，金屬受擠流出凹模，開始剛性上移動；step44、step80，金屬薄壁保持剛性上移，部分部位出現(xiàn)微小褶皺；step145，凸模移動至限位處，擠壓成形完畢。a）step-1b）step10c）step24d）step44e）step80f）step145圖5-1擠壓成形過程圖5-2為擠壓過程產生的載荷曲線。從圖中可以看出經過參數(shù)優(yōu)化后的載荷曲線中最大載荷及平均載荷有所降低。a）成形過程中載荷值b）成型結束載荷值圖5-2載荷曲線圖5-3為成形鋁罐的薄壁偏移量，可以從途中看出偏移量為0.1mm，要小于之前章節(jié)中