机械工程系实验报告实验内容黄铜棒挤压过程模拟实验时间 2010-5-21至2010-6-3班级姓名学号指导教师黄铜挤压模拟实验报告实验目的：通过模拟训练，让学生熟悉AUTOCAD、UG、(PRO/E) 、OFFICE等软件，并掌握这些软件的实用方法，提高学生在专业领域内运用计算机技术分析问题、解决问题的能力。
熟悉DEFORM-3D软件的实用的环境，学会使用DEFORM-3D进行简单的材料成型模拟，分析成型过程中工件的温度、应力、应变、破坏系数及挤压工具载荷的变化。
实验内容：运用DEFORM-3D模拟黄铜的挤压过程。
本次实习模拟的是材料为DIN_CuZn40Pb2尺寸为200mm×140mm黄铜棒的挤压过程。
主要内容： 1）绘图：熟悉AUTOCAO（PRO\E、UG）绘图软件的使用方法，运用 AUTOCAD （PRO\E、UG）完成给定问题的二维平面图形和三维实体图形的绘制。
2）成型过程模拟实验：熟悉模拟软件DEFORM-3D的使用方法，运用DEFORM-3D模拟实例问题的成型过程，进行简要的工艺参数队成型过程的影响分析。
3）电子文档编辑训练：练习OFFICE软件的Word等常用编辑软件的使用方法，运用OFFICE完成材料成型过程模拟实验的实验报告。
实验过程：1.根据给定的主要尺寸，运用AutoCAD/UG/PRO\E绘出挤压过程平面图形，并标注尺寸。
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.在DEFORM中输入各个零件图形，设置模拟参数，生成数据库，最终完成模拟过程。
4.完成模拟的后处理过程，观察模拟过程中工件及挤压工具主要参数的变化，并记录数据。
5.撰写实验报告。
详细步骤如下：（1）已知数据如下：挤压筒：外经300mm,内径200mm，长度200mm挤压垫：直径200mm，厚60mm挤压模：外径245mm，内径60mm,长100mm, 挤压模锥度45°工件：200×140的棒材，出口直径为60mm （2）根据以上数据，在PRO\E、UG环境下绘出平面，并标注，填充各个剖切面，平面图如图1（3）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，为使DEFORM-3D模拟时减少单元格的个数及运行速度，可讲工件剖分，挤压模中各倒角分别设置为2mm，本步主要运用了实体圆柱，圆锥造型，三维图如2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peiliao、jiyatong、jiyadian、jiyamu。
（4）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。
①前处理建立新问题：程序→DEFORM5.03→File→New Problem→Next→在Problem Name栏中填写“extrusion stick”→Finish→进入前处理界面。
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extrusion workpiece→点击Change按钮→点击geometry→点击import→选择extrusion workpiece.实体文件→打开；重复操作，依次添加extrusion die, extrusion mandrel, extrusion dummy block, extrusion chamber。
定义对象的材料模型：在对象树上选择extrusion workpiece→点击General 按钮→选中Plastic选项（塑型）→点击Assign Temperature按钮→填入温度，如630→点击OK按钮→在对象树上选择extrusion dummy block→点击General 按钮→选中Rigid选项（刚性）→点击Assign Temperature按钮→填入温度，如350→点击OK按钮→勾选Primary Die选项（定义为extrusion dummy block 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）；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；模拟控制设置：点击Simulation Control按钮→Main按钮→在Simulation Title栏中填入“stick extrusion”→在Operation Title栏中填入”deform heat transfer”→选中SI选项，勾选“Heat transfer”和“Defor mation”选项→点击Step按钮→在Number of Simulation Steps栏中填入模拟步数→Stemp Increment to Save栏中填入每隔几步就保存模拟信息→在Primary Die 栏中选择extrusion dummy block(以挤压垫为主动工具) →在With Constant Time Increment栏中填入时间步长→点击OK按钮完成模拟设置；实体网格化：在对象树上选择extrusion workpiece→点击Mesh→在Number of Elements卡上填入需要的网格数，如15000→点击Generate Mesh→工件网格生成；设置对象材料属性：在对象树上选择extrusion workpiece→点击Material→点击DIN-CuZn40Pb2→点击Assign Material完成材料属性的添加；设置主动工具运行速度：在对象树上选择extrusion dummy block→点击Movement→在speed/force选项卡的type栏上选中Speed选项→在Direction 选中主动工具运行，如-Y→在speed卡上选中Define选项，其性质选为Constant,填入数度值，30mm∕s。
工件体积补偿：在对象树上选择extrusion workpiece→点击Property→在Target Volume卡上选中Active选项→点击Calculate Volume按钮→点击Yes 按钮→勾选Compensate during remeshing边界条件定义：在工具栏上点击Inter-Object按钮→在对话框上选择extrusion workpiece-extrusion dummy block→点击Edit按钮→点击Deformation卡Friction栏上选中Shear和Constant选项，填入摩擦系数或选择摩擦类型如Hot Forging→点击Thermal→选中Constant选项，填入传热系数或选择传热类型如Forming→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tolerance按钮→点击OK按钮完成边界条件设置；保存k文件：在对象树上选择extrusion workpiece→点击Save按钮→点击保存按钮→保存工件的前处理信息→重复操作，依次保存各个模具的信息。
②模拟运算：在主控程序界面上，单击项目栏中的stick-extrusion.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。
③后处理：模拟运算结束后，在主控界面上单击stick-extrusion.DB文件→在Post Processor栏中单击DEFORM-3D Post按钮，进入后处理界面。
（5）观察后处理结果①观察变形过程，点击播放按钮查看成型过程，如图3。
图3 挤压模拟过程② 观察温度变化：在状态变量的下拉菜单中选择Temperature,点击播放按钮查看成型过程中温度变化情况，如图4所示。
从上图可以看出，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，温度较接触端高且变化不大。
图4 终了温度分布③观察最大应力分布：在状态变量的下拉菜单中选择Max Stress,点击播放按钮查看成型过程中最大应力分布及变化情况，如图5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，从中海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。
在挤压筒与工件的接触部位残余应力和应力都影响最小。
图5 终了最大应力分布④观察最大应变分布：在状态变量的下拉菜单中选择Max Strain,点击播放按钮查看成型过程中最大的应变分布及其变化情况：终了最大应变分布如图6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6 终了最大应变分布⑤成型过程载荷：点击Load Stroke按钮，生成变形工具加载曲线图，保存图形文件为pad.png.如图7.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。
⑥点跟踪分析：点击Point Tracking，在工件上依次点击生成跟踪点，如图8。
点击Save生成跟踪信息，双击跟踪点上的温度，如图9：最大应力，如图10；最大应变，如图11；破坏系数，如图12，保存相应的曲线图。
图7 成型载荷分布⑦点跟踪分析：点击Point Tracking，在工件上一次点击生成跟踪点，如图8。
点击Save生成跟踪信息，双击跟踪点上的温度，如图9；最大应力，如图10；最大应变，如图11；破坏系数，如图12，保存相应的曲线图。
图8 跟踪点分布图9 跟踪点温度分布图10 跟踪点最大应力分布图11 跟踪点最大应变分布图12 跟踪点破坏系数分布图9可以看出，所选的每个点的温度分布整体上是呈小幅度的下降趋势（本次试验挤压过程很短且工件与外界的热专递几乎没有，所以个点的温度似乎保持了不变），主要在模拟成型过程中存在工件和工具以及外界的热交换、热量损失，所以温度会有所下降但幅度很小，因为在热传递和热量散失的过程中同样还有接触摩擦所产生的量的部分损失，所以跟踪点的温度很小。