铜陵学院课程实验报告实验名称棒材热挤压过程模拟实验课程材料成型计算机模拟指导教师专业班级姓名学号2012年04月23日实验二棒材热挤压过程模拟1 实验目的与内容1.1 实验目的进一步熟悉DEFORM软件前处理、后处理的操作方法，掌握热力耦合数值模拟的模拟操作。

深入理解并掌握DEFORM软件分析热挤压的塑性变形力学问题。

1.2 实验内容运用DEFORM模拟如图2所示的黄铜(DIN_CuZn40Pb2)棒挤压过程（已知：坯料φ98⨯60mm）。

图2 棒材热挤压示意图挤压工具：尺寸如图所示，材质DIN-D5-1U,COLD，温度3500。

坯料：材质DIN_CuZn40Pb2，尺寸φ98×60，温度6300。

工艺参数：挤压速度10mm/s，摩擦系数0.1。

（二）实验要求（1）运用PRO/E绘制各模具部件及棒料的三维造型，以stl格式输出；（2）设计模拟控制参数；（3）DEFORM前处理与运算；（4）DEFORM后处理，观察圆柱体压缩变形过程，载荷曲线图，通过轴对称剖分观察圆柱体内部应力、应变及损伤值分布状态；（5）运用DEFORM后处理Flow Net（流动栅格）功能观察金属流动的不均匀性，说明原因；（6）提交分析报告（纸质和电子版）、模拟数据文件、日志文件。

2 实验过程2.1挤压工模具及工件的三维造型根据给定的几何尺寸，运用PRO/E分别绘制坯料、挤压垫、挤压模、挤压筒的几何实体，文件名称分别为workpiece，top die，bottom die，object 4。

输出stl格式。

2.2 挤压模拟2.2.1 前处理建立新问题：程序→DEFORM6.1→File→New Problem→ Next→在Problem Name 栏中填写Stick extrusion→ Finish→进入前前处理界面；单位制度选择：点击Simulation Control按钮，点击Main，在Units栏中选中SI，并在Simulation Title栏中填入“Stick extrusion”，勾选“Deformation”和“Heat Transfer”。

添加对象：点击+按钮添加对象，依次为“Workpiece”、“top die”、“bottom die”以及“object 4”。

定义对象材料：在对象树上选择workpiece，点击General按钮设置物体类型为Plastic，填入温度630℃；点击Material，选择DIN-CuZn40Pb2完成材料属性的添加。

导入毛坯：导入已经画好的workpiece的几何实体；对几何实体进行几何检查，质量符合的图形才能进行网格划分并计算，检查质量合格。

实体网格化：在对象树上选择workpiece，点击Mesh，选择Detailed Settings选项卡，将类型（Type）改为绝对的（Absolute），尺寸比（Size Ratio）改为2，最小单元尺寸（Min Element）改为3，然后生成实体网格。

工件体积补偿：在对象树上选择workpiece，点击Property，在Target V olume卡上选中Active in FEM + meshing，自动生成体积补偿。

用样的方法定义上模top die，物体类型为Rigid，温度为350℃，勾选Primary Die。

设置上模参数，进入运动参数窗口，设置参数Direction为-Z，Speed为10mm/s。

定义下模bottom die，与上模方法相同，但不勾选Primary Die。

定义object 4，与上模方法相同，但不勾选Primary Die。

模拟控制设置：点击Simulation Control按钮，点击Step按钮→在Number of Simulation Steps填入模拟步数为30（计算得出的）→Step Increment to Save设置存储增量为3→在Primary Die栏中选择top die→在With DieDisplacement栏中填入步长为1→点击OK按钮完成模拟设置；点击Stop，在Die Distance选项卡中设置Z轴距离为-30。

调整对象位置关系：在工具栏点击Object Positioning按钮进入对象位置关系调整对话框→改变X、Y、Z的数值来调整位置→点击OK按钮完成。

边界条件定义：在工具栏上点击Inter-Object按钮→在对话框上选择workpiece —topdie→点击Edit按钮→点击Deformation卡Friction栏上选中Shear和Constant 选项，填入摩擦系数类型Hot Forging (Lubricated) →点击Thermal→选中Constant选项，填入传热类型如Fomging →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tolerace 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，依次保存各工模具的信息。

2.2.2 生成库文件在工具栏上点击Database generation按钮→在Type栏选中New选项→选择路径（英文）→填入数据库文件名（英文），如stick extrusion →点击Check按钮→没有错误信息则点击Generate按钮→完成模拟数据库的生成。

2.2.3 退出前处理程序在工具栏上点击Exi按钮，退出前处理程序界面。

2.2.4 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，进入运算对话框→单击Start按钮开始运算→单击Stop按钮停止运算→单击Summary，Preview，Message，Log按钮可以观察模拟运算情况。

2.3 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。

（1）观察变形过程：点击播放按钮查看成型过程；（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；（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其变化情况；（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应变分布及其变化情况；（5）观察破坏系数分布：在状态变量的下拉菜单中选择Damage，点击播放按钮查看成型过程中可能产生破坏的情况；（6）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load.png；（7）点跟踪分析：点击Point Tracking按钮，根据上图点的位置，在工件上依次点击生成跟踪点，点击Save按钮，生成跟踪信息，观察跟踪点的最大应力、最大应变、温度、破坏系数，保存相应的曲线图。

（8）流动网格分析：点击Flow Net按钮，在对话框中分别选择Starting step和Ending step的数值，点击Next，选择Surface net，点击Next，选中Parallel，点击Next，确定起点平面、终点平面，输入方向矢量和分割面的数量，点击Next，点击Finish，生成金属流动网格数据，点击播放按钮查看流动格变化情况。

3 实验结果与分析3.1观察工件变形过程下面是棒材挤压变形图如下图1所示，分别选取第1、20、60和78步的模拟情况：图1 棒材挤压变形过程分别取第1、20、60和78步的变形图3.2观察温度变化及点追踪分析1）后处理中观察温度变化云图如图2所示,点击播放按钮选择第50步查看温度变化分布情况。

在整个挤压过程中，中部的温度分布比较均匀且较高，因为工件中心不与空气和挤压模具接触，散热和传热都很少；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，使温度降低，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。

2）后处理中在状态变量的下拉菜单中选择Temperature,点击播放按钮选择第50步查看温度变化情况，如图3所示。

在坯料上所选的三点的温度分布整体上是呈小幅度的下降趋势，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接触摩擦会产生热量，所以跟踪点的温度降幅很小。

但曲线整体呈下降趋势，只是下降的缓急情况不同，这是因为坯料个部分的散热情况不同造成的。

P1点就是因为与挤压垫接触发生热交换，致使温度急剧下降，而P2点随上部温度下降也略有下降；中间部分热量不能散出又不能发生热交换，P3点温度较高且稳定，P4点区域发生剧烈变形，温度最高，挤压速度快散热效果不好，温度后期上升。

图2 温度变化云图图3温度变化3.3观察最大应力分布1）后处理中观察最大应变云图如下图4所示,点击播放按钮选择第50步查看最大应力分布情况。

从图中可以清晰地看出，前段部分应力分布较均匀，且数值较大，为三向压应力状态；从中还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，产生较大的附加应力。

未挤出的部分应力分布不均匀，中心部分均匀但应力较小，以为有摩擦力时出现附加拉应力使其应力发生变化，环向拉应力越靠近外层越大，而径向压应力越靠近外层越小。

再者坯料上端部应力最小，这是此处金属流动很难，变形很小，则应力很小，在图4中可以清晰的看出。

2）后处理中在状态变量的下拉菜单中选择Max Stress,点击播放按钮选中第50步查看应力分布及变化情况，如图5所示。

从图中可以清晰地看出，前段部分应力几乎不变呈直线平行横坐标，且其应力值很大，然后其应力曲线急剧下降，应力分布不均匀，且变化幅度较大。

因为工件的直径急剧变化，金属流动的阻力最大，不均匀变形也最大产生较大的附加应力，所以也就出现了如图所示的情况。

图4 最大应力云图图5 最大应力曲线3.4观察最大应变分布1）后处理中观察最大应变云图如下图6所示,点击播放按钮选择第50步查看最大应力分布情况，如图7所示。

从图中可以清晰的看出，在整个挤压过程中离挤压垫近端变形很小，此段属于均匀变形而且坯料的金属流动阻力最大；当坯料逐渐被挤出模孔，后端变形区逐渐变小，与挤压垫接触界面的金属难以克服沾结力纵向补充到流速最快的外层，进而导致中心缩尾现象，导致产品质量下降。