反向擠壓成形的案例
Abaqus反向擠壓成形仿真案例講解
Abaqus反向擠壓成形仿真案例講解
simufact.forming擠壓成形分析（管材擠壓）
simufact.forming擠壓成形分析（管材擠壓）
simufact.forming在做擠壓成形分析的時(shí)候，一般需要在工作區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，simufact在2D擠壓分析或管材擠壓分析，比較容易，對網(wǎng)格要求較低，但是在3D擠壓時(shí)，要求工作區(qū)的網(wǎng)格要細(xì)，這就需要使用simufact自帶的網(wǎng)格局部細(xì)化工具，進(jìn)行擠壓成形過程的細(xì)化分析，這樣才能保證求解過程的收斂性。
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另外，擠壓成形中，有時(shí)候需要考慮，擠壓筒、內(nèi)襯、中襯之間的過盈配合對模具產(chǎn)生的應(yīng)力的作用，以及在成形過程中模具所受的應(yīng)力分析，simufact能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)變形體，并且將模具看成彈性變形體，精確分析彈性變形產(chǎn)生的應(yīng)力作用和變形作用對產(chǎn)品精度的影響。
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以下為3D分析采用四分之一模型進(jìn)行的管材擠壓成形分析，擠壓工作區(qū)采取了網(wǎng)格細(xì)化。
展開 DEFORM金屬擠壓成形工藝數(shù)值模擬技術(shù)
1 前言
金屬擠壓成形是用壓力機(jī)和模具對放置在模具腔內(nèi)的金屬坯料施加強(qiáng)大的壓力使金屬坯料產(chǎn)生定向塑性變形，從擠壓模的模孔中擠出而獲得所需斷面形狀、尺寸且具有一定力學(xué)性能的零件或半成品的塑性加工方法。擠壓成形的種類很多，例如按照金屬塑變流動(dòng)方向可分為正擠壓、反擠壓、復(fù)合擠壓及徑向擠壓。按照金屬坯料溫度分冷擠壓、溫擠壓和熱擠壓等。
2 擠壓成形工藝優(yōu)勢及面臨問題
擠壓成形與其它的金屬成形加工方法相比具有明顯的優(yōu)勢，可以用少量的工序完成復(fù)雜零件的成形加工，例如各種形狀復(fù)雜的深孔、薄壁和異形截面零。零件尺寸精度高，表面質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，擠壓零件不需要或僅需要少量的切削加工，大大節(jié)約材料。
不過由于擠壓成形工藝特點(diǎn)，在生產(chǎn)過程中也有許多需要克服的難點(diǎn)。對模具的要求較高，要求模具要有較高的強(qiáng)度。對于冷擠壓，坯料一般需要經(jīng)過軟化處理及表面潤滑處理，擠壓成形后，工件還需消除內(nèi)應(yīng)力才能使用；對于被擠壓的金屬材料要求有較高的塑性及低的屈服極限和冷硬性，目前常用于冷擠壓的材料有：有色金屬，低碳鋼，低合金鋼，不銹鋼，鈦和鈦合金等。除此之外在擠壓成形過程中工件經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種缺陷從而導(dǎo)致零件無法達(dá)到實(shí)際要求，常見的缺陷有：表面折疊、表面折縫、縮孔和裂紋等。目前國內(nèi)企業(yè)在面臨這些問題時(shí)大多采用試錯(cuò)法，也就是完全憑工程師經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行大量的實(shí)際試驗(yàn)，這種方法的弊端在于對工程師經(jīng)驗(yàn)依賴性大，經(jīng)驗(yàn)又難以快速進(jìn)行有效地積累和傳承，通過多次的實(shí)際試驗(yàn)使得產(chǎn)品的生產(chǎn)周期長，成本增加，質(zhì)量不高。因此相關(guān)企業(yè)需要一種有效地工具來面臨挑戰(zhàn)，專業(yè)金屬成形工藝數(shù)值模擬工具DEFORM便可以為這些難題提供相應(yīng)的解決方案。
展開 Abaqus利用ALE方法進(jìn)行擠壓成形仿真案例講解
Abaqus利用ALE方法進(jìn)行擠壓成形仿真案例講解
一種車用攝像頭殼體冷擠壓成形工藝與模具設(shè)計(jì)
產(chǎn)品及生產(chǎn)工藝
產(chǎn)品信息
材料使用工業(yè)純鋁，牌號(hào)1070A，純鋁塑性好，易于冷擠壓成形。產(chǎn)品長寬高尺寸為23mm×23mm×17.5mm，輪廓尺寸公差±0.05mm，體積2038mm3，重量5.5g。因冷擠壓后的產(chǎn)品尺寸和表面粗糙度滿足要求，故鍛后無CNC加工，產(chǎn)品圖如圖1所示。
圖1 產(chǎn)品圖
設(shè)備選型
此系列產(chǎn)品冷擠壓成形噸位預(yù)估不足60t，雖然成形噸位小，但因設(shè)備噸位限制，故只能選用500t油壓機(jī)。
成形工藝與模具設(shè)計(jì)
此系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可使用型材冷擠壓一次成形，冷擠壓對坯料重量、體積和端面的要求較高，需采用精密鋸切下料。型材鋸切后的坯料形狀、尺寸見圖2；模具結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。
圖2 坯料形狀與尺寸
圖3 部分模具結(jié)構(gòu)簡圖
上模芯在向下運(yùn)動(dòng)過程中，頭部的導(dǎo)向桿穿過坯料中心孔，與下模頂桿接觸發(fā)生導(dǎo)向；上模芯再繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，中部方形桿與下模芯接觸發(fā)生二次導(dǎo)向，故對模具材料和加工精度要求較高，否則極易引起上模芯偏載斷裂。在退料后，下模頂桿依靠重力和下模頂桿彈簧的作用恢復(fù)到位。
成形與模具應(yīng)力模擬分析
模擬參數(shù)設(shè)定
原材料尺寸：長寬高為22.6mm×22.6mm×5.3mm，重量約5.5g；網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格數(shù)量為102863個(gè)，最小網(wǎng)格尺寸為0.385mm，網(wǎng)格比例2.5；摩擦系數(shù)：剪切摩擦系數(shù)0.2；運(yùn)動(dòng)與步長：上模運(yùn)動(dòng)速度1mm/s，步長值0.035mm。
模擬結(jié)果分析
模擬成形終步產(chǎn)品填充情況與產(chǎn)品尺寸(386步)，如圖4所示。
圖4 成形終步產(chǎn)品尺寸
等效應(yīng)變分布云圖如圖5所示，成形過程中，殼體的等效應(yīng)變分布較為均勻，最大值不大于3.9；最大等效應(yīng)變出現(xiàn)在成形終步，位于殼體頭部毛刺位置，最大值5.93。
展開 轎車變速器中間軸的冷擠壓成形技術(shù)研究
輸入軸冷鍛模具結(jié)構(gòu)
生產(chǎn)中我們采用通用冷鍛模架，預(yù)成形和終成形工序的模芯結(jié)構(gòu)簡圖分別如圖9所示。凹模結(jié)構(gòu)均采用組合式凹模，凹模與外套采用過盈配合，以施加預(yù)緊力，減少冷鍛時(shí)模具開裂。凹模內(nèi)芯材料一般采用基體鋼YXR3材料涂層（調(diào)質(zhì)HRC58~60），外套采用H13材料（調(diào)質(zhì)HRC43~45），凹模頂桿采用Cr12MoV材料（調(diào)質(zhì)HRC58~60）。組合凹模受力較大的地方采用典型的2層預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，受力不大的地方采用單層預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。
（a）預(yù)成形模芯結(jié)構(gòu) （b）終成形模芯結(jié)構(gòu)
圖9 中間軸冷擠壓模具結(jié)構(gòu)圖
工藝過程及成形情況
汽車中間軸所采用的工藝流程為：下料→軟化處理→噴丸→制坯→潤滑處理→三工步冷鍛成形→清理→探傷→終檢入庫。下料后對棒料進(jìn)行球化退火，退火后硬度在HB150～160之間。鍛件的晶粒度≥5級，實(shí)際檢驗(yàn)為7級，冷擠壓后鍛件圖及加工圖如圖10所示。
（a）冷擠鍛件 （b）冷擠加工件
圖10 冷擠壓成形鍛件圖
結(jié)論
⑴用冷擠壓工藝生產(chǎn)汽車中間軸鍛件工藝可靠，材料利用率高。
⑵采用FORGE模擬軟件分析產(chǎn)品成形情況比較接近實(shí)際，擠壓后鍛件尺寸穩(wěn)定，表面光潔度高。
——本文節(jié)選自《鍛造與沖壓》2018年第3期
展開 本田“Freed Spike”的輕量活動(dòng)地板采用鋁擠壓成形材料
目前使用的活動(dòng)地板通過使用鋁擠壓材料和樹脂材料，使左右兩塊板分別減輕到了4.7kg和2.7kg。而最初采用木材試制時(shí)，每塊板重達(dá)10kg左右。后來改為樹脂材料，但重量仍有6kg左右。
最后本田選擇了盡量使用鋁擠壓材料的構(gòu)造。活動(dòng)地板大致由兩部分構(gòu)成，包括薄板部分以及斜面部分，薄板內(nèi)部與斜面部分均采用了鋁擠壓材料。以4.7kg的薄板為例，薄板部分的上下采用聚丙烯（PP），只在單側(cè)鋪設(shè)了熱可塑彈性體（TPO）。薄板的內(nèi)部構(gòu)造方面，在4根擠壓材料之間，配置了名為PP珠、類似于發(fā)泡苯乙烯的材料。以上下的PP片材（單側(cè)上面鋪有TPO）夾住該構(gòu)造物，然后加熱成型，最后將上下材料焊接在一起。在單側(cè)鋪設(shè)TPO，是為了使質(zhì)感在座椅折疊起來時(shí)與靠背背面配置的TPO一致薄板與斜面之間，則將薄板嵌入斜面部分設(shè)置的溝槽中，然后以鉚釘固定。
為了在活動(dòng)地板升高狀態(tài)下，遇到追尾等碰撞導(dǎo)致薄板脫離時(shí)不要對后座乘員帶來傷害而改進(jìn)了活動(dòng)地板的構(gòu)造。在薄板內(nèi)部的鋁擠壓材料上部設(shè)置了狹縫。狹縫縫隙中插有鋁板，當(dāng)行李的載重量較大時(shí)，會(huì)沿著使夾入縫隙的鋁板壓縮的方向施力，避免致活動(dòng)地板變形。
另外，發(fā)生碰撞時(shí)，斜面部分會(huì)擠壓薄板，對薄板施加向上的力（沿狹縫打開方向的力）。這樣，會(huì)導(dǎo)致鋁擠壓材料斷裂，地板本身則會(huì)彎曲成日語平假名的“く”字型，由此防止對乘員造成傷害。活動(dòng)地板采用了最大可承受100kg重量的設(shè)計(jì)。
來源：造車網(wǎng)
展開 GH4169材料實(shí)際反擠壓與數(shù)值模擬分析對比研究
本次主要討論GH4169 鋼管反擠壓管坯成形技術(shù)，并通過Deform 數(shù)值模擬對管坯反擠壓成形工藝進(jìn)行對比研究。
反擠壓法
坯料從模孔中流出部分的運(yùn)動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相反的擠壓方法為反擠壓，管材、棒材與型材生產(chǎn)都可以采用反擠壓，金屬反向擠壓成形具有一百多年的歷史，但是實(shí)際應(yīng)用近些年才開展，圖1 所示為典型反擠壓示意圖。
1- 凸模 2- 凹模 3- 坯料
圖1 典型反擠壓示意圖
在實(shí)際應(yīng)用過程中，反向擠壓具有以下特點(diǎn)：⑴擠壓速度可以提高。可以降低坯料在轉(zhuǎn)移過程中的溫度損耗，維持坯料外表面高溫下流變應(yīng)力，減小擠壓過程產(chǎn)生的擠壓力。⑵減小摩擦力。反擠壓過程中，凹模與坯料之間有很少的相對運(yùn)動(dòng)，摩擦力主要集中于凸模與坯料之間，所以反擠壓可以大幅度減小摩擦造成的擠壓力。⑶組織性能均勻，提高產(chǎn)品成品率。坯料外表面尺寸精度良好，可生產(chǎn)高精度產(chǎn)品。
數(shù)值模擬
本次模擬采用Deform 對GH4169 反向擠壓管坯進(jìn)行有限元模擬分析，模擬過程中簡化模具，采用旋轉(zhuǎn)對稱繪制模具與坯料，達(dá)到有限元分析目的，具體簡化后圖形如圖2 所示。
圖2 反擠壓模擬簡化示意圖
邊界條件設(shè)置
本次熱擠壓材料溫度與摩擦系數(shù)等邊界條件參數(shù)見表1。
展開 解析DEFORM軟件中的元胞自動(dòng)機(jī)法
計(jì)算過程考慮了金屬變形過程中的應(yīng)變、應(yīng)變速率、溫度等場變量，直接從宏觀模擬計(jì)算結(jié)果中提取，對于復(fù)雜的成形和熱處理工藝更易使用。數(shù)學(xué)模型如下所示：
式中，m為硬化敏感系數(shù)，Q誒激活能，h0硬化常數(shù)、r0回復(fù)常數(shù)、為應(yīng)變速率修正系數(shù)，K為用戶指定。對于鋁合金、鎳基合金、鋼等，DEFORM軟件提供這些材料在上述方程中的參考值，以及退火后金屬材料中的初始位錯(cuò)密度大小，用戶也可任意輸入其它材料的系數(shù)值。
■再結(jié)晶現(xiàn)象。在成形和熱處理過程中，常見的有不連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)再結(jié)晶等現(xiàn)象，用戶可直接選擇，對于其它如連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、幾何動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、粒子激發(fā)形核等現(xiàn)象，也在開發(fā)當(dāng)中。
■ 形核條件。目前提供的形核條件有局部能量飽和、位錯(cuò)密度閾值、位錯(cuò)密度閾值加概率、位錯(cuò)密度閾值加能量飽和等多種方法，選擇后還可詳細(xì)進(jìn)一步定義。
■ 晶粒長大。形核后，晶粒長大主要是晶界的遷移過程，遷移速率可設(shè)置為常數(shù)、位錯(cuò)角的函數(shù)、或溫度的函數(shù)等。
如果用戶需要使用新的元胞轉(zhuǎn)變規(guī)則模擬微觀組織變化，允許自定義二次開發(fā)，在DEFORM軟件界面下，綜合考慮變形和熱處理過程中的宏觀場變量，模擬晶粒的演化過程。
元胞自動(dòng)機(jī)設(shè)置定義完成后直接點(diǎn)擊計(jì)算即可。模擬結(jié)果展示了整個(gè)加工工藝過程中當(dāng)前位置點(diǎn)的晶粒、晶界、位錯(cuò)密度的分布，以及晶粒大小、晶界角、結(jié)晶形狀長寬比的統(tǒng)計(jì)圖。
DEFORM中的CA法應(yīng)用
下圖所示為鋁合金棒料的反向擠壓成形案例，棒料擠壓成形后，外緣紅色區(qū)域出現(xiàn)了粗大晶粒缺陷，通過DEFORM軟件模擬其成形和微觀組織演變過程，提前預(yù)測到缺陷，并分析粗大晶粒的產(chǎn)生的原因，后續(xù)可通過修改擠壓速度、金屬溫度等工藝參數(shù)優(yōu)化工藝。
展開 解析DEFORM軟件中的元胞自動(dòng)機(jī)法
DEFORM中的CA法應(yīng)用
下圖所示為鋁合金棒料的反向擠壓成形案例，棒料擠壓成形后，外緣紅色區(qū)域出現(xiàn)了粗大晶粒缺陷，通過DEFORM軟件模擬其成形和微觀組織演變過程，提前預(yù)測到缺陷，并分析粗大晶粒的產(chǎn)生的原因，后續(xù)可通過修改擠壓速度、金屬溫度等工藝參數(shù)優(yōu)化工藝。
反擠壓工藝示意圖
使用CA法模擬計(jì)算得到結(jié)果如下所示，擠壓開始后發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，平均晶粒尺寸由于再結(jié)晶現(xiàn)象發(fā)生不斷變小，但擠壓完成后，從棒料外緣區(qū)域開始晶粒長大，出現(xiàn)了粗大晶粒。隨著前端棒料溫度的緩慢冷卻，晶粒不斷長大，擠壓完成后將會(huì)產(chǎn)生更多的粗大晶粒。
未擠壓區(qū)域平均晶粒尺寸約23.4μm
擠壓前端開始再結(jié)晶時(shí)平均晶粒尺寸5.2 μm
再結(jié)晶完成時(shí)平均晶粒尺寸4.9 μm
晶粒長大后平均晶粒尺寸20 μm
使用DEFORM軟件的JAMK模擬得到的結(jié)果如下，對比分析擠壓階段各個(gè)區(qū)域的平均晶粒尺寸分布和大小，結(jié)果一致。
JMAK法模擬結(jié)果
實(shí)際試生產(chǎn)后的，對棒料成形階段的各個(gè)斷面觀察，如下圖所示，金屬材料剛擠出型腔時(shí)無粗大晶粒，之后從邊緣位置開始晶粒長大產(chǎn)生粗大晶粒，遠(yuǎn)離型腔端面后，由表面向里晶粒不斷長大，最終只有芯部保持了細(xì)小的晶粒。擠壓完成后的粗大晶粒占到了總體積的70%以上，與模擬結(jié)果一致。
實(shí)物斷面圖
結(jié)束語
DEFORM軟件中CA元胞自動(dòng)機(jī)法能夠結(jié)合宏觀模擬計(jì)算結(jié)果，應(yīng)用的位錯(cuò)理論模型適用大部分金屬類型，是一種直觀的可靠的金屬再結(jié)晶演變過程的模擬工具。
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