套筒扳头挤压成形过程数值模拟与成形工艺优化分析
1）强度和韧性
热挤压是金属在三向不均匀应力状态下进行热态塑性变形的压力加工工艺。在变形过程中，模具将承受相当大的单位压力，而且由于热挤压的变形速度往往较快，带有冲击载荷性质。因此模具材料必须有很高的强度和韧性，才能抵抗断裂，避免模具早期裂纹的产生。
2）耐磨性
由于热挤压是高温下进行的，模具一直处在循环往复的受热状态下工作，模具温度的升高一般是不可避免的，当热挤压件热容大，生产率又高，而冷却效果不理想时，模具工作表面温度可达到500--600℃左右。因此，模具材料仅在室温时具有很高的硬度和强度还不够，还必须具有一定的耐热疲劳性，这样才能保证模具在热挤压过程中不致于产生过大的变形。而具有足够的耐磨性，则最终提高了模具的使用寿命。 2.2.4.挤压设备特点：
在钢质机械零件的热挤压过程中，目前越来越多地采用专用的热挤压设备，针对热挤压工艺生产的特点，用于热挤压生产的设备应满足下列要求：
1）设备必须具有足够的强度和刚度 2）足够的打击能量和精确的导向 3）要有合适的挤压速度
2.3 套筒扳头热挤压成形工艺方案的确定
图2—7 套筒扳头零件的结构
根据零件的结构，在套筒扳头成形工艺方案中，整平工序后是要进行退火和磷化处理的。
套筒扳头热挤压材料采用25钢。
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生产套筒扳头的全部流程为：
备料---原材料酸洗、磷皂化---下料磷皂化---整平---退火---酸洗、磷皂化---成形---热处理（渗碳淬火或碳氮共渗）---镀锌钝化---包装入库。 各主要工序工作特点分析：
1）材料准备 主要为后工序提供稳定的工作直径，以及低而稳定的材料硬度。 2）下料 本工序要求下料长度稳定，重量公差稳定在?2g以内。
3）加热 为确保零件内孔对脱碳层的要求，坯料采用中频加热方式，在加热过程中应严格控制坯料的加热温度。
4） 整平 通过整平工序消除马蹄形、压塌等缺陷，整平上下断面并在上断面中心打出一中心窝，在下端面边缘形成倒角，为下道工序做准备。
5） 成形 本工序所需要完成的是挤压内孔和下端的四方，也即进行反挤压和正挤压的复合挤压过程。外圆和四方部分在模具孔中的总摩擦力远大于冲头与内孔的摩擦力，即冲头在成形结束后上行退出时并不能带动工件退出模腔，所以在这道工序中无需上推料机构，但是，下退料的退料时间是在上冲头退出工件后下顶料开始工作。
3 套筒扳头成形过程的有限元仿真及模具的优化分析
3.1有限元分析软件的背景介绍
金属塑性成形技术作为金属加工的主要方法之一，已被广泛地应用于实际生产中，它实际上是一个复杂的大变形问题，既有几何非线性问题，又有物理非线性问题，加上复杂的边界条件，使得变形机理十分复杂。其成形过程是一个受多种因素的影响的复杂过程，材料性能、模具形状、坯料形状、工艺参数、温度等对成形过程都有影响，但是随着计算技术和计算机应用的日益普及，尤其是有限元技术的不断完善，金属塑性成形过程的数值模拟技术得到了飞速发展，使塑性成形理论向实际应用方向迈进了一大步。针对具体的产品和材料，应用数值模拟技术可以定量地分析各种成形工序的应力、应变分布情况，了解塑性流动规律、温度场分布情况以及各变形参数的影响作用。
塑性有限元方法可以分为弹塑性有限元方法、刚塑性有限元方法和刚粘塑性有限元方法。弹塑性有限元法的主要优点是考虑弹性变形和塑性变形的相互联系不仅可以计算工件的变形、应力和应变分布以及变形力等信息，而且可以有效地处理卸载问题，计算残余应力、残余应变和回弹。刚塑性有限元法忽略了材料的弹性变形部分。在体积成形问题中，坯料的塑性变形量很大，弹性变形量相对较小，同时回弹对锻件的精度影响不大。因此，用刚塑性有限元法模拟体积成形过
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程是比较合适的。
本章基于刚塑性有限元分析方法，以 DEFORM（Design Environment for Forming）数值模拟软件为工具，对成形过程及各成形参数对成形过程的影响进行了模拟。
3.1.1 DEFORM的介绍
DEFORM是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺，它是专为金属成形而设计的，具有非常友好的图形用户界面，可帮助用户很方便地进行准备数据和成形分析。通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员：①设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场实验成本；②提高工模具设计效率，降低生产和材料成本；③缩短新产品的研究开发周期。DEFORM是专为大变形问题设计了一个全自动的、优化的网格再划分系统。
DEFORM是一个高度模块化、集成化的有限元模拟系统，它主要包括前处理、模拟器、后处理器三大模块。 3.1.2 DEFORM的功能
Deform-3D是专门分析各种金属成形过程中三维流动的理想模拟工具。其界面友好，易于使用，能提供极有价值的工艺分析数据，有关成形过程中的材料和温度流动[3]。其功能有:可进行成形分析（包括:锻造、挤压等）和热传导耦合分析；允许用户自定义子函数，定义自己的材料模型、压力模型、破裂准则和其他函数；材料模型包括刚性、弹性和热粘塑性，特别适用于大变形成形分析；在任何必要时能够自行触发自动网格重划分器，生成优化的网格系统。在变形精度要求较高的区域，可以进行网格细划分，从而降低题目的规模，显著提高计算效率；质点跟踪可以分析材料内部的流动信息及各种场量分布。
针对金属大变形问题，采用基于热力耦合粘塑性有限元分析技术，将工件视为刚塑性体，将上、下模具视为刚性体。利用PRO/E软件实现套筒扳头模具的三维造型，而模拟软件采用美国SETC公司开发的DEFORM--3D软件模拟，该软件是一套基于有限元的工艺仿真系统，主要用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。该软件是一个高度模块化、集成化的有限元模拟系统，进行金属加热、成形过程的分析及成形工艺和热处理工艺的仿真。 3.1.3 DEFORM的突出特色
DEFORM软件具有以下突出特色：模拟范围广，有材料流动，锻造负荷，模具应力，晶粒流动，缺陷成因等；适用工艺广，有冷、热、温过程，锻造，拉拔，挤压，墩头，镦粗，轧制，摆碾，机加工车削，冲切，正火，退火，淬火，回火，时效，渗碳，蠕变，硬化处理等；适用设备多，可以模拟液压锻机，锻锤，螺旋压力机，机械压力机，轧机，摆碾机等；材料库很丰富，大约有149种材料
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流动应力数据组，其它材料需要时可自行添加。
3.2有限元成形模拟技术
3.2.1几何模型的建立和网格划分
几何模型的生成可以在PRO/E等三维建模软件中实现，然后以STL二进制文件的格式保存，作为有限元分析与模拟过程的调用的模型。在前处理模拟过程中，开始需要调入工件模型并划分工件（一般是毛坯）的网格，其目的是为了更加直观地看到工件的变形，更好地研究工件的表面受力及内部的应力应变情况。 3.2.2 有限元模拟过程
本次实验我们做的是套筒扳头的成形模拟，在模拟的工程中采用的是工件的1/4来分析的，而总的挤压力是本实验数据的挤压力的4倍少一点。套筒扳头的成形我们选用热挤压的方法成形，在加工过程中存在热传导现象。为了准确地模拟其成形过程不仅要模拟挤压过程，也要模拟任何热传导过程。综上所述，整个模拟过程分为三个阶段进行模拟：
⑴第一模拟步骤：工件出炉后到模具上有10s的间隔时间，在这10s内工件与外界有热传导现象。因此，这个模拟过程仅是一个热传导模拟。
⑵第二模拟过程是，工件在挤压之前，在下模具上停留2s。在这个过程中也发生热传导现象。
⑶第三模拟过程是，套筒扳头的热挤压过程。
3.3 基本参数设定
（1）零件材料为25钢，其热物理参数取值如下，退火是在约750快冷或800～900缓冷，经退火处理后的伸长率为20，硬度不大于200HB，始锻温度1050 ～1100，终锻温度≥850，装炉温度900，最高炉温1200，泊松比??0.3，密度 ??7.8?103kg/m3[4]。
（2）模具材料选取AISI—H—13[1650—2200F(900—1200C)],为刚性体 上模具网格单元数6317个，节点1300个； 环模具网格单元数5162个，节点1324个； 下模具上部分网格单元数4684个，节点1331个； 下模具下部分网格单元数5578个，节点1416个； 下凸模网格单元数4889个，节点1285个； m为剪切摩擦因子，取0.3； k为屈服强度；
热交换系数为连续成形系数取11N/sec/mm/℃
（3）工件初始温度为1000--1200℃，上模具取150℃，下模具150℃；
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