材料成型有限元案例分析.docx
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材料成型有限元案例分析
北华航天工业学院
材料成型有限元分析
作者所在系部:
材料工程系
作者所在专业:
材料成型及控制工程
作者姓名:
宋明明
完成时间:
2012.5.23
目录
案例一、感应热处理案例有限元模拟及分析·································3
案例二、管材产品挤压成型案例模拟及分析·································5
案例三拉深产品挤压成型案例模拟及分析·································7
案例四、连杆锻压成型案例模拟及分析·····································10
案例五、锥齿轮模锻成型案例模拟及分析···································13
案例六、热锻开坯案例有限元模拟及分·····································16
案例七、机加工切削案例有限元模拟及分析·································19
案例八、轧制板材案例有限元模拟及分析···································22
案例九、自制锥形锻件模拟及分析·········································24
案例十、热处理与锻压连续加工工艺模拟及分析·····························27
案例一:
感应热处理案例有限元模拟及分析
一、材料成型方案的拟定。
1、拟成型
零件用材:
坯料的材料为
炉膛的材料为
几何形状如下图所示:
2、加工工艺拟定
热处理条件:
材质AISI-1045钢,温度1000℃。
模具用材AISI-H13钢
3、有限元前处理设置
4、加工成型仿真运算
5、有限元后处理分析
1)模具结构对成型结果的影响分析
坯料的两端必须突出(如上图,两端直径大于坯料直径),即系统的热交换面是封闭的。
炉膛内径与坯料表面的距离越近,热量传递的越快;炉膛内表面与坯料表面的投影面积越大,热量传递的越快。
2)加工成型参数对成型结果的影响分析
在一定程度上,炉膛温度越高,热量传递的越快;热传递系数越大,热量传递的越快;随着温度的升高,晶粒会明显长大,最后得到粗大晶粒的组织,使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。
3)模具结构优化及加工工艺优化对零件成型改进的建议
应合理控制坯料与炉膛间的距离以及设置合理的热传导系数,避免因传热过快,导致坯料温度过高;对于加工工艺,应提前给坯料预热,有利于奥氏体均匀化。
4)感应加热对材料组织有何影响(材料初始态组织为铁素体+珠光体,1000℃奥氏体化后组织变为奥氏体)?
随着加热温度的增加,其显微组织发生明显的变化。
奥氏体晶粒尺寸对冷却后的相变产物有重要影响。
奥氏体晶粒越粗大,其稳定性越高,冷却后形成的非扩散产物也越多。
同时,在高温下合金元素的充分溶解,有利于提高过冷奥氏体的稳定性,也有利于针状铁素体等非平衡组织的形成。
当加热温度较低时,材料的组织形态为珠光体和多边形铁素体。
同时,随着奥氏体化的温度增高,增加了碳氮化合物的溶解,有利于微合金元素的沉淀强化作用,有利于提高材料的强度和韧性
5)热处理对材料力学性能有何影响?
1)感应加热时,钢的奥氏体化是在较大的过热度(Ac3以上80~150摄氏度)进行的,因此晶核多,且不易长大,淬火后组织为系隐晶马氏体。
表面硬度高,比一般淬火高2HRC~3HRC,而且脆性较低。
2)表面层淬火得马氏体后,由于体积膨胀在工件表面层造成较大的残余压应力,显著提高工件的疲劳强度。
小尺寸零件可提高2~3倍,大件也可提高20%~30%。
3)因加热速度快,没有保温时间,工件的氧化脱碳少。
另外,由于内部为加热,工件的淬火变形也小。
4)加热温度和淬硬层厚度(从表面到半马氏体区的距离)容易控制,便于实现机械化和自动化。
6)制作加工成型动画
案例二、管材产品挤压成型案例模拟及分析
一、材料成型方案的拟定。
1、拟成型
零件用材:
坯料用材为
上下模材料为AISI-H13钢。
零件形状如下
坯料直径100mm,内径40mm,高60mm,见图(a)。
上模为环形,外径100mm,内径40mm,高30mm,见图(b)。
下模侧壁厚10mm,底厚200mm,外径120mm,内径100mm,底部孔径50mm,见图(c)。
顶杆长160mm,直径40mm,见图(d)。
图(a)图(b
图(c)图(d)
2、加工工艺的拟定
管壁厚5mm,室温挤压,速度2mm/s
3、有限元前处理设置
4、加工成型仿真运算
5、有限元后处理分析
1)模具结构对成型结果的影响分析
凹模没有设置圆角,均是尖锐的直角,这不利于金属的流动,而且增大了摩擦,尖角对金属还有剪切作用,不利于管的挤压。
2)加工成型参数对成型结果的影响分析
摩擦参数越大,越不利于金属的流动,管的长度也就越短
3)模具结构优化及加工工艺优化对零件成型改进的建议
给凹模开设合适的圆角,便于金属流动,容易挤出;对于加工工艺,应在坯料表面涂抹润滑油,减小摩擦阻力,是金属更易流动。
4)分析模具结构对材料变形的影响?
模具应有足够的强度和刚度,要在冷热交变应力下正常工作;模具工作部分零件材料应具有高强度、高硬度、高耐磨性,并有一定的韧性,和表面质量。
轮廓形状合理的凹模不仅可以改善金属在凹模中的流动状态,增加塑性区内变形的均匀性从而提高材料的力学性质和产品的使用性能,而且可以显著降低成形所需的力能消耗,从而减小所需设备的吨位。
5)载荷、变形量、应力分布、流变方向等因素在加工过程中充当何种角色,发挥何种作用?
使坯料沿着给定的方向流动挤压成型。
6)制作模拟动画
案例三、拉深产品挤压成型案例模拟及分析
1、拟成型
零件用材:
坯料的材料为
上下模材料为AISI-H13钢
零件形状如下
坯料直径130mm,高10mm,见图1.上模直径30mm,高60mm,见图2.下模外径150mm,内径50mm,球形半径25mm,倒角为5mm,见图3。
压料板厚20mm,外径140mm,内径30mm
坯料上模
下模压边圈
2、加工工艺拟定
板厚10mm,室温挤压,速度5mm/s
3、有限元前处理设置
4、有限元后处理分析
5、有限元后处理分析
1)模具结构对成型结果的影响分析
下模圆角过小,不利于金属流动,不利于拉深;压边力过大,增大了摩擦阻力,同样不利于金属流动,不利于拉深。
2)加工成型参数对成型结果的影响分析
摩擦参数设置的越大,越不利于金属的流动,坯料拉裂的可能性越大
3)模具结构优化及加工工艺优化对零件成型改进的建议
给凹模开设合适的圆角,便于金属流动,容易挤出;对于加工工艺,应给凹模平面润滑,这样使毛坯凸缘处材料的流动阻力降低。
给模具表面进行以适当润滑,使拉伸变形阻力大大下降。
4)分析模具结构对材料变形的影响?
拉深过程中的主要缺陷是起皱和拉裂,起皱易出现在凸缘部分及凸缘与侧壁交界部,这是拉深时由于较大的切向压应力使板料失稳造成的,生产中常采用压边圈的方法予以防止。
拉裂一般出现在直壁与底部的过度圆角处,当拉应力超过材料的抗拉强度时,此处将被拉裂。
1)限制拉深系数拉深系数越小,表明变形程度越大,拉深应力力越大,容易产生拉裂废品。
2)凹凸模工作部分应加工成圆角一般,凹模圆角半径一般约为5~10t,凸模圆角半径一般约为0.7~1t。
3)合理的凸凹模间隙间隙过小,容易拉穿;间隙过大,容易起皱。
一般,凸凹模之间的单边间隙为1~1.2t。
4)减小拉深时的阻力压边力应合理不应过大;凸、凹模工作表面要有较小的表面粗糙度;在凹模表面涂润滑剂以减小摩擦。
5)载荷、变形量、应力分布、流变方向等因素在加工过程中充当何种角色,发挥何种作用?
使坯料沿着给定的方向流动挤压成型。
6)制作模拟动画
案例四、连杆锻压成型案例模拟及分析
一、材料成型方案的拟定
1、拟成型
零件用材:
坯料的材料为
上下模材料为
零件几何形状如下图
上模下模
坯料
2、加工工艺拟定
始锻温度1000℃,终锻温度800℃,锻压速度5mm/s
3、有限元前处理设置
4、加工成型仿真运算
5、有限元后处理分析
1)模具结构对成型结果的影响分析
本模具没开设飞边槽,不利于多余金属的流动,增大了金属对上下模的打击,有可能使模锻开裂。
2)加工成型参数对成型结果的影响分析
热传递系数要设置合理,有利于金属组织的生成。
3)模具结构优化及加工工艺优化对零件成型改进的建议
开设飞边槽,是金属更易流动,充满整个型腔。
模锻件所有两表面转接处均需圆弧过渡,圆弧过渡易于金属流动,锻造时使金属易于充满整个型腔。
4)分析锻模结构及锻模对材料变形的影响?
1)尽量避免椎体或斜面结构。
锻造具有锥体或斜面结构的锻件,需要制造专用工具,锻件成形也比较困难,从而使工艺过程复杂,不便于操作,影响设备使用效率,应尽量避免。
2)避免几何体的交接处形成空间曲线。
3)避免加强肋、凸台、工字形、椭圆形或其他非规则截面及外形。
4)合理采用组合结构
5)载荷、变形量、应力分布、流变方向等因素在加工过程中充当何种角色,发挥何种作用?
使坯料沿着给定的方向流动锻压成型
案例五、锥齿轮模锻成型案例模拟及分析
一、材料成型方案的拟定
1、拟成型
零件用材:
坯料的材料为
上下模的材料为
零件几何形状如下图所示:
上模下模
坯料
2、加工工艺拟定
始锻温度1000℃,终锻温度800℃,锻压速度5mm/s
3、有限元前处理设置
4、加工成型仿真运算
5、有限元后处理分析
1)模具结构对成型结果的影响分析
本模具没开设飞边槽,不利于多余金属的流动,增大了金属对上下模的打击,有可能使模锻开裂
2)加工成型参数对成型结果的影响分析
热传递系数要设置合理,有利于金属组织的生成。
3)模具结构优化及加工工艺优化对零件成型改进的建议
开设飞边槽,是金属更易流动,充满整个型腔。
模锻件所有两表面转接处均需圆弧过渡,圆弧过渡易于金属流动,锻造时使金属易于充满整个型腔。
4)分析锻模结构及锻模对材料变形的影响?
1)尽量避免椎体或斜面结构。
锻造具有锥体或斜面结构的锻件,需要制造专用工具,锻件成形也比较困难,从而使工艺过程复杂,不便于操作,影响设备使用效率,应尽量避免。
2)避免几何体的交接处形成空间曲线。
3)避免加强肋、凸台、工字形、椭圆形或其他非规则截面及外形。
4)合理采用组合结构
5)载荷、变形量、应力分布、流变方向等因素在加工过程中充当何种角色,发挥何种作用?
使坯料沿着给定的方向流动锻压成型
6)制作模拟动画
案例六、热锻开坯案例有限元模拟及分析
一、成型方案的拟定
1、零件用材:
坯料的材料为TITANIUM6Al-4V
上下模材料为AISI-D3
坯料直径为50mm,长为200mm
零件与胎具装配如右图
2、加工工艺拟定
锻造温度1100℃,锻造速度2mm/s
3、有限元前处理设置
4、加工成型仿真运算
5、有限元后处理分析
1)模具结构对成型结果的影响分析
胎具要设置合理,不宜过大
2)加工成型参数对成型结果的影响分析
标称咬要设置合理,不宜过大,是金属组织获得较好的力学性能
3)模具结构优化及加工工艺优化对零件成型改进的建议
应增加再热次数,锻造得更加均匀,金属组织更好。
4)分析热锻对材料的影响?
热变形是在再结晶温度以上的塑性变形,热变形时加工硬化与再结晶过程同时存在,而加工硬化又几乎同时被再结晶消除。
所以与冷变形相比,热变形可使金属保持较低的变形抗力和良好的塑性,可以用较小的力和能量产生较大的塑性变形而不会产生裂纹,同时还可以获得较高的力学性能的再结晶组织。
但是,热变形是在高温下进行的,金属在加热过程中表面易产生氧化皮,精度和表面质量较低。
5)载荷、变形量、应力分布、流变方向等因素在加工过程中充当何种角色,发挥何种作用?
使坯料沿着给定的方向流动锻压成型
6)制作模拟动画
案例七、机加工切削案例有限元模拟及分析
一、
材料成型方案的拟定
1、拟成型
零件用材:
坯料的材料为
刀具材料为
坯料与刀具零件图如右图:
2、加工工艺拟定
表面切削速度100m/min,切削深度1mm,进给速度0.5mm/rev,环境温度20℃,摩擦系数0.6,热传导系数45N/sec/mm/℃,工具磨损应用Usui模型计算,a=0.0000001,b=855
3、
有限元前处理设置
4、加工成型仿真运算
5、有限元后处理分析
1)模具结构对成型结果的影响分析
刀尖半径要大于切削深度
2)加工成型参数对成型结果的影响分析
切削厚度越大,摩擦系数越小,变形变小
随着切削速度的提高,积屑瘤逐渐增大,刀具的实际前角加大,切削力朱家尖减小
3)模具结构优化及加工工艺优化对零件成型改进的建议
应增加使用冷却液,降低切削温度
4)分析切削对材料的影响?
切削力:
在切削过程中,切削力直接影响切削热、刀具磨损与使用寿命、加工精度和已加工表面质量。
刀具的切削热越高,刀具越易磨损,缩短刀具使用寿命
切削温度高的材料对刀具的磨损越严重
5)刀具应力分析
初期磨损阶段:
因为新刃磨的刀具切削刃较锋利,其后刀面与加工表面接触面积很小,压应力较大,加之新刃磨的刀具的后刀面存在着微观不平等缺陷,所以这一阶段的磨损很快。
正常磨损阶段:
经初期磨损后,刀具的粗糙表面已经磨平,承压面积增大,压应力减小,从而使磨损速率明显减小,刀具进入正常磨损阶段。
这个阶段的磨损比较缓慢均匀。
后刀面磨损量随切削时间延长而近似的成比例增加。
这是刀具工作的有效阶段。
剧烈磨损阶段:
刀具经过正常磨损阶段后,切削刃变钝,切削力、切削温度迅速升高,磨损速度急剧增加,以致刀具损坏而失去切削能力。
生产中应避免达到这个阶段到来之前,及时更换刀具。
6)载荷、变形量、应力分布、流变方向等因素在加工过程中充当何种角色,发挥何种作用?
使坯料沿着给定的方向流动剪切
7)制作模拟动画
案例八、轧制板材案例有限元模拟及分析
一、材料成型方案的拟定
1、拟成型
零件用材:
坯料的材料为
辊子材料为
零件装配如图
2、加工工艺拟定
轧制温度800℃,辊速1r/s;摩擦系数0.45,板厚由10mm轧成6mm
3、有限元前处理设置
4、加工成型仿真运算
5、有限元后处理分析
1)模具结构对成型结果的影响分析
板料前端的咬角应合适,并与辊子相接触,使之能被辊子咬住并带进棍子中去
2)加工成型参数对成型结果的影响分析
摩擦参数越大,辊子与板料间的摩擦力越大,咬合力就越大
3)模具结构优化及加工工艺优化对零件成型改进的建议
接料板的口应设置大点,这是因为板料被棍子挤压过前端会卷曲,接料口如果小了,接料口的尖锐的边缘会对挤过的板料产生剪切力,甚至切断料板。
接料板与辊子的距离应尽量的靠近,以免板料过分卷曲而不能进入接料口导出
4)分析热轧对材料的影响?
热轧能提高板料的致密度,减轻甚至消除树脂晶偏析和改善夹渣物、第二相的分布;明显提高金属的机械性能,特别是韧性和塑性。
热轧能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶,并通过再结晶获得等轴细晶粒,是金属的机械性能全面提高
5)载荷、变形量、应力分布、流变方向等因素在加工过程中充当何种角色,发挥何种作用?
使坯料沿着给定的方向流动锻压成型
6)制作模拟动画
案例九、自制锥形锻件模拟及分析
一、材料成型方案的拟定
1、拟成型
零件用材:
坯料的材料为
辊子材料为
零件如图
原件坯料
上模下模
2、加工工艺拟定
始锻温度1000℃,终锻温度800℃,锻压速度5mm/s
3、有限元前处理设置
4、加工成型仿真运算
5、有限元后处理分析
1)模具结构对成型结果的影响分析
本模具没开设飞边槽,不利于多余金属的流动,增大了金属对上下模的
打击,有可能使模锻开裂
2)加工成型参数对成型结果的影响分析
热传递系数要设置合理,有利于金属组织的生成
3)模具结构优化及加工工艺优化对零件成型改进的建议
开设飞边槽,是金属更易流动,充满整个型腔。
模锻件所有两表面转接处均需圆弧过渡,圆弧过渡易于金属流动,
锻造时使金属易于充满整个型腔。
4)分析锻模结构及锻模对材料变形的影响?
1)尽量避免椎体或斜面结构。
锻造具有锥体或斜面结构的锻件,需要制造专用工具,锻件成形也比较困难,从而使工艺过程复杂,不便于操作,影响设备使用效率,应尽量避免。
2)避免几何体的交接处形成空间曲线。
3)避免加强肋、凸台、工字形、椭圆形或其他非规则截面及外形。
4)合理采用组合结构
5)载荷、变形量、应力分布、流变方向等因素在加工过程中充当何种角色,发挥何种作用?
使坯料沿着给定的方向流动挤压成型
6)制作模拟动画
案例十、热处理与锻压连续加工工艺模拟及分析
一、1、拟成型
零件用材:
坯料的材料为
炉膛材料不设置
锻压上下模材料
几何形状如下图所示:
原件炉膛
坯料上下模
2、加工工艺拟定
先热处理1000℃,然后锻压,始锻温度1000℃,终锻温度800℃,锻压速度5mm/s
3、有限元前处理设置
4、加工成型仿真运算
5、有限元后处理分析
1)模具结构对成型结果的影响分析
本模具没开设飞边槽,不利于多余金属的流动,增大了金属对上下模的打击,有可能使模锻开裂
2)加工成型参数对成型结果的影响分析
在一定程度上,炉膛温度越高,热量传递的越快;热传递系数越大,热量传递的越快;随着温度的升高,晶粒会明显长大,最后得到粗大晶粒的组织,使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。
3)模具结构优化及加工工艺优化对零件成型改进的建议
Ø应合理控制坯料与炉膛间的距离以及设置合理的热传导系数,避免因传热过快,导致坯料温度过高;对于加工工艺,应提前给坯料预热,有利于奥氏体均匀化。
Ø开设飞边槽,是金属更易流动,充满整个型腔。
模锻件所有两表面转接处均需圆弧过渡,圆弧过渡易于金属流动,锻造时使金属易于充满整个型腔。
4)制作加工成型动画
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