斜花齿冷镦模具设计及成形过程数值模拟与工艺优化

摘要

冷挤压技术是一种经济、节能、降耗、环保的先进生产工艺技术。随着产品质量要求的提高及企业竞争压力的增加，产品开发新技术迫切需要在企业中全面推广，其中面向产品性能的CAD/CAE数字化产品开发与优化是今后企业发展的主要趋势。本文进行斜花齿产品的冷镦工艺以及模具设计，并利用有限元分析软件DEFORM-3D进行了斜花齿冷挤压成形过程的数值模拟分析及工艺优化。本文研究的主要内容及成果如下： 首先，对斜花齿零件进行工艺分析，确定了成形工艺方案以及每道工序中的主要尺寸，选择毛坯的形态，最终确定初始毛坯的体积及尺寸。再根据零件的结构、功能等要求，设计出每一道工序中相应的模具，并利用SOLIDWORKS三维建模软件将其相应的模具以及各部件绘制出来，最终完成各工序的模具总装配图。 其次，在DEFORM-3D软件中建立了斜花齿零件四次挤压成型过程的有限元模型，并运用DEFORM-3D软件对毎道工序的冷挤压成形过程的加载载荷、等效应力、等效应变、挤压成型速度场、工件温度场、工件金属流线图的影响规律进行数值模拟与分析。数值模拟结果表明：各工序等效应力与等效应变分布比较均匀；随着挤压继续，模头的速度逐渐减小，中间位置金属速度逐渐增大，速度分布相对合理；温度分布均匀；金属流线比较均匀对称。四次冷挤压过程中的加载载荷、等效应力、等效应变、速度场、温度场和金属流动情况符合企业冷挤压成形性能的要求。研究还发现在第三次挤压过程中有局部等效应变变化较大情况会影响磨损，需进一步优化工艺参数进行改善。 最后，利用正交试验法对工序三中凸模磨损设计了四因素三水平共9组数据，再采用DEFORM-3D软件进行磨损分析模拟，得出试验结果。以凸模最小磨损量为优化目标，并通过极差和方差分析各因素对凸模磨损的影响，最后得出最优工艺参数组合。 本文将斜花齿零件的模具设计，有限元数值模拟分析技术和正交实验设计与优化相结合，最终实现模具结构优化，模具磨损量降低的目的。本文的研究成果对冷挤压（冷镦）企业新产品的开发具有示范作用，有利于该类企业提高新产品的开发水平。

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摘 要

第一章 绪论

1.1 本文研究的背景

1.2 国内外冷挤压技术的应用及研究现状

1.2.1 国内外应用现状

1.2.2 国内外研究现状

1.3 本论文的主要研究内容

第二章 斜花齿零件的冷镦工艺及模具设计

2.1 冷镦挤模具设计的变形方式及特点

2.2 工艺方案

2.2.1 斜花齿的几何参数

2.2.2 工艺方案优化

2.3 工艺参数计算

2.3.1 毛坯的制备

2.3.2 挤压变形程度

2.3.3 计算冷镦力

2.4 模具设计

2.4.1 预成形模具设计

2.4.2 工序二模具设计

2.4.3 冷镦模具设计

2.4.4 打孔模具设计

2.4.5 装配体

2.5 本章小结

第三章 基于DEFORM的斜花齿成形过程数值模拟

3.1 DEFORM软件简介

3.2 斜花齿零件成形过程有限元模型的建立

3.2.1几何模型导入

3.2.2网格划分和体积补偿

3.2.3材料的设置

3.2.4物体的接触，摩擦定义和热传导系数的设置

3.2.5模拟控制参数设置

3.2.6生成DB文件，运行

3.3 斜花齿零件成形过程模拟与分析

3.3.1 加载载荷

3.3.2 等效应力

3.3.3 等效应变

3.3.4 挤压成型速度场

3.3.5 工件温度场

3.3.6 工件金属流线图

3.4本章小结

第四章 基于正交实验的冷挤压工艺参数优化

4.1 磨损理论

4.2 正交试验设计

4.2.1 正交试验设计简介

4.2.2 正交试验方案设计

4.3 冲棒材料性能参数计算

4.4 正交试验结果及分析

4.4.1极差分析

4.4.2方差分析

4.5最优组合验证

4.6挤压成型产品

4.7本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献