DEFORM在金属塑性成形中的应用_12409229.pdf

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本书从实际应用出发,结合金属塑性成形基础理论,通过实例对有限元软件DEFORM的使用方法和操作过程做了详尽的阐述,同时对模拟仿真分析过程中容易出现的问题予以解析。本书从理论到实例,重在操作应用。 本书共分8章,第1章介绍了金属塑性成形的方法和特点,金属塑性成形中的有限元法及DEFORM软件简介。第2章介绍了金属塑性成形的基础理论,包括物理基础、力学基础及刚塑性有限元法和弹塑性有限元法。第3章介绍了DEFORM软件的基本操作,包括前处理、后处理和仿真求解等。第4章介绍了锻造成形的基础理论,并以实例就自由锻和热模锻过程进行模拟分析。第5章介绍了挤压成形的基础理论,并以实例就实体棒料正挤压过程及挤压过程模具的应力进行模拟分析。第6章介绍了轧制成形的基础理论,并以实例就初轧和辊锻过程进行模拟分析。第7章介绍了拉拔成形的基础理论,并以实例就凹模锥角与拉拔应力的关系进行模拟分析。第8章以综合实例就复合镦挤过程进行模拟分析。同时为方便读者,特在附录处提供了国内外钢号对照表。 本书首先介绍了金属塑性成形的基本原理、金属塑性成形过程中的有限元理论和DEFORM的基本操作。同时,重点针对锻造、挤压、轧制、拉拔及镦挤复合过程讲解了其成形特点、影响因素等内容,并系统介绍了用DEFORM有限元分析软件进行模拟仿真分析的情况。
DEFORM在金属塑性 成形中的应用 张莉李升军编著 机械工业出版社 本书首先介绍了金属塑性成形的基本原理、金属塑性成形过程中 的有限元理论和 DEFORM的基本操作。同时,重点针对锻造、挤压、 系统介绍了用 DEFORM有限元分析件进行模拟仿真分析的情况 本书可作为应用 DEFORM从事金属塑性成形分析的工程技术人 员业务培训及参考用书,也可供高校师生使用。 图书在版编目(CIP)数据 DEFORM在金属塑性成形中的应用/张莉,李升军编著,一北京: 机械工业出版社,2009.8 ISBN978-7-111-28119-1 I.D…·Ⅱ.①张…②李…Ⅲ.金属压力加工-塑性变形一应用 软件, DEFORMⅣ.TG11.7-39 中国版本图书馆CP数据核字(2009)第148549号 机械工业出版社(北京市百万庄大街22号邮政编码100037) 策划编辑:孔劲责任编辑:章承林版式设计:张世琴 责任校对:李秋荣封面设计:路恩中责任印制:乔宇 北京机工印刷厂印刷(三河市南杨庄国丰装订厂装订) 2009年10月第1版第1次印刷 169mm×239mm·15.75印张·303千字 0001-3000册 标准书号:ISBN9787111281191 定价:32.00元 凡购本书,如有缺页、倒页、脱页,由本社发行部调换 电话服务 网络服务 社服务中心:(010)88361066 销售一部:(010)68326294 门户网http://www.cmpbook.com 销售二部:(010)889649教材网:htp://www.cmpedu.com 读者服务部:(010)68993821封面无防伪标均为盗版 前言 金属塑性成形(塑性加工或压力加工)是一种重要的金属材料加工方法, 在机械制造、冶金工业等部门中应用广泛。金属塑性成形过程十分复杂,基于 经验、试验的传统方法分析成形过程十分困难。随着有限元数值模拟即仿真技 术在金属塑性成形中的应用及快速发展,金属塑性成形过程分析不再困难。有 限元数值模拟法不仅能直观描述金属塑性成形过程,如应力、应变、温度的分 布状态及金属变形(流动)状态等,而且能为金属塑性成形优化设计提供基本 依据,如模具型腔与结构的合理性,工件成形缺陷、成形形状尺寸对质量影响 等。有限元数值模拟技术已逐渐成为对金属塑性成形过程进行预测、控制和优 化的有效方法,成为缩短产品研发周期,提高经济效益,保障产品质量的有效 手段。这与有限元模拟分析软件的开发运用密切相关。 目前,有限元软件种类较多,金属塑性成形方面的书籍种类众多,但专门 设计用于金属塑性成形过程模拟分析的有限元软件并不多,相关书籍更是少之 又少。本书从实际应用出发,结合金属塑性成形基础理论,通过实例对有限元 软件 DEFORM的使用方法和操作过程做了详尽的阐述,同时对模拟仿真分析过 程中容易出现的间题予以解析。本书从理论到实例,重在操作应用。 本书共分8章,第1章介绍了金属塑性成形的方法和特点,金属塑性成形中 的有限元法及 DEFORM软件简介。第2章介绍了金属塑性成形的基础理论,包 括物理基础、力学基础及刚塑性有限元法和弹塑性有限元法。第3章介绍了 DEFORM软件的基本操作,包括前处理、后处理和仿真求解等。第4章介绍了锻 造成形的基础理论,并以实例就自由锻和热模锻过程进行模拟分析。第5章介 绍了挤压成形的基础理论,并以实例就实体棒料正挤压过程及挤压过程模具的 应力进行模拟分析。第6章介绍了轧制成形的基础理论,并以实例就初轧和辊 锻过程进行模拟分析。第7章介绍了拉拔成形的基础理论,并以实例就凹模锥 角与拉拔应力的关系进行模拟分析。第8章以综合实例就复合镦挤过程进行模 拟分析。同时为方便读者,特在附录处提供了国内外钢号对照表。 本书第1章、第3~第8章由张莉编写,第2章由李升军编写。 由于编者水平有限,书中定有许多缺点及不妥之处,恳请读者批评指正。 编者 目录 前言 2.4.4刚塑性有限元列式及求 第1章绪论 解 35 1.1概述…………………………………1 2.4.5刚粘塑性材料的变分原 1.1.1金属塑性成形的方法 理 ,,, 1.1.2金属塑性成形的优点………8 2.5弹塑性有限元法…… 40 1.2金属塑性成形中的有限元法……8 2.5.1概述…………… 40 1.3 DEFORM软件简介………………10 2.5.2弹塑性有限元法 1.3.1 DEFORM的适用范围和 第3章 DEFORM软件基本操 对象…………………………10 作 1.3.2 DEFORM的特色功能与 3.1 DEFORM主界面简介……………43 价值 3.2模型的建立………… ……44 1.3.3 DEFORM的功能模块 3.3前处理功能操作…………… 第2章理论基础 3.3.1对象定义 ……46 2.1概述… ,,.,,, 13 3.3.2File菜单 55 2.2金属塑性成形的物理基础………14 3.3.3 Input菜单 55 2.2.1金属的冷塑性变形、热 3.3.4 Viewport菜单 塑性变形和超塑性变形 3.3.5 Display菜单…… 73 方式…… ……14 3.3.6 Model菜单……… 74 2.2.2金属的塑性和变形抗力……15 3.3.7 Options菜单 74 2.3金属塑性成形的力学基础 18 3.4仿真求解……………………76 2.3.1概述…… 18 3.4.1Run∴……… 76 2.3.2塑性力学的基本试验和基 3.4.2Run( Options)…………77 本假设 3. 4.3 Process Monitor 2.3.3应力、应变分析……………20 3.4.4 Add to Queue(Batch 2.3.4两个常用的屈服准则 2.3.5本构关系—塑性变形时 3.5后处理功能操作… 78 的应力应变关系…………26 3.5.1Step菜单 78 2.4刚塑性有限元法………………27 3.5.2 Tools菜单………………………81 2.4.1概述 3.5.3显示信息设置区按钮功 2.4.2刚塑性有限元法基本方 能 程 …28第4章锻造成形及仿真实例 2.4.3刚塑性有限元法变分原 详解 91 理 4.1锻造过程中的金属变形流动……91 4.1.1锻造变形时金属的流动方 5.2挤压质量控制 138 向 91 5.2.1影响挤压力的因素 138 4.1.2金属塑性变形的不均匀 5.2.2挤压生产缺陷及控制……139 性…………………92 5.3实体棒料正挤压过程分析……140 4.1.3工模具形状对金属变形和 5.3.1问题描述与分析…………140 流动的影响……………93 5.3.2创建三维模型……141 4.1.4金属锻前加热对金属塑性 5.3.3创建新项目… 141 的影响……………………93 5.3.4设置模拟控制初始条件…141 4.2自由锻…………… 93 5.3.5创建对象……… 4.3模锻………………… 99 5.3.6划分网格 145 4.3.1开式模锻……99 5.3.7定义材料 145 4.3.2闭式模锻 100 5.3.8定义驱动条件……………146 4.4自由锻过程模拟分析 100 5.3.9设置对称边界条件………146 4.4.1问题描述与分析 100 5.3.10设定模拟控制信息………147 4.4.2创建新项目……………100 5.3.11设置对象间关系…………148 4.4.3设置模拟控制初始条件…101 5.3.12生成数据库………………148 4.4.4输入对象模型……………101 5.3.13分析模拟 4.4.5划分网格…………………103 5.3.14后处理………………149 4.4.6定义材料 …105 5.4挤压过程模具的应力分析……151 4.4.7设置驱动条件………………106 5.4.1问题描述与分析 …151 4.4.8设置模拟控制信息………107 5.4.2创建三维模型 152 4.4.9设置对象间关系…………108 5.4.3挤压成形模拟分析 152 4.4.10生成数据库文件…………110 5.4.4模具应力分析……………159 4.4.11分析求解 111第6章轧制成形及仿真实例详 4.4.12后处理…… 111 解 …………………165 4.5热模锻成形过程模拟分析 113 6.1概述………… 165 4.5.1问题描述与分析 113 6.2轧制过程建立条件………………166 4.5.2第一个模拟阶段——工件 6.3轧制时金属变形规律……………167 与外界环境热传导模拟…1136.4初轧过程模拟……169 4.5.3第二个模拟阶段—工件 6.4.1问题描述与分析…………169 与下模热传导模拟 119 6.4.2创建新项目………………169 4.5.4第三个模拟阶段——模锻 6.4.3设置初始条件 170 过程…………………………128 6.4.4设置工件参数……………171 第5章挤压成形及仿真实例详 6.4.5设置轧辊参数………172 解 ……………137 6.4.6设置胎具参数 174 5.1挤压时金属的流动 137 6.4.7设置初轧操作列表 175 5.1.1金属流动特点 137 6.4.8模拟预览… 178 5.1.2影响金属流动因素分析 138 6.4.9创建主文件 178 Ⅵ 6.4.10分析模拟…………179 7.4.7定义材料…………………201 6.4.11后处理……………………179 7.4.8定义驱动条件……………201 6.5辊锻过程模拟…… 180 7.4.9设置棒料边界条件和体积 6.5.1问题描述与分析………180 补偿 201 6.5.2创建三维模型……………181 7.4.10设置对象间关系 202 6.5.3创建新项目…………………181 7.4.11设置模拟控制信息 203 6.5.4设置模拟控制初始条件…181 7.4.12生成数据库文件………203 6.5.5创建对象………………181 7.4.13多任务生成………………204 6.5.6划分网格……………182 7.4.14批量队列分析求解… 204 6.5.7定义材料………………183 7.4.15后处理……………………2 6.5.8定义驱动条件…………184第8章综合实例——复合镦挤 6.5.9设置边界条件 ……186 模拟分析 6.5.10设置轧件体积补偿……187 8.1.1问题描述与分析 6.5.11设置对象间关系…………187 206 8.1.2创建三维模型………206 6.5.12设置模拟控制信息………188 6.5.13生成数据库文件及分析 8.1.3第一次复合镦挤…………207 8.1.4冲通孔…………………217 求解………… 188 8.1.5第二次复合镦挤 222 6.5.14后处理…………………189 第7章拉拔成形及仿真实例详 附录国内外钢号对照表……227 1.碳素结构钢 227 解 …………………………191 2.优质碳素结构钢………………228 7.1拉拔概述… 191 3.碳素工具钢 ·中···s 231 7.2拉拔应力与变形 4.合金结构钢 232 7.3影响拉拔的主要因素…… 194 5.淬透性合金结构钢 235 7.4凹模锥角与拉拔应力关系的 6.弹簧钢… 数值模拟………………………195 7.高速工具钢… ……237 7.4.1问题描述与分析 …195 8.不锈耐酸钢………………238 7.4.2创建三维模型……………196 9.耐热钢… 241 7.4.3创建新项目…………………196 7.4.4设置模拟控制初始条件…197 10.易切结构钢…………………………242 11.合金工具钢… ……………243 7.4.5创建对象 97 参考文献 …………………24 7.4.6划分网格及局部细划 198 第1章绪论 1.1概述 金属材料在外力作用下会产生形状的改变,即变形。当外力去除后,如果 金属材料形状的改变能完全恢复至初始状态—金属材料的形状、尺寸和组织 性能等与初始状态无异,则此种变形称之为弹性变形。当外力去除后,如果金 属材料的形状改变不能完全恢复至初始状态而产生永久的残余变形,则此种变 形称为塑性变形。金属材料所具有的这种塑性变形能力被称为金属的塑性。利 用金属的塑性,使之在一定外力作用下产生塑性变形,从而得到所需形状、尺 寸精度和组织性能的产品的加工方法,称为金属塑性成形,也称为金属塑性加 工或金属压力加工,它是一种针对金属材料的重要加工方法,在机械制造、冶 金工业等部门中应用广泛。事实上,不仅金属材料具有塑性,很多非金属固体 材料也都具有塑性。即使某些在常温、常压下难以变形的脆性材料,在高温、 高压下也会表现出良好的塑性。但相对于非金属材料而言,绝大多数金属材料 的塑性变形能力都较强。如果不考虑切头、去尾、火耗等损失,那么金属材料 的质量在塑性成形前后可看做没有发生变化,因此塑性成形是无屑或少屑的金 属加工方法。 利用金属的塑性对金属材料进行加工,古已有之。早在2000多年前的青铜 器时代,我国劳动人民就已经掌握锤击青铜以打造兵器和工具的技术。但是, 作为一门独立加工技术的金属塑性成形理论则起步较晚。1864年法国工程师屈 雷斯加(H. Tresca)提出的最大切应力屈服准则(屈雷斯加屈服准则);1870年 圣维南(B. Saint- Venant)提出的应力应变速率方程(塑性流动方程);1871年 列维(M.Lewy)提出的应力-应变增量关系;1913年米塞斯(Von. Mises)从纯 数学角度提出了另一个新的屈服准则—米塞斯屈服准则;1923年亨盖 (H. Hencky)和普朗特(L. Prandtl)论述了平面塑性变形中滑移线的几何性质; 1930年劳斯(A. Reuss)根据普朗特的观点提出了考虑弹性应变增量的应力-应 变关系。到此,塑性理论基础得以形成。此后,塑性理论不断发展,利用塑性 理论求解塑性成形问题的各种方法陆续问世。最早将塑性理论应用于金属塑性 成形这种金属材料加工方法的是德国学者卡尔曼( Von Karman)。1925年,卡尔 曼用初等分析法建立了轧制时的应力分布规律。此后不久,萨克斯(G. Sachs) 和齐别尔(E. Siebel)在研究拉丝过程时提出了相似的求解方法—切块法(即 2 DEFORM在金属塑性成形中的应用 主应力法)。此后,人们对塑性成形过程的应力、应变和变形力的求解方法逐渐 增多,如滑移线法、工程计算法、变形功法、上限分析法、网格法、密栅云纹 法等。这些方法各有优缺点,如滑移线法的数学推导严谨、理论上比较完整、 计算精度较高,但该理论仅适用于处于理想刚塑性材料的平面应变冋题;网格」 法是研究金属塑性成形过程的有效方法,也可用来检验其他理论分析的正确性, 但这一方法的试验和计算的工作量都比较大,而且要求测试数据准确。 随着计算机的出现,塑性有限元法的发展应用开始与计算机技术结合起来, 塑性成形理论取得了突破性的进展,很多塑性成形技术中的难题都迎刃而解。 利用计算机运用数值模拟技术可以快速地获得较精确的解,这极大地提高了求 解的效率。目前,塑性成形中的有限元数值模拟方法,既能直观地描述塑性成 形过程中金属流动状态,又能客观地求解塑性变形区的应力、应变和温度分布 状态,从而为模具型腔与结构设计及优化、产品工艺制订及优化设计等提供了 科学的依据。在诸多有限元分析软件中,最适合做金属塑性成形仿真分析的就 是 DEFORM,它是专门设计用于分析金属成形过程的分析软件。本书将以实例 详细阐述 DEFORM V6.1在金属塑性成形中的具体应用。 1.1.1金属塑性成形的方法 1.锻造、挤压、轧制、拉拔、冲压等 根据加工时工件受力和变形方式的不同,金属塑性成形方法可分为锻造、 挤压、轧制、拉拔、冲压等。其中,锻造、轧制和挤压是依靠压力作用使金属 材料发生塑性变形的,拉拔是依靠拉力作用使金属材料发生塑性变形的,而在 冲压过程中使金属材料发生塑性变形的力既可能为拉力也可能为压力。 (1)锻造在一定温度条件下,借助锻锤和各种压力机械对金属坯料施加 压力,使之产生塑性变形并获得所需形状、尺寸精度和力学性能锻件的加工方 法,称为锻造。 按锻造时工作温度的不同,传统的锻造工艺可分为热锻和冷锻。热锻是在 金属再结晶温度以上进行的锻造加工;冷锻是在金属再结晶温度以下进行的锻 造加工,一般是在室温下进行的。有时还将处于加热状态(室温以上)且加工 温度不超过金属再结晶温度时进行的锻造称为温锻。 冷锻的出现早于热锻。早期的红铜、金、银薄片和硬币都是冷锻的。齐家 文化时期(公元前2000多年),冷锻工艺已应用于工具制造。在甘肃武威皇娘 娘台齐家文化遗址出土的红铜器(刀、凿、锥和一些饰物)均经过冷锻,锤击 痕迹非常明显。在秦魏家出土的青铜锥也是经过冷锻的。在河南安阳殷墟出土 的殷代(公元前14~公元前11世纪)冷锤加工的金箔碎片厚仅0.01mm,厚度 误差不超过±0.001mm。到北宋时期,文献中已有冷锻铁铠甲的记载。沈括的

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