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国内外棒材轧制过程数值模拟发展现状摘要: 随着计算机和数值模拟技术的发展，各种数值分析方法在求解各类轧制问题中表现出很强的优越性。
本文论述了近几年棒线类轧制过程数值模拟方面的研究进展，比较了相关模拟方法，分析了利用各种模拟技术所取得的研究成果。
关键字：棒材轧制过程有限元模拟1前言轧制过程是一个非线性问题，它同时包括了由于位移之间存在的非线性关系引起的几何非线性，由于应力应变非线性关系引起的材料非线性，以及由于边界条件或载荷引起的边界条件非线性，对其全过程进行分析是非常困难的[1]。
传统的棒材轧制成形工艺主要由具有丰富经验和知识的专家依据自身的经验和某些特定经验公式来完成，但在此基础上提出初步设计方案需要通过反复的实验来修改设计，以使最终的产品符合最初的设计要求。
这种方式不仅使生产成本高，科研周期长,而且生产的棒材往往质量较差。
随着轧钢生产和轧制技术的发展，对轧制理论研究工作也相应提出了更高的要，传统的设计方式已很难满足现代社会的发展需求。
在产品精度要求越来越高，控制参数越来越多，各种高新轧制技术不断出现的新形势下，传统的工艺方法己经显得力不从心，而以模型化、最优化和柔性化为特征和主要方法，“试验法”为辅助方法的现代工程科学阶段过渡[2]。
在这种形势之下，伴随着计算机的广泛应用，数值模拟技术得到了迅速的发展，使得对轧制过程的模拟成为可能[3-4]。
特别是一些商业有限元分析软件，如DEFORM、MARC等的推出，已经能够在计算机上模拟棒线材的实际生产过程。
借助计算机模拟仿真技术，超前再现线材轧制整个过程，不仅能够研究塑性成型过程中应力、应变、温度等的分布情况，而且能够揭示轧制过程的本质及各工艺参数的影响规律，代替和减少试轧过程，大大缩短了开发周期，降低了成本，提高了轧制的精度和效率。
因此，数值模拟技术在求解这类问题中表现出很强的优越性。
2轧制过程模拟仿真类型及研究进展按照模拟的内容，热成形计算机模拟主要可分为宏观模拟和微观组织模拟[5-6]。
管材挤压加工工艺流程一、原料准备。
这就像是做饭得先准备食材一样。
对于管材挤压，我们得先有合适的原料。
这个原料呢，得是符合一定规格的金属坯料，比如说它的尺寸得精准，材质得纯净。
要是原料有问题，那后面的加工可就像是在歪歪扭扭的地基上盖房子，肯定好不了。
一般来说，常见的金属像铝啊、铜啊这些都可以用来做管材挤压的原料。
这些原料被生产出来后，要经过严格的检验，就像选美比赛似的，不符合标准的坚决不要。
二、坯料加热。
坯料加热这个环节就像是给金属坯料做热身运动。
把坯料放进加热炉里，让它的温度升高。
为啥要加热呢？这是因为加热后的金属就像被松了绑的小怪兽，变得软软的，可塑性大大增强。
不同的金属有不同的适宜加热温度范围，就像不同的人适合不同的运动强度一样。
如果温度不够，金属太硬，挤压的时候就像在挤一块大石头，根本挤不动；要是温度太高呢，金属可能就会出现一些不好的变化，像内部结构被破坏之类的。
所以这个温度的控制可是个技术活，全靠有经验的工人师傅或者先进的设备来精准把握。
三、挤压过程。
接下来就是挤压这个重头戏啦。
经过加热后的坯料被送到挤压机那里。
挤压机就像一个大力士，它有一个挤压筒，坯料就被放在这个筒里。
然后呢，通过挤压杆施加巨大的压力，这个压力就像一只无形的大手，把软软的坯料从模具的模孔里挤出去。
模具的形状就决定了管材的形状哦。
如果模具是圆形的，挤出来的就是圆管；要是方形的模具，那出来的就是方管啦。
在挤压的时候，压力要保持稳定，不然管材的尺寸就会不均匀，就像一个人走路一瘸一拐的，不好看也不实用。
而且挤压的速度也很关键，太快了可能会导致管材表面不光滑，太慢了又影响生产效率。
四、冷却定型。
刚挤出来的管材还是很热乎呢，就像刚出炉的面包。
这时候需要冷却定型。
冷却的方式有很多种，比如风冷，就像给管材吹凉风，让它快点冷静下来；还有水冷，就像给管材洗个冷水澡。
不管哪种方式，目的都是让管材尽快达到稳定的形状和尺寸。
要是冷却不均匀，管材就会变形，那就白费功夫啦。
第一章 设计工模具尺寸及确定工艺参数1.1 材料及坯料尺寸材料为DIN_CuZn40Pb2，尺寸为直径90mm ×长25mm 。
1.2 坯料温度的选择挤压温度对加工状态的组织、性能的影响极大。
当所取的挤压温度值越高，挤压制品 的抗拉强度、屈服强度和硬度的值下降，延伸率增大。
由于黄铜管在680℃-720℃时塑性最高，而在挤压过程中由于变形、擦擦产热使坯料温度升高，为避免在挤压过程中坯料温度可能超过最佳塑性温度，所以坯料初始温度选取500℃。
而挤压筒、挤压垫、挤压模也要预热，以防过大的热传递导致金属温度分布不均，影响制品质量，预热温度与坯料温度不能相差太大，故取300℃。
1.3 挤压速度的选取挤压速度对制品组织与性能的影响，主要通过金属热平衡来实现的。
挤压速度低，金属热量逸散较多，致使挤压制品尾部出现加工组织；挤压温度高，锭坯与工具内壁接触时间短，热量传递来不及进行，有能形成变形区内的绝热挤压过程，使金属的出口温度越来越高，导致制品表面裂纹。
故选挤压垫的速度为1.5mm.s -1。
1.4 挤压参数的计算1.4.1 挤压模的结构尺寸设计模子选用锥模，模角 45=α，工作带长度8=g h ~12 mm ，取10=g h mm ，工作带直径m m g d C d d 1+=,90=m d mm ，裕量系数016.0014.01-=C ，015.01=C ，35.9135.19090015.090=+=⨯+=g d mm ，出口直径一般比工作带直径大3-5 mm ，取出口直径为96=ch d ,入口圆角半径γ=3mm ，模子的外形尺寸(25.1=D ~)45.1(25.1=w D ~)45.15.11290=⨯~5.130 mm ，所以D 取120 mm ，H 取70 mm 。
1.4.2 挤压筒的结构尺寸设计（1）挤压筒内径0D由于挤压过程为热挤压，考虑到热膨胀，故取挤压筒内径950=D mm（2）挤压筒长度t L()L L L t +=max S t ++ （1-1） 式中：max L —锭坯最大长度，对重金属为（1.5-2.5）0D ，mm ；L—锭坯穿孔时金属增加的长度，mm ；t —模子进入挤压筒的深度，mm ；S—挤压垫厚度，mm 。
第一章 坯料及工艺参数的确定1.1 坯料的选择 坯料尺寸的确定十分重要， 坯料尺寸的选择是否合理， 直接影响到挤压制品 的质量、成品率、生产率等技术经济指标。
坯料尺寸（直径和长度）越大，制品 越长，从而使切头尾、 切压余的几何损失和挤压周期内的辅助时间所占的比例降 低，对压余所导致的金属几何损失， 增大直径或者增加长度对成品率的影响不同。
坯料体积一定时， 增大直径和减短长度使几何损失增加， 减小直径增加长度， 几 何损失减小。
（1）坯料直径 D m 的确定 选择坯料直径时，一定要在满足制品断面机械性能要求和均匀性要求的前提 下，尽可能采用较小的挤压比。
查热挤压各种金属材料时的工艺参数值表可知，黄铜棒（ DIN_CuZn40Pb2） 的挤压比10 ~ （300~ 400） ，选取 70，因为F 0 D m 2 D m 2 22 F d m 2 d m 2式中， D m —坯料直径， mm ； d m —挤压制品的直径。
由上式，坯料的直径为D md m已知制品直径 12mm ，故有D m 70 12mm 100.4mm圆整，取 D m 100mm 。
（2）坯料长度的确定 在实际生产中， 坯料一般是圆柱形的， 在挤压有色金属时， 坯料长度为其直 径的 2.0~3.5 倍。
本设计取坯料长度 H m 为其直径的 3倍，即坯料长度 H m 为 300mm 。
1.2 挤压工艺参数的确定 1.2.1摩擦系数的确定 摩擦系数对挤压有着重要的影响，对挤压力的影响最为显著。
根据设计 要求，故挤压垫与坯料之间的摩擦系数可取 0.5，挤压筒与坯料之间的摩擦系数 为 0.2 ，挤压模与坯料之间的摩擦系数为 0.2。
1.2.2挤压杆速度的确定 挤压时的速度一般可分为三种： 挤压速度；金属流出速度； 金属变形速度（也 称变形速率）。
通常挤压速度越大，不均匀性流动加剧，附加应力增大，在挤压 制品上会引起周期性周向裂纹或破裂。
塑性成型CAD\CAE\CAM大作业学院; 材料科学与工程专业：材料成型及控制工程班级: 材控102姓名：孔垂进学号：201011604213指导老师：肖寒2013年6月28日铜棒热挤压过程模拟一、作业目的熟悉DEFORM软件前处理、后处理的操作方法，掌握热力耦合数值模拟的模拟操作。
深入理解并掌握DEFORM软件分析热挤压的塑性变形力学问题。
同时增进我们队DEFORM软件的认识与学习。
二、挤压铜棒的参数原铜棒：直径30×50 材料:铜合金挤压温度：600℃挤压速度：10mm/s摩擦系数:0.45要求：挤压成直径为20的棒材三、操作步骤1）运用画图软件（CAD）绘制各模具部件及棒料的三维造型，以stl格式输出；2）设计模拟控制参数；3）DEFORM前处理与运算；4）DEFORM后处理，观察圆柱体压缩变形过程，载荷曲线图，通过轴对称剖分观察圆柱体内部应力、应变及损伤值分布状态；5）运用DEFORM后处理Flow Net（流动栅格）功能观察金属流动四、前处理过程1、打开界面打开DEFORM-3D 6.1，单击“File—New problem”出现下界面设置为“block”如图所示:图1把“DEFORM-1”改为“block”进入界面如图1所图1 前处理界面2、设置模拟设计参数单位制度选择：点击Simulation Control按钮Main按钮在Units栏中选中SI（国际单位制）,其界面如图2所示：图2 单位制度的选择3、添加对象点击添加对象，依次为“workpiece”、“top die”、“bottom die”如图3所示图3 添加对象4、调整实体之间的距离单击出现如图4的界面，在调整它们之间的相互距离使它们满足其相对位置。
图4 调整实体之间的距离5、定义对象的材料模型单击在设置温度与才料，其如图5 所示;图5 材料与温度的选择6、工件网格化网格数选择为8000，预览后，生成网格，其图如6.1所示:工件网格图6.2图6.1图6.27、工件体积的补偿图7所示图78、设置模拟条件单击，进入控制界面。
铜陵学院课程实验报告实验名称圆柱体压缩过程模拟实验课程材料成型计算机模拟指导教师张金标. 专业班级10 材控（2）姓名孟来福学号 1 0 1 0 1 2 1 0 5 82013年05月14日实验一 圆柱体压缩过程模拟1 实验目的与内容1.1 实验目的进一步熟悉AUTOCAD 或PRO/E 实体三维造型方法与技艺，掌握DEFORM 软件的前处理、后处理的操作方法与热能，学会运用DEFORM 软件分析压缩变形的变形力学问题。
1.2 实验内容运用DEFORM 模拟如图1所示的圆柱坯压缩过程。
（一）压缩条件与参数锤头与砧板：尺寸200×200×20mm ，材质DIN-D5-1U,COLD ，温度室温。
工件：材质DIN_CuZn40Pb2，尺寸如表1所示，温度室温。
（二）实验要求砧板工件锤头图1 圆柱体压缩过程模拟（1）运用AUTOCAD或PRO/e绘制各模具部件及棒料的三维造型，以stl格式输出；（2）设计模拟控制参数；（3）DEFORM前处理与运算（参考指导书）；（4）DEFORM后处理，观察圆柱体压缩变形过程，载荷曲线图，通过轴对称剖分观察圆柱体内部应力、应变及损伤值分布状态；（5）比较方案1与2、3与4、1与3和2与4的模拟结果，找出圆柱体变形后的形状差别，说明原因；（6）提交分析报告（纸质和电子版）、模拟数据文件、日志文件。
2 实验过程2.1工模具及工件的三维造型根据给定的几何尺寸，运用AUTOCAD或PRO/E分别绘制坯料、锤头和砧板的几何实体，文件名称分别为workpiece，topdie，bottomdie，输出STL格式。
2.2 压缩过程模拟2.2.1 前处理建立新问题：程序→DEFORM5.03→File→New Problem→Next→在Problem Name栏中填写“Forging”→ Finish→进入前前处理界面；单位制度选择：点击Simulation Conrol按钮→Main按钮→在Units栏中选中SI （国际标准单位制度）。
铜陵学院课程实验报告实验名称棒材热挤压过程模拟实验课程材料成型计算机模拟指导教师专业班级姓名学号2012年04月23日实验二棒材热挤压过程模拟1 实验目的与内容1.1 实验目的进一步熟悉DEFORM软件前处理、后处理的操作方法，掌握热力耦合数值模拟的模拟操作。
深入理解并掌握DEFORM软件分析热挤压的塑性变形力学问题。
1.2 实验内容运用DEFORM模拟如图2所示的黄铜(DIN_CuZn40Pb2)棒挤压过程（已知：坯料φ98⨯60mm）。
图2 棒材热挤压示意图挤压工具：尺寸如图所示，材质DIN-D5-1U,COLD，温度3500。
坯料：材质DIN_CuZn40Pb2，尺寸φ98×60，温度6300。
工艺参数：挤压速度10mm/s，摩擦系数0.1。
（二）实验要求（1）运用PRO/E绘制各模具部件及棒料的三维造型，以stl格式输出；（2）设计模拟控制参数；（3）DEFORM前处理与运算；（4）DEFORM后处理，观察圆柱体压缩变形过程，载荷曲线图，通过轴对称剖分观察圆柱体内部应力、应变及损伤值分布状态；（5）运用DEFORM后处理Flow Net（流动栅格）功能观察金属流动的不均匀性，说明原因；（6）提交分析报告（纸质和电子版）、模拟数据文件、日志文件。
2 实验过程2.1挤压工模具及工件的三维造型根据给定的几何尺寸，运用PRO/E分别绘制坯料、挤压垫、挤压模、挤压筒的几何实体，文件名称分别为workpiece，top die，bottom die，object 4。
输出stl格式。
2.2 挤压模拟2.2.1 前处理建立新问题：程序→DEFORM6.1→File→New Problem→ Next→在Problem Name 栏中填写Stick extrusion→ Finish→进入前前处理界面；单位制度选择：点击Simulation Control按钮，点击Main，在Units栏中选中SI，并在Simulation Title栏中填入“Stick extrusion”，勾选“Deformation”和“Heat Transfer”。
添加对象：点击+按钮添加对象，依次为“Workpiece”、“top die”、“bottom die”以及“object 4”。
定义对象材料：在对象树上选择workpiece，点击General按钮设置物体类型为Plastic，填入温度630℃；点击Material，选择DIN-CuZn40Pb2完成材料属性的添加。
导入毛坯：导入已经画好的workpiece的几何实体；对几何实体进行几何检查，质量符合的图形才能进行网格划分并计算，检查质量合格。
实体网格化：在对象树上选择workpiece，点击Mesh，选择Detailed Settings选项卡，将类型（Type）改为绝对的（Absolute），尺寸比（Size Ratio）改为2，最小单元尺寸（Min Element）改为3，然后生成实体网格。
工件体积补偿：在对象树上选择workpiece，点击Property，在Target V olume卡上选中Active in FEM + meshing，自动生成体积补偿。
用样的方法定义上模top die，物体类型为Rigid，温度为350℃，勾选Primary Die。
设置上模参数，进入运动参数窗口，设置参数Direction为-Z，Speed为10mm/s。
定义下模bottom die，与上模方法相同，但不勾选Primary Die。
定义object 4，与上模方法相同，但不勾选Primary Die。
模拟控制设置：点击Simulation Control按钮，点击Step按钮→在Number of Simulation Steps填入模拟步数为30（计算得出的）→Step Increment to Save设置存储增量为3→在Primary Die栏中选择top die→在With DieDisplacement栏中填入步长为1→点击OK按钮完成模拟设置；点击Stop，在Die Distance选项卡中设置Z轴距离为-30。
调整对象位置关系：在工具栏点击Object Positioning按钮进入对象位置关系调整对话框→改变X、Y、Z的数值来调整位置→点击OK按钮完成。
边界条件定义：在工具栏上点击Inter-Object按钮→在对话框上选择workpiece —topdie→点击Edit按钮→点击Deformation卡Friction栏上选中Shear和Constant 选项，填入摩擦系数类型Hot Forging (Lubricated) →点击Thermal→选中Constant选项，填入传热类型如Fomging →点击Close按钮→如此重复，依次设置其它接触关系→点击Generate all按钮点击tolerace 按钮→点击OK按钮完成边界条件设置。
保存k文件：在对象树上选择workpiece→点击Save按钮→点击保存按钮→保存工件的前处理信息→重复操作，依次保存各工模具的信息。
2.2.2 生成库文件在工具栏上点击Database generation按钮→在Type栏选中New选项→选择路径（英文）→填入数据库文件名（英文），如stick extrusion →点击Check按钮→没有错误信息则点击Generate按钮→完成模拟数据库的生成。
2.2.3 退出前处理程序在工具栏上点击Exi按钮，退出前处理程序界面。
2.2.4 模拟运算在主控程序界面上，单击项目栏中的stick extrusion.DB文件→单击Run按钮，进入运算对话框→单击Start按钮开始运算→单击Stop按钮停止运算→单击Summary，Preview，Message，Log按钮可以观察模拟运算情况。
2.3 后处理模拟运算结束后，在主控界面上单击stick extrusion.DB文件→在Post Processor 栏中单击DEFORM-3D Post按钮，进入后处理界面。
（1）观察变形过程：点击播放按钮查看成型过程；（2）观察温度变化：在状态变量的下拉菜单中选择Temperature，点击播放按钮查看成型过程中温度变化情况；（3）观察最大应力分布：在状态变量的下拉菜单中选择Max Stress，点击播放按钮查看成型过程中最大应力分布及其变化情况；（4）观察最大应变分布：在状态变量的下拉菜单中选择Max Strain，点击播放按钮查看成型过程中最大应变分布及其变化情况；（5）观察破坏系数分布：在状态变量的下拉菜单中选择Damage，点击播放按钮查看成型过程中可能产生破坏的情况；（6）成型过程载荷：点击Load Stroke按钮，生成变形工具加载曲线图，保存图形文件为load.png；（7）点跟踪分析：点击Point Tracking按钮，根据上图点的位置，在工件上依次点击生成跟踪点，点击Save按钮，生成跟踪信息，观察跟踪点的最大应力、最大应变、温度、破坏系数，保存相应的曲线图。
（8）流动网格分析：点击Flow Net按钮，在对话框中分别选择Starting step和Ending step的数值，点击Next，选择Surface net，点击Next，选中Parallel，点击Next，确定起点平面、终点平面，输入方向矢量和分割面的数量，点击Next，点击Finish，生成金属流动网格数据，点击播放按钮查看流动格变化情况。
3 实验结果与分析3.1观察工件变形过程下面是棒材挤压变形图如下图1所示，分别选取第1、20、60和78步的模拟情况：图1 棒材挤压变形过程分别取第1、20、60和78步的变形图3.2观察温度变化及点追踪分析1）后处理中观察温度变化云图如图2所示,点击播放按钮选择第50步查看温度变化分布情况。
在整个挤压过程中，中部的温度分布比较均匀且较高，因为工件中心不与空气和挤压模具接触，散热和传热都很少；远离挤压垫一端的温度最高，而与挤压垫相接触的一端温度最低，主要是由于在挤压过程中与挤压垫接触的一端存在着热交换，使温度降低，不接触的一端在整个过程中金属流动较激烈，且因散热不好和时间短，温度较接触端高且变化不大。
2）后处理中在状态变量的下拉菜单中选择Temperature,点击播放按钮选择第50步查看温度变化情况，如图3所示。
在坯料上所选的三点的温度分布整体上是呈小幅度的下降趋势，主要在模拟成型过程中存在工件和工具以及外界的热交换、热量损失，所以温度会有所下降但幅度很小，因为在热传递和热量散失的过程中接触摩擦会产生热量，所以跟踪点的温度降幅很小。
但曲线整体呈下降趋势，只是下降的缓急情况不同，这是因为坯料个部分的散热情况不同造成的。
P1点就是因为与挤压垫接触发生热交换，致使温度急剧下降，而P2点随上部温度下降也略有下降；中间部分热量不能散出又不能发生热交换，P3点温度较高且稳定，P4点区域发生剧烈变形，温度最高，挤压速度快散热效果不好，温度后期上升。
图2 温度变化云图图3温度变化3.3观察最大应力分布1）后处理中观察最大应变云图如下图4所示,点击播放按钮选择第50步查看最大应力分布情况。
从图中可以清晰地看出，前段部分应力分布较均匀，且数值较大，为三向压应力状态；从中还可以看出挤压过程中应力最大的位置出现在工件刚刚进入挤压模的位置，因为在此处由于工件的直径急剧变化，金属流动的阻力最大，不均匀变形也最大，产生较大的附加应力。
未挤出的部分应力分布不均匀，中心部分均匀但应力较小，以为有摩擦力时出现附加拉应力使其应力发生变化，环向拉应力越靠近外层越大，而径向压应力越靠近外层越小。
再者坯料上端部应力最小，这是此处金属流动很难，变形很小，则应力很小，在图4中可以清晰的看出。
2）后处理中在状态变量的下拉菜单中选择Max Stress,点击播放按钮选中第50步查看应力分布及变化情况，如图5所示。
从图中可以清晰地看出，前段部分应力几乎不变呈直线平行横坐标，且其应力值很大，然后其应力曲线急剧下降，应力分布不均匀，且变化幅度较大。
因为工件的直径急剧变化，金属流动的阻力最大，不均匀变形也最大产生较大的附加应力，所以也就出现了如图所示的情况。
图4 最大应力云图图5 最大应力曲线3.4观察最大应变分布1）后处理中观察最大应变云图如下图6所示,点击播放按钮选择第50步查看最大应力分布情况，如图7所示。
从图中可以清晰的看出，在整个挤压过程中离挤压垫近端变形很小，此段属于均匀变形而且坯料的金属流动阻力最大；当坯料逐渐被挤出模孔，后端变形区逐渐变小，与挤压垫接触界面的金属难以克服沾结力纵向补充到流速最快的外层，进而导致中心缩尾现象，导致产品质量下降。
