數(shù)值模擬技術(shù)在鍛造中的應(yīng)用

文/吳玉堅(jiān)，陳學(xué)慧·東風(fēng)鍛造有限公司

數(shù)值模擬技術(shù)在鍛造中的應(yīng)用

文/吳玉堅(jiān)，陳學(xué)慧·東風(fēng)鍛造有限公司

隨著國內(nèi)外軟件業(yè)集中在數(shù)值模擬領(lǐng)域的深入開發(fā)，模擬結(jié)果可視化效果不斷提高，真實(shí)感加強(qiáng)，以及數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出功能的增強(qiáng)，計(jì)算效率的提升，尤其是模擬運(yùn)行對(duì)硬件要求的大幅度降低等，有限元分析技術(shù)已成為逐漸替代傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)據(jù)的工藝和模具設(shè)計(jì)方法。1990年，二維模擬技術(shù)就已在鍛造設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，由于鍛造過程的復(fù)雜性，三維鍛造過程（特別是流動(dòng)過程）的模擬直到1998年才開始應(yīng)用，但很快發(fā)展成為鍛造工藝設(shè)計(jì)中舉足輕重的工具。成功地運(yùn)用模擬技術(shù)能夠解決鍛造中大量的實(shí)際工程問題，實(shí)現(xiàn)材料利用率的提升，模具使用壽命的延長(zhǎng)，并大幅度縮短新品開發(fā)周期。

Qform 2D 模擬軟件的應(yīng)用

Qform2D軟件是一款二維鍛造模擬軟件，界面簡(jiǎn)捷，操作方便，計(jì)算過程迅速，一般復(fù)雜程度的鐓粗、預(yù)鍛、終鍛三工步模擬僅需30min，較復(fù)雜的約為2h，并且?guī)в蠨XF和IGES數(shù)據(jù)接口，可以直接調(diào)用已有AutoCAD的歷史圖檔，其前處理和有限元計(jì)算模型操作簡(jiǎn)單明了，后處理采用直觀的圖形播放，且數(shù)據(jù)輸出和圖形輸出格式多樣，如輸出AutoCAD圖檔。計(jì)算過程中可在任一時(shí)刻中止，并繼續(xù)在中斷處接著進(jìn)行運(yùn)算。具有連續(xù)工步模擬功能，上一道工序的模擬結(jié)果可直接作為下一工序的工件輸入條件，并可進(jìn)行同一零件多方案的比較。

其最大的特點(diǎn)是所描述的金屬成形模式與實(shí)踐中采用的工藝過程和工步有很大的相似性或?qū)?yīng)關(guān)系，較好地符合工藝工程師的思維習(xí)慣。以下為應(yīng)用該軟件對(duì)軸對(duì)稱及平面變形類鍛件模擬分析及工藝優(yōu)化的具體案例。

管類法蘭成形工藝開發(fā)

圖1所示為管類成形法蘭，管坯外徑φ63.5mm，壁厚10mm，參與大端法蘭成形的管坯長(zhǎng)度263mm，長(zhǎng)度與壁厚之比達(dá)26.3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了管坯一次成形到任意形狀所允許長(zhǎng)度與壁厚之比不大于3的理論要求，需要突破理論極限，否則成形過程中極易在管壁內(nèi)、外表面產(chǎn)生折疊。

圖1管類成形法蘭

以下為采用Qform2D模擬軟件進(jìn)行模擬分析解決該問題的主要過程。

首先設(shè)計(jì)成形工步圖，并在AutoCAD系統(tǒng)中繪制出模擬需要的模具和坯料的橫截面幾何輪廓圖。

模具和坯料的橫截面輪廓線必須是封閉、無間斷的連續(xù)線。同時(shí)，模擬過程中需要多次進(jìn)行網(wǎng)格重新劃分，要求模具的輪廓圖必須光滑，即同變形金屬接觸的模腔內(nèi)區(qū)域不能有尖角存在，否則可能造成模擬過程失敗。

軸對(duì)稱件的模擬只需要截面的一半圖形，如圖2所示，對(duì)稱軸位于絕對(duì)坐標(biāo)系中X=0的位置。程序會(huì)自動(dòng)確定模具和坯料的接觸位置，因此，坯料在圖中豎直方向的初始位置可以任意放置。

Qform系統(tǒng)為了識(shí)別幾何輪廓圖的性質(zhì)，要求將工件和模具分別放到WPIECE（工件）、TOOL1（模具1）、TOOL2（模具2）圖層中。

圖2管類法蘭成形模具及坯料截面圖

需要注意的是：由于平鍛機(jī)在工作過程中給工件軸向很大的作用力，成形過程中靠平鍛機(jī)上梁夾緊鍛件，保證坯料不向后滑動(dòng)。因此，在模擬管坯平鍛工藝成形時(shí)，可在模具上做出阻止坯料相對(duì)模具滑動(dòng)的結(jié)構(gòu)，保證模擬過程中坯料不向后滑動(dòng)。

進(jìn)入Qform后，對(duì)模擬參數(shù)進(jìn)行定義：設(shè)備為機(jī)械壓力機(jī)，不考慮熱傳導(dǎo)，模擬類型為軸對(duì)稱變形，輸入模具及坯料幾何圖形（CRS文件），并設(shè)定模具閉合時(shí)上、下模的距離，設(shè)定材料及模擬開始時(shí)工件溫度，包括上、下模的初始溫度及潤滑條件等。模擬過程中程序?qū)崟r(shí)顯示模具的運(yùn)動(dòng)及變形情況如圖3所示。

圖3管類法蘭成形模擬

在沖頭的鐓擴(kuò)作用下，管坯的變形分兩個(gè)階段：先是沖頭對(duì)管坯進(jìn)行擴(kuò)孔，在這一階段上管坯不產(chǎn)生失穩(wěn)，壁厚變化不大。其次，當(dāng)沖頭完成對(duì)管坯的擴(kuò)孔后，開始對(duì)管坯進(jìn)行鐓粗，這時(shí)管坯開始失穩(wěn)。

在沖頭與鑲塊形成的錐形型腔部分，由于模膛的限制作用，失穩(wěn)狀態(tài)受到控制，沒有繼續(xù)發(fā)展形成折紋。而在沖頭與鑲塊導(dǎo)程部分形成的型腔內(nèi)，金屬失穩(wěn)后，繼續(xù)發(fā)展，最終形成折疊。經(jīng)反復(fù)模擬驗(yàn)證，能發(fā)現(xiàn)成形沖頭（即凸模）根部形狀是影響折紋產(chǎn)生與否的重要因素，當(dāng)沖頭根部形狀越有利于將管坯端口脹大時(shí)，成形越不易出折紋，通過對(duì)變形機(jī)理的把握，加大沖頭根部圓角半徑能夠有效解決折紋及坯料充滿問題，如圖4所示。

圖4更改工藝參數(shù)的成形模擬

根據(jù)模擬參數(shù)加工出來的模具，生產(chǎn)過程中沒有形成折紋。通過模擬，掌握管坯變形規(guī)律，找到了模具優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向，實(shí)現(xiàn)了管類平鍛件理論長(zhǎng)度壁厚比的技術(shù)突破。

連桿工字鋼截面折紋分析

連桿鍛件截面變化大，成形工藝復(fù)雜，桿部工字鋼截面處極易產(chǎn)生折紋，運(yùn)用Qform2D的平面變形模擬功能，對(duì)其進(jìn)行模擬分析，如圖5所示。

根據(jù)圖中流線情況，成形過程中在該部位產(chǎn)生“穿筋”折紋的可能性極高。為了消除這一潛在的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)成形工藝進(jìn)行了改進(jìn)，然后再進(jìn)行模擬，如圖6所示該處的流線得到很大的改善，產(chǎn)生折紋的風(fēng)險(xiǎn)大幅度降低。

圖5工字鋼截面流線圖

圖6改進(jìn)后流線圖

調(diào)試驗(yàn)證結(jié)果與模擬情況相符：前者在該部位100％產(chǎn)生折紋，改進(jìn)后鍛件該類折紋完全消除。通過模擬分析可以幫助確定中間坯料形狀，改善鍛件的流線，避免成形缺陷。

Deform 3D模擬技術(shù)的應(yīng)用

Deform3D軟件是一款三維工藝仿真軟件，采用來自CAD系統(tǒng)的面或?qū)嶓w造型（STL）格式，全自動(dòng)網(wǎng)格劃分，可以完成相當(dāng)復(fù)雜的鍛件成形分析。具有FLOWNET和點(diǎn)跡示蹤、變形、云圖、矢量圖，載荷—行程曲線等后處理功能，單步模具應(yīng)力分析方便快捷。其2D切片功能，可以顯示工件或模具的剖面結(jié)果。

該軟件可以用來模擬材料流動(dòng)、鍛造負(fù)荷、模具應(yīng)力、晶粒演變和缺陷成因等等，適用于分析金屬體積成形及其相關(guān)的各種成形工藝及熱處理工藝，且圖形用戶界面友好，便于工程技術(shù)人員進(jìn)行前期的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作及后期的數(shù)據(jù)分析工作。

轉(zhuǎn)向節(jié)立鍛工藝的開發(fā)

轉(zhuǎn)向節(jié)形狀復(fù)雜，成形難度大。采用立鍛工藝成形能有效節(jié)省原材料消耗，桿部充滿及避免凸臺(tái)折紋是工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，運(yùn)用Deform3D重點(diǎn)對(duì)其成形過程進(jìn)行模擬，以尋找合適的工藝方案、參數(shù)。

首先設(shè)定幾何模型與初始條件：坯料設(shè)為塑性體，模具設(shè)為剛體，材料成形流動(dòng)應(yīng)力采用剛粘塑性材料模型，摩擦系數(shù)為0.3，鍛造過程中不考慮熱力耦合，坯料始鍛溫度為1100℃，模具初始溫度為300℃，坯料材料為1045，選用系統(tǒng)自帶設(shè)備庫中的6000t機(jī)械壓力機(jī)。

坯料垂直擺放的成形方式模擬結(jié)果如圖7所示，鍛件桿部充滿良好，但從模擬成形過程中如圖8所示可以直觀地看到，在鍛件大凸臺(tái)處明顯有兩股金屬匯集，形成交匯折紋。在實(shí)際調(diào)試中驗(yàn)證了該處存在的折紋，分析該折紋形成的機(jī)理，并進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)將坯料由垂直擺放改成水平擺放進(jìn)行模擬，如圖9所示。

圖7鍛件充滿良好

圖8折紋形成過程模擬

圖9坯料水平擺放模擬

從圖中可以看出，原易出折紋的部位，在開始成形階段由于有較多的金屬預(yù)充填型腔，成形過程中沒有出現(xiàn)金屬匯集，從而避免了折紋的形成。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，采用將坯料水平擺放的方式，鍛件沒有出現(xiàn)折紋，充滿情況良好，鍛件尺寸完全合格。

轉(zhuǎn)向節(jié)臥式鍛造工藝

采用臥式成形工藝生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向節(jié)，通過數(shù)值模擬優(yōu)化工藝方案，能夠大幅度提高鍛件的材料利用率。

臥式鍛造成形工藝為：壓扁→旋轉(zhuǎn)90°再次壓扁→局部鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→切邊，其材料利用率僅有78％。

針對(duì)成形中鍛件桿部的金屬大量流失問題，以增加阻力墻的方式來減小了其飛邊的大小，采用Deform3D進(jìn)行成形模擬，不斷修正阻力墻的參數(shù)，有效地使鍛件材料利用率提高到85％以上，圖10為改進(jìn)后的最終成形模擬結(jié)果。

輥鍛工藝模擬

采用Deform3D進(jìn)行輥鍛工藝模擬時(shí)，坯料的設(shè)置方法與熱模鍛成形模擬相同，只是在對(duì)模具的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定義時(shí)，與熱模鍛成形模擬的定義方式不同。在進(jìn)行熱模鍛成形模擬時(shí)，模具只對(duì)主模塊（PrimaryDie）的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定義，而對(duì)其他模具的運(yùn)動(dòng)不進(jìn)行定義，系統(tǒng)默認(rèn)為固定不動(dòng)。進(jìn)行輥鍛工藝模擬時(shí)，則需要對(duì)上、下模的運(yùn)動(dòng)都要進(jìn)行定義，除了定義旋轉(zhuǎn)速度外，還要定義旋轉(zhuǎn)中心。通常上、下模的旋轉(zhuǎn)速度相等而方向相反，旋轉(zhuǎn)中心沿水平面上下對(duì)稱，模擬過程如圖11所示。

圖11輥鍛工藝模擬

連桿工藝開發(fā)

連桿工藝開發(fā)綜合運(yùn)用了CATIA造型軟件、VerCAD輥鍛工藝輔助設(shè)計(jì)軟件及Deform3D模擬軟件。

首先用CATIA造型軟件對(duì)連桿進(jìn)行造型如圖12所示，將連桿上的兩孔做成實(shí)心，再用VerCAD軟件計(jì)算出連桿每個(gè)橫截面的面積大小，如圖13所示。

圖12連桿三維造型

圖13采用VerCAD軟件進(jìn)行截面積分析

在此基礎(chǔ)上確定連桿輥鍛毛坯圖，如圖14所示。然后通過CATIA軟件，對(duì)輥鍛毛坯造型，再應(yīng)用Deform3D軟件進(jìn)行鍛造成形模擬分析，驗(yàn)證輥坯調(diào)整的合理性與否。如果模擬結(jié)果可行，則將CATIA軟件作出的輥坯圖導(dǎo)入VerCAD輥鍛工藝輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出輥鍛模。

圖14在AutoCAD中生成的坯料截面圖

結(jié)束語

受相關(guān)學(xué)科發(fā)展的限制，與具體材料有關(guān)的方程還不能完全精確地描述材料變化的實(shí)際過程，邊界條件也不能精確地描述工件與模具之間實(shí)際發(fā)生的物理變化等等，因此，模擬結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)存在一定的差距。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)是：實(shí)際生產(chǎn)沒有問題的模型，進(jìn)行數(shù)值模擬絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)問題；而模擬出來沒有問題的模型，在實(shí)際生產(chǎn)過程中有可能產(chǎn)生折紋等質(zhì)量問題。但是該問題可以依據(jù)模擬過程中顯示出來的金屬流動(dòng)趨勢(shì)，對(duì)局部參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，即可取得較理想的效果。

數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于鍛造工藝的設(shè)計(jì)過程，主要有以下幾個(gè)方面的作用：

⑴通過有限元分析，幫助工藝工程師確定工藝參數(shù)，如確定中間工步毛坯用料，型槽截面形狀參數(shù)如圓角半徑等實(shí)現(xiàn)材料利用率提升，以及對(duì)模具受力的精確分析，進(jìn)一步優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和模具參數(shù)，以期提高模具壽命。

⑵模擬成形過程，讓設(shè)計(jì)者先于制造模具實(shí)物可以“看”到金屬的流動(dòng)，預(yù)見可能出現(xiàn)的成形缺陷如折疊、充不滿等，從而在設(shè)計(jì)時(shí)加以避免。

⑶代替實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)調(diào)試，驗(yàn)證新的工藝方案的可行性，可以大幅度降低新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)周期及開發(fā)費(fèi)用。同時(shí)，大量的流動(dòng)分析經(jīng)驗(yàn)積累，有利于探索毛坯節(jié)材和工步優(yōu)化的新途徑。