借助計算機仿真分析優(yōu)化鍛造工藝

文/呂文鶴，趙喜軍，韓海河·內(nèi)蒙古一機集團富成鍛造有限公司

借助計算機仿真分析優(yōu)化鍛造工藝

文/呂文鶴，趙喜軍，韓海河·內(nèi)蒙古一機集團富成鍛造有限公司

鍛造企業(yè)一直追求更高的競爭力。隨著原材料價格不斷上漲，鍛造工藝開發(fā)周期不斷緊縮，競爭壓力愈來愈大。鍛造企業(yè)不斷追尋控制成本的新方法，而鍛造工藝優(yōu)化則是最佳的方法。隨著技術(shù)的發(fā)展，鍛造計算機仿真分析的可靠性不斷得到驗證?；谟邢拊夹g(shù)的鍛造工藝分析技術(shù)，可以非常精確地分析復(fù)雜鍛件成形過程，使工藝設(shè)計人員可以在鍛造試制前做到心中有數(shù)。

坯料規(guī)格及尺寸的計算機仿真分析

富成鍛造公司是重型車輛傳動系統(tǒng)鍛件制造商，撥叉鍛件在16000t壓力機上采用一模三件的生產(chǎn)方式一次鍛壓成形，如圖1所示，然后切除飛邊。從接到訂單到鍛件批量供貨大致需要八周，其中鍛造工藝設(shè)計開發(fā)、原材料采購和模塊定制、制造占用了大部分時間。由于原材料采購和模塊定制、制造時間比較穩(wěn)定，只能通過縮短鍛造工藝設(shè)計時間，來降低產(chǎn)品開發(fā)周期。

圖1 切邊前撥叉鍛件

工藝設(shè)計人員希望借助鍛造計算機仿真分析確定鍛件坯料的最佳規(guī)格及尺寸。

⑴坯料規(guī)格過大。采用規(guī)格較大的棒料進行鍛造計算機仿真分析，如圖2所示。由分析結(jié)果可知，模具型腔完全充滿，但飛邊太大。飛邊過大導(dǎo)致溫度、成形壓力和流動速度上升，加快模具磨損速度且材料浪費嚴(yán)重。

圖2 坯料規(guī)格過大產(chǎn)生較多飛邊（紅圈區(qū)域）

⑵坯料規(guī)格較小。為了減小飛邊體積，采用一個小規(guī)格棒料進行鍛造計算機仿真分析，如圖3所示。由分析結(jié)果可知，撥叉的中心部位出現(xiàn)充不滿現(xiàn)象。另外，鍛件生產(chǎn)的飛邊較小，將導(dǎo)致飛邊難以切凈。

根據(jù)計算機仿真分析結(jié)果，設(shè)計人員優(yōu)化了鍛件的下料規(guī)格及尺寸，使鍛件完整充型的同時，獲得合理的飛邊體積。

圖3 坯料規(guī)格較小導(dǎo)致毛坯充不滿（紅圈區(qū)域）

⑶坯料長度較短。在前兩次仿真分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計人員確定了鍛件坯料規(guī)格。對撥叉而言，模具前端應(yīng)留出夾頭尺寸，以便于生產(chǎn)工人夾持鍛件。在此仿真分析中發(fā)現(xiàn)，坯料長度較短，導(dǎo)致末端撥叉由于材料不足而出現(xiàn)缺肉，如圖4所示。

圖4 末端撥叉充不滿（紅圈區(qū)域）

⑷坯料定位。即使毛坯的下料規(guī)格和尺寸經(jīng)過優(yōu)化，仍有一個因素可能導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)缺陷，即毛坯在模膛內(nèi)的定位。毛坯在模膛中位置的變動將影響金屬流動規(guī)律，最終影響鍛件的品質(zhì)。為此，設(shè)計人員分析了毛坯比通常位置更靠近操作者時鍛件的成形狀況。分析結(jié)果顯示，最后一個撥叉充不滿，如圖5所示，導(dǎo)致鍛件產(chǎn)生折疊缺陷。

圖5 毛坯定位不準(zhǔn)導(dǎo)致折疊缺陷

⑸合理毛坯尺寸規(guī)格確定。工藝設(shè)計人員采用優(yōu)化后的坯料規(guī)格及尺寸，分析了坯料準(zhǔn)確定位時模具的充型情況。結(jié)果顯示，型腔充型完整，飛邊均勻合理，可滿足切邊和工藝流程穩(wěn)定性要求（圖6）。

圖6 鍛件成形完好且飛邊均勻

撥叉鍛件坯料規(guī)格及尺寸確定的例子，向鍛造工藝設(shè)計人員展示了計算機仿真分析是如何幫助他們在日常工作中優(yōu)化鍛造工藝的。

模具磨損的計算機仿真分析

汽車差速器殼體鍛件是富成鍛造公司重要產(chǎn)品之一，如圖7所示。在鍛造生產(chǎn)過程中，因模具磨損速度過快而影響生產(chǎn)效率和提高成本，通過借助計算機仿真分析來最大限度地降低模具磨損速度。

模具常因突然開裂、變形過大、損傷疲勞或磨損等因素導(dǎo)致模具失效。模具磨損分析是鍛造工藝仿真分析的高級應(yīng)用模塊，用于研究模具磨損的物理和機械機理。

Archard模型是鍛造工藝仿真分析中最常用的模具磨損模型，見式（1）。

模型中模具磨損量W是金屬、模具間界面壓力p、相對滑動速度v和模具硬度H和一些試驗校正參數(shù)（a，b，c，K）的函數(shù)。一旦上述參數(shù)經(jīng)過校正，則軟件可以精確地計算鍛造過程中模具的磨損量。通過仿真分析，設(shè)計人員或工程師可以確定每件的磨損量或鍛模磨損到一定深度而失效前總共可生產(chǎn)的鍛件數(shù)量。

如果缺乏參數(shù)校正手段，則設(shè)計人員或工程師可采用軟件默認參數(shù)計算，這些參數(shù)為鍛模磨損典型數(shù)據(jù)。根據(jù)這些參數(shù)，設(shè)計人員可以評估不同預(yù)鍛件或模具設(shè)計方案對鍛模磨損速度的影響，從而確定較為優(yōu)化的方案。

圖7 差速器殼體鍛件模型

⑴傳統(tǒng)預(yù)鍛。差速器殼體鍛件采用三工步鍛造工藝方案，即第一工步預(yù)鍛，第二工步基本成形，第三工步精整。因此，主要的磨損發(fā)生在第二工步，該工步的沖頭磨損速度很快。

通過對第二工步?jīng)_頭實際磨損狀況與軟件仿真結(jié)果的對比，如圖8所示。計算機仿真分析結(jié)果精確地預(yù)測了實際鍛造生產(chǎn)中沖頭的磨損狀況。根據(jù)直覺可判定，沖頭突出部位的磨損較快，但無法準(zhǔn)確預(yù)測半月形磨損帶。

圖8 實際磨損與仿真結(jié)果的對比

這里將生產(chǎn)中采用的預(yù)鍛模設(shè)定成為標(biāo)準(zhǔn)預(yù)鍛模。但從壓力機生產(chǎn)率角度分析，當(dāng)前采用的預(yù)鍛模不是最優(yōu)化的。由于大部分載荷用于第二工步的成形，第一工步和第三工步?jīng)]有承擔(dān)合理的成形任務(wù)比例。

⑵球形預(yù)鍛。為了降低模具磨損速度，設(shè)計人員分析了采用球形預(yù)鍛時模具的磨損狀況。此設(shè)計要求第一工步承擔(dān)更多的成形任務(wù)，以降低第二工步的變形量和載荷。由于此設(shè)計只有兩個工步，因此，鍛件可以在一臺設(shè)備上成形。如果此設(shè)計可以成功，則壓力機的生產(chǎn)效率將翻倍。

但分析結(jié)果顯示，采用球形預(yù)鍛工步后終鍛模的磨損速度比原工藝流程還要差，即使此工藝提高了生產(chǎn)效率，由于終鍛模具磨損速度加快，設(shè)計人員還是不能采用此方案。

⑶環(huán)形預(yù)鍛。隨后工藝設(shè)計人員分析了環(huán)形預(yù)鍛方案，此工藝流程與原工藝流程生產(chǎn)效率相同，工藝設(shè)計人員希望終鍛模具磨損速度可以下降，但發(fā)現(xiàn)終鍛模擬分析中出現(xiàn)折疊曲線，顯然再考慮鍛模磨損毫無意義。

⑷環(huán)形預(yù)鍛調(diào)整。環(huán)形預(yù)鍛方案雖然出現(xiàn)了折疊缺陷，但預(yù)鍛模的磨損速度顯著下降。因此，要適當(dāng)?shù)匦薷念A(yù)鍛模設(shè)計以消除缺陷。計算機仿真分析結(jié)果顯示，修正后的預(yù)鍛模成形后得到高質(zhì)量的差速器殼體鍛件。通過對三種預(yù)鍛設(shè)計方案的計算機仿真分析，工藝設(shè)計人員和工程師很容易發(fā)現(xiàn)，環(huán)形預(yù)鍛可以顯著地降低模架的磨損速度（圖9）。

圖9 幾種預(yù)鍛毛坯對模具的磨損速度對比

計算機模擬分析證實，在球形預(yù)鍛和環(huán)形預(yù)鍛之間的確存在需要優(yōu)化的工藝方案。理想的預(yù)鍛方案應(yīng)具有球形預(yù)鍛的高生產(chǎn)率和環(huán)形預(yù)鍛的低模具磨損速度，且滿足鍛件在一臺設(shè)備上成形的要求。

即使磨損機理研究不是非常充分，差速器殼體鍛件模具仿真分析實例還是表明計算機工藝仿真分析可以解決模具磨損不合理的問題。

結(jié)束語

與傳統(tǒng)鍛造試制相比，鍛造計算機仿真分析具有比較明顯的優(yōu)點，可明顯減少試鍛次數(shù)，縮短工藝開發(fā)周期，降低開發(fā)費用。另外，計算機仿真技術(shù)可使工藝設(shè)計人員和產(chǎn)品設(shè)計人員了解更多的信息，而這些信息無法在試鍛過程中了解，像材料流動速度、加工硬化量和模具的接觸壓力等關(guān)鍵信息，通過物理試驗或試鍛的方式很難獲取。借助計算機仿真分析技術(shù)，可使工藝設(shè)計人員很輕松地優(yōu)化鍛造工藝。