Simufact在自由鍛造上的應(yīng)用

文／王傳輝，李光杰·西模發(fā)特信息科技（上海）有限公司

Simufact在自由鍛造上的應(yīng)用

文／王傳輝，李光杰·西模發(fā)特信息科技（上海）有限公司

由于具有高度靈活性、簡(jiǎn)單和成本效益的優(yōu)勢(shì)，漸進(jìn)成形工藝在鍛壓行業(yè)中被廣泛地應(yīng)用。對(duì)于大工件和小批量產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，漸進(jìn)成形工藝是最恰當(dāng)?shù)某尚喂に?。漸進(jìn)成形工藝主要分為兩個(gè)方面：一方面是各種不同的軋制工藝；另一方面是不同類(lèi)型的開(kāi)坯鍛、徑向鍛造和殼體鍛造（芯棒拔長(zhǎng)、馬杠擴(kuò)孔）。本文側(cè)重于探討仿真軟件在后者的應(yīng)用。

成形過(guò)程仿真是一種有效的工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。通過(guò)仿真模擬，可以減少昂貴且費(fèi)時(shí)的生產(chǎn)試驗(yàn)，從而減少產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。在過(guò)去，仿真軟件在進(jìn)行漸進(jìn)成形模擬時(shí)，為反映漸進(jìn)成形過(guò)程的特性，需要對(duì)三維模型進(jìn)行大量的增量計(jì)算，所需時(shí)間非常長(zhǎng)。如今，隨著電腦計(jì)算能力的提升，這個(gè)限制因素幾乎不存在了。但自由鍛模擬仿真仍然有兩個(gè)挑戰(zhàn)：一是復(fù)雜的自由鍛，往往無(wú)法完全預(yù)先定義機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程；二是自由鍛完成后工件的材料性能預(yù)測(cè)。尤其是開(kāi)坯鍛，不僅要得到某種形狀的工件，而且還要達(dá)到所需要的材料性能，比如材料的晶粒尺寸、相組成及去除先前由鑄造所產(chǎn)生的氣孔、孔隙、縮孔、氣泡（以下統(tǒng)稱為氣孔）等缺陷。

對(duì)漸進(jìn)體積成形過(guò)程仿真的建模

Simufact.forming是一個(gè)商業(yè)軟件包，致力于不同類(lèi)型金屬成形仿真模擬。根據(jù)工藝的物理特性，該軟件提供基于有限元法（使用加強(qiáng)版的MSC.Marc通用求解器）或拉格朗日—?dú)W拉耦合的有限體積法（使用定制版的MSC.Dytran求解器）的求解算法。要注意的是，對(duì)所有類(lèi)型的漸進(jìn)成形仿真均應(yīng)選擇隱式有限元求解器。

基于大應(yīng)變和大變形的彈塑性公式，Simufact求解器能夠很精確地計(jì)算工件材料的大平移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，可以逼真地模擬工件的所有運(yùn)動(dòng)。完全的熱力耦合分析可以充分考慮彈塑性材料的特性，進(jìn)行模具夾緊、釋放的仿真。采用本構(gòu)模型，保持體積的恒定性，即使在模擬數(shù)以千計(jì)的計(jì)算增量步后，只會(huì)發(fā)生很小的體積偏差。在工件的網(wǎng)格劃分時(shí)，最好是采用完全集成的六面體單元，因?yàn)樵擃?lèi)型的單元在最低的計(jì)算成本下能產(chǎn)生最好的結(jié)果。

運(yùn)動(dòng)的定義和控制

采用有限元軟件分析漸進(jìn)成形過(guò)程通常需要考慮模具的平移和旋轉(zhuǎn)的速度。這其中包含兩個(gè)難點(diǎn)：一是由于工藝過(guò)程通常包含了各種不同的機(jī)械手和模具運(yùn)動(dòng)，有時(shí)鍛造過(guò)程中還有熱傳遞存在，如果使用傳統(tǒng)仿真模擬方法，則會(huì)造成非常繁瑣的進(jìn)料和速度定義；二是完整的運(yùn)動(dòng)不是能預(yù)先定義好的，而是在過(guò)程中控制的結(jié)果。例如，在一道次成形過(guò)程中，鍛錘的擊打次數(shù)，常取決于改變后的工件長(zhǎng)度，這是最初不能確定的。鑒于此，Simufact.forming開(kāi)發(fā)了一個(gè)強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)模塊。一方面它使用以實(shí)際機(jī)器設(shè)置為導(dǎo)向的高階設(shè)置來(lái)快速和簡(jiǎn)單地定義一個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。另一方面它包含一個(gè)基于當(dāng)前進(jìn)程的狀態(tài)，對(duì)進(jìn)料和速度進(jìn)行閉環(huán)控制。這個(gè)閉環(huán)控制是與有限元求解器完全集成在一起的，避免了仿真模擬計(jì)算時(shí)在后處理、前處理和求解器之間持續(xù)的低效率跳躍，并能根據(jù)需要隨時(shí)關(guān)閉控制環(huán)路。開(kāi)坯鍛以及類(lèi)似的工藝所需要的不是在每次計(jì)算變量中連續(xù)控制選定的模具，而是以一次錘擊或擠壓后獲得的中間結(jié)果為基礎(chǔ)，來(lái)定義流程的下一步驟，這就需要由求解器本身自我控制輸入求解結(jié)果來(lái)完成。

圖1 馬杠擴(kuò)孔運(yùn)動(dòng)設(shè)置

在設(shè)置仿真模型時(shí)，運(yùn)動(dòng)模塊定義就如設(shè)置壓力機(jī)的參數(shù)一樣，不過(guò)它提供了更多的設(shè)置參數(shù)。首先選擇工藝種類(lèi)，如開(kāi)坯鍛、徑向鍛造、芯棒拔長(zhǎng)、馬杠擴(kuò)孔等工藝。其次是與設(shè)備相關(guān)的設(shè)置，對(duì)相關(guān)的幾何體進(jìn)行命名，如上砧、機(jī)械手等。還有就是定義移動(dòng)方向、速度、夾持長(zhǎng)度、最大夾持力和其他類(lèi)似的參數(shù)。圖1所示為馬杠擴(kuò)孔運(yùn)動(dòng)設(shè)置實(shí)例，圖中過(guò)程定義設(shè)置包括道次數(shù)、最終的高度、行程、旋轉(zhuǎn)和道次模式以及類(lèi)似參數(shù)的定義；流程定義一般包括加熱、傳送、再加熱和冷卻時(shí)間等。

基于上述這些設(shè)置，仿真軟件即可自動(dòng)控制漸進(jìn)成形過(guò)程的每個(gè)操作步驟所需的進(jìn)料和速度，不需要用戶進(jìn)一步的控制。Simufact.forming的很多其他模擬仿真運(yùn)算也采用了類(lèi)似原理，像將設(shè)備和機(jī)械手的彈性考慮進(jìn)去的彈簧控制模具、自由浮動(dòng)的模具和芯棒、模具的熱傳導(dǎo)或變形等。圖2為徑向鍛造過(guò)程實(shí)例。

圖2 徑向鍛造實(shí)例

模擬微觀組織

鍛造模擬技術(shù)其中一個(gè)發(fā)展方向?yàn)槲⒂^組織結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)。對(duì)鋼鐵材料而言，主要體現(xiàn)在對(duì)晶粒尺寸和相組成變化的模擬上。現(xiàn)在對(duì)漸進(jìn)體積成形過(guò)程微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬時(shí)，仍有兩個(gè)局限性：一是所使用的材料模型及其實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定，必須考慮長(zhǎng)時(shí)間、反復(fù)的機(jī)械和熱的加載及卸載；二是微觀組織模擬所使用的網(wǎng)格劃分必須足夠細(xì)致。漸進(jìn)成形過(guò)程往往由簡(jiǎn)單的幾何形狀、鍛造力、溫度和應(yīng)變組成，使用相對(duì)稀疏網(wǎng)格劃分即可預(yù)測(cè)，并可保持合理的計(jì)算時(shí)間。然而這些劃分稀疏的網(wǎng)格未必適用于微觀組織模擬。因此，當(dāng)漸進(jìn)體積成形過(guò)程模擬包含微觀組織模擬時(shí)，必須通過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)果。

模擬氣孔減少

文獻(xiàn)中有微觀和宏觀兩種不同的方法來(lái)模擬成形過(guò)程中氣孔的減少。微觀方法模擬每個(gè)氣孔的幾何變化；宏觀方法則不考慮單一氣孔，而是通過(guò)宏觀描述的氣孔分布和大小的關(guān)鍵圖形，來(lái)評(píng)估整體的氣孔情況。

Simufact.forming使用一種新開(kāi)發(fā)的宏觀方法來(lái)模擬氣孔減少：基于方程式⑴的簡(jiǎn)化本構(gòu)方程，氣孔被描述為成形過(guò)程中改變的材料相對(duì)密度。

式中ρr為相對(duì)密度，ρ0為初始相對(duì)密度，σm是從分析中獲得的靜水壓力，Pmax是使所有氣孔閉合所需的最大靜水壓力。相對(duì)密度范圍的有效值是從0到1。一旦相對(duì)密度達(dá)到1，則代表所有的氣孔閉合并且材料完全凝結(jié)。即使過(guò)程中靜水壓力再次減小，相對(duì)密度也不減小。

初始相對(duì)密度是建模的一個(gè)初始條件，它可以被均勻定義或采用鑄錠的典型分布來(lái)定義。氣孔閉合所需的最大靜水壓力，是模擬氣孔減少時(shí)唯一需要確定的材料參數(shù)。當(dāng)前的靜水壓力是從分析中獲得的，因此，在一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，該模型可以方便地校準(zhǔn)。如果需要的話，還可以另外指定最低靜水壓力，包括使氣孔減少前所需的最低應(yīng)力水平。

像所有的宏觀方法一樣，仿真時(shí)所采用的相對(duì)密度模型，是假設(shè)氣孔的初始大小和數(shù)量為均勻的，并不考慮因氣孔變形所導(dǎo)致的各向異性效應(yīng)；同時(shí)假設(shè)相對(duì)密度和屈服應(yīng)力與其他材料參數(shù)無(wú)關(guān)，忽略氣孔在熱鍛中對(duì)材料性能的影響并認(rèn)為在模擬仿真時(shí)材料性能不發(fā)生改變。

應(yīng)用案例

圖3為初始溫度為1280℃的16CrMo4鋼的開(kāi)坯鍛模型，初始模型由10200個(gè)六面體單元組成，在經(jīng)過(guò)6個(gè)道次89次擊打后，坯料的初始截面積由102mm×102mm減少至約70mm×70mm，同時(shí)長(zhǎng)度從620mm增加至1135mm左右，400mm的工件額外長(zhǎng)度不參與變形。使用單核的Intel Xeon CPU X5660@2.80GHz計(jì)算，耗時(shí)約20h。若使用多核并行計(jì)算可以大大減少計(jì)算時(shí)間。圖4為模擬結(jié)束時(shí)的鍛件溫度分布。

圖5中上圖所示為用戶定義的初始相對(duì)密度，從中可以看出工件的外層部分沒(méi)有氣孔，氣孔都集中在工件的中心，這是典型鑄錠的情況。在開(kāi)坯鍛的過(guò)程中相對(duì)密度增加，這意味著當(dāng)材料凝結(jié)時(shí)，氣孔變小并且數(shù)量減少。但在這個(gè)例子中，所施加的成形力并不足以使所有氣孔閉合。靜水壓力使工件中心的氣孔開(kāi)始閉合，但是最大靜水壓力沒(méi)有達(dá)到使所有氣孔都能閉合的最小值時(shí)，工件中心的相對(duì)密度仍低于1，最終相對(duì)密度如圖5中下圖所示。

圖3 開(kāi)坯鍛模型

圖4 模擬結(jié)束時(shí)溫度分布

圖5 初始和最終的相對(duì)密度分布

結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了漸進(jìn)體積成形過(guò)程模擬的兩大挑戰(zhàn)：模型中運(yùn)動(dòng)的定義和控制以及最終工件材料性能的預(yù)測(cè)。Simufact.forming的運(yùn)動(dòng)模塊已經(jīng)可以使用以實(shí)際設(shè)備設(shè)置為導(dǎo)向的高階設(shè)置來(lái)有效地定義運(yùn)動(dòng)過(guò)程。此外，該模塊還包括閉環(huán)過(guò)程控制仿真，不必預(yù)先定義全部的進(jìn)料和速度。基于相對(duì)密度的變化來(lái)預(yù)測(cè)成形過(guò)程中的氣孔減少這種方法只使用一個(gè)材料參數(shù)，模擬校準(zhǔn)時(shí)非常簡(jiǎn)單，此方法并不局限于特定的工藝或材料，它的應(yīng)用范圍非常廣泛。