大鍛件鐓粗變形力數(shù)值模擬誤差的研究

齊作玉　黃　健　蔡　寧(上海重型機(jī)器廠有限公司，上海200245)

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大鍛件鐓粗變形力數(shù)值模擬誤差的研究

齊作玉黃健蔡寧
(上海重型機(jī)器廠有限公司，上海200245)

摘要:分析了由塑性加工原理理論推導(dǎo)出的鐓粗變形力公式，還研究了用商業(yè)模擬軟件求解鐓粗變形力，將其公式結(jié)果以及模擬結(jié)果與以前實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，暴露出大鍛件數(shù)值模擬商業(yè)軟件存在著較大定量誤差的問(wèn)題。分析了該問(wèn)題產(chǎn)生的原因，提出了改進(jìn)意見(jiàn)，為未來(lái)能在大鍛件生產(chǎn)領(lǐng)域定量準(zhǔn)確地應(yīng)用數(shù)值模擬軟件奠定了一定的理論和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:大鍛件;數(shù)值模擬;鐓粗;變形力;誤差

目前大鍛件數(shù)值模擬的應(yīng)用還很不成熟。曾有文獻(xiàn)對(duì)大鍛件數(shù)值模擬定量準(zhǔn)確性進(jìn)行了探討［1］，指出目前大鍛件數(shù)值模擬研究成果主要分為兩類，一類是沒(méi)有實(shí)際對(duì)比分析的理論研究，僅用于制訂工藝前的參考;另一類是與實(shí)際情況對(duì)應(yīng)的個(gè)別點(diǎn)上的數(shù)值對(duì)比或定性對(duì)比的研究。即使是有些實(shí)際對(duì)比的研究，也只有定性參考意義，缺乏可靠的定量準(zhǔn)確結(jié)論和可直接定量應(yīng)用的實(shí)際意義。由此推論，大鍛件數(shù)值模擬商業(yè)軟件在定量準(zhǔn)確方面仍然存在問(wèn)題。比起其它領(lǐng)域的數(shù)值模擬，大鍛件數(shù)值模擬的應(yīng)用上仍受到很大限制。但是，大鍛件數(shù)值模擬商業(yè)軟件具體不準(zhǔn)確在哪里，不準(zhǔn)確的程度如何?是否可以改進(jìn)?這些問(wèn)題更值得研究，但至今仍缺乏研究，還找不到公開(kāi)發(fā)表的、有價(jià)值的參考文獻(xiàn)。

鐓粗變形力是大鍛件鍛造的重要參數(shù)。即使對(duì)于這個(gè)重要參數(shù)，在數(shù)值模擬方面，也找不到關(guān)于它的計(jì)算誤差研究文獻(xiàn)，即模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果差異的分析和研究。當(dāng)然，此類研究需要增加實(shí)測(cè)結(jié)果，同時(shí)還需要研究者用扎實(shí)的金屬塑性加工原理理論加以解釋和說(shuō)明，難度可想而知。也就是說(shuō)，它比單純的數(shù)值模擬研究要更為復(fù)雜和困難。

為了突破大鍛件數(shù)值模擬商業(yè)軟件定量準(zhǔn)確性不可靠的問(wèn)題，本文用理論計(jì)算和軟件模擬的方式得出鐓粗變形力結(jié)果，并與以前實(shí)測(cè)結(jié)果相比較，以揭示大鍛件數(shù)值模擬商業(yè)軟件在計(jì)算中反映出的實(shí)際具體問(wèn)題，并分析了該問(wèn)題產(chǎn)生的原因，提出了改進(jìn)意見(jiàn)。為未來(lái)大鍛件領(lǐng)域能定量準(zhǔn)確應(yīng)用數(shù)值模擬軟件奠定了一定的理論和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1　理論值與實(shí)測(cè)值的誤差比較

根據(jù)現(xiàn)有塑性加工原理的理論，求圓柱體鐓粗時(shí)的變形力，常用的分析方法之一是德國(guó)學(xué)者齊別爾( E．Siebel)提出的主應(yīng)力法(又稱切塊法SLAB METHOD)。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可以得出鐓粗圓柱體單位流動(dòng)壓力p，見(jiàn)式( 1)。式中，S為材料的真實(shí)應(yīng)力(屈服應(yīng)力)，μ為摩擦系數(shù)，D為坯料的直徑，h為坯料的高度。

根據(jù)式( 1)中的D/h可知，同一徑高比下的不同尺寸大小的圓柱體的鐓粗單位流動(dòng)壓力是不變的。

鐓粗圓柱體單位流動(dòng)壓力常用于計(jì)算變形抗力。變形抗力是單位面積上的變形力。

計(jì)算鐓粗變形力P，見(jiàn)式( 2)。式中，π為圓周率。

然而，前蘇聯(lián)學(xué)者古布金研究發(fā)現(xiàn)，按照式( 1)、式( 2)計(jì)算時(shí)，其真實(shí)應(yīng)力是在小試樣上測(cè)得的，當(dāng)用在大的鍛件計(jì)算上時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)誤差。實(shí)際尺寸越大，塑性和變形抗力就越低。為此，古布金研究提出根據(jù)變形體尺寸的修正公式［2］。即式中，pr為生產(chǎn)條件下鍛件的單位流動(dòng)壓力; po為與鍛件幾何尺寸相似的小試樣的單位流動(dòng)壓力;ψ為尺寸系數(shù)，恒小于1。古布金研究出的尺寸系數(shù)ψ見(jiàn)表1。

表1　古布金研究出的尺寸系數(shù)Table 1　Size factor studied by Gubkin

由表1可知，當(dāng)鍛件體積增大1 000倍時(shí)或當(dāng)鍛件的高度及直徑增大到10倍時(shí)，變形抗力就減少60%，這種差異是相當(dāng)可觀的。

我們?cè)诖箦懠叴值膶?shí)際生產(chǎn)中也曾有這樣的體會(huì)，按照理論計(jì)算，一臺(tái)萬(wàn)噸壓機(jī)鐓不動(dòng)的大鍛件在實(shí)際生產(chǎn)中是可以鐓得動(dòng)的。

古布金關(guān)于尺寸對(duì)鐓粗力影響的實(shí)測(cè)研究對(duì)大鍛件成形技術(shù)和模擬技術(shù)的深入研究發(fā)展起到十分重要的作用。但遺憾的是，現(xiàn)在一些新的金屬塑性加工原理教科書中卻刪減了古布金的實(shí)測(cè)研究結(jié)果［3］，以致許多新一代的大鍛件技術(shù)人員并不知道前人早已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這樣一種大鍛件的塑性變形規(guī)律。

2　模擬值與實(shí)測(cè)值的誤差比較

目前多個(gè)商業(yè)軟件供應(yīng)商都聲稱其軟件能用于大鍛件成形的數(shù)值模擬，但研究者在多次交流中向他們的國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的中外介紹者咨詢，該軟件是否考慮了尺寸對(duì)鐓粗力影響因素問(wèn)題時(shí)，他們卻無(wú)人能理解、也無(wú)人能回答。

為此，研究者只能根據(jù)現(xiàn)有條件選擇一種商業(yè)軟件來(lái)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行獨(dú)立研究。

DEFORM是美國(guó)產(chǎn)的商業(yè)模擬軟件［4］，它基于有限元，可用于金屬成形工藝模擬分析。是國(guó)內(nèi)較為普遍使用的軟件之一。

研究者用DEFORM-3D V10．0版本，針對(duì)一個(gè)直徑為280 mm，高度為410 mm的小圓柱體鍛件和另一個(gè)直徑為2 800 mm，高度為4 100 mm的大圓柱體鍛件，分別進(jìn)行模擬鐓粗。選擇這一小一大鍛件，保證了兩個(gè)相似圓柱體鍛件的尺寸是十倍關(guān)系，體積是千倍關(guān)系。

根據(jù)金屬塑性成形原理可知，變形速度對(duì)變形抗力有影響。因此，對(duì)大小圓柱體鍛件采用相同的變形速度。

對(duì)應(yīng)于變形過(guò)程某一瞬時(shí)進(jìn)行塑性流動(dòng)所需的真實(shí)應(yīng)力叫做該瞬時(shí)的屈服應(yīng)力，亦稱流動(dòng)應(yīng)力。如果忽略材料的加工硬化，可以認(rèn)為屈服應(yīng)力為一常數(shù)，并近似等于屈服極限。對(duì)于多晶體材料而言，材料塑性變形的屈服應(yīng)力一般取殘余應(yīng)變?yōu)?．2%時(shí)所加的應(yīng)力，即所謂的Rp0．2。為了便于比較，在鐓粗變形計(jì)算步長(zhǎng)上就選擇0．2%。為此，小鍛件的步長(zhǎng)為0．82 mm，大鍛件的步長(zhǎng)為8．2 mm。除以上條件，其它條件也按相似規(guī)律選擇，不再贅述。

由軟件模擬計(jì)算出兩個(gè)鍛件的鐓粗力、單位鐓粗力，再參照尺寸修正公式( 3)并按表1古布金研究出的尺寸系數(shù)原理推導(dǎo)計(jì)算出這兩個(gè)模擬鍛件的尺寸系數(shù)。最終計(jì)算結(jié)果列于表2中。

表2　用DEFORM-3D V10．0軟件模擬計(jì)算出的尺寸系數(shù)Table 2　Size factor calculated by DEFORM-3D V10．0 software

將表2與表1相比較，表2中小鍛件的體積與表1中的第一行鍛件體積接近，表2中大鍛件的體積與表1中的最后一行鍛件體積接近。但是，兩者的尺寸系數(shù)差異卻很大。由表2可知，當(dāng)鍛件體積增大1 000倍時(shí)或當(dāng)鍛件的高度及直徑增大到10倍時(shí)，變形抗力增加了26%。此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與古布金研究出的結(jié)果即表1所得出的結(jié)論完全相反。就是說(shuō)，表2不僅沒(méi)有反映出表1所顯示的尺寸影響因素，即當(dāng)鍛件體積增大1 000倍時(shí)或當(dāng)鍛件的高度及直徑增加到10倍時(shí)，變形抗力減少60%，反而給出變形抗力增加了26%的計(jì)算結(jié)果。

3　結(jié)論、推論及建議

3．1根據(jù)以上定量分析，可以得出以下結(jié)論:

( 1) DEFORM軟件在對(duì)幾何大小相似的不同鍛件的計(jì)算上所反映出的變形力計(jì)算結(jié)果問(wèn)題與根據(jù)金屬塑性理論主應(yīng)力法計(jì)算反映出的問(wèn)題一樣，都沒(méi)有考慮到實(shí)際鐓粗變形抗力的尺寸影響因素。

( 2) DEFORM軟件計(jì)算結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相互比較，軟件計(jì)算結(jié)果的尺寸修正系數(shù)是大于1的，與古布金的研究結(jié)果相反。說(shuō)明，這種商業(yè)軟件對(duì)大鍛件變形力的計(jì)算會(huì)產(chǎn)生明顯偏大和實(shí)際應(yīng)用無(wú)法容忍的誤差。

3．2根據(jù)本文分析研究，可推論如下:

( 1)其它國(guó)外的商業(yè)鍛造工藝模擬軟件也很可能都沒(méi)有考慮大鍛件的尺寸影響因素。如果用在大鍛件成形上，就可能會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

( 2)目前市面上銷售的商業(yè)鍛造工藝模擬軟件之所以在大鍛件上計(jì)算不準(zhǔn)確，其中一個(gè)重要原因是沒(méi)有突破以現(xiàn)有的金屬塑性成形原理為基礎(chǔ)的范圍。而現(xiàn)有的金屬塑性成形原理仍然不成熟，它是20世紀(jì)40年代才形成的一門相對(duì)新的學(xué)科，仍有待于進(jìn)一步研究和完善。另一個(gè)重要因素是商業(yè)模擬軟件沒(méi)有與大鍛件的理論研究和大鍛件的生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，沒(méi)有進(jìn)行針對(duì)性二次開(kāi)發(fā)。

3．3通過(guò)對(duì)比研究，提出以下幾點(diǎn)建議:

( 1)建議政府加強(qiáng)對(duì)數(shù)值模擬軟件進(jìn)口管理，要求進(jìn)口數(shù)值模擬軟件注明確切的使用范圍和計(jì)算誤差，限制那些名不副實(shí)軟件的進(jìn)口和銷售。

( 2)大鍛件數(shù)值模擬軟件的開(kāi)發(fā)者應(yīng)當(dāng)將尺寸對(duì)鐓粗變形力的影響系數(shù)引入大鍛件數(shù)值模擬軟件，進(jìn)行針對(duì)性二次開(kāi)發(fā)，以提高鐓粗變形力計(jì)算的準(zhǔn)確性。

( 3)大鍛件數(shù)值模擬軟件的開(kāi)發(fā)者要與大鍛件生產(chǎn)企業(yè)合作，利用企業(yè)壓機(jī)設(shè)備帶有的鐓粗力、變形量和變形速度等參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量和計(jì)算機(jī)顯示記錄等功能并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，修正模擬軟件的計(jì)算，提高軟件實(shí)際應(yīng)用的準(zhǔn)確性，使現(xiàn)有商業(yè)模擬軟件成為真正能用于大鍛件定量準(zhǔn)確模擬的軟件。

( 4)大鍛件數(shù)值模擬軟件的開(kāi)發(fā)者要密切關(guān)心大鍛件塑性加工原理和理論的研究成果及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。與大鍛件專家一起交流技術(shù)，理解消化新的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，將新的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)引入大鍛件數(shù)值模擬軟件，不斷改進(jìn)、提高商業(yè)模擬軟件在大鍛件上應(yīng)用的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

［1］呂亞臣，齊作玉，任運(yùn)來(lái)．大鍛件數(shù)值模擬定量準(zhǔn)確性的探討［J］．大型鑄鍛件，2014( 3) : 1－6．

［2］汪大年．金屬塑性成形原理［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982．

［3］俞漢清、陳金德．金屬塑性成形原理［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001( 1) : 307．

［4］胡建軍，李小平，周濤，等．DEFORM-3D塑性成形CAE應(yīng)用教程［M］．北京:北京大學(xué)出版社，2011．

編輯李韋螢

Research on Numerical Simulation Error of Upsetting Deformation Force for Heavy Forgings

Qi Zuoyu，Huang Jian，Cai Ning

Abstract:The formula of upsetting deformation force which was deduced according to the plastic processing principle theory has been analyzed．Meanwhile，solving the upsetting formation force by adopting the commercial simulation software has been studied．By comparing the calculated results and the simulated results，as well as the previous actual measured results，the problem of major quantitative error which was founded in the process of numerical simulation of commercial software has been exposed．Therefore，the cause of this problem has been analyzed with improvement proposals，as so to lay a certain theoretical and experiential foundation for the future applying of numerical simulation software in the field of production for heavy forgings．

Key words:heavy forgings; numerical simulation; upsetting; deformation force; error

收稿日期:2015—02—11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):O242