DEFORM材料數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究

駱 靜，袁 敏

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院， 四川 樂(lè)山 614000)

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,通過(guò)CAE技術(shù)模擬分析金屬在塑性變形過(guò)程中的流動(dòng)規(guī)律在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛,不僅大大縮短了模具和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期,降低了生產(chǎn)成本,提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力,而且有利于將有限元分析法與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合起來(lái),從而推動(dòng)現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展[1]。

金屬塑性成形有限元分析軟件DEFORM是美國(guó)Battelle Columbus實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一套專(zhuān)門(mén)求解塑性體積成形問(wèn)題的較為成熟的專(zhuān)業(yè)商用有限元軟件，在塑性體積成形領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[2-3]。該軟件是一個(gè)集建模、成形、設(shè)備特性、熱傳導(dǎo)等模擬仿真分析為一體的綜合CAE軟件，適用于冷、溫、熱大塑性變形的成形過(guò)程分析，能為客戶提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)，如材料流動(dòng)、成形載荷、模具應(yīng)力、晶粒流動(dòng)、金屬微結(jié)構(gòu)和缺陷產(chǎn)生發(fā)展情況等。這些特點(diǎn)使DEFORM在工業(yè)生產(chǎn)中顯得實(shí)用而可靠[4]。

DEFORM是專(zhuān)門(mén)為金屬塑性成形設(shè)計(jì)的，它允許用戶對(duì)其材料數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)置和修改，定義自己的材料模型[5-6]，這對(duì)于我國(guó)在實(shí)際生產(chǎn)中所使用的材料以及我國(guó)自主研發(fā)的合金體系能更好地服務(wù)于國(guó)內(nèi)企業(yè)具有重要的意義。

1 DEFORM 自帶材料數(shù)據(jù)庫(kù)缺陷分析

DEFORM軟件誕生自美國(guó)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于全世界各個(gè)國(guó)家，其材料數(shù)據(jù)以美、德、英、日、韓牌號(hào)和國(guó)標(biāo)的部分材料為主，因此其合金材料數(shù)據(jù)庫(kù)存在合金牌號(hào)種類(lèi)較少，合金牌號(hào)形式不統(tǒng)一，合金數(shù)據(jù)不完善以及常用合金缺乏等缺陷，影響了有限元模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和使用的廣泛性[7]。

上述諸多問(wèn)題必將給生產(chǎn)實(shí)踐帶來(lái)不便，尤其是國(guó)內(nèi)客戶在使用該軟件時(shí)，有必要針對(duì)我國(guó)的工程環(huán)境對(duì)其材料數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行“本土化”二次開(kāi)發(fā)。由于材料眾多，本文主要針對(duì)常用于齒輪冷塑性成形的20CrMnTi進(jìn)行研究，探討一種可行、可靠的材料數(shù)據(jù)模型建立方法。首先將力學(xué)實(shí)驗(yàn)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與計(jì)算，然后再通過(guò)軟件材料數(shù)據(jù)庫(kù)二次開(kāi)發(fā)窗口將其導(dǎo)入，并最終通過(guò)軟件模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究驗(yàn)證導(dǎo)入材料的可靠性。

2 20CrMnTi材料數(shù)據(jù)的建立

20CrMnTi是我國(guó)最常見(jiàn)的齒輪合金材料之一，使用十分普遍。由于在國(guó)外并沒(méi)有與該材料相對(duì)應(yīng)的牌號(hào)，DEFORM的材料數(shù)據(jù)庫(kù)中也沒(méi)有20CrMnTi的材料模型，因此該模型的建立顯得十分必要。通過(guò)拉伸試驗(yàn)可以得到材料的剛塑性模型。將測(cè)定好的20CrMnTi的力學(xué)性能數(shù)據(jù)添加入軟件即可建立用戶所需要的材料模型。

圖1 20CrMnTi軟化退火工藝

2.1 拉伸試樣軟化退火處理

由于本次實(shí)驗(yàn)是基于對(duì)軟化退火狀態(tài)的20CrMnTi的材料數(shù)據(jù)提取，因此為了更準(zhǔn)確地模擬冷塑性成形之前的材料內(nèi)部狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行完全軟化退火，熱處理工藝如圖1所示。

2.2 試樣的拉伸

圖2 拉伸試樣

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算

ε真實(shí)=ln(1+ε名義)，σ真實(shí)=σ條件eε真實(shí)

(1)

(2)

σb點(diǎn)真實(shí)應(yīng)力為：

(3)

斷裂點(diǎn)真實(shí)應(yīng)力為：

(4)

其中：Sk″為去除形狀硬化后的真實(shí)應(yīng)力；Sk′為包含形狀硬化在內(nèi)的真實(shí)應(yīng)力；d為試樣頸縮處直徑；ρ為試樣頸縮處外形的曲率半徑。

對(duì)試樣進(jìn)行反復(fù)測(cè)量得到5組斷面直徑數(shù)據(jù)，分別為：5.36、5.34、5.46、5.39、5.39 mm，為了使測(cè)量更接近真實(shí)值，采用對(duì)斷面直徑取平均值的做法,即d=5.39 mm。

2.4 材料數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與保存

從拉伸試驗(yàn)結(jié)果可得到屈服極限σs=270.672 MPa、抗拉極限σb=496.488 MPa，由引伸計(jì)測(cè)出拉伸件兩點(diǎn)之間的線變形，從而得到E=207 GPa。由于無(wú)法從實(shí)驗(yàn)中提取到泊松比，所以在軟件中選擇冷成形都會(huì)選用的μ=0.3，該數(shù)值是根據(jù)DEFORM軟件的操作手冊(cè)推薦使用的，較為接近真實(shí)情況。

將處理后的20CrMnTi數(shù)據(jù)添加到DEFORM軟件中，步驟如下：

圖4 DEFORM材料數(shù)據(jù)庫(kù)界面

從軟件的前處理(DEFORM-3D Pre)窗口點(diǎn)開(kāi)“input”菜單，并選擇“material”進(jìn)入新材料的創(chuàng)建窗口，為其命名并選擇材料流動(dòng)應(yīng)力模型及屈服準(zhǔn)則等，如圖4所示。

模型有很多，下面是其中3種常見(jiàn)模型：

2) 流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)的添加

3) 材料物理性能的添加

在圖4所示的界面選擇“Elastic”菜單欄完成20CrMnTi的“young’s modulus”“poisson’s ratio”和“thermal expansion”的添加，上述3個(gè)參數(shù)分別為:207 391、0.3、1.26e-05。然后選擇“Thermal”菜單選擇“Emissivity”并輸入0.7。

4) 保存數(shù)據(jù)，建立材料模型

各項(xiàng)數(shù)據(jù)輸入完成以后，在材料數(shù)據(jù)庫(kù)界面點(diǎn)擊“Save in lib”按鈕，將會(huì)出現(xiàn)如圖6所示的窗口。保存的數(shù)據(jù)將以key文件形式保存于DEFORM3D-UserDataLib-Material-Default文件夾中，并最終建立材料的冷塑性成形模型。當(dāng)用戶需要做該材料的冷鍛或冷擠壓成形模擬時(shí)，可直接調(diào)用該模型。

圖5 流動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)添加窗口

圖6 材料數(shù)據(jù)保存窗口

圖7 3種材料的流動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 導(dǎo)入材料模型的可靠性分析與驗(yàn)證

3.1 導(dǎo)入的20CrMnTi與3種替代模擬材料的誤差對(duì)比分析

1) 前處理參數(shù)設(shè)置

模型的創(chuàng)建在SIEMENS NX 8.5中完成，通過(guò)利用模擬鐓粗對(duì)比上述3種材料與導(dǎo)入的20CrMnTi，鐓粗前的坯料創(chuàng)建為φ15 mm×25 mm。為了提高運(yùn)算速度，建立四分之一模型，并以STEL格式導(dǎo)入DEFORM。

主要參數(shù)設(shè)置如下：工作溫度為20 ℃；上下模均設(shè)置為剛性體；上模設(shè)置為“primary”，速度為 2 mm/s，下模速度設(shè)置為 0；摩擦方式：庫(kù)侖摩擦，其摩擦因數(shù)為0.12；凸模與坯料之間為主從關(guān)系；坯料網(wǎng)格數(shù)量為50 000，步長(zhǎng)設(shè)置為網(wǎng)格最大邊長(zhǎng)的1/3，這樣能兼顧模擬準(zhǔn)確度和效率。經(jīng)過(guò)測(cè)量，網(wǎng)格邊長(zhǎng)最大值約 0.6 mm，因此取步長(zhǎng)為 0.2 mm，模擬步數(shù)為50 步，每 2 步保存1次數(shù)據(jù)，程序的終止根據(jù)下行步數(shù)來(lái)確定。

2) 模擬結(jié)果分析

圖8 20CrMnTi與常用替代材料的成形載荷對(duì)比

經(jīng)上述參數(shù)設(shè)置后，模擬運(yùn)算得到如圖8所示的結(jié)果。從圖8中可以看出：20CrMnTi與其他3種材料的曲線趨勢(shì)相同，但成形過(guò)程中的載荷數(shù)值差別較大；在上模壓下10 mm處，即第50步處載荷最大，20CrMnTi、5115，5120與20MnCr5的最大載荷分別為39 609、57 443、 8 611、8 704 N；20CrMnTi與后面3種材料的最大載荷誤差分別為45.03%、78.26%、78.03%。成形載荷是塑性成形的重要指標(biāo)，因此從模擬數(shù)據(jù)來(lái)看，3種常用替代模擬材料誤差值均較大，對(duì)于現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的指導(dǎo)效果有限。

其他指標(biāo)的模擬結(jié)果如圖9所示，圖中灰白色的部分即為成形完成后各個(gè)材料的4個(gè)不同指標(biāo)的變化范圍。從圖9中可以看出：其他3種材料在與20CrMnTi的主要模擬參數(shù)的準(zhǔn)確度和一致性上表現(xiàn)較差。

圖9 4種材料的4種不同指標(biāo)的變化范圍

3.2 導(dǎo)入材料與實(shí)際材料的誤差對(duì)比分析

使用化學(xué)成分或力學(xué)性能接近的材料模擬，理論上結(jié)果應(yīng)該比較接近，但實(shí)際上難免產(chǎn)生誤差，部分指標(biāo)的誤差甚至還很大。為了測(cè)算新導(dǎo)入的20CrMnTi材料模型與20CrMnTi實(shí)物的真實(shí)誤差，可利用鐓粗實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。將直徑為15 mm、高度為25 mm的試樣壓至高度為15 mm(圖10(c))。

在進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)前，為了使實(shí)驗(yàn)更貼近真實(shí)的冷擠壓環(huán)境，將鐓粗試樣進(jìn)行如下處理：軟化退火—加工至試樣要求尺寸—車(chē)端面溝槽(圖10(a))—磷化處理(圖10(b))—皂化—在上下端面及溝槽內(nèi)涂抹豬油與二硫化鉬混合物。磷化處理的配方為：氧化鋅為9 g/L，磷酸(濃度85%)為23 mL/L，水為1 L，總酸度為16～20點(diǎn)，游離酸度為2.5～4.5點(diǎn)，溫度為90 ℃，時(shí)間為40 min。皂化配方為：肥皂為200 g/L，水為1 L，溫度為40 ℃，時(shí)間為5 min[9]。

圖10 試樣壓縮前后的對(duì)比

1) 成形載荷對(duì)比

試樣經(jīng)過(guò)壓縮實(shí)驗(yàn)后可以得到圖11中的紅色成形載荷曲線。從圖11中可以看到：導(dǎo)入的材料模型與實(shí)際材料有一定的誤差，最終成形載荷誤差為6.33%，載荷曲線也有一定的差別，但基本保持了相近的趨勢(shì)。相較于上述3種替代模擬材料較大的誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)較為理想(如圖12所示)，但仍有一定改進(jìn)空間。

圖11 導(dǎo)入的20CrMnTi與20CrMnTi實(shí)物間的成形載荷對(duì)比

2) 試樣外形尺寸誤差分析

試驗(yàn)完成后測(cè)得試樣鼓形最大值為19.22 mm。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，鼓形最大值為19.58 mm。兩者對(duì)比，誤差為1.87%。由于壓縮過(guò)程中試樣發(fā)生了輕微的傾斜，因此實(shí)際鼓形值應(yīng)大于19.22，而實(shí)際誤差則應(yīng)小于1.87%。對(duì)比結(jié)果較高的吻合度驗(yàn)證了所建材料數(shù)據(jù)的可靠性良好。

4 結(jié)論

2) 通過(guò)在DEFORM軟件原有材料數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上建立了20CrMnTi的材料數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軟件材料數(shù)據(jù)庫(kù)的二次開(kāi)發(fā)，完善了DEFORM材料數(shù)據(jù)庫(kù)，為添加其他的國(guó)內(nèi)牌號(hào)材料提供了依據(jù)。

3) 常用于替代20CrMnTi進(jìn)行冷塑性成形模擬的3種材料模擬效果都不夠理想，與導(dǎo)入材料模擬效果誤差較大，尤其是作為重要指標(biāo)的成形載荷誤差最多達(dá)到了78.26%，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)意義有限。

4) 利用新導(dǎo)入的20CrMnTi與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到10.95%的誤差結(jié)論，相比常用替代材料的模擬準(zhǔn)確度有大幅提高，同時(shí)證明了在DEFORM原有材料數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行國(guó)內(nèi)各種材料的添加是可行的，對(duì)于相關(guān)行業(yè)的科研與生產(chǎn)是有助益的。

[1] 林新波.DEFORM-2D和DEFORM-3DCAE軟件在模擬金屬塑性變形過(guò)程中的應(yīng)用[J].模具技術(shù)，2000,35(3)：75-80.

[2] MACKERLE J.Finite element analysis and simulation of quenching and other heat treatment processes A biblio-graphy(1976—2001)[J].Computational Materials Science,2003，27(3):313-332.

[3] 段園培，張海濤，黃仲佳，等.基于DEFORM-3D的支撐銷(xiāo)冷擠壓成形數(shù)值模擬[J].熱加工工藝，2013，42(5):125-130.

[4] 張金標(biāo)，林克璐，張少伍，等.基于DEFORM的黃銅閥體沖壓成形過(guò)程數(shù)值模擬[J].金屬鑄鍛焊技術(shù)，2008,37(21):88-91.

[5] 周朝輝，曹海橋，吉衛(wèi)，等.DEFORM有限元分析系統(tǒng)軟件及其應(yīng)用[J].熱加工工藝,2003,23(4):51-52.

[6] 傅蔡安，華新鋒，王賢.基于DEFORM的軸承鋼球冷鐓工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù),2010,35(1):154-158.

[7] 彭雯雯，曾衛(wèi)東，康超，等.Deform有限元模擬軟件材料數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報(bào)B,2011,25(4):131-134.

[8] 周志明，張馳.材料成形原理[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011：294-298.

[9] 向榮.車(chē)用花鍵齒套精密成形工藝及模具研究[D].重慶：重慶理工大學(xué)，2012.

[10] 洪慎章.冷擠壓實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005:97-102.