數(shù)值模擬技術(shù)在自由鍛工藝上的應(yīng)用與實踐

自由鍛以其靈活的鍛造方式被廣泛應(yīng)用在金屬開坯和模鍛預(yù)制坯過程中?，F(xiàn)在已經(jīng)有愈來愈多的技術(shù)人員采用DEFORM軟件進(jìn)行自由鍛模擬仿真。在求解大塑性變形問題上，DEFORM已經(jīng)有近三十年的歷史實踐。通過有限元軟件應(yīng)用，可以幫助用戶分析各種工況下金屬的成形過程、預(yù)測成形載荷和缺陷、實現(xiàn)效益最大化、助力企業(yè)在智能制造方面的提升。本文針對自由鍛成形特點，著重介紹DEFORM軟件在自由鍛方面的應(yīng)用，并結(jié)合具體算例介紹其功能實現(xiàn)。

背景介紹

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)智能化的提升，應(yīng)用有限元仿真技術(shù)進(jìn)行金屬成形工藝的優(yōu)化分析已成為一種普遍現(xiàn)象。DEFORM有近三十年的工業(yè)實踐，應(yīng)用DEFORM進(jìn)行自由鍛工藝的模擬仿真，可以提高工藝穩(wěn)定性、減少潛在缺陷、提高產(chǎn)品合格率。DEFORM具備多年體積成形模擬經(jīng)驗，在金屬大塑性變形領(lǐng)域有著廣泛而深遠(yuǎn)的影響。

自由鍛可以破碎大晶粒，使鑄坯中粗大的樹枝晶組織破碎為細(xì)小均勻的鍛造組織，同時得到有一定要求的鍛造形狀。因其靈活的加工方式，自由鍛被廣泛應(yīng)用在金屬開坯和預(yù)制坯加工制造中。金屬在不同工序成形過程中，對于金屬的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變場和微觀組織分布來講，上一道工序?qū)竺婀ば虻淖冃瓮幸欢ㄟz傳作用。為充分了解這些遺傳作用，從變形的初期就開始分析金屬的變形情況，追蹤其變形歷史具有十分重要的意義。

DEFORM自由鍛應(yīng)變模擬

應(yīng)變體現(xiàn)了金屬鍛造過程中的變形量，是金屬成形中一個非常重要的場變量。應(yīng)變直接影響了微觀組織的演變，而在實際鍛造過程中，應(yīng)變通常無法用實驗的方式實際測得。為能有效評估各工藝參數(shù)對微觀組織的影響，可采用有限元分析軟件DEFORM進(jìn)行分析。計算整個鍛造過程中各工藝參數(shù)下的應(yīng)變變化及分布情況。

影響自由鍛成形質(zhì)量的因素有很多，比如壓下量、工件尺寸、材料屬性、溫度梯度、鍛打軸向進(jìn)給量及上砧寬度等。通過DEFORM自由鍛工藝數(shù)值模擬，可幫助工藝人員更加全面的了解各工藝參數(shù)對金屬變形情況的影響，評估裂紋、折疊等缺陷的產(chǎn)生情況，提高工藝制定的可靠性與穩(wěn)定性。

鍛錘沿長度方向?qū)ε髁线M(jìn)行了一道次的拔長鍛打，鍛錘對其施加了三種不同壓下量，縱截面和橫截面應(yīng)變的分布情況如圖1和圖2所示。通過自由鍛過程的模擬，可定量確定自由鍛過程中的應(yīng)變分布情況，從應(yīng)變圖中可以看出較大的鍛打量會造成坯料心部有較大應(yīng)變值。

圖1 不同鍛打量縱截面等效應(yīng)變分布對比

圖2 不同鍛打量橫截面等效應(yīng)變分布對比

在實際生產(chǎn)中，常常進(jìn)行多道次的鍛打以實現(xiàn)最終的產(chǎn)品形狀和獲得最終組織狀態(tài)。圖3和圖4所示為某坯料一次和多道次鍛打拔長工藝模擬，初始工件截面為20in×20in方形，最終截面尺寸為17in×17in。兩圖中(b)的工藝每次鍛打變形量為0.5in，每道次后工件旋轉(zhuǎn)90°；(a)中工藝每次鍛打變形量為3in，每道次后工件旋轉(zhuǎn)90°。通過對比可以看出，兩種鍛打參數(shù)均可以得到截面為17in×17in的坯料。采用較小的鍛打量，最終可以得到較為均勻的應(yīng)變分布，但應(yīng)變值稍小。兩種鍛打量下，應(yīng)變分布結(jié)果均呈現(xiàn)了一定的周期性。Y.S.LEE借助DEFORM模擬探究了鍛造過程中空洞閉合條件，結(jié)果顯示，等效應(yīng)變大于0.6時，可在鍛造過程中有效閉合坯料中的空洞，故對于鍛造過程宜采用較大鍛打量。

圖3 不同鍛打量第一道次后等效應(yīng)變分布

圖4 不同鍛打量多道次鍛打后等效應(yīng)變分布

同樣也可以采用DEFORM分析其他鍛造參數(shù)對應(yīng)變的影響情況（圖5）所示。通過有限元模擬，可以非常方便的對比研究自由鍛過程中軸向進(jìn)給量（圖5a）、坯料初始溫度場（圖5b）和砧寬（圖5c）對鍛造過程的影響。其中圖5b對比了均勻溫度場和溫度梯度對變形的影響，圖5c中工件加熱后進(jìn)行表面空冷，形成一定溫度梯度。表層溫度降低，根據(jù)流動應(yīng)力曲線表層變形抗力會升高。這樣導(dǎo)致在鍛造過程中，主要變形將集中在心部，促使心部應(yīng)變提高，達(dá)到壓實空穴、疏松的目的，此方法為中心壓實法（JTS法）。清華大學(xué)廖培根等人曾采用DEFORM進(jìn)行中心壓實法方面的分析研究。

圖5 自由鍛等效應(yīng)變分布

自由鍛DEFORM微觀組織分析應(yīng)用

自由鍛經(jīng)常用在開坯鍛造過程中，可有效破碎大晶粒，細(xì)化組織。作為金屬塑性成形的開坯工序，其微觀組織狀態(tài)對后續(xù)的加工過程有一定的遺傳作用，分析研究自由鍛中的微觀組織演變對控制金屬成形質(zhì)量具有重要意義。

DEFORM具有專業(yè)的微觀組織分析功能，可模擬微觀組織在金屬成形、熱處理等過程中的演變情況，包含多種組織計算模型，如典型的JMAK方程。同時DEFORM具有元胞自動機(jī)（圖6）、蒙特卡洛法及相區(qū)法計算方法，可實現(xiàn)微觀組織相圖、晶粒尺寸、晶界等的可視化觀測。圖7為自由鍛過程中晶粒尺寸計算情況，晶粒尺寸以云圖形式顯示出工件不同位置晶粒演變情況。元胞自動機(jī)可直觀觀察金屬鍛造過程中的晶粒再結(jié)晶及長大情況。中南大學(xué)易幼平等人采用DEFORM軟件模擬了7050鋁合金自由鍛過程與微觀組織演變情況，采用DEFORM CA模型分析了鋁合金在鐓粗、拔長過程中的金屬晶粒演變情況；并將模擬所得晶粒尺寸和再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)情況與實驗結(jié)果進(jìn)行了對比。

圖6 元胞自動機(jī)晶粒模擬

圖7 自由鍛晶粒模擬（紅色程度代表晶粒細(xì)化程度）

DEFORM自由鍛向?qū)０濉狢ogging

針對自由鍛多次鍛打成形特點，DEFORM配置了專用向?qū)０濉狢ogging，調(diào)用模板可非常方便的進(jìn)行自由鍛的多次鍛打操作。

Cogging模板可進(jìn)行自由鍛的快捷設(shè)置。根據(jù)工藝情況自動添加芯軸、夾持等工具，并可根據(jù)工件溫度情況自動啟動自適應(yīng)再加熱。

旋鍛是一種小行程、高頻率鍛打的增量成形工藝，常用于生產(chǎn)軸類、管類等回轉(zhuǎn)體類零件。在旋鍛數(shù)值模擬（圖8）中，由于加工過程中涉及了工件工具的相對轉(zhuǎn)動和平動，其運動設(shè)置較為復(fù)雜，很難準(zhǔn)確設(shè)計計算其加工工藝參數(shù)，給旋鍛仿真帶來了困難。Cogging模塊為旋鍛提供了向?qū)讲僮鳎煽旖菰O(shè)置徑向旋鍛系統(tǒng)。上海理工大學(xué)秦文瑜等人采用DEFORM進(jìn)行無芯棒式旋鍛工藝模擬，并結(jié)合工藝試驗，分析研究了等速萬向傳動軸旋鍛工藝參數(shù)對傳動軸表面質(zhì)量的影響，并由DEFORM模擬預(yù)測了旋鍛過程中容易出現(xiàn)裂紋的危險截面。

圖8 旋鍛模擬

結(jié)論

自由鍛變形比較靈活自由，坯料的成形質(zhì)量受多種因素影響，單純依靠實驗試錯分析各因素的影響情況將會造成巨大的人力物力等成本浪費。DEFORM采用比較成熟的有限單元法數(shù)值模擬技術(shù)來計算金屬大塑性變形問題，可分析研究自由鍛中的各種工藝參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化。

針對自由鍛變形特點，DEFORM配置了自由鍛設(shè)置專業(yè)模板，可進(jìn)行開坯自由鍛和旋鍛的快捷設(shè)置。

通過有限元軟件的應(yīng)用，可以幫助用戶分析各種工況下金屬自由鍛成形過程。更加全面了解金屬變形過程中應(yīng)變及微觀組織等場變量分布，實現(xiàn)空洞閉合、微觀組織演變的有效控制，指導(dǎo)工業(yè)實踐，實現(xiàn)效益最大化，幫助企業(yè)提升技術(shù)積累及在智能制造方面的提升。