鍛造成形的計(jì)算機(jī)模擬

大阪大學(xué)名譽(yù)教授 小坂田 宏造

蘇州漢金模具技術(shù)有限公司 （太倉(cāng) 215400） 王 欣

1. 鍛造計(jì)算機(jī)模擬概要

鍛造成形過(guò)程中的材料流動(dòng)及內(nèi)部情況，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行再現(xiàn)的方法稱(chēng)為模擬，被越來(lái)越多地應(yīng)用于減少鍛造變形的工序，減少試模次數(shù)，降低成本及縮短零件的開(kāi)發(fā)周期等方面。人們想象的鍛造模擬的理想結(jié)果是與實(shí)際鍛造一樣，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行試模及鍛造操作，完全再現(xiàn)加工中產(chǎn)生的各種現(xiàn)象?？墒?，現(xiàn)實(shí)的模擬技術(shù)由于受到計(jì)算機(jī)能力，軟件的完善程度，以及輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和完整性等的影響，與想象中的理想狀態(tài)還相差很遠(yuǎn)。另外，要想很好地利用模擬工具也需要一定的力學(xué)知識(shí)。

如果把模擬的作用定義為幫助技術(shù)人員完成設(shè)計(jì)，則現(xiàn)在的模擬技術(shù)已經(jīng)完全可以達(dá)到這個(gè)程度，并且在許多企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。在這里，對(duì)鍛造模擬技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)和現(xiàn)有模擬軟件使用時(shí)的必要知識(shí)、使用技巧進(jìn)行說(shuō)明。

2. 二維與三維有限元

圖1a所示為橫斷面的形狀呈圓形的回轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)零件，對(duì)縱斷面的右半部分進(jìn)行解析就可以得軸對(duì)稱(chēng)變形。在二維平面上可以分析計(jì)算的問(wèn)題稱(chēng)二維變形。在二維變形中，如板材軋制那樣軋板在寬度方向具有同樣變形的情況，稱(chēng)為平面變形，板材拉深試驗(yàn)時(shí)在板厚方向無(wú)壓力作用的情況稱(chēng)為平面應(yīng)力變形。大多數(shù)冷鍛零件具有軸對(duì)稱(chēng)形狀，因此，二維變形問(wèn)題的解析具有廣泛的應(yīng)用范圍是非常重要的。

另一方面，大多的熱鍛產(chǎn)品如圖1b所示，是不具有對(duì)稱(chēng)性的三維形狀，需要三維有限元解析。與二維問(wèn)題的解析相比，三維解析具有適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可是需要多用100 1000倍的計(jì)算時(shí)間。為此，實(shí)際上的三維變形零件也經(jīng)常根據(jù)其部分變形的特征簡(jiǎn)化成二維變形的模型進(jìn)行解析。

圖1 軸對(duì)稱(chēng)變形與三維變形

3. 模擬計(jì)算時(shí)的注意事項(xiàng)

（1）明確目的 如果在沒(méi)有很好理解原理的情況下就交代模擬計(jì)算工作，或者在沒(méi)有很好理解交代人員意圖的情況下就進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果往往也沒(méi)有什么參考價(jià)值，這樣的例子經(jīng)常會(huì)見(jiàn)到。有效的模擬計(jì)算，需要首先明確以下事項(xiàng)： ①為什么要進(jìn)行模擬計(jì)算（提高模具壽命）。②想知道什么參數(shù)（工具面壓）。③什么方面對(duì)獲得目的結(jié)果的影響最大(角部過(guò)渡圓角)。④所需參數(shù)的精度要求是多少（5%以上的壓力變化）。

（2）不能過(guò)度相信模擬結(jié)果 模擬只是基于輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，如果輸入數(shù)據(jù)不正確那肯定得不到正確的結(jié)果。100%正確的數(shù)據(jù)很難得到，為了正確理解計(jì)算結(jié)果，需要與一定程度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。因此，需要對(duì)是否符合模擬的目的，是否按照模型化的意圖進(jìn)行了模擬等項(xiàng)目進(jìn)行不斷的確認(rèn)。

（3）模型的簡(jiǎn)化 初入手操作者在進(jìn)行三維計(jì)算時(shí)，會(huì)劃分很多單元，同時(shí)建立包括溫度計(jì)算與工具彈性計(jì)算的復(fù)雜模型，不過(guò)“盡可能建立簡(jiǎn)單的計(jì)算模型”非常重要。模型越復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間就越長(zhǎng)，易于錯(cuò)過(guò)觀察重要參數(shù)的機(jī)會(huì)。簡(jiǎn)單的模型可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間，在分析計(jì)算結(jié)果時(shí)，可以回避徒勞無(wú)益的工作，易于排除數(shù)據(jù)設(shè)定失誤等引起的相關(guān)錯(cuò)誤。三維模擬除了計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)以外，斷面上的結(jié)果觀察也是在平面上進(jìn)行的，很難檢查出問(wèn)題。建議盡量采用不考慮溫度計(jì)算的軸對(duì)稱(chēng)變形來(lái)完成模擬解析分析。需要復(fù)雜的模型時(shí)，最好也從簡(jiǎn)化模型計(jì)算開(kāi)始，不斷朝著復(fù)雜的方向進(jìn)展，這樣可在短期間內(nèi)獲得高信賴(lài)度的模擬結(jié)果。

（4）進(jìn)行徹底的分析 調(diào)查有無(wú)應(yīng)變應(yīng)力分布極端集中的部分，對(duì)單元的大小和分布及一個(gè)變形步的變形量是否適當(dāng)進(jìn)行研討。與過(guò)去的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比較，看計(jì)算結(jié)果是否與實(shí)際現(xiàn)象一致，以便確認(rèn)輸入數(shù)據(jù)的可信性。正確理解計(jì)算得到的“一次信息”的物理意義，并進(jìn)行綜合的分析判斷。從“一次信息”有時(shí)也能夠預(yù)測(cè)鍛造缺陷等“二次信息”，對(duì)各種一次信息進(jìn)行組合，綜合推定二次信息的情況也很多?？梢哉f(shuō)這些分析能力是模擬專(zhuān)家最不可欠缺的東西。

（5）關(guān)鍵人才的培養(yǎng)是成功的秘訣 在鍛造模擬的日常使用中，要掌握模擬最基本的知識(shí)，熟悉掌握塑性力學(xué)，有限單元法的知識(shí)不是絕對(duì)的條件。限定適用范圍，完善使用說(shuō)明，圍繞限定的目的，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也可以使用模擬計(jì)算。當(dāng)遇到問(wèn)題時(shí)如果沒(méi)有具有處理能力的人員，往往會(huì)導(dǎo)致模擬計(jì)算的使用舉步不前。因此，要想有效地使用鍛造模擬軟件，需要培養(yǎng)既要懂鍛造理論又要精通鍛造實(shí)際技術(shù)的關(guān)鍵人才。

4. RIPLS鍛王

RIPLS鍛王是鍛造工藝設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)(鍛王)與鍛造模擬軟件(RIPLS-FORGE)組合而成的一個(gè)精密鍛造模具（工藝）設(shè)計(jì)的輔助工具，由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、體積計(jì)算、壓力（噸位）計(jì)算、模具計(jì)算、有限元模擬以及設(shè)計(jì)方法6部分組成。本軟件簡(jiǎn)單、快速、精確，鍛造技術(shù)人員及鍛造現(xiàn)場(chǎng)工作人員均能使用，并能獲得幫助為目的而開(kāi)發(fā)，鍛王融合了塑性理論、現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算公式，既操作簡(jiǎn)單又能滿(mǎn)足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)精度的要求。

5. RIPLS-FORGE的模擬計(jì)算實(shí)例

圖2 帶有大法蘭小圓角的冷鍛制品

圖2 所示為一個(gè)帶小圓角的法蘭螺帽，是使用多工位冷鍛機(jī)加工的實(shí)例。材料為10鋼，法蘭直徑較大（φ52mm），并且要求成形后上部鍛造成圓角小于R0.5mm。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，由于材料很軟認(rèn)為可以通過(guò)密閉成形得到所需的形狀，可是在試模時(shí)模具產(chǎn)生開(kāi)裂。最初，只是考慮可能是模具本身的質(zhì)量問(wèn)題，之后又加工了3個(gè)模具繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果還是開(kāi)裂。

針對(duì)以上問(wèn)題，使用有限元軟件RIPLSFORGE進(jìn)行計(jì)算，在模擬目的明確的前提下，為了能用二維有限元進(jìn)行計(jì)算，忽略了中心孔的存在，簡(jiǎn)化成了圓柱軸對(duì)稱(chēng)模型。為獲得小圓角R0.5mm，需要550t成形力，工具面壓也將超過(guò)30 000 MPa，從而搞清了面壓過(guò)大是模具開(kāi)裂的原因, 如圖3 圖5所示。

改進(jìn)后的法蘭螺帽的鍛造工序，為了獲得最終的形狀，設(shè)計(jì)了4個(gè)工序。

第一工序的目的主要是矯正不規(guī)則的切斷面，為下一步鐓粗成形時(shí)防止材料失穩(wěn)做好準(zhǔn)備并進(jìn)行預(yù)備成形。另外，為了盡量獲得均勻的軸對(duì)稱(chēng)形狀，沖頭和模具兩面都設(shè)計(jì)了約束部分，圖6a中A部的過(guò)渡圓角R也不能太?。ㄌ?huì)成為折疊的根源）。

第二工序的目的是進(jìn)一步矯正切斷帶來(lái)的圓周不均勻缺陷，為了增加摩擦采用帶有微小同心圓槽約束的球面沖頭。在第三工序中，鐓粗到法蘭外徑尺寸，并盡量保證外周的自由表面，避免噸位的急速增加（外周形狀可以根據(jù)允許面壓來(lái)調(diào)節(jié)）。在第四工序，使用局部擠壓整形的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)上部角部小于R0.5mm的成形。實(shí)際鍛造中，幾乎是與模擬結(jié)果一樣，整體噸位在500t以下就實(shí)現(xiàn)了鍛造生產(chǎn)，模具壽命較高（見(jiàn)圖6）。

圖 3

圖 4

圖 5