有限元模擬在金屬特種塑性變形教學(xué)理論中的應(yīng)用研究

劉 坡 劉 政* 楊 莉 張堯成

（[1]桂林航天工業(yè)學(xué)院機械工程學(xué)院 廣西·桂林 541004；[2]蘇州托普信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代技術(shù)學(xué)院 江蘇·昆山 215311；[3]常熟理工學(xué)院汽車工程學(xué)院 江蘇·常熟 215500)

0 緒論

金屬塑性成形原理是材料成型及控制工程專業(yè)開設(shè)的重要基礎(chǔ)課程之一，它為后續(xù)的鍛造工藝學(xué)、沖壓工藝學(xué)及特種塑性成形原理等專業(yè)核心課奠定理論基礎(chǔ)。近年來，許多應(yīng)用型本科學(xué)校開設(shè)了特種塑性成形原理，該課程不僅補充常規(guī)塑性工藝，還是常規(guī)塑性工藝有益延續(xù)和發(fā)展，[1]主要涵蓋了超塑性成形、粉末鍛造、擺動碾壓、液壓成形及多點成形等，體現(xiàn)了當(dāng)今塑性加工領(lǐng)域發(fā)展趨勢。

特種塑性成形包含的塑性加工工藝原理各不相同，但是本質(zhì)上涉及到金屬塑性成形原理的屈服準(zhǔn)則、后繼屈服及增量理論和全量理論。[2]本門課程關(guān)于各種成形原理的講解一般較為淺顯，高校教師授課時習(xí)慣通過一些特種成形工藝的視頻動畫為學(xué)生講解其工藝原理。這種教學(xué)方法可以吸引學(xué)生興趣，使學(xué)生樂于通過一些視頻了解各種塑性成形工藝特點及發(fā)展前沿。不過，如果教師在通過動畫演示時缺乏引導(dǎo)式的解釋，大多數(shù)學(xué)生并未深入理解其特種工藝體現(xiàn)的塑性變形理論，看過視頻之后容易短時間會忘記。筆者在授課時除采用視頻動畫演示教學(xué)手段之外，借助有限元模擬方法對幾種塑性變形工藝進行了講解，引導(dǎo)學(xué)生深入分析塑性變形工況，啟發(fā)學(xué)生基于塑性變形理論分析特種塑性成形工藝，鍛煉學(xué)生自主探究性學(xué)習(xí)能力，起到了較好的教學(xué)效果。在此試舉例一二，以期提高本課程教學(xué)效果，有助于學(xué)生更好的掌握幾種特種塑性成形工藝原理及特點。

1 教學(xué)案例設(shè)計

1.1 基于有限元模擬的包套鐓粗教學(xué)案例

鐓粗是金屬塑性變形最為普通的一種變形方式，通常是在兩個平行的平砧之間對坯料進行壓縮，不同的截面、摩擦狀態(tài)及圓棒試樣高徑比對試樣應(yīng)力狀態(tài)有較大影響，是金屬塑性成形原理或鍛造工藝學(xué)課程重要的知識點。[3-6]特種塑性成形課程中介紹了包套鐓粗概念，該名詞對于學(xué)生來說較為陌生。筆者結(jié)合攻讀碩士期間的包套鐓粗有限元分析工作，在課堂教學(xué)中以難變形合金包套鐓粗為例進行了講解。

包套鐓粗是對難變形合金外周施加了軟質(zhì)鋼套。壓頭下壓時，外周的包套材料對芯部的難變形合金自由變形區(qū)起到了支撐作用，而且鋼套的上下表面也對芯部合金施加了一定壓應(yīng)力，意味著外部軟質(zhì)鋼套對芯部合金起到了三向壓應(yīng)力的作用，如圖1所示。[7]包套鐓粗在一定程度上可以消除芯部合金的組織缺陷，提高芯部合金的塑性變形能力。不過，對于包套和芯部試樣來說，只有具有一定強度和厚度的鋼套在和芯部合金協(xié)調(diào)變形情況下，才可以對芯部合金施加三向壓應(yīng)力，當(dāng)鋼套強度及厚度發(fā)生變化時，包套將失去支撐作用。圖2為不同壁厚時的模擬結(jié)果。包套壁厚較小時，圓周側(cè)壁很容易壓彎而向內(nèi)彎曲，中間部分與芯部坯料接觸，上下端離開坯料，形成了較大間隙。而且，由于壁厚較薄，包套側(cè)壁向內(nèi)彎曲力遠小于芯部材料鼓肚區(qū)域的變形力，側(cè)壁未能起到較好的支撐作用，如圖2(a)所示。[7]

圖2 壁厚3mm和8mm時難變形合金包套鐓粗有限元模擬與實驗得到的半剖面輪廓(a)壁厚3mm(b)壁厚8mm

包套壁厚較大時，圓周側(cè)壁向內(nèi)彎曲的變形力增強，一定程度上抵消芯部合金鼓肚區(qū)膨脹變形，相對于小壁厚包套其芯部合金鼓肚現(xiàn)象明顯減弱，包套與芯部試樣協(xié)調(diào)變形較好，如圖2(b)所示。[7]通過對比不同壁厚的包套鐓粗結(jié)果，可以為學(xué)生形象的解釋鐓粗過程中包套作用，并引導(dǎo)學(xué)生進一步理解三向壓應(yīng)力涵義。

1.2 基于有限元模擬的管材內(nèi)高壓成形教學(xué)案例

特種塑性成形課程中介紹了管材內(nèi)高壓成形，所謂內(nèi)高壓成形是通過管材內(nèi)部施加液體壓力和軸向加力補料把管坯壓入模具型腔的成形工藝，[8]該工藝變形原理相對復(fù)雜，學(xué)生在掌握該成形原理時頗為吃力。本文以三通道液壓脹形為例，采用逐漸遞進的教學(xué)方式為學(xué)生解釋管材單向壓縮、側(cè)向支撐下單向壓縮以及液壓脹形等變形過程。

首先將管材內(nèi)高壓化繁為簡，僅考慮從管材的單向壓縮變形入手，引導(dǎo)學(xué)生思考管材單向壓縮變形(如圖3所示)，使學(xué)生思考管材單向壓縮與板材單向壓縮的區(qū)別。管材上下端面同樣與壓頭存在摩擦，可知管材上下端面的變形受到抑制，管材中間段為自由變形區(qū)，形成了鼓肚，與圓柱實驗鐓粗變形特征類似。

圖3 單向壓縮前后管材剖面示意圖(a)原始形狀(b)壓縮變形后

在解釋了普通管材自由單向壓縮后，可以繼續(xù)增加管材的變形條件。在使管材置于凹模型腔內(nèi)，對管材外壁施加約束，依靠壓頭下行使管材發(fā)生變形，進一步引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生思考處在外部支撐下的變形特點，變形前的模型如圖4所示。分別考慮管材內(nèi)部無液體壓力和施加液體壓力兩種情況，管材內(nèi)部液體壓力在有限元軟件中可用均布的壓力代替，無須注入真實液體。[9]圖5為無內(nèi)部壓力和施加內(nèi)部液體壓力后的管材變形結(jié)果。在無內(nèi)部液體壓力時，可知管材周向內(nèi)壁是自由變形區(qū)，變形易于向著內(nèi)壁進行，換句話說該內(nèi)壁是變形易失穩(wěn)區(qū)，所以在管材上下端附近發(fā)生向內(nèi)彎曲變形，如圖5(a)所示。當(dāng)管材內(nèi)部施加液體壓力后，管材內(nèi)壁受到均勻的壓強，而外壁受到凹模的側(cè)向支撐，而且管材上下端面受到壓頭的作用，受到三向壓應(yīng)力作用。所以隨著壓頭不斷下行，管材高度方向被壓縮，最終結(jié)果是管材側(cè)壁均勻增厚，如圖5(b)，這是三向壓應(yīng)力狀態(tài)必然發(fā)生的結(jié)果。

圖4 凹模側(cè)向支撐下管材單向壓縮剖面示意圖

圖5 管材內(nèi)部無液體壓力和施加液體壓力的變形結(jié)果(a)內(nèi)部未施加壓力(b)內(nèi)部施加液體壓力

在講解完管材處在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下的變形原理后，可改變凹模形狀為三通道液壓脹形凹模，啟發(fā)學(xué)生進一步思考內(nèi)高壓作用下管材如何在三通道液壓脹形凹模完成變形。圖6為內(nèi)高壓作用下液壓脹形前后管材變化示意圖。在此，可將管材變形行為與塑性變形中最為顯著的一個原理，即金屬材料在變形過程中總是向著易于發(fā)生變形的方向流動，結(jié)合起來進行講解。參考圖6可知，處在通道口的部分直臂區(qū)處在自由變形狀態(tài)，該處必然是易于發(fā)生變形區(qū)域，隨著壓頭下行和內(nèi)部液態(tài)壓力作用下，該部分直臂區(qū)向著通道流動，而最終形成三通管。結(jié)合圖3-圖6不同狀態(tài)下的管材變形特征，循序漸進的啟發(fā)學(xué)生深入思考管材變形，對于理解和掌握復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的內(nèi)高壓脹形可起到很好的教學(xué)效果。

圖6 管材在內(nèi)高壓作用下三通道脹形前后的形狀變化(a)變形前(b)變形后

2 結(jié)論

（1）基于有限元模擬進行了包套鐓粗原理解釋，探討了包套鐓粗過程三向壓應(yīng)力改善芯部試樣變形質(zhì)量的成因，利用不同壁厚的包套闡明了包套鐓粗變形協(xié)調(diào)的涵義，使學(xué)生加深了對包套鐓粗和普通鐓粗的區(qū)別。

（2）基于有限元模擬講解了管材內(nèi)高壓脹形原理，依次采用管材自由單向壓縮、外壁支撐下管材壓縮變形、內(nèi)外壁支撐下管材單向壓縮變形及最終管材內(nèi)高壓脹形彎曲變形循序漸進的啟發(fā)學(xué)生思考不同狀態(tài)下的管材變形特征，使學(xué)生加深理解管材處在不同應(yīng)力狀態(tài)的變形行為，培養(yǎng)學(xué)生善于思考金屬材料復(fù)雜變形工況下變形的能力，通過基于有限元模擬的教學(xué)在提高本科生培養(yǎng)質(zhì)量和主觀學(xué)習(xí)能動性方面效果顯著。