文/吳玉堅，陳學慧·東風鍛造有限公司

數(shù)值模擬技術(shù)在鍛造中的應(yīng)用

文/吳玉堅，陳學慧·東風鍛造有限公司

隨著國內(nèi)外軟件業(yè)集中在數(shù)值模擬領(lǐng)域的深入開發(fā)，模擬結(jié)果可視化效果不斷提高，真實感加強，以及數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出功能的增強，計算效率的提升，尤其是模擬運行對硬件要求的大幅度降低等，有限元分析技術(shù)已成為逐漸替代傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗公式、數(shù)據(jù)的工藝和模具設(shè)計方法。1990年，二維模擬技術(shù)就已在鍛造設(shè)計中得到應(yīng)用，由于鍛造過程的復(fù)雜性，三維鍛造過程（特別是流動過程）的模擬直到1998年才開始應(yīng)用，但很快發(fā)展成為鍛造工藝設(shè)計中舉足輕重的工具。成功地運用模擬技術(shù)能夠解決鍛造中大量的實際工程問題，實現(xiàn)材料利用率的提升，模具使用壽命的延長，并大幅度縮短新品開發(fā)周期。

Qform 2D 模擬軟件的應(yīng)用

Qform2D軟件是一款二維鍛造模擬軟件，界面簡捷，操作方便，計算過程迅速，一般復(fù)雜程度的鐓粗、預(yù)鍛、終鍛三工步模擬僅需30min，較復(fù)雜的約為2h，并且?guī)в蠨XF和IGES數(shù)據(jù)接口，可以直接調(diào)用已有AutoCAD的歷史圖檔，其前處理和有限元計算模型操作簡單明了，后處理采用直觀的圖形播放，且數(shù)據(jù)輸出和圖形輸出格式多樣，如輸出AutoCAD圖檔。計算過程中可在任一時刻中止，并繼續(xù)在中斷處接著進行運算。具有連續(xù)工步模擬功能，上一道工序的模擬結(jié)果可直接作為下一工序的工件輸入條件，并可進行同一零件多方案的比較。

其最大的特點是所描述的金屬成形模式與實踐中采用的工藝過程和工步有很大的相似性或?qū)?yīng)關(guān)系，較好地符合工藝工程師的思維習慣。以下為應(yīng)用該軟件對軸對稱及平面變形類鍛件模擬分析及工藝優(yōu)化的具體案例。

管類法蘭成形工藝開發(fā)

圖1所示為管類成形法蘭，管坯外徑φ63.5mm，壁厚10mm，參與大端法蘭成形的管坯長度263mm，長度與壁厚之比達26.3，遠遠超出了管坯一次成形到任意形狀所允許長度與壁厚之比不大于3的理論要求，需要突破理論極限，否則成形過程中極易在管壁內(nèi)、外表面產(chǎn)生折疊。

圖1管類成形法蘭

以下為采用Qform2D模擬軟件進行模擬分析解決該問題的主要過程。

首先設(shè)計成形工步圖，并在AutoCAD系統(tǒng)中繪制出模擬需要的模具和坯料的橫截面幾何輪廓圖。

模具和坯料的橫截面輪廓線必須是封閉、無間斷的連續(xù)線。同時，模擬過程中需要多次進行網(wǎng)格重新劃分，要求模具的輪廓圖必須光滑，即同變形金屬接觸的模腔內(nèi)區(qū)域不能有尖角存在，否則可能造成模擬過程失敗。

軸對稱件的模擬只需要截面的一半圖形，如圖2所示，對稱軸位于絕對坐標系中X=0的位置。程序會自動確定模具和坯料的接觸位置，因此，坯料在圖中豎直方向的初始位置可以任意放置。

Qform系統(tǒng)為了識別幾何輪廓圖的性質(zhì)，要求將工件和模具分別放到WPIECE（工件）、TOOL1（模具1）、TOOL2（模具2）圖層中。

圖2管類法蘭成形模具及坯料截面圖

需要注意的是：由于平鍛機在工作過程中給工件軸向很大的作用力，成形過程中靠平鍛機上梁夾緊鍛件，保證坯料不向后滑動。因此，在模擬管坯平鍛工藝成形時，可在模具上做出阻止坯料相對模具滑動的結(jié)構(gòu)，保證模擬過程中坯料不向后滑動。

進入Qform后，對模擬參數(shù)進行定義：設(shè)備為機械壓力機，不考慮熱傳導(dǎo)，模擬類型為軸對稱變形，輸入模具及坯料幾何圖形（CRS文件），并設(shè)定模具閉合時上、下模的距離，設(shè)定材料及模擬開始時工件溫度，包括上、下模的初始溫度及潤滑條件等。模擬過程中程序?qū)崟r顯示模具的運動及變形情況如圖3所示。

圖3管類法蘭成形模擬

在沖頭的鐓擴作用下，管坯的變形分兩個階段：先是沖頭對管坯進行擴孔，在這一階段上管坯不產(chǎn)生失穩(wěn)，壁厚變化不大。其次，當沖頭完成對管坯的擴孔后，開始對管坯進行鐓粗，這時管坯開始失穩(wěn)。

在沖頭與鑲塊形成的錐形型腔部分，由于模膛的限制作用，失穩(wěn)狀態(tài)受到控制，沒有繼續(xù)發(fā)展形成折紋。而在沖頭與鑲塊導(dǎo)程部分形成的型腔內(nèi)，金屬失穩(wěn)后，繼續(xù)發(fā)展，最終形成折疊。經(jīng)反復(fù)模擬驗證，能發(fā)現(xiàn)成形沖頭（即凸模）根部形狀是影響折紋產(chǎn)生與否的重要因素，當沖頭根部形狀越有利于將管坯端口脹大時，成形越不易出折紋，通過對變形機理的把握，加大沖頭根部圓角半徑能夠有效解決折紋及坯料充滿問題，如圖4所示。

圖4更改工藝參數(shù)的成形模擬

根據(jù)模擬參數(shù)加工出來的模具，生產(chǎn)過程中沒有形成折紋。通過模擬，掌握管坯變形規(guī)律，找到了模具優(yōu)化設(shè)計的方向，實現(xiàn)了管類平鍛件理論長度壁厚比的技術(shù)突破。

連桿工字鋼截面折紋分析

連桿鍛件截面變化大，成形工藝復(fù)雜，桿部工字鋼截面處極易產(chǎn)生折紋，運用Qform2D的平面變形模擬功能，對其進行模擬分析，如圖5所示。

根據(jù)圖中流線情況，成形過程中在該部位產(chǎn)生“穿筋”折紋的可能性極高。為了消除這一潛在的風險，對成形工藝進行了改進，然后再進行模擬，如圖6所示該處的流線得到很大的改善，產(chǎn)生折紋的風險大幅度降低。

圖5工字鋼截面流線圖

圖6改進后流線圖

調(diào)試驗證結(jié)果與模擬情況相符：前者在該部位100％產(chǎn)生折紋，改進后鍛件該類折紋完全消除。通過模擬分析可以幫助確定中間坯料形狀，改善鍛件的流線，避免成形缺陷。

Deform 3D模擬技術(shù)的應(yīng)用

Deform3D軟件是一款三維工藝仿真軟件，采用來自CAD系統(tǒng)的面或?qū)嶓w造型（STL）格式，全自動網(wǎng)格劃分，可以完成相當復(fù)雜的鍛件成形分析。具有FLOWNET和點跡示蹤、變形、云圖、矢量圖，載荷—行程曲線等后處理功能，單步模具應(yīng)力分析方便快捷。其2D切片功能，可以顯示工件或模具的剖面結(jié)果。

該軟件可以用來模擬材料流動、鍛造負荷、模具應(yīng)力、晶粒演變和缺陷成因等等，適用于分析金屬體積成形及其相關(guān)的各種成形工藝及熱處理工藝，且圖形用戶界面友好，便于工程技術(shù)人員進行前期的數(shù)據(jù)準備工作及后期的數(shù)據(jù)分析工作。

轉(zhuǎn)向節(jié)立鍛工藝的開發(fā)

轉(zhuǎn)向節(jié)形狀復(fù)雜，成形難度大。采用立鍛工藝成形能有效節(jié)省原材料消耗，桿部充滿及避免凸臺折紋是工藝設(shè)計的重點，運用Deform3D重點對其成形過程進行模擬，以尋找合適的工藝方案、參數(shù)。

首先設(shè)定幾何模型與初始條件：坯料設(shè)為塑性體，模具設(shè)為剛體，材料成形流動應(yīng)力采用剛粘塑性材料模型，摩擦系數(shù)為0.3，鍛造過程中不考慮熱力耦合，坯料始鍛溫度為1100℃，模具初始溫度為300℃，坯料材料為1045，選用系統(tǒng)自帶設(shè)備庫中的6000t機械壓力機。

坯料垂直擺放的成形方式模擬結(jié)果如圖7所示，鍛件桿部充滿良好，但從模擬成形過程中如圖8所示可以直觀地看到，在鍛件大凸臺處明顯有兩股金屬匯集，形成交匯折紋。在實際調(diào)試中驗證了該處存在的折紋，分析該折紋形成的機理，并進行改進，同時將坯料由垂直擺放改成水平擺放進行模擬，如圖9所示。

圖7鍛件充滿良好

圖8折紋形成過程模擬

圖9坯料水平擺放模擬

從圖中可以看出，原易出折紋的部位，在開始成形階段由于有較多的金屬預(yù)充填型腔，成形過程中沒有出現(xiàn)金屬匯集，從而避免了折紋的形成。經(jīng)實際驗證，采用將坯料水平擺放的方式，鍛件沒有出現(xiàn)折紋，充滿情況良好，鍛件尺寸完全合格。

轉(zhuǎn)向節(jié)臥式鍛造工藝

采用臥式成形工藝生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向節(jié)，通過數(shù)值模擬優(yōu)化工藝方案，能夠大幅度提高鍛件的材料利用率。

臥式鍛造成形工藝為：壓扁→旋轉(zhuǎn)90°再次壓扁→局部鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→切邊，其材料利用率僅有78％。

針對成形中鍛件桿部的金屬大量流失問題，以增加阻力墻的方式來減小了其飛邊的大小，采用Deform3D進行成形模擬，不斷修正阻力墻的參數(shù)，有效地使鍛件材料利用率提高到85％以上，圖10為改進后的最終成形模擬結(jié)果。

輥鍛工藝模擬

采用Deform3D進行輥鍛工藝模擬時，坯料的設(shè)置方法與熱模鍛成形模擬相同，只是在對模具的運動進行定義時，與熱模鍛成形模擬的定義方式不同。在進行熱模鍛成形模擬時，模具只對主模塊（PrimaryDie）的運動進行定義，而對其他模具的運動不進行定義，系統(tǒng)默認為固定不動。進行輥鍛工藝模擬時，則需要對上、下模的運動都要進行定義，除了定義旋轉(zhuǎn)速度外，還要定義旋轉(zhuǎn)中心。通常上、下模的旋轉(zhuǎn)速度相等而方向相反，旋轉(zhuǎn)中心沿水平面上下對稱，模擬過程如圖11所示。

圖11輥鍛工藝模擬

連桿工藝開發(fā)

連桿工藝開發(fā)綜合運用了CATIA造型軟件、VerCAD輥鍛工藝輔助設(shè)計軟件及Deform3D模擬軟件。

首先用CATIA造型軟件對連桿進行造型如圖12所示，將連桿上的兩孔做成實心，再用VerCAD軟件計算出連桿每個橫截面的面積大小，如圖13所示。

圖12連桿三維造型

圖13采用VerCAD軟件進行截面積分析

在此基礎(chǔ)上確定連桿輥鍛毛坯圖，如圖14所示。然后通過CATIA軟件，對輥鍛毛坯造型，再應(yīng)用Deform3D軟件進行鍛造成形模擬分析，驗證輥坯調(diào)整的合理性與否。如果模擬結(jié)果可行，則將CATIA軟件作出的輥坯圖導(dǎo)入VerCAD輥鍛工藝輔助設(shè)計系統(tǒng)，設(shè)計出輥鍛模。

圖14在AutoCAD中生成的坯料截面圖

結(jié)束語

受相關(guān)學科發(fā)展的限制，與具體材料有關(guān)的方程還不能完全精確地描述材料變化的實際過程，邊界條件也不能精確地描述工件與模具之間實際發(fā)生的物理變化等等，因此，模擬結(jié)果與實際情況會存在一定的差距。根據(jù)實際應(yīng)用總結(jié)出來的經(jīng)驗是：實際生產(chǎn)沒有問題的模型，進行數(shù)值模擬絕對不會出現(xiàn)問題；而模擬出來沒有問題的模型，在實際生產(chǎn)過程中有可能產(chǎn)生折紋等質(zhì)量問題。但是該問題可以依據(jù)模擬過程中顯示出來的金屬流動趨勢，對局部參數(shù)進行改進，即可取得較理想的效果。

數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于鍛造工藝的設(shè)計過程，主要有以下幾個方面的作用：

⑴通過有限元分析，幫助工藝工程師確定工藝參數(shù)，如確定中間工步毛坯用料，型槽截面形狀參數(shù)如圓角半徑等實現(xiàn)材料利用率提升，以及對模具受力的精確分析，進一步優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和模具參數(shù)，以期提高模具壽命。

⑵模擬成形過程，讓設(shè)計者先于制造模具實物可以“看”到金屬的流動，預(yù)見可能出現(xiàn)的成形缺陷如折疊、充不滿等，從而在設(shè)計時加以避免。

⑶代替實驗室和現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)試，驗證新的工藝方案的可行性，可以大幅度降低新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)周期及開發(fā)費用。同時，大量的流動分析經(jīng)驗積累，有利于探索毛坯節(jié)材和工步優(yōu)化的新途徑。