文/湯敏俊，孫偉，王玲·江蘇龍城精鍛有限公司

基于數(shù)值模擬的爪極鍛壓工藝研究現(xiàn)狀及展望（下）

文/湯敏俊，孫偉，王玲·江蘇龍城精鍛有限公司

《基于數(shù)值模擬的爪極鍛壓工藝研究現(xiàn)狀及展望(上)》見《鍛造與沖壓》2017年第15期

數(shù)值模擬在爪極鍛壓成形工藝中的應(yīng)用實(shí)例

⑴爪極鍛造新工藝設(shè)計(jì)。

河南科技大學(xué)的原國(guó)森等通過(guò)Deform-3D采用剛塑性有限元法對(duì)爪極分流正擠壓新工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬，具體模擬參數(shù)為：模具溫度300℃，工件材料為08#鋼，工件溫度1150℃，壓機(jī)速度為400mm/s，工件和模具間摩擦系數(shù)取0.25，摩擦模型采用剪切模型，工件和周圍環(huán)境傳熱系數(shù)為5N（s·mm·K）-1，工件網(wǎng)格數(shù)30000，步長(zhǎng)前122步取0.3mm，122步以后取0.1mm，迭代方法選用直接迭代法。模擬結(jié)果顯示，坯料充填順利，爪尖飽滿平滑，豎爪根部圓角過(guò)渡圓滑，新工藝?yán)碚撋峡尚校ㄈ鐖D5所示）。

圖5 爪極分流正擠壓工藝數(shù)值模擬結(jié)果

安徽工業(yè)大學(xué)的鄭光文等通過(guò)Deform-3D對(duì)爪極雙向閉式擠壓熱鍛工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬，具體模擬參數(shù)為：工件材料為10#鋼，溫度1100℃，模具溫度300℃，工件與模具摩擦系數(shù)0.3，擠壓速度50mm/s，工件與模具傳熱系數(shù)為11N(s·mm·K)-1，整個(gè)成形過(guò)程200步。模擬結(jié)果顯示該工藝能夠改善金屬的流動(dòng)，降低成形力，提高材料利用率。

⑵爪極模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

江蘇大學(xué)的田輝等通過(guò)Deform-3D對(duì)爪極精鍛成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了模具的受力狀態(tài)。具體模擬參數(shù)為：工件溫度1200℃，模具材料為H13，初始溫度為300℃，工件與模具之間的摩擦系數(shù)取0.2，工件與模具間的傳熱系數(shù)為11N(s·mm·K)-1，采用Newton-Raphson迭代法。模擬結(jié)果顯示預(yù)鍛最后階段模具中部模膛圓角處的應(yīng)力達(dá)到1130MPa，爪部模膛邊緣處達(dá)到1880MPa，局部應(yīng)力達(dá)到2250MPa，超過(guò)了模具材料的抗拉強(qiáng)度極限。在此研究基礎(chǔ)上，文中提出了加深預(yù)鍛型槽爪尖處以及在終鍛型槽爪尖處增設(shè)溢流孔等模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，使得模具易開裂部位的應(yīng)力下降44.2%，從而提高了模具使用壽命，改進(jìn)后的模具應(yīng)力分布曲線如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的預(yù)鍛上模應(yīng)力分布曲線

臺(tái)州學(xué)院的洪兵等通過(guò)有限元軟件對(duì)不同模具結(jié)構(gòu)的爪極成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)鍛造成形載荷等進(jìn)行了分析。具體模擬參數(shù)為：工件材料為DIN15，模具材料為H13，工件初始溫度1200℃，模具初始溫度200℃，工件與模具傳熱系數(shù)為11N(s·mm·K)-1，環(huán)境溫度為20℃，工件與環(huán)境的對(duì)流系數(shù)為0.02N(s·mm·K)-1，工件網(wǎng)格數(shù)100000，模具網(wǎng)格數(shù)100000。模擬結(jié)果顯示增加爪極預(yù)鍛下模爪膛過(guò)渡圓角有利于金屬流動(dòng)，能夠有效減少鍛造過(guò)程中的模具磨損；在預(yù)鍛下模模膛增加沖頭狀凸起，能夠大幅度降低鍛造載荷，減小約47.3%。

⑶爪極初始毛坯形狀設(shè)計(jì)。

武漢理工大學(xué)的高永超等通過(guò)Abaqus,采用剛粘塑性有限元法對(duì)兩種不同形狀的初始坯料進(jìn)行了數(shù)值模擬，具體模擬參數(shù)為：工件材料為10#鋼，溫度1100℃，壓機(jī)速度100mm/s，工件與模具的摩擦系數(shù)取0.25，初始坯料a的尺寸為φ50mm×89.5mm，初始坯料b的尺寸為φ70mm×45.7mm。模擬結(jié)果顯示初始坯料a和初始坯料b在相同工藝參數(shù)下均獲得了充填良好的鍛件，但初始坯料b在成形過(guò)程中金屬流線變差，而初始坯料a在成形過(guò)程中金屬流線始終保持順暢。

西安交通大學(xué)的楊程等通過(guò)Deform-3D對(duì)三種不同形狀的初始坯料（圖7）進(jìn)行了數(shù)值模擬，具體模擬參數(shù)為：工件材料為10#鋼，工件初始溫度1100℃，工件網(wǎng)格數(shù)30000，模具材料為H13，模具初始溫度200℃，模具網(wǎng)格數(shù)8000，工件與模具的摩擦系數(shù)取0.3，工件與模具傳熱系數(shù)為11N(s·mm·K)-1，環(huán)境溫度為20℃，工件與環(huán)境的對(duì)流系數(shù)為0.02N(s·mm·K)-1，上模速度為100mm/s。模擬結(jié)果顯示三種不同形狀初始坯料的載荷行程曲線都有相似的形狀，采用不同初始坯料在同樣的工藝參數(shù)下均獲得了充填良好的鍛件，且最大載荷都在1400kN左右，不同初始坯料形狀對(duì)成形結(jié)果影響不大。

存在問(wèn)題和研究展望

適用于爪極工業(yè)化生產(chǎn)的鍛壓工藝研究較少

圖7 三種不同初始坯料形狀

根據(jù)上述對(duì)國(guó)內(nèi)爪極鍛壓工藝研究的現(xiàn)狀可知，目前能夠適用于爪極工業(yè)化生產(chǎn)的鍛壓工藝多是由企業(yè)提出，而由高等院校里學(xué)者提出的新工藝大多只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段。這主要是由于高等院校里的學(xué)者大多偏重于考慮能夠體現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)性的指標(biāo)、如工序數(shù)少、成形力小、材料利用率高等，但是往往忽略一個(gè)新的鍛壓工藝要適用于工業(yè)化生產(chǎn)未必需要局部單個(gè)技術(shù)指標(biāo)最優(yōu)，而是要各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均衡，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)時(shí)經(jīng)濟(jì)性最好。從這個(gè)角度來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)外的爪極鍛壓新工藝研究大多都體現(xiàn)了廣度和單個(gè)技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn)性，而對(duì)于能否應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)等體現(xiàn)工程應(yīng)用研究深度的問(wèn)題，比如工藝和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、工藝設(shè)備的技術(shù)要求和使用壽命、工藝應(yīng)用的必備條件等，由于試驗(yàn)條件所限都避而不談。

爪極鍛壓工藝數(shù)值模擬的可靠性和適用性研究較少

根據(jù)上述爪極數(shù)值模擬的實(shí)例研究可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用于數(shù)值模擬的關(guān)鍵參數(shù)，比如材料的本構(gòu)模型、模具與工件的摩擦條件等都是直接引用商業(yè)化數(shù)值模擬軟件自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)，但是對(duì)于這些參數(shù)是否和實(shí)際吻合均未做可靠性驗(yàn)證，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)值模擬的結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試的結(jié)果產(chǎn)生較大的出入，失去數(shù)值模擬的應(yīng)有作用。此外，以上所有案例對(duì)于數(shù)值模擬的適用性，比如說(shuō)運(yùn)算時(shí)間和效率等未作考慮，而實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)計(jì)周期是很關(guān)鍵的考慮因素。

熱鍛自動(dòng)化是未來(lái)爪極鍛壓新工藝研發(fā)的方向

自動(dòng)化鍛造是目前國(guó)內(nèi)鍛壓企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，但是由于上述兩個(gè)問(wèn)題的存在，導(dǎo)致目前在爪極鍛壓工藝工業(yè)應(yīng)用和數(shù)值模擬方面均缺乏可靠的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)和參考標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而大大增加了爪極熱鍛領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的難度。盡管難度不小，然而出于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性等原因考慮，實(shí)現(xiàn)爪極熱鍛自動(dòng)化又是眾多爪極制造企業(yè)未來(lái)若干年不得不面對(duì)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，同時(shí)這也給廣大從事爪極鍛壓工藝開發(fā)的技術(shù)人員提出了新的研究課題和研發(fā)方向。