数值模拟技术在锻造中的应用

文/吴玉坚，陈学慧·东风锻造有限公司

数值模拟技术在锻造中的应用

文/吴玉坚，陈学慧·东风锻造有限公司

随着国内外软件业集中在数值模拟领域的深入开发，模拟结果可视化效果不断提高，真实感加强，以及数据导入、导出功能的增强，计算效率的提升，尤其是模拟运行对硬件要求的大幅度降低等，有限元分析技术已成为逐渐替代传统的基于经验公式、数据的工艺和模具设计方法。1990年，二维模拟技术就已在锻造设计中得到应用，由于锻造过程的复杂性，三维锻造过程（特别是流动过程）的模拟直到1998年才开始应用，但很快发展成为锻造工艺设计中举足轻重的工具。成功地运用模拟技术能够解决锻造中大量的实际工程问题，实现材料利用率的提升，模具使用寿命的延长，并大幅度缩短新品开发周期。

Qform 2D 模拟软件的应用

Qform2D软件是一款二维锻造模拟软件，界面简捷，操作方便，计算过程迅速，一般复杂程度的镦粗、预锻、终锻三工步模拟仅需30min，较复杂的约为2h，并且带有DXF和IGES数据接口，可以直接调用已有AutoCAD的历史图档，其前处理和有限元计算模型操作简单明了，后处理采用直观的图形播放，且数据输出和图形输出格式多样，如输出AutoCAD图档。计算过程中可在任一时刻中止，并继续在中断处接着进行运算。具有连续工步模拟功能，上一道工序的模拟结果可直接作为下一工序的工件输入条件，并可进行同一零件多方案的比较。

其最大的特点是所描述的金属成形模式与实践中采用的工艺过程和工步有很大的相似性或对应关系，较好地符合工艺工程师的思维习惯。以下为应用该软件对轴对称及平面变形类锻件模拟分析及工艺优化的具体案例。

管类法兰成形工艺开发

图1所示为管类成形法兰，管坯外径φ63.5mm，壁厚10mm，参与大端法兰成形的管坯长度263mm，长度与壁厚之比达26.3，远远超出了管坯一次成形到任意形状所允许长度与壁厚之比不大于3的理论要求，需要突破理论极限，否则成形过程中极易在管壁内、外表面产生折叠。

图1管类成形法兰

以下为采用Qform2D模拟软件进行模拟分析解决该问题的主要过程。

首先设计成形工步图，并在AutoCAD系统中绘制出模拟需要的模具和坯料的横截面几何轮廓图。

模具和坯料的横截面轮廓线必须是封闭、无间断的连续线。同时，模拟过程中需要多次进行网格重新划分，要求模具的轮廓图必须光滑，即同变形金属接触的模腔内区域不能有尖角存在，否则可能造成模拟过程失败。

轴对称件的模拟只需要截面的一半图形，如图2所示，对称轴位于绝对坐标系中X=0的位置。程序会自动确定模具和坯料的接触位置，因此，坯料在图中竖直方向的初始位置可以任意放置。

Qform系统为了识别几何轮廓图的性质，要求将工件和模具分别放到WPIECE（工件）、TOOL1（模具1）、TOOL2（模具2）图层中。

图2管类法兰成形模具及坯料截面图

需要注意的是：由于平锻机在工作过程中给工件轴向很大的作用力，成形过程中靠平锻机上梁夹紧锻件，保证坯料不向后滑动。因此，在模拟管坯平锻工艺成形时，可在模具上做出阻止坯料相对模具滑动的结构，保证模拟过程中坯料不向后滑动。

进入Qform后，对模拟参数进行定义：设备为机械压力机，不考虑热传导，模拟类型为轴对称变形，输入模具及坯料几何图形（CRS文件），并设定模具闭合时上、下模的距离，设定材料及模拟开始时工件温度，包括上、下模的初始温度及润滑条件等。模拟过程中程序实时显示模具的运动及变形情况如图3所示。

图3管类法兰成形模拟

在冲头的镦扩作用下，管坯的变形分两个阶段：先是冲头对管坯进行扩孔，在这一阶段上管坯不产生失稳，壁厚变化不大。其次，当冲头完成对管坯的扩孔后，开始对管坯进行镦粗，这时管坯开始失稳。

在冲头与镶块形成的锥形型腔部分，由于模膛的限制作用，失稳状态受到控制，没有继续发展形成折纹。而在冲头与镶块导程部分形成的型腔内，金属失稳后，继续发展，最终形成折叠。经反复模拟验证，能发现成形冲头（即凸模）根部形状是影响折纹产生与否的重要因素，当冲头根部形状越有利于将管坯端口胀大时，成形越不易出折纹，通过对变形机理的把握，加大冲头根部圆角半径能够有效解决折纹及坯料充满问题，如图4所示。

图4更改工艺参数的成形模拟

根据模拟参数加工出来的模具，生产过程中没有形成折纹。通过模拟，掌握管坯变形规律，找到了模具优化设计的方向，实现了管类平锻件理论长度壁厚比的技术突破。

连杆工字钢截面折纹分析

连杆锻件截面变化大，成形工艺复杂，杆部工字钢截面处极易产生折纹，运用Qform2D的平面变形模拟功能，对其进行模拟分析，如图5所示。

根据图中流线情况，成形过程中在该部位产生“穿筋”折纹的可能性极高。为了消除这一潜在的风险，对成形工艺进行了改进，然后再进行模拟，如图6所示该处的流线得到很大的改善，产生折纹的风险大幅度降低。

图5工字钢截面流线图

图6改进后流线图

调试验证结果与模拟情况相符：前者在该部位100％产生折纹，改进后锻件该类折纹完全消除。通过模拟分析可以帮助确定中间坯料形状，改善锻件的流线，避免成形缺陷。

Deform 3D模拟技术的应用

Deform3D软件是一款三维工艺仿真软件，采用来自CAD系统的面或实体造型（STL）格式，全自动网格划分，可以完成相当复杂的锻件成形分析。具有FLOWNET和点迹示踪、变形、云图、矢量图，载荷—行程曲线等后处理功能，单步模具应力分析方便快捷。其2D切片功能，可以显示工件或模具的剖面结果。

该软件可以用来模拟材料流动、锻造负荷、模具应力、晶粒演变和缺陷成因等等，适用于分析金属体积成形及其相关的各种成形工艺及热处理工艺，且图形用户界面友好，便于工程技术人员进行前期的数据准备工作及后期的数据分析工作。

转向节立锻工艺的开发

转向节形状复杂，成形难度大。采用立锻工艺成形能有效节省原材料消耗，杆部充满及避免凸台折纹是工艺设计的重点，运用Deform3D重点对其成形过程进行模拟，以寻找合适的工艺方案、参数。

首先设定几何模型与初始条件：坯料设为塑性体，模具设为刚体，材料成形流动应力采用刚粘塑性材料模型，摩擦系数为0.3，锻造过程中不考虑热力耦合，坯料始锻温度为1100℃，模具初始温度为300℃，坯料材料为1045，选用系统自带设备库中的6000t机械压力机。

坯料垂直摆放的成形方式模拟结果如图7所示，锻件杆部充满良好，但从模拟成形过程中如图8所示可以直观地看到，在锻件大凸台处明显有两股金属汇集，形成交汇折纹。在实际调试中验证了该处存在的折纹，分析该折纹形成的机理，并进行改进，同时将坯料由垂直摆放改成水平摆放进行模拟，如图9所示。

图7锻件充满良好

图8折纹形成过程模拟

图9坯料水平摆放模拟

从图中可以看出，原易出折纹的部位，在开始成形阶段由于有较多的金属预充填型腔，成形过程中没有出现金属汇集，从而避免了折纹的形成。经实际验证，采用将坯料水平摆放的方式，锻件没有出现折纹，充满情况良好，锻件尺寸完全合格。

转向节卧式锻造工艺

采用卧式成形工艺生产的转向节，通过数值模拟优化工艺方案，能够大幅度提高锻件的材料利用率。

卧式锻造成形工艺为：压扁→旋转90°再次压扁→局部镦粗→预锻→终锻→切边，其材料利用率仅有78％。

针对成形中锻件杆部的金属大量流失问题，以增加阻力墙的方式来减小了其飞边的大小，采用Deform3D进行成形模拟，不断修正阻力墙的参数，有效地使锻件材料利用率提高到85％以上，图10为改进后的最终成形模拟结果。

辊锻工艺模拟

采用Deform3D进行辊锻工艺模拟时，坯料的设置方法与热模锻成形模拟相同，只是在对模具的运动进行定义时，与热模锻成形模拟的定义方式不同。在进行热模锻成形模拟时，模具只对主模块（PrimaryDie）的运动进行定义，而对其他模具的运动不进行定义，系统默认为固定不动。进行辊锻工艺模拟时，则需要对上、下模的运动都要进行定义，除了定义旋转速度外，还要定义旋转中心。通常上、下模的旋转速度相等而方向相反，旋转中心沿水平面上下对称，模拟过程如图11所示。

图11辊锻工艺模拟

连杆工艺开发

连杆工艺开发综合运用了CATIA造型软件、VerCAD辊锻工艺辅助设计软件及Deform3D模拟软件。

首先用CATIA造型软件对连杆进行造型如图12所示，将连杆上的两孔做成实心，再用VerCAD软件计算出连杆每个横截面的面积大小，如图13所示。

图12连杆三维造型

图13采用VerCAD软件进行截面积分析

在此基础上确定连杆辊锻毛坯图，如图14所示。然后通过CATIA软件，对辊锻毛坯造型，再应用Deform3D软件进行锻造成形模拟分析，验证辊坯调整的合理性与否。如果模拟结果可行，则将CATIA软件作出的辊坯图导入VerCAD辊锻工艺辅助设计系统，设计出辊锻模。

图14在AutoCAD中生成的坯料截面图

结束语

受相关学科发展的限制，与具体材料有关的方程还不能完全精确地描述材料变化的实际过程，边界条件也不能精确地描述工件与模具之间实际发生的物理变化等等，因此，模拟结果与实际情况会存在一定的差距。根据实际应用总结出来的经验是：实际生产没有问题的模型，进行数值模拟绝对不会出现问题；而模拟出来没有问题的模型，在实际生产过程中有可能产生折纹等质量问题。但是该问题可以依据模拟过程中显示出来的金属流动趋势，对局部参数进行改进，即可取得较理想的效果。

数值模拟技术应用于锻造工艺的设计过程，主要有以下几个方面的作用：

⑴通过有限元分析，帮助工艺工程师确定工艺参数，如确定中间工步毛坯用料，型槽截面形状参数如圆角半径等实现材料利用率提升，以及对模具受力的精确分析，进一步优化模具结构和模具参数，以期提高模具寿命。

⑵模拟成形过程，让设计者先于制造模具实物可以“看”到金属的流动，预见可能出现的成形缺陷如折叠、充不满等，从而在设计时加以避免。

⑶代替实验室和现场生产调试，验证新的工艺方案的可行性，可以大幅度降低新产品、新工艺的开发周期及开发费用。同时，大量的流动分析经验积累，有利于探索毛坯节材和工步优化的新途径。