數值模擬技術在鍛造節材中的應用

文／徐皓，黃樂明·安徽安簧機械股份有限公司

數值模擬技術在鍛造節材中的應用

文／徐皓，黃樂明·安徽安簧機械股份有限公司

數值模擬技術在國外的鍛造行業已經是一個普及化的概念，通過預先的模擬過程可以大大縮短新產品的開發周期、降低新產品的試模時間和開發成本。上述這些只是利用數值模擬手段得到的好處之一，更大的好處是通過數值模擬可以對現有的成熟產品或拳頭產品進行工藝優化，最大限度地降低其生產成本，提高模具使用壽命和材料利用率，增強企業自身的競爭力。鍛造行業的企業家們應審時度勢，共同來探討如何利用數值模擬技術實現企業的降本增效，從而達到利用最少的資源而使利益最大化的目標。也許企業家們都有自己獨特的見解或各種各樣的觀點，本文僅以鍛壓行業目前主流的DEFORM-3D模擬軟件為例介紹一下數值模擬技術在鍛造節材中的應用，意在為廣大讀者起到拋磚引玉的作用。

DEFORM-3D模擬軟件簡介

隨著IT產業突飛猛進的發展，數值模擬技術應運而生，從而產生了一大批數值模擬軟件，例如美國的DEFORM-2D/3D、法國的FORGE 2D/3D、俄羅斯的QForm 2D/3D等，數值模擬技術的應用把“打鐵”提高到了一個新的層面。

DEFORM(Design Enviroment for Forming）是國際上最著名的2D/3D成形加工和熱處理工藝模擬有限元分析軟件，由美國Ohio Clumbus的科學成形技術公司(Science Forming Technology Corporation）專為生產實際應用而設計開發，使用起來特別簡便。二十多年來的工業實踐清楚地證明了基于有限元法的DEFORM模擬軟件有著卓越的準確性和穩定性，模擬引擎在大變形金屬流動、行程載荷和產品缺陷預測等方面同實際生產相符，保持著令人嘆為觀止的精度。

DEFORM模擬軟件在一個集成環境內綜合建模、成形、熱傳導和成形設備特性進行模擬仿真分析，適用于熱、冷、溫成形，可提供極有價值的工藝分析數據，如材料流動、模具填充、鍛造負荷、模具應力、晶粒流動、金屬微結構和缺陷的產生及發展情況等。DEFORM模擬軟件無需試模就能預測工業實際生產中的金屬流動情況，是降低制造成本、縮短研發和生產周期的一款高效實用的工具。

DEFORM-3D模擬軟件的處理對象為復雜的三維零件、模具等，典型的DEFORM-3D模擬軟件的應用包括鍛造、擠壓、鐓頭、軋制、自由鍛、彎曲和其他成形加工手段。下面就通過我公司實際生產中的一個應用案例來介紹一下如何利用DEFORM-3D模擬軟件提高鍛件的材料利用率。

應用案例

如圖1所示的球銷類鍛件為重型卡車底盤用鍛件，此鍛件重量為3.6kg，形狀復雜系數為S2級，且不允許有裂紋、折疊、凹陷等鍛造缺陷。此類產品開發伊始我公司使用Pro/E設計軟件設計預鍛、終鍛模具模型，產品開發成功后各項技術參數均滿足客戶要求，鍛件材料利用率為74.32%。雖然產品開發成功了，但追求技術進步是無止境的，我公司技術人員并沒有停留在產品開發成功的滿足中，他們針對公司現有的生產設備和成熟的熱鍛工藝改進了模具和工藝方案，利用DEFORM-3D模擬軟件強大的數值模擬技術對改進后的模具和工藝方案進行熱鍛成形模擬，并根據模擬結果不斷優化模具和工藝方案，不但減少了昂貴的試制成本，而且還逐步提高了鍛件的材料利用率。現將此次優化過程簡述如下：

圖1 球銷類鍛件

圖2 優化后的坯料

圖3 鐓粗預鍛成形模具的上模

圖4 鐓粗預鍛成形模具的下模

初步綜合考慮鍛件形狀結構及現有工藝，以想方設法提高材料利用率為基本出發點，增加鐓粗預鍛成形模具，坯料由原先的φ75mm×140mm的圓形棒料(重量約4.84kg）優化更改為φ50mm×260mm的圓形棒料(重量約3.997kg），加熱設備為中頻加熱爐(DEFORM-3D模擬軟件中涉及的參數為坯料溫度及模具初始溫度，環境溫度可以使用系統默認值）。打開DEFORM-3D模擬軟件進入前置處理程序(DEFORM-3D前置處理程序的設置所占用的操作時間占到用戶整個操作時間的80%），首先進行模擬參數中的單位設置(英制和公制任選，這一步尤其重要，一定要保證輸入參數的準確性，否則要進行相應單位值的轉換），然后再導入優化后的坯料(圖2）與增加的鐓粗預鍛成形模具上、下模(圖3、4）的模型文件，建議使用*.stl的文件格式進行網格劃分設置，網格劃分值越小，模擬結果越準確，但需要注意的是模擬計算時間也越長，操作時要根據自己的實際情況做相應的取舍。實際移動中的模具請勾選Primary Die選項。鍛造設備可以在DEFORM-3D模擬軟件自帶的設備庫中選擇(避免煩瑣的設備參數設置）或自行添加，坯料和模具的材料可以在DEFORM-3D模擬軟件自帶的材料庫中選擇或自行添加。可以在DEFORM-3D模擬軟件中調整模具和坯料的相對初始位置，也可以在自己熟悉的模型設計軟件(如CATIA、UG、Pro/E、SolidWorks等）中調整坐標位置后再導入DEFORM-3D模擬軟件。然后添加接觸關系(選擇Inter→Object Realationships命令），根據實際情況填寫模具與坯料間的摩擦力。最后，設置符合實際情況的模擬條件，其中模擬總步數是根據模具行程距離除以每一步的移動數值得出的，而每一步的移動數值建議取網格尺寸值的1/3(網格尺寸值可通過單擊按鈕測量）。鐓粗預鍛成形前置處理程序的設置如圖5所示，保存好參數設置，生成*.DB數據文件。若在生成*.DB數據文件過程中有錯誤信息提示，請參照信息提示對以上所涉及的參數設置進行相應更改。待最終生成*.DB數據文件后，保存并退出前置處理程序。

圖5 鐓粗預鍛成形前置處理程序的設置

圖6 鐓粗預鍛成形的解算

從前置處理程序退出后，選擇Simulator→Run命令進行鐓粗預鍛成形的解算，如圖6所示。解算完成后，選擇Post Processor→DEFORM-3D Post命令進入后置處理程序，觀察鐓粗預鍛成形的模擬結果。根據模擬結果的滿意程度，決定是否對鐓粗預鍛成形模具進行優化修改。

圖7 預鍛成形過程中

圖8 預鍛成形完成后

圖9 優化后的終鍛成形模具的上模

圖10 優化后的終鍛成形模具的下模

圖11 終鍛成形模擬結果

然后，利用鐓粗預鍛成形模擬后的鍛件毛坯進行預鍛成形的模擬，所有操作均參照鐓粗預鍛成形的相應步驟進行，在此不再贅述。預鍛成形的模擬結果如圖7、8所示。

最后，利用預鍛成形模擬后的鍛件毛坯進行終鍛成形的模擬，導入優化后的終鍛成形模具的上、下模模型(圖9、10），其他操作均參照鐓粗預鍛成形的相應步驟進行，在此不再贅述。終鍛成形的模擬結果如圖11所示，實際生產的鍛件樣件如圖12所示。

圖12 實際生產的鍛件樣件

結束語

利用DEFORM-3D模擬軟件在計算機上即可模擬整個鍛造過程，并且還可以對現有的成熟產品或拳頭產品進行工藝優化，能夠最大限度地降低鍛件的生產成本。以本文中所講述的應用案例為例，該鍛件的材料利用率由優化前的74.32%提高至90%，模具的使用壽命由優化前的3000件提高至5000件，材料利用率和模具的使用壽命都得到了大大的提高，企業的競爭力得到了進一步的增強。本文僅以此利用DEFORM-3D模擬軟件的節材應用實例給廣大讀者起到拋磚引玉的作用，DEFORM-3D模擬軟件強大的功能和操作技巧還有待于大家在使用中摸索發現。