基于有限元仿真的《材料成形工藝》教學模式探討

趙新海 鄭超 劉雪梅 孫璐 陳茂愛 管延錦 趙國群

基金項目： 本研究部分資助于山東大學教研項目【《材料成形工藝》精品在線開放課程建設（編號：2019Y083）;將被動考試變為主動學習——兩階段考試法評價方式轉化探索（編號：2020Y297）】。

摘要：《材料成形工藝》是一門典型的工科課程，工藝或實驗存在高危難測等苦難。本文借助數值模擬的手段，探討其在教學過程中的具體應用。以一個典型的圓環平砧鐓粗為例，研究摩擦對金屬流動的影響，總結其影響規律，并將最終的結果，以圖形，曲線，動畫等不同的形式給與課堂展示，對于固化、加深學生理論知識的理解和掌握，提高課堂的氣氛和教學效果，具有積極的作用。

關鍵詞：數值模擬;材料成形工藝;摩擦

中圖分類號：TG386文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）13-0164-01

1前言

《材料成形工藝》是材料成形及控制工程專業的專業基礎課和重要核心課，主要包括材料的液態成形、塑性成形和連接成形三大部分的內容。著重于向學生傳授常見的各種材料成形工藝的特點、原理及應用，是學生學習專業知識、了解專業前景等的主干課程[1，2]。

塑性成形工藝是利用金屬的塑性，在外力作用下使金屬發生變形的一種工藝，在國民生產中占有重要的地位。坯料和工具之間的摩擦對金屬的流動有著較大的影響，不僅會影響金屬內部的應力狀態，引起不均勻變形，產生了附加拉應力和殘余應力，還會加劇模具的磨損，降低模具的壽命[3]。然而，采用實驗的方法，不僅很難確定實際的摩擦系數，而且也很難保證在成形過程中的摩擦始終保持一致，而且，整個實驗過程高危、難觀察、難測量，給研究摩擦對金屬流動的影響規律帶來了很大的阻礙，也不利于在課堂上進行講授，不利于學生對該部分內容的理解和掌握。

有限元數值模擬，將成形過程在計算機上再現，不僅可以精確的設置摩擦條件，確保在成形過程中的一致性，還可以以動畫、視頻的形式直觀的顯示成形過程中任意時刻的金屬充填及流動情況，還能夠給出成形過程中的應力、應變、溫度的分布狀態等，因此，將數值模擬技術引入到材料成型工藝課程的教學中，對于加深學生對于所講授工藝成形過程的理解和掌握，豐富課程的教學手段，提升教學效果，具有積極的作用[4]。

本文以圓環鐓粗為例，采用數值模擬的手段，通過設置不同的摩擦條件，來向學生展示摩擦對金屬流動的影響，并分析其影響規律。

2研究模型及方案設計

本文以一種圓環平砧鐓粗為例，毛坯為環形件，內徑25mm，外徑50mm，高度40mm，材料采用的是1035，溫度設定等溫1100攝氏度，成形過程中，壓下量為30%，即12mm，在0-0.7之間設置不同的摩擦系數，其他條件不變，研究摩擦對金屬成形的影響。

3結果分析及討論

通過設置不同的摩擦條件下，得到的各成形過程的數值結果。為了提高模擬的效率，并根據模型的對稱性，在不影響模擬京都的前提下，只模擬了毛坯的一半。圖1給出的是不同摩擦條件下內徑和外徑上頂點和中點的模擬結果。

由圖1可以看出，隨著摩擦系數的降低，內徑中點和上頂點的數值都是整體上升的趨勢，說明摩擦降低，利于金屬的流動，但是內徑中點基本上呈一個直線上升，而上頂點確是呈現先基本上緩慢上升，直到0.3左右，然后直線上升的趨勢，說明摩擦對金屬流動的影響與金屬離界面的距離有關。對于外徑來說，不管是上頂點還是中點，隨著摩擦的降低，都呈現增大的趨勢，但是上頂點的增大趨勢更明顯，這是由于上頂點位于接觸面上，摩擦的作用因而更顯著。

利用圖1的數據，還可以計算出內外徑上頂點和中點之間的差值的變化，間接的判斷形狀的均勻程度。可以看出，對于外形來說，隨著摩擦的降低，鼓形逐漸減小，直到消失在無摩擦的情況下。而對于內孔的鼓形數值，卻呈現出完全不同的變化趨勢，出現了兩個等于0的情況，說明摩擦對于內徑的金屬流動，在某個時刻產生了一個分界點。

隨著摩擦的不斷減小，外形上的上頂點和中點之間的距離不斷減小，意味著鼓形不斷減小，直到最后消失，這是由于摩擦越來越小，上頂點和中點處的金屬的流動區域均勻。而對于內孔表面，則分成了兩個不同的階段。在0.7-0.35區間，隨著摩擦的降低，上頂點和中點之間的距離越來越小，而且上頂點的移動距離小于中點，主要是由于上頂點處的摩擦影響作用更顯著。而在0.35附近，出現了一個上頂點和中點之間距離最小的部位，在這之后，反而上頂點處的移動距離超過了中點附近的金屬，可能是由于摩擦降低，上部更多的金屬參與流動的緣故。

4結論

本文利用數值模擬的方法，通過設置不同的摩擦條件，研究了摩擦對金屬流動的影響規律，給出了變形后內外徑上頂點和中點處的變化情況，繪制了內外行鼓形的變化曲線，并通過鍛件形狀的變化，總結了摩擦對金屬流動的影響規律，獲得的結果，形象直觀、形式多樣，可以輔助學生對課堂工藝內容的理解和掌握，固化理論知識，提升課堂的教學效果，具有積極的作用。

參考文獻：

[1]夏巨諶，張起勛，材料成形工藝，機械工業出版社，2017

[2]趙新海，劉雪梅，孫璐，《材料成形工藝》課程教學課程思政的應用探討，教育研究，2020，2（3），121

[3]張憲，金屬塑性成形中的摩擦與潤滑，化學工業出版社，2000

[4]孔凡新，金屬塑性成型CAE技術 dynaform及deform 電子工業出版社，2018