基于有限元逆向模擬技術(shù)的預成形模具設計探討

王旭暉

（沈陽職業(yè)技術(shù)學院，遼寧 沈陽 110045）

0 引言

在傳統(tǒng)鍛造工藝和模具設計中，主要以人工設計為主，工作人員過于依賴工作經(jīng)驗，導致鍛造精確性和專業(yè)性受到影響，質(zhì)量上難以得到保證。在施工工藝體系不斷成熟的背景下，對于生產(chǎn)精度、產(chǎn)品性能和產(chǎn)品質(zhì)量的要求也在逐步提升，人們開始注重新技術(shù)的應用，并且相關(guān)工藝也融入到了金屬設計環(huán)節(jié)，在這些新技術(shù)當中，有限元逆向模擬技術(shù)就是經(jīng)常使用的技術(shù)之一，它明確了應變場信息以及金屬流動規(guī)律等內(nèi)容。

1 有限元逆向模擬技術(shù)相關(guān)內(nèi)容論述

該技術(shù)作為模具設計過程中經(jīng)常使用到的新技術(shù)，其相關(guān)理念最早可以追溯到上世紀80年代，在技術(shù)不斷發(fā)展之下，在很多領(lǐng)域中得到了應用。該種軟件技術(shù)在應用時，包含前后處理單元，主要原理為從已經(jīng)成形的模具中，開展反向的二次模擬，將實際模具制作過程中的細節(jié)也能夠直接進行反饋，這樣也可以得到更加可靠的設計方案，提升所獲取設計方案的使用價值。而且從目前的應用情況來看，該技術(shù)在許多產(chǎn)品塑性處理中得到了有效應用，包括產(chǎn)品鍛造、產(chǎn)品沖壓等，這也是模具預制期間經(jīng)常使用到的加工技術(shù)。除此之外，該技術(shù)在其他領(lǐng)域中的應用同樣比較普遍，也正是在這種預成形模具設計工作的幫助下，能夠更好的維護成形質(zhì)量[1]。

2 有限元逆向模擬的算法研究

當有限元逆向模擬情況明確之后，便可以進行算法研究，只有充分了解有限元逆向模擬內(nèi)容，才能保證預成形模具設計更加合理。

2.1 應用增量理論

從實際應用情況來看，在模具鍛造應用時，也會應用到高仿真模擬技術(shù)，期間所應用到的增量理論起到了非常關(guān)鍵的作用。利用該理論做好整個模擬過程計算，最終實現(xiàn)成型模具制作過程的還原化處理。從實際應用情況來看，增量理論在應用中，會應用到一些數(shù)學算法，借助增量近似代替的途徑，對模具制作過程中存在的形變細分為若干個修正階段，搭配著相應的數(shù)學算法逐個階段進行形變情況修整，使其可以滿足最終的質(zhì)量生產(chǎn)要求。

2.2 常見問題分析

基于已建立的模擬體系可以了解到，在算法應用期間，其幾何誤差數(shù)值越低，相對應速度的收斂度也越高，這也進一步提升了模型應用過程的迭代次數(shù)。而且根據(jù)多次迭代算法處理后，存在速度場多次迭代的情況，而迭代次數(shù)也維持在較高水準，相較于傳統(tǒng)的正向模擬技術(shù)，其所需要消耗的時間成本較大，是后續(xù)需要改善的重要內(nèi)容。

2.3 新算法的應用

在已有應用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，可以對新處理算法進行開發(fā)，使算法可以契合于不同變形階段的處理，而且在應用過程中，也需要借助右矩形公式來輔助計算活動的進行。在具體實踐中，相關(guān)人員需要對產(chǎn)品塑性制作過程進行離散分析，使其能夠展現(xiàn)出不同狀態(tài)下的增量形變情況。隨后基于已有數(shù)據(jù)來對變心情況進行量化處理，借此得到平均速度場，基于相應理論來完成相應數(shù)值的計算，評價數(shù)值和理論值的偏差，多次重復上述操作，直到獲取到所需的變形結(jié)構(gòu)[2]。

2.4 兩種模擬方式的差異

相較于正向模擬技術(shù)，反向模擬技術(shù)在應用中使用到的系統(tǒng)構(gòu)造差異性較大，主要體現(xiàn)在變形結(jié)構(gòu)的構(gòu)型、動態(tài)便捷狀態(tài)等。而且反向模擬結(jié)構(gòu)在應用過程中，主要依靠減法來完成參數(shù)細分，并借助動態(tài)邊界來將參數(shù)誤差保持在可靠范圍內(nèi)，并對脫離模具的時機進行確定，該內(nèi)容與模具形狀好與壞存在直接關(guān)系，屬于是逆向模擬操作的難點內(nèi)容。

3 主體鍛造工藝及預成形模具方案

根據(jù)已有技術(shù)對模式內(nèi)容進行確定之后，開始進入到模具方案的設計環(huán)節(jié)。相較于普通作業(yè)工藝，鍛造工藝在應用過程中的復雜程度相對較高，耗費時間相對較長。為了確保模具可以迅速成型，可以采取閉式套膜方式，執(zhí)行胎膜鍛造工作。從實際套膜鍛造角度來說，容易受到壓應力作用，這樣也導致套膜會和上下墊片之間出現(xiàn)了相對較大的縫隙，從而造成生產(chǎn)過程中出現(xiàn)金屬毛刺，干擾到后續(xù)作業(yè)活動的順利展開。對此，在進行鍛造方案設計處理時，也會使用到5t和8t錘來參與實驗，基于不同實驗參數(shù)，會出現(xiàn)不同的實驗結(jié)果，最終得到正確方案。例如，在298kg主體下料實驗中，只需選擇一半進行模擬設計。在有限元模擬技術(shù)軟件幫助下，三維數(shù)學模型能夠被導入其中，做到體積的自動劃分，設置相應的實驗坯料參數(shù)，之后再設計成型模具參數(shù)，如最終鍛造溫度、鍛造設備以及模具運動方向等等，便于工作人員對整個模具成形過程進行了解[3]。除此之外，在鍛造過程中，5t錘的終鍛溫度能夠達到839℃，終鍛模具為5.71mm，也正是由于材料溫度大幅下滑，導致塑性能力越來越差，不能保證成形完整性，這也證明了5t的打擊力量明顯不足。反觀8t終鍛溫度，明顯比材料溫度更高，為891℃，所展示出的終鍛模具數(shù)值為0，證明8t鍛造能力較強，具備足夠的鍛造能力，但由于套膜雙耳部分金屬無法處于完全重合狀態(tài)，證明坯料上存在極大誤差。從上述內(nèi)容中能夠看出，制坯和模具設計比較合理，金屬在模具內(nèi)部填充和流動并沒有出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。

4 主體成形過程相關(guān)內(nèi)容分析

根據(jù)上文中敘述的內(nèi)容可以了解到，利用鍛造工藝對作業(yè)參數(shù)進行修正處理時，面臨著下料充足性較低的情況，對此也需要做好二次模擬作業(yè)，具體模擬結(jié)果如下：

4.1 成形中的溫度及膜壁接觸

借助火次來完成鍛造作業(yè)時，在第一火應用時很容易和下模產(chǎn)生接觸，此時的最低溫度在838℃左右，而此時的坯料溫度在1173℃左右。在第二火作業(yè)過程中，主體結(jié)構(gòu)底部的溫度也會降低至830℃，而主體結(jié)構(gòu)與套膜之間的接觸溫度保持在860℃左右。在該溫度下結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了較為明顯的形變問題，隨后溫度也會繼續(xù)調(diào)升，直到1180℃為止。在所有模擬實驗結(jié)束后，也需要對上下模工作狀態(tài)進行調(diào)整，使其處于緊靠狀態(tài)，不會出現(xiàn)縫隙的情況，從而為實驗結(jié)果的順利驗證創(chuàng)造條件。

4.2 成形中的金屬流動速率和趨勢

從后續(xù)應用實驗可以了解到，在實驗模擬過程中，相應的作業(yè)人員也可以對金屬流動規(guī)律進行全面分析，并且金屬坯料溫度也會大幅提升，塑性強，而且金屬流動速率很大，主要以向下流動為主。當?shù)谝淮未驌舨僮魍瓿珊螅N頭會出現(xiàn)向上運動趨勢，金屬也開始回彈，此時，速率越來越小。對于第二火操作，變形位置開始轉(zhuǎn)變到上模，此時，金屬流動愈發(fā)強烈，開始擠向鍛造主體雙耳內(nèi)側(cè)。

4.3 成形中的應力應變分析

實際模擬成形操作時，第一火變形主要集中在鍛件凹槽以及圓弧處，相比之下，該類部位變形難度低，應力形式主要以壓應力為主。當凹槽被逐漸填滿后，變形位置也會轉(zhuǎn)移，以上模為主，金屬在其壓力作用下，會被逐漸擠進雙耳內(nèi)側(cè)，此時，應力以拉應力為主。在第一火終鍛操作過程中，主體等效應變中能夠得出上述結(jié)論，整個凹槽位置的變形幅度最為明顯[4]。

4.4 流線分布情況

相關(guān)研究表明，纖維組織很容易對力學性能和化學性質(zhì)產(chǎn)生影響，最終改變其流向，強化鍛造工藝中零件應用性能，如果工作人員將第一火終鍛時流向和第二火終鍛時流向進行對比，便可以得出以下結(jié)論：金屬流線與外形接近，分布也比較連貫，可以在預成形模具設計中發(fā)揮出更大優(yōu)勢[5]。當部分透明模具成形之后，透明度缺陷也會表現(xiàn)出來，器具紋理越來越明顯，這主要是由于拉力和應力變化所導致的。為了避免類似情況出現(xiàn)，人們可以通過消除氣體以及其他雜質(zhì)方式，保證塑料的干燥條件，之后再開展下模操作。或者也可以通過料溫下降，提升模溫，為后續(xù)成模操作創(chuàng)造有利條件，降低相關(guān)問題的出現(xiàn)幾率。

5 結(jié)語

綜上所述，通過應用有限元逆向模擬技術(shù)，相關(guān)工作人員可以充分了解預成形模具，證明該類鍛造操作的有效性，解決更多預成形模具成形中遇到的問題。通過實際對比和不同的參數(shù)分析來制定問題解決方式，這對于后續(xù)預成形模具設計改造具備積極作用，從而保證預成形模具設計效果，維護相關(guān)行業(yè)合理發(fā)展。