基于DEFORM－3D的鍛壓數(shù)值仿真分析

田靜

（甘肅省特種設(shè)備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050）

多年來，鍛造行業(yè)概念不清，學(xué)術(shù)概念與行業(yè)概念混淆。隨著鍛造工業(yè)的發(fā)展，鍛造工業(yè)的概念越來越清晰，這也是鍛造工業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)志。在發(fā)達國家，鍛造業(yè)是鍛造、沖壓、鈑金和制造業(yè)的總稱。一種成形加工方法，是利用鍛壓機械的錘、砧座、沖頭對坯料施加壓力產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需零件的形狀和尺寸［1-10］。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鍛造工藝得到了穩(wěn)步的改進，被加工零件的內(nèi)在質(zhì)量性能、形狀復(fù)雜度和尺寸精度都有了很大的提高［11］，已突破了毛坯鍛造，正向部分或全部取代切削加工的方向發(fā)展，如鍛壓工藝與磨削工藝相結(jié)合將取代大部分的切削加工。沖壓和鈑金是金屬板材、管材和型材塑性加工的基本方法之一。它是一種利用沖壓和鈑金設(shè)備提供動力的加工工藝，借助模具控制坯料變形，使坯料按預(yù)期要求變成產(chǎn)品零件［1］。在壓力設(shè)備和工（模具）的作用下，坯料或鋼錠產(chǎn)生部分或全部塑性變形，以獲得一定的幾何尺寸和形狀的加工方法稱為鍛造。鍛造是將金屬加熱或不加熱，在一個力的作用下形成形狀的一種加工方法，俗稱“鑄鐵”。制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要支撐產(chǎn)業(yè)，而鍛壓作為制造業(yè)的重要加工技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、武器、船舶、鐵路等各個領(lǐng)域［1］。鍛造作為金屬加工的主要方法和手段，在當(dāng)今的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)中起著舉足輕重的作用。它是裝備制造領(lǐng)域不可缺少的主要加工技術(shù)，特別是在機械、汽車、軍工、航空、航天等行業(yè)［12］。目前，鍛壓設(shè)備和技術(shù)水平有了很大的提高，鍛壓行業(yè)的競爭力也得到了提升，部分技術(shù)達到了世界先進水平。數(shù)字模塊主要包括鍛造工藝剛粘塑性有限元分析、數(shù)值模擬、鍛造模CAD/CAM、伺服系統(tǒng)數(shù)字化、鍛造設(shè)備控制系統(tǒng)數(shù)字化等［11-12］。

本文運用科學(xué)合理的研究方法,利用現(xiàn)代工業(yè)的重要輔助工具計算機技術(shù)，通過對塑性變形過程進行數(shù)值仿真。基于工業(yè)生產(chǎn)對鍛件的要求，要想獲得相關(guān)的力學(xué)參數(shù)，傳統(tǒng)的方法是采用工程法計算，計算量巨大，計算過程復(fù)雜，有較強的局限性，并且易導(dǎo)致結(jié)果誤差較大。計算機數(shù)值仿真技術(shù)的興起，解決了諸如熱擴、軋制、鍛造以及板料成形等各種塑性加工領(lǐng)域的問題［13-14］。通過大型商業(yè)有限元軟件對塑性變形過程進行數(shù)值仿真，獲得了工件鍛壓過程的變形及各時刻參數(shù)變化的規(guī)律，為變形工藝的制定提供參考，對工件的失效做出有效的預(yù)測，打破了一直以來傳統(tǒng)的以經(jīng)驗判斷的局面。

本文運用大型商業(yè)有限元軟件DEFORM-3D，研究了工件鍛壓的變形過程以及其等效應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律，得出了較好的成形工藝，并驗證了仿真的準(zhǔn)確性。

1 建模與仿真條件

本文采用簡化的鍛壓結(jié)構(gòu)，模擬其金屬塑性成形過程。選取材料為1035號鋼。

1.1 建立三維模型

將模型簡化為工件、上模具、下模具組成，如圖1所示。工件采用四面體實體單元，材料類型為塑性。通過多次網(wǎng)格劃分，最終劃分5000個網(wǎng)格時結(jié)果較合理。上下模具分別定義為剛體，不需劃分網(wǎng)格，同樣也不需要定義材料特性。

圖1 鍛壓模型

1.2 設(shè)置物體溫度

鍛壓初始溫度、工件與模具的溫度為68°F(華氏溫標(biāo))，即為20℃（攝氏溫標(biāo)）。

1.3 設(shè)置模具的運動

鍛壓過程中，上模具以一勻速1in/s向下模具移動，下模具固定，上下模具間的工件，在上模具向下的移動中被鍛壓變形。

1.4 仿真控制條件設(shè)置

本文采用國際單位制和增量形式計算，加工模式為變形，步長數(shù)20，增量存儲為2，模擬步數(shù)相隔0.15in。設(shè)定接觸條件時，分別設(shè)定上模具與工件、下模具與工件之間的摩擦系數(shù)為0.12。對于接觸容差的設(shè)定，如果公差太大，模具上接觸點太多，會導(dǎo)致工件網(wǎng)格變形。反之，如果公差太小，模具就不會與工件接觸［15］。所以在鍛壓過程中，取接觸容差值為0.0112in。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 變形過程

在鍛壓過程中，上模具勻速向下運動，下模具保持靜止，工件分別受到來自上模具的軸向和徑向作用力，在此作用下，最終實現(xiàn)鍛壓塑性變形，各時刻的變形仿真如圖2所示。從數(shù)值仿真結(jié)果可以得出，隨著鍛壓步數(shù)的增加，鍛壓過程實際上就是上模具向工件壓縮，致使工件軸向壓縮和徑向擴張的過程。

圖2 鍛壓變形

2.2 等效應(yīng)變場和等效應(yīng)力場分析

圖3、圖4為鍛壓工件的等效應(yīng)變分布圖。分別以等效應(yīng)變顯示圖與等高線顯示的形式展現(xiàn)。從圖中可以看出，第16步原來的矩形工件塊體兩端有向鼓形發(fā)展的趨勢，第20步效果更明顯。由于摩擦力的作用，工件與模具接觸的部分等效應(yīng)變最小，中間部分等效應(yīng)變變化較小，接近一常值。邊界上等效應(yīng)變值變化比較大。以上情況在實際鍛造中都會發(fā)生，充分說明了仿真的準(zhǔn)確性。

圖3 鍛壓工件的等效應(yīng)變分布圖

圖4 鍛壓工件的等效應(yīng)變分布圖

2.3 溫度場分布分析

從圖5鍛壓工件的溫度場分布圖中可以看出，此鍛壓工藝為等溫鍛壓。溫度不變，工件只受到向下的擠壓。

圖5 鍛壓工件的溫度場分布圖

3 結(jié)論

基于DEFORM-3D的鍛壓過程數(shù)值仿真，直觀地反映了鍛壓的變形過程，分析了等效應(yīng)變、溫度場下的各種變形狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)的變化規(guī)律對掌握鍛壓變形、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、確定合理的成形工藝等提供了指導(dǎo)作用。