數(shù)值模擬技術(shù)在鍛造節(jié)材中的應(yīng)用

文／徐皓，黃樂明·安徽安簧機(jī)械股份有限公司

數(shù)值模擬技術(shù)在鍛造節(jié)材中的應(yīng)用

文／徐皓，黃樂明·安徽安簧機(jī)械股份有限公司

數(shù)值模擬技術(shù)在國外的鍛造行業(yè)已經(jīng)是一個(gè)普及化的概念，通過預(yù)先的模擬過程可以大大縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期、降低新產(chǎn)品的試模時(shí)間和開發(fā)成本。上述這些只是利用數(shù)值模擬手段得到的好處之一，更大的好處是通過數(shù)值模擬可以對(duì)現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品或拳頭產(chǎn)品進(jìn)行工藝優(yōu)化，最大限度地降低其生產(chǎn)成本，提高模具使用壽命和材料利用率，增強(qiáng)企業(yè)自身的競(jìng)爭(zhēng)力。鍛造行業(yè)的企業(yè)家們應(yīng)審時(shí)度勢(shì)，共同來探討如何利用數(shù)值模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)的降本增效，從而達(dá)到利用最少的資源而使利益最大化的目標(biāo)。也許企業(yè)家們都有自己獨(dú)特的見解或各種各樣的觀點(diǎn)，本文僅以鍛壓行業(yè)目前主流的DEFORM-3D模擬軟件為例介紹一下數(shù)值模擬技術(shù)在鍛造節(jié)材中的應(yīng)用，意在為廣大讀者起到拋磚引玉的作用。

DEFORM-3D模擬軟件簡(jiǎn)介

隨著IT產(chǎn)業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，從而產(chǎn)生了一大批數(shù)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(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用把“打鐵”提高到了一個(gè)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(xué)成形技術(shù)公司(Science Forming Technology Corporation）專為生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用而設(shè)計(jì)開發(fā)，使用起來特別簡(jiǎn)便。二十多年來的工業(yè)實(shí)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(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，模擬引擎在大變形金屬流動(dòng)、行程載荷和產(chǎn)品缺陷預(yù)測(cè)等方面同實(shí)際生產(chǎn)相符，保持著令人嘆為觀止的精度。

DEFORM模擬軟件在一個(gè)集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進(jìn)行模擬仿真分析，適用于熱、冷、溫成形，可提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)，如材料流動(dòng)、模具填充、鍛造負(fù)荷、模具應(yīng)力、晶粒流動(dòng)、金屬微結(jié)構(gòu)和缺陷的產(chǎn)生及發(fā)展情況等。DEFORM模擬軟件無需試模就能預(yù)測(cè)工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的金屬流動(dòng)情況，是降低制造成本、縮短研發(fā)和生產(chǎn)周期的一款高效實(shí)用的工具。

DEFORM-3D模擬軟件的處理對(duì)象為復(fù)雜的三維零件、模具等，典型的DEFORM-3D模擬軟件的應(yīng)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(shí)際生產(chǎn)中的一個(gè)應(yīng)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(yīng)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(fù)雜系數(shù)為S2級(jí)，且不允許有裂紋、折疊、凹陷等鍛造缺陷。此類產(chǎn)品開發(fā)伊始我公司使用Pro/E設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)預(yù)鍛、終鍛模具模型，產(chǎn)品開發(fā)成功后各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均滿足客戶要求，鍛件材料利用率為74.32%。雖然產(chǎn)品開發(fā)成功了，但追求技術(shù)進(jìn)步是無止境的，我公司技術(shù)人員并沒有停留在產(chǎn)品開發(fā)成功的滿足中，他們針對(duì)公司現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備和成熟的熱鍛工藝改進(jìn)了模具和工藝方案，利用DEFORM-3D模擬軟件強(qiáng)大的數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)改進(jìn)后的模具和工藝方案進(jìn)行熱鍛成形模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果不斷優(yōu)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(xiàn)將此次優(yōu)化過程簡(jiǎn)述如下：

圖1 球銷類鍛件

圖2 優(yōu)化后的坯料

圖3 鐓粗預(yù)鍛成形模具的上模

圖4 鐓粗預(yù)鍛成形模具的下模

初步綜合考慮鍛件形狀結(jié)構(gòu)及現(xiàn)有工藝，以想方設(shè)法提高材料利用率為基本出發(fā)點(diǎn)，增加鐓粗預(yù)鍛成形模具，坯料由原先的φ75mm×140mm的圓形棒料(重量約4.84kg）優(yōu)化更改為φ50mm×260mm的圓形棒料(重量約3.997kg），加熱設(shè)備為中頻加熱爐(DEFORM-3D模擬軟件中涉及的參數(shù)為坯料溫度及模具初始溫度，環(huán)境溫度可以使用系統(tǒng)默認(rèn)值）。打開DEFORM-3D模擬軟件進(jìn)入前置處理程序(DEFORM-3D前置處理程序的設(shè)置所占用的操作時(shí)間占到用戶整個(gè)操作時(shí)間的80%），首先進(jìn)行模擬參數(shù)中的單位設(shè)置(英制和公制任選，這一步尤其重要，一定要保證輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性，否則要進(jìn)行相應(yīng)單位值的轉(zhuǎn)換），然后再導(dǎo)入優(yōu)化后的坯料(圖2）與增加的鐓粗預(yù)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(jìn)行網(wǎng)格劃分設(shè)置，網(wǎng)格劃分值越小，模擬結(jié)果越準(zhǔn)確，但需要注意的是模擬計(jì)算時(shí)間也越長(zhǎng)，操作時(shí)要根據(jù)自己的實(shí)際情況做相應(yīng)的取舍。實(shí)際移動(dòng)中的模具請(qǐng)勾選Primary Die選項(xiàng)。鍛造設(shè)備可以在DEFORM-3D模擬軟件自帶的設(shè)備庫中選擇(避免煩瑣的設(shè)備參數(shù)設(shè)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(diào)整模具和坯料的相對(duì)初始位置，也可以在自己熟悉的模型設(shè)計(jì)軟件(如CATIA、UG、Pro/E、SolidWorks等）中調(diào)整坐標(biāo)位置后再導(dǎo)入DEFORM-3D模擬軟件。然后添加接觸關(guān)系(選擇Inter→Object Realationships命令），根據(jù)實(shí)際情況填寫模具與坯料間的摩擦力。最后，設(shè)置符合實(shí)際情況的模擬條件，其中模擬總步數(shù)是根據(jù)模具行程距離除以每一步的移動(dòng)數(shù)值得出的，而每一步的移動(dòng)數(shù)值建議取網(wǎng)格尺寸值的1/3(網(wǎng)格尺寸值可通過單擊按鈕測(cè)量）。鐓粗預(yù)鍛成形前置處理程序的設(shè)置如圖5所示，保存好參數(shù)設(shè)置，生成*.DB數(shù)據(jù)文件。若在生成*.DB數(shù)據(jù)文件過程中有錯(cuò)誤信息提示，請(qǐng)參照信息提示對(duì)以上所涉及的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)更改。待最終生成*.DB數(shù)據(jù)文件后，保存并退出前置處理程序。

圖5 鐓粗預(yù)鍛成形前置處理程序的設(shè)置

圖6 鐓粗預(yù)鍛成形的解算

從前置處理程序退出后，選擇Simulator→Run命令進(jìn)行鐓粗預(yù)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(jìn)入后置處理程序，觀察鐓粗預(yù)鍛成形的模擬結(jié)果。根據(jù)模擬結(jié)果的滿意程度，決定是否對(duì)鐓粗預(yù)鍛成形模具進(jìn)行優(yōu)化修改。

圖7 預(yù)鍛成形過程中

圖8 預(yù)鍛成形完成后

圖9 優(yōu)化后的終鍛成形模具的上模

圖10 優(yōu)化后的終鍛成形模具的下模

圖11 終鍛成形模擬結(jié)果

然后，利用鐓粗預(yù)鍛成形模擬后的鍛件毛坯進(jìn)行預(yù)鍛成形的模擬，所有操作均參照鐓粗預(yù)鍛成形的相應(yīng)步驟進(jìn)行，在此不再贅述。預(yù)鍛成形的模擬結(jié)果如圖7、8所示。

最后，利用預(yù)鍛成形模擬后的鍛件毛坯進(jìn)行終鍛成形的模擬，導(dǎo)入優(yōu)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(yù)鍛成形的相應(yīng)步驟進(jìn)行，在此不再贅述。終鍛成形的模擬結(jié)果如圖11所示，實(shí)際生產(chǎn)的鍛件樣件如圖12所示。

圖12 實(shí)際生產(chǎn)的鍛件樣件

結(jié)束語

利用DEFORM-3D模擬軟件在計(jì)算機(jī)上即可模擬整個(gè)鍛造過程，并且還可以對(duì)現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品或拳頭產(chǎn)品進(jìn)行工藝優(yōu)化，能夠最大限度地降低鍛件的生產(chǎn)成本。以本文中所講述的應(yīng)用案例為例，該鍛件的材料利用率由優(yōu)化前的74.32%提高至90%，模具的使用壽命由優(yōu)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(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力得到了進(jìn)一步的增強(qiáng)。本文僅以此利用DEFORM-3D模擬軟件的節(jié)材應(yīng)用實(shí)例給廣大讀者起到拋磚引玉的作用，DEFORM-3D模擬軟件強(qiáng)大的功能和操作技巧還有待于大家在使用中摸索發(fā)現(xiàn)。