Simufact在自由鍛造上的應用

文／王傳輝，李光杰·西模發特信息科技（上海）有限公司

Simufact在自由鍛造上的應用

文／王傳輝，李光杰·西模發特信息科技（上海）有限公司

由于具有高度靈活性、簡單和成本效益的優勢，漸進成形工藝在鍛壓行業中被廣泛地應用。對于大工件和小批量產品來說，漸進成形工藝是最恰當的成形工藝。漸進成形工藝主要分為兩個方面：一方面是各種不同的軋制工藝；另一方面是不同類型的開坯鍛、徑向鍛造和殼體鍛造（芯棒拔長、馬杠擴孔）。本文側重于探討仿真軟件在后者的應用。

成形過程仿真是一種有效的工藝設計和優化方法。通過仿真模擬，可以減少昂貴且費時的生產試驗，從而減少產品的開發時間和成本。在過去，仿真軟件在進行漸進成形模擬時，為反映漸進成形過程的特性，需要對三維模型進行大量的增量計算，所需時間非常長。如今，隨著電腦計算能力的提升，這個限制因素幾乎不存在了。但自由鍛模擬仿真仍然有兩個挑戰：一是復雜的自由鍛，往往無法完全預先定義機構的運動過程；二是自由鍛完成后工件的材料性能預測。尤其是開坯鍛，不僅要得到某種形狀的工件，而且還要達到所需要的材料性能，比如材料的晶粒尺寸、相組成及去除先前由鑄造所產生的氣孔、孔隙、縮孔、氣泡（以下統稱為氣孔）等缺陷。

對漸進體積成形過程仿真的建模

Simufact.forming是一個商業軟件包，致力于不同類型金屬成形仿真模擬。根據工藝的物理特性，該軟件提供基于有限元法（使用加強版的MSC.Marc通用求解器）或拉格朗日—歐拉耦合的有限體積法（使用定制版的MSC.Dytran求解器）的求解算法。要注意的是，對所有類型的漸進成形仿真均應選擇隱式有限元求解器。

基于大應變和大變形的彈塑性公式，Simufact求解器能夠很精確地計算工件材料的大平移和旋轉動作，可以逼真地模擬工件的所有運動。完全的熱力耦合分析可以充分考慮彈塑性材料的特性，進行模具夾緊、釋放的仿真。采用本構模型，保持體積的恒定性，即使在模擬數以千計的計算增量步后，只會發生很小的體積偏差。在工件的網格劃分時，最好是采用完全集成的六面體單元，因為該類型的單元在最低的計算成本下能產生最好的結果。

運動的定義和控制

采用有限元軟件分析漸進成形過程通常需要考慮模具的平移和旋轉的速度。這其中包含兩個難點：一是由于工藝過程通常包含了各種不同的機械手和模具運動，有時鍛造過程中還有熱傳遞存在，如果使用傳統仿真模擬方法，則會造成非常繁瑣的進料和速度定義；二是完整的運動不是能預先定義好的，而是在過程中控制的結果。例如，在一道次成形過程中，鍛錘的擊打次數，常取決于改變后的工件長度，這是最初不能確定的。鑒于此，Simufact.forming開發了一個強大的運動模塊。一方面它使用以實際機器設置為導向的高階設置來快速和簡單地定義一個運動過程。另一方面它包含一個基于當前進程的狀態，對進料和速度進行閉環控制。這個閉環控制是與有限元求解器完全集成在一起的，避免了仿真模擬計算時在后處理、前處理和求解器之間持續的低效率跳躍，并能根據需要隨時關閉控制環路。開坯鍛以及類似的工藝所需要的不是在每次計算變量中連續控制選定的模具，而是以一次錘擊或擠壓后獲得的中間結果為基礎，來定義流程的下一步驟，這就需要由求解器本身自我控制輸入求解結果來完成。

圖1 馬杠擴孔運動設置

在設置仿真模型時，運動模塊定義就如設置壓力機的參數一樣，不過它提供了更多的設置參數。首先選擇工藝種類，如開坯鍛、徑向鍛造、芯棒拔長、馬杠擴孔等工藝。其次是與設備相關的設置，對相關的幾何體進行命名，如上砧、機械手等。還有就是定義移動方向、速度、夾持長度、最大夾持力和其他類似的參數。圖1所示為馬杠擴孔運動設置實例，圖中過程定義設置包括道次數、最終的高度、行程、旋轉和道次模式以及類似參數的定義；流程定義一般包括加熱、傳送、再加熱和冷卻時間等。

基于上述這些設置，仿真軟件即可自動控制漸進成形過程的每個操作步驟所需的進料和速度，不需要用戶進一步的控制。Simufact.forming的很多其他模擬仿真運算也采用了類似原理，像將設備和機械手的彈性考慮進去的彈簧控制模具、自由浮動的模具和芯棒、模具的熱傳導或變形等。圖2為徑向鍛造過程實例。

圖2 徑向鍛造實例

模擬微觀組織

鍛造模擬技術其中一個發展方向為微觀組織結構的預測。對鋼鐵材料而言，主要體現在對晶粒尺寸和相組成變化的模擬上。現在對漸進體積成形過程微觀組織結構進行模擬時，仍有兩個局限性：一是所使用的材料模型及其實驗參數的確定，必須考慮長時間、反復的機械和熱的加載及卸載；二是微觀組織模擬所使用的網格劃分必須足夠細致。漸進成形過程往往由簡單的幾何形狀、鍛造力、溫度和應變組成，使用相對稀疏網格劃分即可預測，并可保持合理的計算時間。然而這些劃分稀疏的網格未必適用于微觀組織模擬。因此，當漸進體積成形過程模擬包含微觀組織模擬時，必須通過嚴格的實驗來驗證仿真結果。

模擬氣孔減少

文獻中有微觀和宏觀兩種不同的方法來模擬成形過程中氣孔的減少。微觀方法模擬每個氣孔的幾何變化；宏觀方法則不考慮單一氣孔，而是通過宏觀描述的氣孔分布和大小的關鍵圖形，來評估整體的氣孔情況。

Simufact.forming使用一種新開發的宏觀方法來模擬氣孔減少：基于方程式⑴的簡化本構方程，氣孔被描述為成形過程中改變的材料相對密度。

式中ρr為相對密度，ρ0為初始相對密度，σm是從分析中獲得的靜水壓力，Pmax是使所有氣孔閉合所需的最大靜水壓力。相對密度范圍的有效值是從0到1。一旦相對密度達到1，則代表所有的氣孔閉合并且材料完全凝結。即使過程中靜水壓力再次減小，相對密度也不減小。

初始相對密度是建模的一個初始條件，它可以被均勻定義或采用鑄錠的典型分布來定義。氣孔閉合所需的最大靜水壓力，是模擬氣孔減少時唯一需要確定的材料參數。當前的靜水壓力是從分析中獲得的，因此，在一些實驗結果的基礎上，該模型可以方便地校準。如果需要的話，還可以另外指定最低靜水壓力，包括使氣孔減少前所需的最低應力水平。

像所有的宏觀方法一樣，仿真時所采用的相對密度模型，是假設氣孔的初始大小和數量為均勻的，并不考慮因氣孔變形所導致的各向異性效應；同時假設相對密度和屈服應力與其他材料參數無關，忽略氣孔在熱鍛中對材料性能的影響并認為在模擬仿真時材料性能不發生改變。

應用案例

圖3為初始溫度為1280℃的16CrMo4鋼的開坯鍛模型，初始模型由10200個六面體單元組成，在經過6個道次89次擊打后，坯料的初始截面積由102mm×102mm減少至約70mm×70mm，同時長度從620mm增加至1135mm左右，400mm的工件額外長度不參與變形。使用單核的Intel Xeon CPU X5660@2.80GHz計算，耗時約20h。若使用多核并行計算可以大大減少計算時間。圖4為模擬結束時的鍛件溫度分布。

圖5中上圖所示為用戶定義的初始相對密度，從中可以看出工件的外層部分沒有氣孔，氣孔都集中在工件的中心，這是典型鑄錠的情況。在開坯鍛的過程中相對密度增加，這意味著當材料凝結時，氣孔變小并且數量減少。但在這個例子中，所施加的成形力并不足以使所有氣孔閉合。靜水壓力使工件中心的氣孔開始閉合，但是最大靜水壓力沒有達到使所有氣孔都能閉合的最小值時，工件中心的相對密度仍低于1，最終相對密度如圖5中下圖所示。

圖3 開坯鍛模型

圖4 模擬結束時溫度分布

圖5 初始和最終的相對密度分布

結束語

本文闡述了漸進體積成形過程模擬的兩大挑戰：模型中運動的定義和控制以及最終工件材料性能的預測。Simufact.forming的運動模塊已經可以使用以實際設備設置為導向的高階設置來有效地定義運動過程。此外，該模塊還包括閉環過程控制仿真，不必預先定義全部的進料和速度。基于相對密度的變化來預測成形過程中的氣孔減少這種方法只使用一個材料參數，模擬校準時非常簡單，此方法并不局限于特定的工藝或材料，它的應用范圍非常廣泛。