仿真模擬與物理成形相結合的葉片鍛造實驗

郭平義， 邵 勇， 金云學， 黃忠富， 石鳳健

(江蘇科技大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮江 212003)

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仿真模擬與物理成形相結合的葉片鍛造實驗

郭平義， 邵 勇， 金云學， 黃忠富， 石鳳健

(江蘇科技大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮江 212003)

針對鍛造類實驗教學開展的困難，提出了基于仿真模擬與物理成形相結合的葉片鍛造及其輔助成形的實驗教學模式。開發了較為完善的葉片鍛造成形實驗裝置，并設計了豐富多樣的實驗教學內容及課后任務形式。實驗項目教學活動的開展有利于學生更好地理解及掌握復雜金屬成形制坯、鍛造及沖切方面的專業知識及工裝設計方法，豐富了相關課程內容的教學方式及手段，所開發的實驗裝備及實驗課程內容經實際教學過程檢驗，取得了較好的運行及教學效果。

葉片； 鍛造成形； 實驗研究； 模具設計

0 引 言

鍛造成形作為金屬塑性加工領域重要的成形工藝方法之一，一直是材料塑性成形及相關本科專業的主干課程內容[1-4]，針對塑性成形課程的教學及實驗方面的教學改革是本科專業教學及人才培養的必要保證[5-12]。然而，受限于成形設備能力不足，工裝設計及制造較為復雜，成形過程較為繁瑣，實驗課程教學開展困難等因素[13]，針對復雜結構鍛件的鍛造工藝設計及其成形過程方面的實驗教學內容鮮有設置，直接導致鍛造工藝內容的理論教學部分弱化，總體教學效果難以達到較高水平。

與沖壓成形相比，鍛造成形工藝更加復雜，并且實際操作過程常伴有一定的危險性。一個普通的鍛件成形過程往往需要專門的主壓力設備及輔助沖壓設備、鍛件加熱及溫控系統、鍛造及配套成形模具、鍛造潤滑及其他清理工序等，因此，鍛造類實驗的開展需要具備一定的硬件條件。其次，一個完整的鍛造成形實驗，其過程準備、操作及輔助成形時間往往較長，在有限教學課時的情況下，實驗內容無法深入開展。如：鍛造模具大多較重，其安裝、調整、拆卸均十分不便；熱加工過程坯件需要一定的預熱時間等。另外，金屬塑性流變特點及分析是本類實驗關注的重點，而金屬實際成形過程速度往往較快，且主要發生于閉合模腔內部，無法直接觀察；現有實驗條件下只能從制件的成形結果反推其演變歷史，對制件在成形過程中的任意時刻、任意位置處的變形狀況難以進行準確評估，因而無法獲得量化的實驗數據；實驗中獲取的有價值信息與實驗開展所投入的資源相比顯得較少，實驗項目在開展模式上有待優化。

上述因素給鍛造類實驗課程的開展帶來了一定困難，使得此類教學實驗項目少，且大多以演示性、驗證性為主，學生往往無法親自動手實踐或每個實驗小組只有個別學生能夠參與實際操作，極大限制了學生的主觀能動性和參與性，客觀上造成了學生學習熱情不足，實驗結果數據單一，學生實驗報告數據抄襲、代做，成績考核無法真實體現個體的差異性，難以達到預期教學效果等等。

針對上述問題并結合多年的實驗教學經驗積累，同時考慮到高校現有壓力加工設備噸位較小、自動化程度低、精度差的不足，本教研組在63 t通用曲柄壓力機上對復雜航空發動機葉片制件的鍛造模具及配套切邊模具進行了研制與開發，并提出了物理成形與仿真模擬相結合的葉片鍛造及切邊成形實驗教學模式，為此類實驗教學項目的開展及改革提供了有益嘗試。

1 葉片鍛造實驗項目開發及過程設計

葉片鍛造過程較為復雜[14-15]，其完整的成形過程涉及制坯、模鍛及沖切等變形工步，相關模具的結構設計、成形過程演示等均有較好的實驗教學示范性和工程實用性，能全面系統的體現鍛造工藝特點及要求。本實驗葉片鍛件產品外形如圖1所示，其最大外廓尺寸約為70 mm×28 mm×28 mm，水平投影面積約9 200 mm2；壓力設備、葉片鍛造及配套切邊模具如圖2所示。

圖1 葉片鍛件形狀圖2 葉片鍛造設備及相關模具

隨著計算機軟硬件的迅速發展和金屬塑性成形理論的成熟，基于數值模擬的計算機輔助工程技術在金屬塑性成形領域得到了廣泛應用，并逐漸成為行業內的主流。利用數值模擬方法可以動態、實時地獲得材料成形過程中各種場量參數以及金屬流變規律，預測制件成形的組織及缺陷，為分析材料成形及相關工藝設計提供了強有力的工具。通過把數值仿真模擬技術與現有的物理成形實驗相結合，可以實現優勢互補，預期教學效果突出：首先，利用仿真模擬技術可以對金屬成形過程中相關參數實現可追溯的定量分析，這有利于全面分析材料的變形歷史及行為特征。在此基礎上，通過實際的物理成形實驗進行驗證，并與仿真模擬結果進行分析、比較，將使學生對整個實驗的認識及理解更加全面及深入。其次，基于數值模擬平臺，通過靈活改變壓力加工成形參數或坯料結構參數等方式，可以分析不同成形條件下材料的變形行為，進而可以為每個學生定制獨立的實驗任務，為每個學生創造參與分析問題、解決問題的必要條件，使他們真正獲得專業實踐方面的鍛煉及能力。最后，仿真模擬與物理實驗相結合的學習模式，符合本專業科學研究的基本規律，實驗教學方式的改革將有助于培養學生的科研意識，掌握必要的科研方法，提升了學生的創新意識與創新能力，實現了培養跨學科人才的目標，具有一定的推廣及應用價值。為此，本實驗教研組對葉片鍛造及切邊成形所涉及的物理實驗過程進行了仿真建模及模擬，開發了基于計算機系統的葉片鍛造及切邊成形過程演示、工藝分析實驗平臺，為實現物理實驗與數字化教學相結合提供了必要的軟件基礎。

在具體實驗課的教學內容及過程設計上，指導教師可在課前預先將整個模具安裝調試好并固定在壓力機上，所需要的葉片鍛件在成形過程中各階段的成形樣件也預先制備好，進而節省了輔助工序操作時間。課堂上，通過講授并輔以仿真系統對成形模具及模架進行虛擬裝配及固定演示，對葉片的制坯、鍛造、切邊過程等進行成形模擬，并著重分析葉片成形過程中的模腔充填情況，材料的流動變形情況，缺陷的產生及分布情況等，使學生們詳細了解實驗內容及流程，并對實驗結果有所認識。在此基礎上，通過實際的物理成形實驗獲得各階段成形樣件，并與模擬仿真結果相比較，評估它們之間的成形差異并分析其中原因。最后，給出一定的結論并預留相關問題供學生課后尋找答案。在實驗報告及評分考核環節上，可充分利用仿真模擬的優勢，通過改變不同成形材料、不同成形工藝參數、不同預成形坯件形狀等，來訂制個性化的課后任務，使學生們既可以圍繞鍛造成形工藝這一主題相互學習和交流，又避免了實驗報告任務及內容的雷同，真正讓每個同學都參與到實驗中來并掌握到相關的專業知識。

2 教學效果

目前，本實驗項目已在我校材料成型及控制工程專業的“塑性加工工藝及模具設計”以及金屬材料專業的“金屬塑性加工學”專業課程的課內實驗中進行了初步嘗試，收到了良好的教學效果，具體體現在：

(1) 仿真模擬實驗的引入改變了以往實驗繁雜、拖沓的操作過程，整個課程組織有序、緊湊；仿真成形結果穩定可靠、波動小，有利于理論知識的講授。

(2) 由于可以全方位、多角度觀察、分析葉片的鍛造過程，學生的學習興趣和熱情顯著提高，能主動提出問題，參與思考及交流的學生有所增多，學生對專業知識的理解及領悟更加透徹。

(3) 仿真模擬技術的利用極大豐富了教學內容的深度與廣度，并給學生們提供了充分學習及實踐的廣闊空間，靈活多變的課后任務調動起了學生的自主參與性，消極怠工現象減少，教學效果明顯改善。

圖3是學生們在實驗課堂上鍛造的不同形狀葉片鍛件及對應的成形數值模擬分析結果。

圖3 物理成形及仿真模擬的葉片鍛件

3 結 語

本實驗項目教學活動的開展有利于學生更好地理解及掌握復雜金屬成形制坯、鍛造及沖切方面的專業知識及工裝設計方法，豐富了相關課程內容的教學方式及手段，所開發的實驗裝備及實驗課程內容經實際教學過程檢驗，取得了較好的運行及教學效果，所提出的實驗教學改革思路及方法具有一定的推廣意義。

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Research on Blade Forging Experiment Combining Physical Forming Process and Computer Simulation

GUOPing-yi,SHAOYong,JINYun-xue,HUANGZhong-fu,SHIFeng-jian

(School of Material Science and Technology, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Facing on difficulties of experimental teaching, a new experimental teaching mode based on combining physical forming process and computer simulation has been presented. Then, the sufficient equipment used for blade forging experiment has been developed. Diverse experimental teaching contents and private works have been established for the success in the future experimental teaching operation. The developed project will broaden the teaching mode and way of relative courses. It will also make students deeply comprehend and grasp the knowledge about the metal forming process and technological design with complicated shape including preform, forging and stamping aspects. The suggested experimental courses and equipment have been evaluated by actual teaching stage, and it confirms that a better teaching and operation effects have been achieved finally.

blades; forging process; experimental research; die design

2015-04-21

國家自然科學基金青年項目(51201073,51005150)；江蘇科技大學自制實驗教學儀器設備項目(ZZ1305)

郭平義(1978-)，女，湖北天門人，副教授，主要從事材料表面處理方面研究。Tel.：15052919636；E-mail：32615000@qq.com

G 642.0

A

1006-7167(2016)04-0216-03