數(shù)值模擬技術(shù)在自由鍛工藝上的應(yīng)用與實(shí)踐

自由鍛以其靈活的鍛造方式被廣泛應(yīng)用在金屬開坯和模鍛預(yù)制坯過程中。現(xiàn)在已經(jīng)有愈來愈多的技術(shù)人員采用DEFORM軟件進(jìn)行自由鍛模擬仿真。在求解大塑性變形問題上，DEFORM已經(jīng)有近三十年的歷史實(shí)踐。通過有限元軟件應(yīng)用，可以幫助用戶分析各種工況下金屬的成形過程、預(yù)測(cè)成形載荷和缺陷、實(shí)現(xiàn)效益最大化、助力企業(yè)在智能制造方面的提升。本文針對(duì)自由鍛成形特點(diǎn)，著重介紹DEFORM軟件在自由鍛方面的應(yīng)用，并結(jié)合具體算例介紹其功能實(shí)現(xiàn)。

背景介紹

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)智能化的提升，應(yīng)用有限元仿真技術(shù)進(jìn)行金屬成形工藝的優(yōu)化分析已成為一種普遍現(xiàn)象。DEFORM有近三十年的工業(yè)實(shí)踐，應(yīng)用DEFORM進(jìn)行自由鍛工藝的模擬仿真，可以提高工藝穩(wěn)定性、減少潛在缺陷、提高產(chǎn)品合格率。DEFORM具備多年體積成形模擬經(jīng)驗(yàn)，在金屬大塑性變形領(lǐng)域有著廣泛而深遠(yuǎn)的影響。

自由鍛可以破碎大晶粒，使鑄坯中粗大的樹枝晶組織破碎為細(xì)小均勻的鍛造組織，同時(shí)得到有一定要求的鍛造形狀。因其靈活的加工方式，自由鍛被廣泛應(yīng)用在金屬開坯和預(yù)制坯加工制造中。金屬在不同工序成形過程中，對(duì)于金屬的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變場和微觀組織分布來講，上一道工序?qū)竺婀ば虻淖冃瓮幸欢ㄟz傳作用。為充分了解這些遺傳作用，從變形的初期就開始分析金屬的變形情況，追蹤其變形歷史具有十分重要的意義。

DEFORM自由鍛應(yīng)變模擬

應(yīng)變體現(xiàn)了金屬鍛造過程中的變形量，是金屬成形中一個(gè)非常重要的場變量。應(yīng)變直接影響了微觀組織的演變，而在實(shí)際鍛造過程中，應(yīng)變通常無法用實(shí)驗(yàn)的方式實(shí)際測(cè)得。為能有效評(píng)估各工藝參數(shù)對(duì)微觀組織的影響，可采用有限元分析軟件DEFORM進(jìn)行分析。計(jì)算整個(gè)鍛造過程中各工藝參數(shù)下的應(yīng)變變化及分布情況。

影響自由鍛成形質(zhì)量的因素有很多，比如壓下量、工件尺寸、材料屬性、溫度梯度、鍛打軸向進(jìn)給量及上砧寬度等。通過DEFORM自由鍛工藝數(shù)值模擬，可幫助工藝人員更加全面的了解各工藝參數(shù)對(duì)金屬變形情況的影響，評(píng)估裂紋、折疊等缺陷的產(chǎn)生情況，提高工藝制定的可靠性與穩(wěn)定性。

鍛錘沿長度方向?qū)ε髁线M(jìn)行了一道次的拔長鍛打，鍛錘對(duì)其施加了三種不同壓下量，縱截面和橫截面應(yīng)變的分布情況如圖1和圖2所示。通過自由鍛過程的模擬，可定量確定自由鍛過程中的應(yīng)變分布情況，從應(yīng)變圖中可以看出較大的鍛打量會(huì)造成坯料心部有較大應(yīng)變值。

圖1 不同鍛打量縱截面等效應(yīng)變分布對(duì)比

圖2 不同鍛打量橫截面等效應(yīng)變分布對(duì)比

在實(shí)際生產(chǎn)中，常常進(jìn)行多道次的鍛打以實(shí)現(xiàn)最終的產(chǎn)品形狀和獲得最終組織狀態(tài)。圖3和圖4所示為某坯料一次和多道次鍛打拔長工藝模擬，初始工件截面為20in×20in方形，最終截面尺寸為17in×17in。兩圖中(b)的工藝每次鍛打變形量為0.5in，每道次后工件旋轉(zhuǎn)90°；(a)中工藝每次鍛打變形量為3in，每道次后工件旋轉(zhuǎn)90°。通過對(duì)比可以看出，兩種鍛打參數(shù)均可以得到截面為17in×17in的坯料。采用較小的鍛打量，最終可以得到較為均勻的應(yīng)變分布，但應(yīng)變值稍小。兩種鍛打量下，應(yīng)變分布結(jié)果均呈現(xiàn)了一定的周期性。Y.S.LEE借助DEFORM模擬探究了鍛造過程中空洞閉合條件，結(jié)果顯示，等效應(yīng)變大于0.6時(shí)，可在鍛造過程中有效閉合坯料中的空洞，故對(duì)于鍛造過程宜采用較大鍛打量。

圖3 不同鍛打量第一道次后等效應(yīng)變分布

圖4 不同鍛打量多道次鍛打后等效應(yīng)變分布

同樣也可以采用DEFORM分析其他鍛造參數(shù)對(duì)應(yīng)變的影響情況（圖5）所示。通過有限元模擬，可以非常方便的對(duì)比研究自由鍛過程中軸向進(jìn)給量（圖5a）、坯料初始溫度場（圖5b）和砧寬（圖5c）對(duì)鍛造過程的影響。其中圖5b對(duì)比了均勻溫度場和溫度梯度對(duì)變形的影響，圖5c中工件加熱后進(jìn)行表面空冷，形成一定溫度梯度。表層溫度降低，根據(jù)流動(dòng)應(yīng)力曲線表層變形抗力會(huì)升高。這樣導(dǎo)致在鍛造過程中，主要變形將集中在心部，促使心部應(yīng)變提高，達(dá)到壓實(shí)空穴、疏松的目的，此方法為中心壓實(shí)法（JTS法）。清華大學(xué)廖培根等人曾采用DEFORM進(jìn)行中心壓實(shí)法方面的分析研究。

圖5 自由鍛等效應(yīng)變分布

自由鍛DEFORM微觀組織分析應(yīng)用

自由鍛經(jīng)常用在開坯鍛造過程中，可有效破碎大晶粒，細(xì)化組織。作為金屬塑性成形的開坯工序，其微觀組織狀態(tài)對(duì)后續(xù)的加工過程有一定的遺傳作用，分析研究自由鍛中的微觀組織演變對(duì)控制金屬成形質(zhì)量具有重要意義。

DEFORM具有專業(yè)的微觀組織分析功能，可模擬微觀組織在金屬成形、熱處理等過程中的演變情況，包含多種組織計(jì)算模型，如典型的JMAK方程。同時(shí)DEFORM具有元胞自動(dòng)機(jī)（圖6）、蒙特卡洛法及相區(qū)法計(jì)算方法，可實(shí)現(xiàn)微觀組織相圖、晶粒尺寸、晶界等的可視化觀測(cè)。圖7為自由鍛過程中晶粒尺寸計(jì)算情況，晶粒尺寸以云圖形式顯示出工件不同位置晶粒演變情況。元胞自動(dòng)機(jī)可直觀觀察金屬鍛造過程中的晶粒再結(jié)晶及長大情況。中南大學(xué)易幼平等人采用DEFORM軟件模擬了7050鋁合金自由鍛過程與微觀組織演變情況，采用DEFORM CA模型分析了鋁合金在鐓粗、拔長過程中的金屬晶粒演變情況；并將模擬所得晶粒尺寸和再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)情況與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

圖6 元胞自動(dòng)機(jī)晶粒模擬

圖7 自由鍛晶粒模擬（紅色程度代表晶粒細(xì)化程度）

DEFORM自由鍛向?qū)０濉狢ogging

針對(duì)自由鍛多次鍛打成形特點(diǎn)，DEFORM配置了專用向?qū)０濉狢ogging，調(diào)用模板可非常方便的進(jìn)行自由鍛的多次鍛打操作。

Cogging模板可進(jìn)行自由鍛的快捷設(shè)置。根據(jù)工藝情況自動(dòng)添加芯軸、夾持等工具，并可根據(jù)工件溫度情況自動(dòng)啟動(dòng)自適應(yīng)再加熱。

旋鍛是一種小行程、高頻率鍛打的增量成形工藝，常用于生產(chǎn)軸類、管類等回轉(zhuǎn)體類零件。在旋鍛數(shù)值模擬（圖8）中，由于加工過程中涉及了工件工具的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)設(shè)置較為復(fù)雜，很難準(zhǔn)確設(shè)計(jì)計(jì)算其加工工藝參數(shù)，給旋鍛仿真帶來了困難。Cogging模塊為旋鍛提供了向?qū)讲僮鳎煽旖菰O(shè)置徑向旋鍛系統(tǒng)。上海理工大學(xué)秦文瑜等人采用DEFORM進(jìn)行無芯棒式旋鍛工藝模擬，并結(jié)合工藝試驗(yàn)，分析研究了等速萬向傳動(dòng)軸旋鍛工藝參數(shù)對(duì)傳動(dòng)軸表面質(zhì)量的影響，并由DEFORM模擬預(yù)測(cè)了旋鍛過程中容易出現(xiàn)裂紋的危險(xiǎn)截面。

圖8 旋鍛模擬

結(jié)論

自由鍛變形比較靈活自由，坯料的成形質(zhì)量受多種因素影響，單純依靠實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)分析各因素的影響情況將會(huì)造成巨大的人力物力等成本浪費(fèi)。DEFORM采用比較成熟的有限單元法數(shù)值模擬技術(shù)來計(jì)算金屬大塑性變形問題，可分析研究自由鍛中的各種工藝參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化。

針對(duì)自由鍛變形特點(diǎn)，DEFORM配置了自由鍛設(shè)置專業(yè)模板，可進(jìn)行開坯自由鍛和旋鍛的快捷設(shè)置。

通過有限元軟件的應(yīng)用，可以幫助用戶分析各種工況下金屬自由鍛成形過程。更加全面了解金屬變形過程中應(yīng)變及微觀組織等場變量分布，實(shí)現(xiàn)空洞閉合、微觀組織演變的有效控制，指導(dǎo)工業(yè)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)效益最大化，幫助企業(yè)提升技術(shù)積累及在智能制造方面的提升。