基于有限元方法對盤狀零件熱鍛成形分析

閻汐睿

（山東科技大學，山東 青島 266590）

塑形成形計算機輔助工程（CAE）的特點是以工程和科學問題為背景，建立計算模型并進行計算機仿真分析。對盤狀零件熱鍛成形分析應用DEFORM-3D軟件進行仿真模擬，DEFORM是一套基于有限元的在集成環境內綜合建模、成形、熱傳導和成型設備特性的工藝仿真系統，通過劃分網格建立有限元分析模型，用于分析金屬成形及其相關工業的各種成形工藝和熱處理工藝。

1 分析問題

盤狀零件的熱鍛成形工藝，將要進行熱鍛處理的坯料的簡化模型。

工藝參數：

單位：國際單位制

配料材料：AISI-1045

模具材料：AISI-H-26

坯料溫度：1200 °C

模具溫度：800 °C

上模速度：1

模具行程：150mm

對于這個熱成形工藝進行數值分析，要分3個工序進行分析。

（1）模擬10s內坯料從爐子到模具的熱傳遞。

（2）對坯料停留于下模的2s時間進行模擬。

（3）進行熱傳遞和鍛造工藝共同進行的耦合分析過程。

2 熱傳導工序分析

由于坯料從爐子里拿出來進行鍛造之間，坯料和空氣之間進行熱交換，使坯料的溫度發生變換，因此對此過程進行分析，分析坯料的溫度變化。

打開DEFORM軟件，創建一個新的問題，進入前處理模塊。在前窗口控制窗口中，打開模擬控制對話框，修改標題選中HeatTransfer復選框，操作數設為1，進行熱傳遞模擬。將模擬仿真步數設置為50，每10步保存一次，每一步的時間為0.2s。由于坯料在熱鍛過程中產生變形，因此設置坯料的類型為塑性體，并設置坯料的初始溫度為1200°C，在材料庫中選AISI-1045[1800-2200F（1000-1200C）]作為坯料的材質進行分析。將STL格式模型導入到DEFROM中。分析熱鍛過程中，建立有限元分析模型，劃分網格是將問題的幾何模型轉化成離散化的有限元網格。在Mesh窗口中將劃分網格數設置為16000。點擊GenerateMesh按鈕生成網格。

因為此工序分析研究模擬10s內坯料從爐子到模具的熱傳遞，因此需要設置環境溫度為20°C，使坯料的熱交換面與周圍環境進行熱傳導。

有限元分析引擎把模擬計算的結果寫到數據庫文件，該文件需要在前處理環節產生，一些模擬信息會被寫入該文件，因此需要對數據庫文件進行檢查生成。對所示信息進行檢查。如若無誤，生成模擬所需DB文件，然后退出前處理。在DEFORM-3D的主窗口中點擊Run開始模擬。

當模擬完成后，進入后處理窗口。選擇溫度變量，觀察板料溫度。

3 坯料與下模熱傳導工序

坯料停留在下模的時間段中，由于坯料的溫度與下模的溫度不相同。因此，在坯料和下模的接觸面的也會進行熱傳遞。針對這一過程進行如下分析：

因為研究熱鍛過程，上下模需要進行預熱，同時也對傳熱有一定的影響，因此需要對上下模設置材料屬性。設置物體類型為剛性體；設置上下模的溫度為800°C；選AISI-H-26作為上下模的材質進行分析；對上下模進行網格劃分，劃分網格數8000；設置邊界條件，選擇HeatExchangewithEnvironment選項，選擇上下模面進行添加。將下模與坯料進行接觸，選擇自動干涉的方法，需要定位的物體選擇坯料，參考物體選擇下模，定位方向選擇-Z，干涉值采用0.0001。由于下模的材質與坯料的材質不相同，因此需要設置有關接觸關系的參數。選中BottomDie-Workpiece，設置熱交換系數為1，生BottomDie-Workpiece成接觸關系。Mode選項區域選中HeatTransfer復選框，操作數設為2，進行熱傳遞模擬。將模擬仿真步數設置為10，每5步保存一次，分析時間控制，每一步的時間為0.2 s。進行信息檢查，完成模擬。

當模擬完成后，進入后處理窗口。選擇溫度變量，觀察坯料和下模溫度。

4 熱鍛成形工序

此工序為進行熱傳遞和鍛造工藝共同進行的耦合分析過程。此過程同時涉及熱傳導和變形，針對這一過程進行如下分析：

由于熱鍛過程工序同時進行著熱傳導和變形過程，選中Deformation和Heat Transfer。模擬仿真步數設置為30，每2步保存一次，通過模具的位移控制，每一步的時間為5mm。在計算過程中和重新劃分網格的時候都要考慮網格的目標體積，選擇Active in FEM+meshing，并且將目標體積填到體積輸入當中。在熱鍛的過程中，上模需要向下運動到指定位置，要保證熱鍛過程的完整性。設置上模在Z軸上的運動速度為1，選擇自動干涉的方法，需要定位的物體選擇上模，參考物體選擇坯料，定位方向選擇-Z，干涉值采用0.0001。由于上模與坯料存在摩擦，選中TopDie-Workpiece，設置摩擦因數為0.3。同時，在鍛壓的過程中也存在熱傳導設置熱傳導系數為11。生成所需的接觸關系。檢查信息完成模擬。當模擬完成后，點擊DEFROM-3DPost進入后處理窗口。在此過程上下模的受力及溫度顯示分別為圖1和圖2。

5 結語

圖1 鍛壓過程上模的溫度分布和受載情況

圖2 鍛壓過程下模的溫度分布和受載情況

在熱鍛工序過程中，坯料與模具產生了熱傳遞，由圖1可以看出，上模與下模與坯料接觸面的溫度與模具的其他部分不相同，溫度明顯升高。坯料在此過程中，由于熱傳遞原因，溫度下降。同時通過圖1和圖2的載荷—行程曲線所示，在鍛壓的開始，上下模所受載荷升高，坯料產生塑形變形后，受載下降達一定值后平穩、緩慢上升直至鍛壓基本完成。