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(xué)，山東 青島 266590）

塑形成形計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的特點(diǎn)是以工程和科學(xué)問題為背景，建立計(jì)算模型并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。對盤狀零件熱鍛成形分析應(yīng)用DEFORM-3D軟件進(jìn)行仿真模擬，DEFORM是一套基于有限元的在集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導(dǎo)和成型設(shè)備特性的工藝仿真系統(tǒng)，通過劃分網(wǎng)格建立有限元分析模型，用于分析金屬成形及其相關(guān)工業(yè)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(jìn)行熱鍛處理的坯料的簡化模型。

工藝參數(shù)：

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(gè)熱成形工藝進(jìn)行數(shù)值分析，要分3個(gè)工序進(jìn)行分析。

（1）模擬10s內(nèi)坯料從爐子到模具的熱傳遞。

（2）對坯料停留于下模的2s時(shí)間進(jìn)行模擬。

（3）進(jìn)行熱傳遞和鍛造工藝共同進(jìn)行的耦合分析過程。

2 熱傳導(dǎo)工序分析

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

打開DEFORM軟件，創(chuàng)建一個(gè)新的問題，進(jìn)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(biāo)題選中HeatTransfer復(fù)選框，操作數(shù)設(shè)為1，進(jìn)行熱傳遞模擬。將模擬仿真步數(shù)設(shè)置為50，每10步保存一次，每一步的時(shí)間為0.2s。由于坯料在熱鍛過程中產(chǎn)生變形，因此設(shè)置坯料的類型為塑性體，并設(shè)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(zhì)進(jìn)行分析。將STL格式模型導(dǎo)入到DEFROM中。分析熱鍛過程中，建立有限元分析模型，劃分網(wǎng)格是將問題的幾何模型轉(zhuǎn)化成離散化的有限元網(wǎng)格。在Mesh窗口中將劃分網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為16000。點(diǎn)擊GenerateMesh按鈕生成網(wǎng)格。

因?yàn)榇斯ば蚍治鲅芯磕M10s內(nèi)坯料從爐子到模具的熱傳遞，因此需要設(shè)置環(huán)境溫度為20°C，使坯料的熱交換面與周圍環(huán)境進(jìn)行熱傳導(dǎo)。

有限元分析引擎把模擬計(jì)算的結(jié)果寫到數(shù)據(jù)庫文件，該文件需要在前處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生，一些模擬信息會(huì)被寫入該文件，因此需要對數(shù)據(jù)庫文件進(jìn)行檢查生成。對所示信息進(jìn)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(diǎn)擊Run開始模擬。

當(dāng)模擬完成后，進(jìn)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(dǎo)工序

坯料停留在下模的時(shí)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(huì)進(jìn)行熱傳遞。針對這一過程進(jìn)行如下分析：

因?yàn)檠芯繜徨戇^程，上下模需要進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)也對傳熱有一定的影響，因此需要對上下模設(shè)置材料屬性。設(shè)置物體類型為剛性體；設(shè)置上下模的溫度為800°C；選AISI-H-26作為上下模的材質(zhì)進(jìn)行分析；對上下模進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格數(shù)8000；設(shè)置邊界條件，選擇HeatExchangewithEnvironment選項(xiàng)，選擇上下模面進(jìn)行添加。將下模與坯料進(jìn)行接觸，選擇自動(dòng)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(zhì)與坯料的材質(zhì)不相同，因此需要設(shè)置有關(guān)接觸關(guān)系的參數(shù)。選中BottomDie-Workpiece，設(shè)置熱交換系數(shù)為1，生BottomDie-Workpiece成接觸關(guān)系。Mode選項(xiàng)區(qū)域選中HeatTransfer復(fù)選框，操作數(shù)設(shè)為2，進(jìn)行熱傳遞模擬。將模擬仿真步數(shù)設(shè)置為10，每5步保存一次，分析時(shí)間控制，每一步的時(shí)間為0.2 s。進(jìn)行信息檢查，完成模擬。

當(dāng)模擬完成后，進(jìn)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?yàn)檫M(jìn)行熱傳遞和鍛造工藝共同進(jìn)行的耦合分析過程。此過程同時(shí)涉及熱傳導(dǎo)和變形，針對這一過程進(jìn)行如下分析：

由于熱鍛過程工序同時(shí)進(jìn)行著熱傳導(dǎo)和變形過程，選中Deformation和Heat Transfer。模擬仿真步數(shù)設(shè)置為30，每2步保存一次，通過模具的位移控制，每一步的時(shí)間為5mm。在計(jì)算過程中和重新劃分網(wǎng)格的時(shí)候都要考慮網(wǎng)格的目標(biāo)體積，選擇Active in FEM+meshing，并且將目標(biāo)體積填到體積輸入當(dāng)中。在熱鍛的過程中，上模需要向下運(yùn)動(dòng)到指定位置，要保證熱鍛過程的完整性。設(shè)置上模在Z軸上的運(yùn)動(dòng)速度為1，選擇自動(dòng)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(shè)置摩擦因數(shù)為0.3。同時(shí)，在鍛壓的過程中也存在熱傳導(dǎo)設(shè)置熱傳導(dǎo)系數(shù)為11。生成所需的接觸關(guān)系。檢查信息完成模擬。當(dāng)模擬完成后，點(diǎn)擊DEFROM-3DPost進(jìn)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(jié)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(chǎn)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(shí)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(chǎn)生塑形變形后，受載下降達(dá)一定值后平穩(wěn)、緩慢上升直至鍛壓基本完成。