道釘加工工藝數值仿真分析

王 彤

（中國礦業大學銀川學院，銀川750021）

0 引言

數值仿真是描述真實系統的現象及客觀規律的一種模擬方法，它是依據相關原理和規律建立系統的虛擬及物理模型[1]。通過系統的建模和仿真，可以驗證實驗，減少時間，降低研究成本。精密鍛造工藝過程是指在零件鍛造過程中，通過模具和坯料的設定，在成形后不需要太多工加工，或不需后續的加工就直接成形的工藝成形技術。它是在普通鍛造的基礎上發展起來的一種先進加工工藝，其優越性體現在機械性能好，材料利用率高，尺寸公差范圍小，表面質量高等。因此精密鍛造已經在建筑、航空、航天、汽車、能源等諸多行業中得到廣泛應用[2]。

本文所研究的零件為道釘，如圖1所示，滿足應用和成形工藝的要求選擇材料為優質碳素結構鋼35，由于其本身的力學性能如優良的塑性、一定的強度和良好的工藝性能，35鋼主要用于各種鍛件的生產。本文運用加工成形工藝仿真軟件Deform-3D對道釘的精鍛成形過程進行數值模擬，分析成形過程中的金屬流動特征、應力應變的分布狀態以及載荷的變化規律，為研究零件在加工成形過程中工藝規劃提供參考[3]。

圖1 道釘模型圖

1 道釘的數值模擬

1.1 模型的建立

采用CAD軟件SolidWorks建立鍛造模具的模具和坯料的立體仿真模型如圖2所示，并以stl格式將文件保存。將坯料和模具文件輸入Deform-3D中，建立其有限元仿真模型，用以仿真從坯料到終鍛的鍛壓變形工藝過程。眾所周知鍛壓過程中工件的主要變形為塑性變形，在建立其有限元模型設置中，工件模型應設定理想剛塑性體，模具設定為剛性體[4]。

1.2 仿真參數

1.2.1 材料設定

根據零件性能，選擇AISI-1035COLD材料（35鋼），設計模擬溫度條件20℃。

1.2.2 模具速度參數

根據工藝過程數值模擬，選定上模具主運動模具，速度設定3 mm/s；下模具設為固定，速度設定0mm/s。

1.2.3 摩擦選定

根據條件設定剪切摩擦模型，由于冷鍛加工，選凸模與工件之間摩擦因數為0.12，凹模和工件間摩擦因數為0.12。

1.2.4 網格設計

Deform-3D中的網格設計方法有相對網格和絕對網格兩種，相對是通過選定總網格量和單元大小比例因子設定；絕對通過選擇最大或最小單元邊長和比例因子設定。因為采用四面體網格中的絕對網格設定形式。網格總數量控制在5萬，網格最小尺寸為0.5 mm，模擬步長設為網格最小尺寸的1/3，如圖2 所示[5]。

圖2 毛坯及其網格劃分

2 有限元分析

2.1 應力應變分析

精鍛完成后道釘的等效應變、等效應力分布圖見圖3和圖4。根據有限元數據分析：等效應變的最大值分布在零件的上邊部，等效應力的最大值大部分分布在零件的上部，還有小量是底部。由于加工中金屬的流動性影響，導致上邊部的等效應變最大，同一位置的等效應力也最大。釘底少量應力大是由于此處的模具尺寸小，形狀較復雜的原因，應力值略大，這與實際生產也相近，同樣與設計理論經驗相同[6]。

圖3 等效應變分布圖

圖4 等效應力分布圖

2.2 成形載荷分析

圖5所示為成形時鍛模Y向載荷分布，從圖中可看出一般鍛壓的三個階段:鐓粗、成形和靠模過程。

圖5 Y向載荷

在鐓粗過程中，受力比較小，曲線接近于緩慢上升，證明坯料在這個過程中受到力比較小，并且力的變化不大。

在變形增加過程中，材料要壓入模具中變形，因此受力較大，并且材料變形劇烈，載荷上升速度最大。

接近63步時，材料開始靠模，其變形更加劇烈，材料接近模具的圓角處時，壓力產生突變，后急速上升，這是由于頭部外側圓角處的空間比較小，金屬流動比較困難而造成壓力迅速上升，載荷與等效應力的分布一致。

2.3 材料流動速度分析

為了分析材料流動速度，選擇鍛造過程軸向切面做研究。上模運動、下模靜止、材料的流動狀態如圖6和圖7所示。圖6選擇坯料下部充滿模具時的流動布圖，由圖可以看出，在上模的加力的作用下，材料沿上模的運動方向運動，在坯料下端充滿下模時坯料上端部分位移最大，也從此開始坯料沿軸向產生變形量。圖7所示為接近終止時模腔中材料的流動情況，可以發現，釘頭頂部基本沒有位移，大位移還是體現在釘頭邊部，材料流動速度最大，釘底部位移量也較小。

圖6 下模充滿時金屬流動圖

圖7 接近終止的金屬流動圖

3 結論

通過Deform-3D軟件的道釘加工成形過程的數值仿真研究，其過程是使用CAD軟件三維建模道釘毛坯、上、下模具，隨后將其導入Deform-3D軟件，同時設定參數，并對精鍛過程數值仿真。針對仿真的數據結果，分別數值仿真分析了鍛造過程的應力應變、成形載荷和金屬材料流動規律。針對仿真數據可以看出，Deform有限元軟件仿真模擬的金屬塑性變形規律，與實踐接近。因此運用有限數值仿真分析，對實際生產具有一定的指導意義，具體分析可以對金屬加工過程工藝參數優化，減少設計開發時間，降低設計人員的工作量，顯著提高生產效率，節省成本。