基于DEFORM－3D的鍛壓數值仿真分析

田靜

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050）

多年來，鍛造行業概念不清，學術概念與行業概念混淆。隨著鍛造工業的發展，鍛造工業的概念越來越清晰，這也是鍛造工業發展的重要標志。在發達國家，鍛造業是鍛造、沖壓、鈑金和制造業的總稱。一種成形加工方法，是利用鍛壓機械的錘、砧座、沖頭對坯料施加壓力產生塑性變形，從而獲得所需零件的形狀和尺寸［1-10］。近年來，隨著科學技術的發展，鍛造工藝得到了穩步的改進，被加工零件的內在質量性能、形狀復雜度和尺寸精度都有了很大的提高［11］，已突破了毛坯鍛造，正向部分或全部取代切削加工的方向發展，如鍛壓工藝與磨削工藝相結合將取代大部分的切削加工。沖壓和鈑金是金屬板材、管材和型材塑性加工的基本方法之一。它是一種利用沖壓和鈑金設備提供動力的加工工藝，借助模具控制坯料變形，使坯料按預期要求變成產品零件［1］。在壓力設備和工（模具）的作用下，坯料或鋼錠產生部分或全部塑性變形，以獲得一定的幾何尺寸和形狀的加工方法稱為鍛造。鍛造是將金屬加熱或不加熱，在一個力的作用下形成形狀的一種加工方法，俗稱“鑄鐵”。制造業是我國國民經濟的重要支撐產業，而鍛壓作為制造業的重要加工技術，已廣泛應用于航空、航天、汽車、武器、船舶、鐵路等各個領域［1］。鍛造作為金屬加工的主要方法和手段，在當今的經濟產業中起著舉足輕重的作用。它是裝備制造領域不可缺少的主要加工技術，特別是在機械、汽車、軍工、航空、航天等行業［12］。目前，鍛壓設備和技術水平有了很大的提高，鍛壓行業的競爭力也得到了提升，部分技術達到了世界先進水平。數字模塊主要包括鍛造工藝剛粘塑性有限元分析、數值模擬、鍛造模CAD/CAM、伺服系統數字化、鍛造設備控制系統數字化等［11-12］。

本文運用科學合理的研究方法,利用現代工業的重要輔助工具計算機技術，通過對塑性變形過程進行數值仿真。基于工業生產對鍛件的要求，要想獲得相關的力學參數，傳統的方法是采用工程法計算，計算量巨大，計算過程復雜，有較強的局限性，并且易導致結果誤差較大。計算機數值仿真技術的興起，解決了諸如熱擴、軋制、鍛造以及板料成形等各種塑性加工領域的問題［13-14］。通過大型商業有限元軟件對塑性變形過程進行數值仿真，獲得了工件鍛壓過程的變形及各時刻參數變化的規律，為變形工藝的制定提供參考，對工件的失效做出有效的預測，打破了一直以來傳統的以經驗判斷的局面。

本文運用大型商業有限元軟件DEFORM-3D，研究了工件鍛壓的變形過程以及其等效應力和應變分布規律，得出了較好的成形工藝，并驗證了仿真的準確性。

1 建模與仿真條件

本文采用簡化的鍛壓結構，模擬其金屬塑性成形過程。選取材料為1035號鋼。

1.1 建立三維模型

將模型簡化為工件、上模具、下模具組成，如圖1所示。工件采用四面體實體單元，材料類型為塑性。通過多次網格劃分，最終劃分5000個網格時結果較合理。上下模具分別定義為剛體，不需劃分網格，同樣也不需要定義材料特性。

圖1 鍛壓模型

1.2 設置物體溫度

鍛壓初始溫度、工件與模具的溫度為68°F(華氏溫標)，即為20℃（攝氏溫標）。

1.3 設置模具的運動

鍛壓過程中，上模具以一勻速1in/s向下模具移動，下模具固定，上下模具間的工件，在上模具向下的移動中被鍛壓變形。

1.4 仿真控制條件設置

本文采用國際單位制和增量形式計算，加工模式為變形，步長數20，增量存儲為2，模擬步數相隔0.15in。設定接觸條件時，分別設定上模具與工件、下模具與工件之間的摩擦系數為0.12。對于接觸容差的設定，如果公差太大，模具上接觸點太多，會導致工件網格變形。反之，如果公差太小，模具就不會與工件接觸［15］。所以在鍛壓過程中，取接觸容差值為0.0112in。

2 仿真結果分析

2.1 變形過程

在鍛壓過程中，上模具勻速向下運動，下模具保持靜止，工件分別受到來自上模具的軸向和徑向作用力，在此作用下，最終實現鍛壓塑性變形，各時刻的變形仿真如圖2所示。從數值仿真結果可以得出，隨著鍛壓步數的增加，鍛壓過程實際上就是上模具向工件壓縮，致使工件軸向壓縮和徑向擴張的過程。

圖2 鍛壓變形

2.2 等效應變場和等效應力場分析

圖3、圖4為鍛壓工件的等效應變分布圖。分別以等效應變顯示圖與等高線顯示的形式展現。從圖中可以看出，第16步原來的矩形工件塊體兩端有向鼓形發展的趨勢，第20步效果更明顯。由于摩擦力的作用，工件與模具接觸的部分等效應變最小，中間部分等效應變變化較小，接近一常值。邊界上等效應變值變化比較大。以上情況在實際鍛造中都會發生，充分說明了仿真的準確性。

圖3 鍛壓工件的等效應變分布圖

圖4 鍛壓工件的等效應變分布圖

2.3 溫度場分布分析

從圖5鍛壓工件的溫度場分布圖中可以看出，此鍛壓工藝為等溫鍛壓。溫度不變，工件只受到向下的擠壓。

圖5 鍛壓工件的溫度場分布圖

3 結論

基于DEFORM-3D的鍛壓過程數值仿真，直觀地反映了鍛壓的變形過程，分析了等效應變、溫度場下的各種變形狀態，這些數據的變化規律對掌握鍛壓變形、縮短生產周期、降低生產成本、提高生產效率、確定合理的成形工藝等提供了指導作用。