鍛造工藝模擬的案例
飛機翼身接頭模具設計及等溫鍛造工藝模擬
來源：互聯網 作者：黃湘龍 易幼平
關鍵字：有限元 QForm 等溫鍛造 仿真模擬
本文在QForm 2D/3D仿真平臺上對7085鋁合金翼身接頭進行等溫鍛造過程模擬，對等溫鍛造中流線、應力、應變、最大載荷以及可能產生的折疊進行全方面模擬，提出了相應的等溫鍛造成形方案與工藝參數，為等溫鍛造參數以及鍛造用模具優化設計提供幫助。
輕質高強度鋁合金模鍛件在航天航空領域中應用廣泛，翼身接頭作為連接飛機機翼與機身的重要承力部件，要求必須具有優良的綜合力學性能。傳統的通過焊接工藝加工航空接頭，抗疲勞能力較差；而采用自由鍛或機加工方法會浪費大量材料。等溫模具鍛造技術具有尺寸精確、材料利用率高、鍛造所需液壓機噸位小以及組織均勻等優點。等溫鍛造由于鍛件與模具溫度相同，消除了溫鍛工藝冷模效應，大幅度降低了材料變形抗力，非常適合復雜型面模鍛件的精密成形，受到了國內外學者的普遍關注。同時，等溫鍛造對模具強度和鍛件設計提出了很高的要求，要獲得充填完好的航空接頭鍛件并不容易，其工藝制訂常規做法是采用多次工業試驗方法，調試確定鍛造工序與模具，這個導致了制造成本與生產周期的增加。
隨著計算機和CAE技術發展，數值模擬方法已成為求解復雜成形問題的強有力工具。QForm由俄羅斯Quantor公司專家基于有限元計算方法開發而成，專門用于解決鍛造問題，適合于模擬冷鍛、溫鍛和熱鍛等工藝。同時，QForm也可以模擬粉末鍛造和鐓鍛，適應設備有機械壓力機、鍛錘、螺旋壓力機、液壓機和多錘頭壓機。QForm優點在于不需人工控制網格生成、步距和其他數值模擬特定參數，結果準確度與用戶對有限元技術熟練程度無關。
展開 KD鍛造法鍛造工藝參數模擬研究
KD鍛造法是第一重型機器廠創造，采用上下V形寬砧大壓下量鍛造的方法，該鍛造法有利于增加鍛件心部三向壓應力，提高鋼錠內部缺陷的鍛合效果。在實際生產應用過程中，通過實際跟蹤發現，按照以往經驗進行設定工藝參數與實際生產數據存在一定偏差，為進一步提高工序操作一致性，利用計算機對KD鍛造法進行模擬研究分析，研究其金屬流動規律性，制定鍛造過程工藝參數設計原則，從而指導工藝參數的設定，保證工序操作一致性。
研究方案
方案制定
分別模擬90°、60°、45°旋轉角度的拔長過程，壓下量按照20%控制，對比不同旋轉角度時對坯料心部的壓實效果，選取最優方案，進一步研究每趟次的實際展寬系數，從而達到指導工藝參數的設定，保證工序操作一致性的目的。
仿真模擬模型的建立
V形砧工具按照開口角度135°、砧寬800mm（圖1），坯料規格按照φ650mm×1600mm進行建模（圖2）。
圖1 V形砧模型
圖2 坯料模型
研究數據分析
對不同翻轉角度模擬分析
分別按照翻轉角度90°、60°、45°，壓下量20%進行模擬計算，對其模擬結果進行匯總分析，如圖3所示。
圖3 三種方案模擬示意圖
⑴方案一中的拔長過程V砧與坯料每次壓下接觸正常，保證了坯料各部受力均勻，有利于坯料心部質量的改善。方案二、方案三在模擬壓下過程中，均存在V形砧單邊接觸的情況，不利于坯料各部的均勻受力，也增加了操作機鉗臂的橫向負荷，對設備存在一定程度的損害。
⑵通過對比三種方案坯料心部的等效應變情況，方案二拔長過程中心部最大等效應變大于方案一最大等效應變，但從截面的等效應變分布情況來看，方案一效果明顯優于方案二，方案三拔長效果與方案一、方案二相比，心部等效應變效果最差。
展開 大型鍛件鍛造新理論與新工藝的數值模擬
大型鍛件鍛造新理論與新工藝的數值模擬供參考
大型鍛件鍛造新理論與新工藝的數值模擬.part1.rar
大型鍛件鍛造新理論與新工藝的數值模擬.part2.rar
輪轂鑄造工藝與鍛造工藝的區別？
其實高端車貴有貴的道理，就拿一個汽車輪轂來說，高端車上的輪轂的制造工藝就和普通的汽車完全不一樣。現在汽車上鋁合金輪轂的制造工藝主要分為鑄造和鍛造兩類，大家了解了這兩者的區別，就明白為什么高端車型會偏愛使用鍛造輪轂了！
輪轂的鑄造工藝
先說鑄造工藝，可能大家都知道目前大部分車型上的鋁合金輪轂采用都是鑄造方式，但是鑄造輪轂還有三種不同的制造工藝，分別是重力鑄造、低壓鑄造和旋壓鑄造。
高端汽車輪轂
重力鑄造非常簡單，將液態的金屬倒進輪轂模具中冷卻成型就可以了，這種鑄造方式效率非常高，成本也最低，但是質量比較差，由于輪轂的各部分分布不是很均勻，而且金屬內部分子的密度比較低，所以輪轂的強度不高，碰撞后很容易出現斷裂的情況。低壓鑄造可以說是在重力鑄造的基礎上進行了一個升級，將液態的金屬倒入模具之后，低壓鑄造工藝會給它施加一個恒定的壓力，這樣的話金屬的分子密度就會更高，輪轂成型之后會有更高的強度，而且低壓鑄造的工藝也非常成熟，所以目前大部分車型上的輪轂采用的都是低壓鑄造工藝。而旋壓鑄造就是將鑄造后的輪轂進行一個二次加工，將輪轂呢一邊加熱一邊進行旋轉沖壓，這樣的話輪轂內的金屬分子就會更加緊密，強度自然也就更高了。
輪轂的鍛造工藝
再來說說鍛造輪轂，鍛造輪轂的制造過程是先將鋁塊進行加熱，到了一定的溫度后用鍛壓機壓成毛坯然后再將毛坯旋壓成型，相當于鑄造輪轂來說強度更高，而且鍛造輪轂使用的是軍事級鋁料，重量也更輕，鍛造輪轂還可以細分為一片式鍛造和多片式鍛造，一片式鍛造的意思是整個輪轂是一體成型的，重量輕可靠性好。
鋁合金輪胎鍛造示意圖
而多片式端到的輪輞和輪輻式分開的，這樣的好處是只更換輪輻就可以有一個新的輪轂樣式，不過相對一片式鍛造來說，多片式鍛造會更重一些，對組裝的要求也比較。
展開 
有限元模擬技術在從板鍛造過程中的應用
為滿足澳大利亞客戶需求，我公司在鑄造從板的基礎上設計開發了16型、17型車鉤鍛造從板（圖1）。從板是鐵路貨車鉤緩裝置的重要配件，在車輛運行中，起到傳遞沖擊力和牽引力的作用，從板的質量直接影響行車安全。鍛造從板的材質為25MnCrNiMoA，成品重量為34kg。由于16型和17型從板結構及尺寸基本相同，所以本文僅對17型車鉤從板的鍛造工藝進行研究，采用Deform-3D軟件對17型從板的鍛造過程進行仿真模擬，為16型、17型從板的生產提供理論依據和支撐，縮短試制周期。
（a）16型車鉤鍛造從板
（b）17型車鉤鍛造從板
圖1 16型和17型車鉤鍛造從板
模擬方案制定
通過對17型從板進行初步的工藝分析，制定模鍛方案為鐓粗→拍扁→終鍛，如圖2所示。采用中頻感應爐進行加熱，選用尺寸為φ130mm圓鋼作為坯料，坯料加熱溫度為1150℃，模具預熱溫度為150℃，鐓粗至250mm高，拍扁至90mm厚，然后將拍扁后的坯料放置在終鍛模中心，進行終鍛。
（a）鐓粗
（b）拍扁
（c）終鍛
圖2 模鍛方案
鐓粗過程模擬分析
前處理模擬參數設定
坯料尺寸為φ130mm×370mm，坯料網格劃分數量為102546個；上模速度設為500mm/s，每步步進1mm，庫倫摩擦系數設定為0.3；選擇25MnCrNiMoA作為模擬材料，坯料加熱溫度為1150℃，上下模具溫度為150℃，設置模擬過程中環境溫度為20℃，與空氣對流換熱系數為0.02 N/s·mm℃，坯料與模具熱傳導系數為11 N/s·mm℃。
變形過程分析
將坯料鐓粗至250mm高，此時坯料上下表面溫度下降明顯，降低至890℃左右，其他位置只與空氣發生熱交換，且成形時間較短，加之坯料塑性變形對坯料溫度補償，所以除上下表面，其他位置溫度基本沒變或略有升高。
展開 鍛造工藝和熱處理工藝對TC4-DT合金鍛件組織性能影響
鍛造坯料下料長度為φ300mm×(623±3)mm，坯料倒角R15mm。鍛造設備為40MN油壓機，鍛造加熱采用普通的箱式電爐，控溫精度為±10℃，坯料到溫裝爐。為防止變形熱的急劇上升，要求操作的過程中控制鐓粗或整體壓扁的壓下間隔時間、壓下量和采用中等變形速率。
圖1 鍛件尺寸要求
除特別注明外，鐓粗壓下時間間隔為10 ～15s，當鍛造坯料尺寸大于300mm 時，單次壓下量為小于20mm；當鍛造坯料大于200mm 小于300mm 時，單次壓下量小于15mm；當鍛造坯料小于200mm 時，單次壓下量小于10mm。拔長時壓下間隔時間為5 ～10s，拔長過程中不宜出現折疊缺陷，采用逐步送進的方式進行拔長，不允許在同一位置連續壓扁拔長。鐓粗和拔長的過程中可以翻面交替進行，為避免坯料和模具直接接觸和溫降過快，與油壓機接觸的坯料端面必須墊上石棉，如果石棉破碎或被壓成粉末狀應進行更換。鍛造的過程中如果出現裂紋、折疊等缺陷，應排除缺陷后再加熱進行鍛造，鍛造坯料修傷的寬深比大于10，圓滑過渡。本文共研究了3 種鍛造工藝，分別標記為鍛造工藝A、鍛造工藝B 和鍛造工藝C。
鍛造工藝A
⑴鍛造工藝A 的技術參數。
鍛造工藝A 采用兩相區反復鐓拔工藝。溫度達到設定溫度裝入到箱式電阻爐，爐溫均勻性為±10℃，加熱溫度為(Tβ-40)℃，最短保溫時間按0.7min/mm×有效厚度計算，最長保溫時間按小于1.2min/mm×有效厚度計算，趁熱回爐且保溫時間減半。終鍛溫度大于850℃，鍛后置于料架上風冷或趁熱回爐。
⑵鍛造工藝A 的變形工步。
鍛造工藝A 變形工步見表3。
表3 鍛造工藝A 變形工步
鍛造工藝B
⑴鍛造工藝B 的技術參數。
鍛造工藝B 采用鈦合金兩相區鍛造+β 相區鍛造＋兩相區鍛造技術，最終兩相區成形。
展開 鍛造工藝學
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Simufact用于鍛造輪轂工藝研究
鋁合金旋壓輪轂具有重量輕,強度高,壽命長,表面光潔,機械加工余量少等優點,而旋壓工藝過程復雜,影響因素多,造成實際旋壓加工中工藝參數和工裝的選擇和調試較為困難。Simufact.forming軟件可以提前判斷旋壓工藝的可行性及合理性（旋壓件的應力應變,厚度尺寸變化,旋壓力變化情況）,為旋壓產品的研制提供重要參考。
圖1 鋁合金輪轂結構
鋁合金輪轂結構如圖1所示，材料為6061鋁合金，直徑為?669mm，高度為278mm。由于鋁合金輪轂尺寸較大，鍛造成形過程復雜，采用一次性鍛造成形通常需要較大的成形力且材料填充不飽滿，需要增加一道預鍛工序。預鍛成形可以有效降低金屬回流和防止起皺，保證零件的成形質量，另外增加預鍛工序可以減少一次性變形程度，有利于降低成形載荷，使金屬填充飽滿，并且可以減少模具零件的損傷，延長模具使用壽命。將直徑為?669mm、高度為52mm的圓形坯料加熱以提高材料塑性，再采用反擠壓的方式將坯料擠成杯狀預鍛件，再將杯狀預鍛件鍛成碗狀終鍛件，然后將該碗形終鍛件作為旋壓坯料與加熱坯料，旋壓成旋壓件，最后將旋壓件機加工、涂裝成成品，具體過程如圖2所示。
圖2 輪轂法蘭盤鍛造工藝
輪轂法蘭盤有限元建模
圖3 預鍛模型
圖4 終鍛模型
simufact軟件中進行處理，采用Ringmesh模式對坯料進行網格劃分。零件材料為6061鋁合金，模具材料為H13鋼，預鍛、終鍛時坯料溫度設置為400℃，模具溫度設置為350℃；摩擦類型采用剪切摩擦，摩擦因數取0.3。首先對預鍛過程進行模擬，再將預鍛件及相關信息導入終鍛過程，作為終鍛過程坯料，進行終鍛模擬，結果如圖5所示。
圖5 終鍛過程等效應變分布
工藝參數優化
采用Simufact，可以進行工藝參數優化研究，比如，模具溫度，胚料溫度，鍛成型時上模下壓速度，摩擦系數等。
展開 最新版Forge2008及其下載地址
主要從事材料成形領域應用模擬軟件的開發和銷售。公司目前擁有金屬及塑料成形工藝模擬軟件4套，主要是Tform3金屬板材成形軟件、Forge2/3鍛造工藝模擬軟件、Thercast鑄造工藝模擬軟件和REM3D注塑成形工藝模擬軟件。
FORGE軟件由CEMEF（材料成形研究中心）研究開發，CEMEF是由Ecole des Mines de Paris和ARMINES聯合建立的研究中心。FORGE軟件是鍛造工藝（鍛造和冷鍛成形）模擬軟件，可進行2維和3維模擬。
高性能的軟件、有效的技術支持和遍布全球的銷售網點使TRANSVALOR公司處于市場的領導地位。
展開 TiAl4822 合金鍛造工藝參數的研究
本研究選取TiAl4822 合金進行鍛造工藝參數研究，通過TiAl4822 合金不同鍛造工藝參數的試驗和鍛造試塊性能分析，摸索適宜的鍛造溫度、應變速率、變形量等鍛造工藝參數，確保TiAl4822 合金在工藝窗口范圍內良好的鍛造可加工性。
試驗方法、材料以及設備
試驗設備
TiAl4822合金等溫鍛造工藝試制采用2000t等溫鍛造裝置，該裝置可保證鍛造過程溫度及變形速度，滿足此次試驗的需求。
試驗材料
試驗材料采用中科院金屬所制造的φ260mm 鑄錠。鑄錠的室溫抗拉強度為381MPa，700℃抗拉強度為311MPa，850℃抗拉強度為397.5MPa，室溫延伸率為1.06%，700℃延伸率為5.6%，850℃延伸率為0.7%。
試驗方法
通過TiAl 合金(TiAl4822)不同鍛造參數下的等溫鍛造工藝試驗，分析鍛造溫度、變形速率、變形量和鍛后冷卻方式對鍛造熱加工性的影響；后采用初步確定的工藝參數范圍開展鍛造試驗，并進行試塊力學性能分析，根據分析結果得出一個最優的鍛造工藝參數。
試驗步驟：鍛造前采用電爐到溫裝爐方式對坯料加熱，加熱時間按厚度乘以保溫系數計算，坯料加熱保溫結束后在2000t 鍛造壓機上進行鍛造，鍛后試塊冷卻至室溫后熱處理，試塊熱處理工藝參數為：1240℃保溫2h 后冷卻。
試驗過程以及結果分析
前期鍛造參數確定
前期試驗目標是初步確定鍛造溫度范圍、應變速率及鍛后冷卻方式。在φ260mm 的棒料上切取25mm×25mm×70mm試料若干，按不同參數進行近等溫鍛造，第1 次試驗參數見表1。
表1 第1 次試驗參數表
圖1 為上述第1 組試驗的鍛造試塊，圖2 為第1組(爐冷)至第4 組試驗的鍛造試塊，圖3 為第5 組至第8 組試驗的鍛造試塊。
展開 鍛造工藝缺陷有哪些？
這種組織，是在兩相共存的情況下鍛造變形時產生的帶狀組織能降低材料的橫向塑性指針，特別是沖擊韌性。在鍛造或零件工作時常易沿鐵素體帶或兩相的交界處開裂。
14.局部充填不足
局部充填不足主要發生在筋肋、凸角、轉角、圓角部位，尺寸不符合圖樣要求。產生的原因可能是：①鍛造溫度低，金屬流動性差；②設備噸位不夠或錘擊力不足；③制坯模設計不合理，坯料體積或截面尺寸不合格；④模膛中堆積氧化皮或焊合變形金屬。
15.欠壓
欠壓指垂直于分模面方向的尺寸普遍增大，產生的原因可能是：①鍛造溫度低。②設備噸位不足，錘擊力不足或錘擊次數不足。
16.錯移
錯移是鍛件沿分模面的上半部相對于下半部產生位移。產生的原因可能是：①滑塊(錘頭)與導軌之間的間隙過大；②鍛模設計不合理，缺少消除錯移力的鎖口或導柱；③模具安裝不良。
17.軸線彎曲
鍛件軸線彎曲，與平面的幾何位置有誤差。產生的原因可能是：①鍛件出模時不注意；②切邊時受力不均；③鍛件冷卻時各部分降溫速度不一；④清理與熱處理不當。
來源：制造工藝前沿
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制造工藝前沿
展開 
軸承座鍛造工藝與模具設計
圖7 軸承座未充滿位置
結論
⑴采用自由鍛滾擠和模鍛相結合的工藝可一火成形精度要求高的軸承座鍛件；
⑵采用數值模擬方法可以有效輔助鍛造工藝的設計，提高設計效率，提高產品開發成功率；
⑶采用阻力坎的橋部設計，鍛件成形效果好，未出現充不滿、穿筋等缺陷，尺寸達到要求，質量穩定。
——本文選自《鍛造與沖壓》2018年第17期
航空發動機用高溫合金的鑄造、鍛造工藝
鍛造工藝
航空發動機中，使用鍛件的零部件有盤、鼓筒軸、風扇和壓氣機葉片等，主要的制造工藝是：熔煉、轉坯、鍛造、機加、精整。
本文以盤類加工為例。高溫合金盤類零件通常在亞固溶或者過固溶條件下進行等溫鍛或者熱模鍛工藝。為了確保鍛件質量，要求每個零件必須用相同的工藝，并通過高靈敏度的超聲檢測方法進行探傷。
人們想盡各種方法去提高盤件的性能，其中有一個非常有意思的問題：能不能在盤的不同區域按照需要鍛造出不同的結構？（當然，回答這個問題之前，先要搞清楚，什么樣的結構對應于什么樣的性能。）一些先進的盤類鍛造技術被開發出來，可以按照合金成分、盤的幾何形狀進行局部鍛造工藝。產品的特點是不同區域的晶粒度不一樣，盤心細晶、邊緣粗晶。如果鍛造時再配合一定的熱處理工藝，不同區域的顯微組織結構也不一樣。
另一方面，隨著發動機的直徑越來越大，高溫合金盤的尺寸也從150mm增加到超過了800mm。這種“尺寸效應”對鍛造工藝帶來了新的挑戰，要評估的內容比較多，比如不同晶粒尺寸的影響、機加性能、抗變形能力（如下圖）、熱處理參數（尤其是冷卻速率）、慣性摩擦焊的焊接性能，等等。
零件制造
最后提一下零件制造，區別于鑄件、鍛件原材料，是指在原材料的基礎上進行的再加工。航空發動機零件主要的制造工序比如：成型、機加、焊接、熱處理、機加、精整、無損檢測。其中，機加工序工作量占比最高，焊接、熱處理等熱工藝影響最大。航空發動機中此類零件非常多，復雜結構的比如框架、各類機匣等。
文章來源：航空制造人
展開 乘用車曲軸鍛造工藝及改進
⑶預鍛形狀設計優化可以改善鍛件的很多缺陷，是鍛造工藝設計成功的關鍵，應引起重視。為使預鍛時材料流動順利，預鍛設計時平衡塊中間連接處盡量做成直線和大圓弧過渡，增加該部分的體積，利于金屬材料的流動和終鍛該部位的充滿。預鍛小頭型腔的處理也是值得注意的，小頭長度加長10mm 左右，并將小頭端部拔模角作出45°左右斜角。這樣可以避免終鍛時小頭端產生折疊，同時小頭端部作出斜角利于吹掉下模該處的氧化皮，避免該處氧化皮堆積而造成鍛件小頭缺料。
⑷鍛造溫度的把握。鍛造溫度范圍必須注意，一般情況盡量在上限溫度進行鍛造，最低鍛造溫度不低于1100℃。鍛造溫度對成形影響極大，特別是開發試制初期，操作不熟練和噴涂脫模劑等動作銜接不到位，造成鍛造工步間隔時間長而產生溫降，而使實際終鍛溫度不足，影響成形。但對于非調質鋼鍛造溫度不可太高，要以材料性能保證滿足晶粒度要求為前提，這點需要在實際工藝過程中跟蹤監測來確定理想的鍛造溫度范圍。
⑸計算機成形過程模擬。要成功開發曲軸鍛造工藝應配備必要分析手段，盡量使用DEFORM、QFORM等鍛造成形模擬軟件進行模擬，結合鍛造過程的實踐經驗及時優化設計，計算機應用為工藝設計提供了強有力的分析手段，企業需要配備專門人員進行模擬分析。無條件的企業可以采取企業和高校或研究所聯合的方式進行
——來源：《鍛造與沖壓》2020年第17期
展開 萬噸級鍛造液壓機工藝體系的建立
這些大型鍛造液壓機的成功建立，說明我國自由鍛造裝備代表了國際先進的裝機水平，提升了我國大型鍛壓裝備的加工能力和機械化水平，為我國核電和火電等行業大型鍛件的生產奠定了基礎。
圖1 萬噸級鍛造液壓機
萬噸級鍛造液壓機工藝體系分析
萬噸級鍛造液壓機具有規模大，技術復雜，涉及到多個學科和專業，操作起來需要各相關系統相配合，這就要求工藝體系必須具有清晰的邏輯結構、科學的工藝流程、各步驟之間的關系明確，這樣才能高效、有條理地管理大型鍛件的鍛造生產。萬噸級鍛造液壓機的建立需要多領域技術為設備的正常運行提供支撐，總的來說，萬噸級鍛造液壓機工藝體系的邏輯結構是工藝支撐和工藝流程這兩部分構成的運行生命體，圖2 是4300mm 軋機支承輥鍛件在萬噸級鍛造液壓機上的工藝體系結構。
圖2 鍛造工藝體系結構
工藝支撐
工藝技術基礎要素包括各類標準、規范、準則、數據、工具及軟件等，萬噸級鍛造液壓機的工藝支撐具體表現為鍛件圖紙設計標準、鋼錠及坯料加熱工藝規范、鍛造變形方法、冷卻及熱處理規范、各個步驟操作的工裝輔具等。這些要素是客觀存在的，必須科學合理地加以使用，并使其創造和產生價值，因此需要將工藝流程加入到工藝體系中去。
工藝流程
在萬噸級鍛造液壓機工藝體系中，工藝流程是工藝技術的體現，大型鍛件進行到哪一個生產環節，就需要相應的工藝支撐對其進行規范，確保萬噸級鍛造液壓機正確、合理地加工出合格的大型鍛件，使得設計與加工過程都有據可依。工藝支撐和工藝流程在萬噸級鍛造液壓機工藝體系的建立中都是不可或缺的。
鍛造工藝體系建立
鍛造工藝體系的建立，是萬噸級鍛造液壓機正常運行及鍛造出合格產品的關鍵所在，圖3 所示為萬噸級鍛造液壓機的鍛造工藝體系設計過程。
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