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來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：黃湘龍 易幼平 關(guān)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(jìn)行等溫鍛造過程模擬，對等溫鍛造中流線、應(yīng)力、應(yīng)變、最大載荷以及可能產(chǎn)生的折疊進(jìn)行全方面模擬，提出了相應(yīng)的等溫鍛造成形方案與工藝參數(shù)，為等溫鍛造參數(shù)以及鍛造用模具優(yōu)化設(shè)計(jì)提供幫助。

通過Simufact Forming軟件的模擬分析，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了鐓粗、拉伸及多次鍛造等關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)的熱鍛過程，重點(diǎn)觀察了開坯鍛造階段的材料流動(dòng)特性。模擬結(jié)果清晰揭示了軸底部廢料中不合格材料的流動(dòng)規(guī)律，為工藝優(yōu)化提供了依據(jù)。

圖6 冷精鍛模具(左下模，右上模)DEFORM-3D 有限元模模擬分析 DEFORM-3D 是針對金屬成形過程的模擬分析軟件，專門用于分析各種金屬成形過程中的三維流動(dòng)，對鍛造成形過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行模擬，提供有價(jià)值的分析數(shù)據(jù)。減少了模具的優(yōu)化過程，大大減少了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。通過DEFORM-3D 對球面銷的預(yù)鍛、終鍛和冷精整3 個(gè)工序進(jìn)行有限元模擬分析。

一些常見的軟件工具包括：1) DEFORM：用于金屬擠壓和鍛造過程的有限元模擬和分析。2) FORGE：用于金屬鍛造工藝的數(shù)值模擬和優(yōu)化。3) MSC.Marc：用于金屬材料力學(xué)行為的有限元分析和仿真。4) ANSYS：通用有限元分析軟件，可用于金屬材料的力學(xué)行為和工藝模擬。5) Pro/ENGINEER或SolidWorks：用于設(shè)計(jì)和建模金屬擠壓和鍛造設(shè)備。

圖2 第1火模擬結(jié)果圖3 第2火模擬結(jié)果試驗(yàn)方案本試驗(yàn)思路為：鍛件生產(chǎn)前在原材料棒材上切取φ200mm×20mm的低倍片進(jìn)行空燒，將初始等軸α含量控制在25%～35%，此時(shí)的空燒溫度記為T0，本試驗(yàn)測得T0 為995℃，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了A、B 兩種鍛造加熱方案(表5)。

圖：左圖是他廠鍛造輪圈微觀結(jié)構(gòu)，右圖是BBS鍛造輪圈微觀結(jié)構(gòu)，日本BBS的鍛造輪圈分子分布更均勻。圖：每一款輪圈的設(shè)計(jì)都要經(jīng)過仿真模擬受力分析，成品被制造出來也都要經(jīng)受多個(gè)測試，才能夠進(jìn)入量產(chǎn)的階段。圖：這個(gè)是等頻率徑向負(fù)荷測試儀，模擬輪圈真實(shí)行駛的測試，可以看到輪輻在負(fù)荷的作用下會有小幅度的震動(dòng)哦。

通過Simufact Forming軟件的模擬分析，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了鐓粗、拉伸及多次鍛造等關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)的熱鍛過程，重點(diǎn)觀察了開坯鍛造階段的材料流動(dòng)特性。模擬結(jié)果清晰揭示了軸底部廢料中不合格材料的流動(dòng)規(guī)律，為工藝優(yōu)化提供了依據(jù)。

終鍛工藝的制定及設(shè)備的選取根據(jù)終鍛毛坯定位需求，有內(nèi)徑定位及外徑定位兩種方式，對兩種方式進(jìn)行有限元模擬分析，選取合適的終鍛毛坯定位方式以及鍛造設(shè)備。

由于鋁合金輪轂尺寸較大，鍛造成形過程復(fù)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(yù)鍛工序。預(yù)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(zhì)量，另外增加預(yù)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。

圖3 凸緣模擬模型表1 模擬參數(shù)模擬成形分析 由于凸緣件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了獲得更好的成形效果，設(shè)計(jì)了三種不同的坯料尺寸，如表2 所示。表2 坯料尺寸方案 圖4 為方案一鍛造模擬圖，坯料鍛造過程中，隨著上模的不斷下行，坯料逐漸成形，整體成形比較平穩(wěn)，成形后的工件沒有大的缺陷，但是飛邊比較大，原材料損失較大，不利于實(shí)際生產(chǎn)。

鍛造成形應(yīng)用鍛造數(shù)值模擬軟件Forge 對飛輪體進(jìn)行鍛造鐓粗模擬分析，得到最佳的鍛造變形工藝參數(shù)。鐓粗過程中用頂鐓帽對鋼錠進(jìn)行了鐓粗。經(jīng)過鍛造數(shù)值模擬后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐓粗變形率達(dá)到80%時(shí)，在鍛件的縱向剖面上，鍛造變形的等效應(yīng)變不均勻(圖2）。剖面中間位置小，而兩側(cè)位置的數(shù)值大，最小等效應(yīng)變的數(shù)值為0.9，最大等效應(yīng)變數(shù)值已經(jīng)達(dá)到了2.2。鍛件內(nèi)部的等效應(yīng)力也達(dá)到了40MPa(圖3）。

旋轉(zhuǎn)鍛造主要工藝參數(shù)較多，除變形程度外，還有主軸轉(zhuǎn)速、徑向進(jìn)給、軸向送進(jìn)和徑向壓下量等，熱鍛時(shí)還要考慮坯料的加熱溫度，空心件有無芯棒鍛造等。在分析和優(yōu)化工藝參數(shù)時(shí)，通過現(xiàn)場多次加工試驗(yàn)對工程師來講的是非常低效的方法。而有限元模擬時(shí)，每一次鍛打就是一次模擬計(jì)算，幾千次的鍛打和工件位置不斷調(diào)整的前處理設(shè)置占用工藝仿真人員大量的時(shí)間，因此需要一個(gè)專業(yè)的旋鍛向?qū)K。

圖4 閉式胎模鍛模具結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物中間坯平鍛工藝模擬分析及優(yōu)化提高 平鍛制坯工藝模擬分析 使用DEFORM 模擬分析軟件對平鍛制坯工藝過程進(jìn)行模擬分析。首先對平鍛制坯工藝建立中間坯成形的有限元模型。

圖4 鍛件模鍛工藝成形過程模擬圖鍛打載荷曲線及金屬流動(dòng)趨勢圖5為模鍛成形過程中上模所受載荷變化曲線走勢，在鍛造過程中，隨著坯料變形量的增加，上模所受載荷不斷增加，在鍛造末期即最外側(cè)飛邊剛形成時(shí)，模具型腔即將充滿，上模所受載荷急劇增大。

同時(shí)由于是出口產(chǎn)品對外觀有較高的要求，需在鍛造時(shí)將加熱產(chǎn)生的一次氧化皮清理干凈，因此本工藝在鍛造前增加了除鱗設(shè)備進(jìn)行一次氧化皮的清除，通過采用除鱗設(shè)備，可取消傳統(tǒng)的鐓粗去氧化皮工序，從而提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率及表面質(zhì)量。工藝流程分析根據(jù)其產(chǎn)品特點(diǎn)可選擇兩種生產(chǎn)流程如下。⑴方案一：采用制坯設(shè)備拔長桿部后將桿部放入型腔后在4000t 上進(jìn)行鐓粗、預(yù)鍛、終鍛。

鍛造過程使用與二維網(wǎng)格劃格的二維軸對稱模型進(jìn)行模擬四節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元 （PLANE182）。模型表示彈塑性圓柱形塊（工件）位于剛性表面（靜態(tài)模具）。 該塊被另一個(gè)剛性表面（移動(dòng)模具）變形，該表面以無限小的速度移動(dòng)，使工件的最終形狀成為齒圈具有完整的模具填充。 當(dāng) 96% 的網(wǎng)格失真時(shí)，初始分析會因網(wǎng)格失真過大而發(fā)散達(dá)到總載荷 （TIME = 0.96）。

目前，粉末高溫合金渦輪盤普遍采用等溫鍛造成形[40,41]，歐美采用鉬鈦鋯(TZM)鉬基合金作為鍛模材料，工作溫度可達(dá)1200 ℃，但TZM合金在高溫下抗氧化性能較低，因此其作為等溫鍛造模具必須在真空下使用，而建立完善的全封閉等溫鍛造設(shè)備投資巨大且維護(hù)成本很高。