文/呂文鶴，趙喜軍，韓海河·內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)富成鍛造有限公司

借助計(jì)算機(jī)仿真分析優(yōu)化鍛造工藝

文/呂文鶴，趙喜軍，韓海河·內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)富成鍛造有限公司

鍛造企業(yè)一直追求更高的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著原材料價(jià)格不斷上漲，鍛造工藝開(kāi)發(fā)周期不斷緊縮，競(jìng)爭(zhēng)壓力愈來(lái)愈大。鍛造企業(yè)不斷追尋控制成本的新方法，而鍛造工藝優(yōu)化則是最佳的方法。隨著技術(shù)的發(fā)展，鍛造計(jì)算機(jī)仿真分析的可靠性不斷得到驗(yàn)證?；谟邢拊夹g(shù)的鍛造工藝分析技術(shù)，可以非常精確地分析復(fù)雜鍛件成形過(guò)程，使工藝設(shè)計(jì)人員可以在鍛造試制前做到心中有數(shù)。

坯料規(guī)格及尺寸的計(jì)算機(jī)仿真分析

富成鍛造公司是重型車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)鍛件制造商，撥叉鍛件在16000t壓力機(jī)上采用一模三件的生產(chǎn)方式一次鍛壓成形，如圖1所示，然后切除飛邊。從接到訂單到鍛件批量供貨大致需要八周，其中鍛造工藝設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、原材料采購(gòu)和模塊定制、制造占用了大部分時(shí)間。由于原材料采購(gòu)和模塊定制、制造時(shí)間比較穩(wěn)定，只能通過(guò)縮短鍛造工藝設(shè)計(jì)時(shí)間，來(lái)降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

圖1 切邊前撥叉鍛件

工藝設(shè)計(jì)人員希望借助鍛造計(jì)算機(jī)仿真分析確定鍛件坯料的最佳規(guī)格及尺寸。

⑴坯料規(guī)格過(guò)大。采用規(guī)格較大的棒料進(jìn)行鍛造計(jì)算機(jī)仿真分析，如圖2所示。由分析結(jié)果可知，模具型腔完全充滿，但飛邊太大。飛邊過(guò)大導(dǎo)致溫度、成形壓力和流動(dòng)速度上升，加快模具磨損速度且材料浪費(fèi)嚴(yán)重。

圖2 坯料規(guī)格過(guò)大產(chǎn)生較多飛邊（紅圈區(qū)域）

⑵坯料規(guī)格較小。為了減小飛邊體積，采用一個(gè)小規(guī)格棒料進(jìn)行鍛造計(jì)算機(jī)仿真分析，如圖3所示。由分析結(jié)果可知，撥叉的中心部位出現(xiàn)充不滿現(xiàn)象。另外，鍛件生產(chǎn)的飛邊較小，將導(dǎo)致飛邊難以切凈。

根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真分析結(jié)果，設(shè)計(jì)人員優(yōu)化了鍛件的下料規(guī)格及尺寸，使鍛件完整充型的同時(shí)，獲得合理的飛邊體積。

圖3 坯料規(guī)格較小導(dǎo)致毛坯充不滿（紅圈區(qū)域）

⑶坯料長(zhǎng)度較短。在前兩次仿真分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員確定了鍛件坯料規(guī)格。對(duì)撥叉而言，模具前端應(yīng)留出夾頭尺寸，以便于生產(chǎn)工人夾持鍛件。在此仿真分析中發(fā)現(xiàn)，坯料長(zhǎng)度較短，導(dǎo)致末端撥叉由于材料不足而出現(xiàn)缺肉，如圖4所示。

圖4 末端撥叉充不滿（紅圈區(qū)域）

⑷坯料定位。即使毛坯的下料規(guī)格和尺寸經(jīng)過(guò)優(yōu)化，仍有一個(gè)因素可能導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)缺陷，即毛坯在模膛內(nèi)的定位。毛坯在模膛中位置的變動(dòng)將影響金屬流動(dòng)規(guī)律，最終影響鍛件的品質(zhì)。為此，設(shè)計(jì)人員分析了毛坯比通常位置更靠近操作者時(shí)鍛件的成形狀況。分析結(jié)果顯示，最后一個(gè)撥叉充不滿，如圖5所示，導(dǎo)致鍛件產(chǎn)生折疊缺陷。

圖5 毛坯定位不準(zhǔn)導(dǎo)致折疊缺陷

⑸合理毛坯尺寸規(guī)格確定。工藝設(shè)計(jì)人員采用優(yōu)化后的坯料規(guī)格及尺寸，分析了坯料準(zhǔn)確定位時(shí)模具的充型情況。結(jié)果顯示，型腔充型完整，飛邊均勻合理，可滿足切邊和工藝流程穩(wěn)定性要求（圖6）。

圖6 鍛件成形完好且飛邊均勻

撥叉鍛件坯料規(guī)格及尺寸確定的例子，向鍛造工藝設(shè)計(jì)人員展示了計(jì)算機(jī)仿真分析是如何幫助他們?cè)谌粘９ぷ髦袃?yōu)化鍛造工藝的。

模具磨損的計(jì)算機(jī)仿真分析

汽車(chē)差速器殼體鍛件是富成鍛造公司重要產(chǎn)品之一，如圖7所示。在鍛造生產(chǎn)過(guò)程中，因模具磨損速度過(guò)快而影響生產(chǎn)效率和提高成本，通過(guò)借助計(jì)算機(jī)仿真分析來(lái)最大限度地降低模具磨損速度。

模具常因突然開(kāi)裂、變形過(guò)大、損傷疲勞或磨損等因素導(dǎo)致模具失效。模具磨損分析是鍛造工藝仿真分析的高級(jí)應(yīng)用模塊，用于研究模具磨損的物理和機(jī)械機(jī)理。

Archard模型是鍛造工藝仿真分析中最常用的模具磨損模型，見(jiàn)式（1）。

模型中模具磨損量W是金屬、模具間界面壓力p、相對(duì)滑動(dòng)速度v和模具硬度H和一些試驗(yàn)校正參數(shù)（a，b，c，K）的函數(shù)。一旦上述參數(shù)經(jīng)過(guò)校正，則軟件可以精確地計(jì)算鍛造過(guò)程中模具的磨損量。通過(guò)仿真分析，設(shè)計(jì)人員或工程師可以確定每件的磨損量或鍛模磨損到一定深度而失效前總共可生產(chǎn)的鍛件數(shù)量。

如果缺乏參數(shù)校正手段，則設(shè)計(jì)人員或工程師可采用軟件默認(rèn)參數(shù)計(jì)算，這些參數(shù)為鍛模磨損典型數(shù)據(jù)。根據(jù)這些參數(shù)，設(shè)計(jì)人員可以評(píng)估不同預(yù)鍛件或模具設(shè)計(jì)方案對(duì)鍛模磨損速度的影響，從而確定較為優(yōu)化的方案。

圖7 差速器殼體鍛件模型

⑴傳統(tǒng)預(yù)鍛。差速器殼體鍛件采用三工步鍛造工藝方案，即第一工步預(yù)鍛，第二工步基本成形，第三工步精整。因此，主要的磨損發(fā)生在第二工步，該工步的沖頭磨損速度很快。

通過(guò)對(duì)第二工步?jīng)_頭實(shí)際磨損狀況與軟件仿真結(jié)果的對(duì)比，如圖8所示。計(jì)算機(jī)仿真分析結(jié)果精確地預(yù)測(cè)了實(shí)際鍛造生產(chǎn)中沖頭的磨損狀況。根據(jù)直覺(jué)可判定，沖頭突出部位的磨損較快，但無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)半月形磨損帶。

圖8 實(shí)際磨損與仿真結(jié)果的對(duì)比

這里將生產(chǎn)中采用的預(yù)鍛模設(shè)定成為標(biāo)準(zhǔn)預(yù)鍛模。但從壓力機(jī)生產(chǎn)率角度分析，當(dāng)前采用的預(yù)鍛模不是最優(yōu)化的。由于大部分載荷用于第二工步的成形，第一工步和第三工步?jīng)]有承擔(dān)合理的成形任務(wù)比例。

⑵球形預(yù)鍛。為了降低模具磨損速度，設(shè)計(jì)人員分析了采用球形預(yù)鍛時(shí)模具的磨損狀況。此設(shè)計(jì)要求第一工步承擔(dān)更多的成形任務(wù)，以降低第二工步的變形量和載荷。由于此設(shè)計(jì)只有兩個(gè)工步，因此，鍛件可以在一臺(tái)設(shè)備上成形。如果此設(shè)計(jì)可以成功，則壓力機(jī)的生產(chǎn)效率將翻倍。

但分析結(jié)果顯示，采用球形預(yù)鍛工步后終鍛模的磨損速度比原工藝流程還要差，即使此工藝提高了生產(chǎn)效率，由于終鍛模具磨損速度加快，設(shè)計(jì)人員還是不能采用此方案。

⑶環(huán)形預(yù)鍛。隨后工藝設(shè)計(jì)人員分析了環(huán)形預(yù)鍛方案，此工藝流程與原工藝流程生產(chǎn)效率相同，工藝設(shè)計(jì)人員希望終鍛模具磨損速度可以下降，但發(fā)現(xiàn)終鍛模擬分析中出現(xiàn)折疊曲線，顯然再考慮鍛模磨損毫無(wú)意義。

⑷環(huán)形預(yù)鍛調(diào)整。環(huán)形預(yù)鍛方案雖然出現(xiàn)了折疊缺陷，但預(yù)鍛模的磨損速度顯著下降。因此，要適當(dāng)?shù)匦薷念A(yù)鍛模設(shè)計(jì)以消除缺陷。計(jì)算機(jī)仿真分析結(jié)果顯示，修正后的預(yù)鍛模成形后得到高質(zhì)量的差速器殼體鍛件。通過(guò)對(duì)三種預(yù)鍛設(shè)計(jì)方案的計(jì)算機(jī)仿真分析，工藝設(shè)計(jì)人員和工程師很容易發(fā)現(xiàn)，環(huán)形預(yù)鍛可以顯著地降低模架的磨損速度（圖9）。

圖9 幾種預(yù)鍛毛坯對(duì)模具的磨損速度對(duì)比

計(jì)算機(jī)模擬分析證實(shí)，在球形預(yù)鍛和環(huán)形預(yù)鍛之間的確存在需要優(yōu)化的工藝方案。理想的預(yù)鍛方案應(yīng)具有球形預(yù)鍛的高生產(chǎn)率和環(huán)形預(yù)鍛的低模具磨損速度，且滿足鍛件在一臺(tái)設(shè)備上成形的要求。

即使磨損機(jī)理研究不是非常充分，差速器殼體鍛件模具仿真分析實(shí)例還是表明計(jì)算機(jī)工藝仿真分析可以解決模具磨損不合理的問(wèn)題。

結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)鍛造試制相比，鍛造計(jì)算機(jī)仿真分析具有比較明顯的優(yōu)點(diǎn)，可明顯減少試鍛次數(shù)，縮短工藝開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用。另外，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可使工藝設(shè)計(jì)人員和產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員了解更多的信息，而這些信息無(wú)法在試鍛過(guò)程中了解，像材料流動(dòng)速度、加工硬化量和模具的接觸壓力等關(guān)鍵信息，通過(guò)物理試驗(yàn)或試鍛的方式很難獲取。借助計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)，可使工藝設(shè)計(jì)人員很輕松地優(yōu)化鍛造工藝。