文/金超，肖騰·上海交大中京鍛壓有限公司

鍛造有限元模擬軟件QFORM在實(shí)際生產(chǎn)中的運(yùn)用

文/金超，肖騰·上海交大中京鍛壓有限公司

2009年，上海交大中京鍛壓有限公司，正式引進(jìn)了俄羅斯QUANTORFORM公司的鍛造模擬軟件QFORM。該軟件在金屬成形領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，模擬速度快且較易使用，同時(shí)其模擬分析功能非常強(qiáng)大，可以模擬熱鍛、溫鍛、冷鍛等多種工藝，也可以模擬粉末鍛造和旋轉(zhuǎn)成形。該軟件使用的設(shè)備有機(jī)械壓力機(jī)、鍛錘、螺旋壓力機(jī)、液壓機(jī)、輥鍛機(jī)等。QFORM軟件有其自成一體的設(shè)備庫(kù)和材料庫(kù)，軟件環(huán)境較為開(kāi)放，可根據(jù)需要自行添加設(shè)備和材料。該軟件的2D/3D模擬可以共享同一界面，能夠在同一工藝鏈中同時(shí)進(jìn)行2D/3D模擬，在保證模擬精度的同時(shí)大幅縮短了模擬時(shí)間。

通過(guò)該軟件的模擬可以發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品、模具存在的問(wèn)題和缺陷，從而優(yōu)化或改進(jìn)設(shè)計(jì)，大量減少車(chē)間試模時(shí)間。目前公司技術(shù)部應(yīng)用QFORM軟件平臺(tái)進(jìn)行產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了試制成本，增強(qiáng)了公司的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

實(shí)際應(yīng)用案例

產(chǎn)品要求

產(chǎn)品為履帶式推土機(jī)齒塊（該產(chǎn)品獲得第十一屆中國(guó)國(guó)際鍛造展覽會(huì)及第五屆中國(guó)國(guó)際金屬成形展覽會(huì)優(yōu)質(zhì)鍛件獎(jiǎng)），理論凈重6kg，三維模型如圖1所示。履帶式推土機(jī)齒塊應(yīng)用于履帶式推土機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，連接鏈板和鏈輪，此部件為多體連接件，一般一輪裝4件至9件，分兩齒及多齒，由于與鏈輪鏈板接觸，對(duì)轉(zhuǎn)配面平行度及齒面直線度有較高要求。

圖1 鍛件三維模型

工藝方案

通過(guò)項(xiàng)目小組的討論，根據(jù)產(chǎn)品的外形特征確定工藝方案為：加熱（圓棒料）→模具出坯（彎曲）→預(yù)成形→終成形→切邊→整形。在應(yīng)用QFORM后，該產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)流程較傳統(tǒng)流程有所改變，具體如圖2所示：

有限元模擬初始條件設(shè)定：

⑴原材料模型采用20CrMo，模具模型出坯模具采用5CrMnMo，預(yù)鍛和終鍛模具采用H13。

圖2 數(shù)字化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程

⑵預(yù)鍛過(guò)程模擬結(jié)束后，繼續(xù)進(jìn)行終鍛過(guò)程的模擬，如預(yù)鍛產(chǎn)生缺陷模擬停止。

⑶上下模具的平均溫度為250℃，坯料初始溫度為1200℃。

⑷坯料停留預(yù)鍛模膛時(shí)間為3s，預(yù)鍛件停留終鍛模膛時(shí)間為3s，空冷時(shí)間為5s。

⑸潤(rùn)滑劑采用水基石墨乳，摩擦系數(shù)取0.4。

⑹坯料熱膨脹系數(shù)取3％，模具熱膨脹系數(shù)取1％。

⑺設(shè)備采用25MN機(jī)械壓力機(jī)。

⑻坯料在模具型腔內(nèi)定位方式為重力定位。

方案一

經(jīng)過(guò)換算齒塊最大截面為直徑83mm，原材料規(guī)格選用φ85mm。采用1#出坯模具，1#預(yù)鍛模具，1#終鍛模具。完成模具和坯料的三維造型后，導(dǎo)進(jìn)模擬軟件進(jìn)行初始化操作，然后進(jìn)行模擬。模擬第一步：初始條件設(shè)定，模具和工件定位，點(diǎn)擊模擬，模擬開(kāi)始。模擬到指定步數(shù)，模擬第一步完成，模擬結(jié)果如圖3所示。模擬第二步：步驟同第一步，模具和工件定位如圖4所示。模擬第三步：步驟同第一步，模擬完成。

圖3 坯料出坯后情況

圖4 出坯后在預(yù)鍛模具上擺放情況

分析模擬結(jié)果得知，圖5為坯料充滿(mǎn)預(yù)鍛型腔的狀態(tài)，但鍛件四周飛邊較大，可適當(dāng)縮小坯料直徑，預(yù)鍛件存在折疊（紅色顯示）；圖6顯示預(yù)鍛模擬過(guò)程中出現(xiàn)折疊的根本原因；坯料在預(yù)鍛模具擺放時(shí)豎起高度過(guò)高，金屬沿水平方向流動(dòng)不均勻，導(dǎo)致預(yù)鍛上模坯料金屬匯流出現(xiàn)折疊，修改出坯上模并增大出坯空間。

圖5 坯料在預(yù)鍛模型腔內(nèi)的填充情況

圖6 折疊產(chǎn)生位置

方案二

模擬步驟同方案一，采用2#出坯模具，1#預(yù)鍛模具，1#終鍛模具；出坯空間（模具間最終距離）50mm，材料規(guī)格φ80mm。出坯模擬結(jié)果如圖7所示。第二步模擬前的模具和工件定位如圖8所示。

圖7 坯料出坯后情況

圖8 出坯后在預(yù)鍛模具上擺放情況

圖9 坯料在預(yù)鍛模型腔內(nèi)的填充情況

圖10 坯料在終鍛模型腔內(nèi)的填充情況

現(xiàn)場(chǎng)試制情況為，出坯和預(yù)鍛情況與模擬情況一致，終鍛后定位塊及相鄰處有輕微塌角現(xiàn)象與終鍛模擬情況不相符，見(jiàn)圖11。

分析模擬結(jié)果得知，圖9和圖10顯示在預(yù)鍛和終鍛時(shí)，材料完全充滿(mǎn)模具型腔，鍛件本體折疊現(xiàn)象消失，折疊僅出現(xiàn)在飛邊區(qū)域。因此得出結(jié)論，方案二可行，可以按此方案設(shè)計(jì)加工出坯模具并制定生產(chǎn)工藝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試制。

圖11 試制鍛件、模擬鍛件

造成這種情況的原因?yàn)?，終鍛模擬過(guò)程顯示，該塌角處是模具型腔最后被充滿(mǎn)的地方，由于模擬各種環(huán)境較為理想，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件如模具潤(rùn)滑、溫度條件、設(shè)備等情況與理想環(huán)境有所不同，所以充填型腔的情況也有稍許不同。

通過(guò)以下方法調(diào)整數(shù)據(jù)，修改方案。調(diào)整預(yù)鍛型腔中的各項(xiàng)模擬數(shù)值，同時(shí)降低模擬初始條件中的坯料溫度為1150℃、模具溫度為200℃，增大潤(rùn)滑劑摩擦系數(shù)為0.5。因此，增大了坯料充填型腔的難度，平衡理想與現(xiàn)實(shí)之間的差距，使模擬結(jié)果進(jìn)一步靠近實(shí)際生產(chǎn)。

圖12 坯料在預(yù)鍛模型腔內(nèi)的填充情況

圖13 坯料在終鍛模型腔內(nèi)的填充情況

方案三

采用2#出坯模具，2#預(yù)鍛模具，1#終鍛模具；出坯空間（模具之間最終距離）為50mm，材料規(guī)格選用φ80mm，修改預(yù)鍛模具后提高5％的材料利用率。

分析模擬結(jié)果得出以下結(jié)論。因?yàn)榉桨付确桨敢缓侠?，所以下面讓我們?lái)比較一下方案二和方案三，因?yàn)榉桨溉窃诜桨付幕A(chǔ)之上修改預(yù)鍛模具再進(jìn)行模擬的，所以我們只需比較一下預(yù)鍛和終鍛的情況。可以看出，方案三預(yù)鍛之后的形狀與實(shí)際要求的鍛件更加接近，故終鍛充足情況較方案二的理想。

因此，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，在上次試制的基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬驗(yàn)證決定不需要再次試制，直接修改模具后進(jìn)行小批量生產(chǎn)。結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)的鍛件經(jīng)探傷無(wú)缺陷，鍛件質(zhì)量情況良好，與計(jì)算機(jī)模擬相吻合，同時(shí)還提高了材料利用率。

QFORM模擬軟件的優(yōu)勢(shì)

能源的日漸短缺和行業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，加快了科學(xué)技術(shù)的前進(jìn)步伐，運(yùn)用QFORM進(jìn)行鍛造有限元模擬，有以下優(yōu)點(diǎn)和前景：

⑴單件小批量生產(chǎn)的毛坯件（特別是關(guān)鍵大件）確保一次設(shè)計(jì)、制造成功。

⑵大批量生產(chǎn)的毛坯件，減少試模次數(shù)，進(jìn)而確保一次試模成功。

⑶多品種、變批量生產(chǎn)的毛坯件，及時(shí)改變并優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，快速響應(yīng)市場(chǎng)變化，適應(yīng)柔性生產(chǎn)。

⑷制造工藝復(fù)雜的毛坯件過(guò)程中，預(yù)測(cè)工藝過(guò)程質(zhì)量，消除缺陷，優(yōu)化工藝過(guò)程。

⑸先進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，作為快速設(shè)計(jì)制造、虛擬設(shè)計(jì)制造、分布式設(shè)計(jì)制造的技術(shù)基礎(chǔ)，在先進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

⑹工藝模擬作為研究開(kāi)發(fā)新工藝的常規(guī)方法及試驗(yàn)的必要補(bǔ)充，在研究開(kāi)發(fā)工作中也將發(fā)揮重大的作用。

結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用QFORM進(jìn)行鍛造有限元模擬，一方面打破了傳統(tǒng)鍛造行業(yè)工藝設(shè)計(jì)的“唯經(jīng)驗(yàn)論”，為培養(yǎng)新的人才提供了更方便快捷的平臺(tái)。另一方面極大地降低了前期試驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)，最大限度地節(jié)能減排，綠色生產(chǎn)。相信隨著鍛造有限元模擬技術(shù)的不斷進(jìn)步，鍛造有限元軟件在廣大加工企業(yè)的應(yīng)用，必將會(huì)大幅度提升企業(yè)的科技創(chuàng)新水平，同時(shí)降低企業(yè)的研發(fā)成本，為企業(yè)的健康發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

金超，技術(shù)部部長(zhǎng)，主要從事鍛造成形工藝、CNC加工及數(shù)值模擬技術(shù)方面的工作。