大阪大學(xué)名譽教授 小坂田 宏造

蘇州漢金模具技術(shù)有限公司 （太倉 215400） 王 欣

1. 鍛造計算機模擬概要

鍛造成形過程中的材料流動及內(nèi)部情況，在計算機上進行再現(xiàn)的方法稱為模擬，被越來越多地應(yīng)用于減少鍛造變形的工序，減少試模次數(shù)，降低成本及縮短零件的開發(fā)周期等方面。人們想象的鍛造模擬的理想結(jié)果是與實際鍛造一樣，在計算機中進行試模及鍛造操作，完全再現(xiàn)加工中產(chǎn)生的各種現(xiàn)象。可是，現(xiàn)實的模擬技術(shù)由于受到計算機能力，軟件的完善程度，以及輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和完整性等的影響，與想象中的理想狀態(tài)還相差很遠。另外，要想很好地利用模擬工具也需要一定的力學(xué)知識。

如果把模擬的作用定義為幫助技術(shù)人員完成設(shè)計，則現(xiàn)在的模擬技術(shù)已經(jīng)完全可以達到這個程度，并且在許多企業(yè)的實際應(yīng)用中得到了驗證。在這里，對鍛造模擬技術(shù)的基礎(chǔ)知識和現(xiàn)有模擬軟件使用時的必要知識、使用技巧進行說明。

2. 二維與三維有限元

圖1a所示為橫斷面的形狀呈圓形的回轉(zhuǎn)對稱零件，對縱斷面的右半部分進行解析就可以得軸對稱變形。在二維平面上可以分析計算的問題稱二維變形。在二維變形中，如板材軋制那樣軋板在寬度方向具有同樣變形的情況，稱為平面變形，板材拉深試驗時在板厚方向無壓力作用的情況稱為平面應(yīng)力變形。大多數(shù)冷鍛零件具有軸對稱形狀，因此，二維變形問題的解析具有廣泛的應(yīng)用范圍是非常重要的。

另一方面，大多的熱鍛產(chǎn)品如圖1b所示，是不具有對稱性的三維形狀，需要三維有限元解析。與二維問題的解析相比，三維解析具有適用范圍廣等優(yōu)點，可是需要多用100 1000倍的計算時間。為此，實際上的三維變形零件也經(jīng)常根據(jù)其部分變形的特征簡化成二維變形的模型進行解析。

圖1 軸對稱變形與三維變形

3. 模擬計算時的注意事項

（1）明確目的 如果在沒有很好理解原理的情況下就交代模擬計算工作，或者在沒有很好理解交代人員意圖的情況下就進行計算，得到的結(jié)果往往也沒有什么參考價值，這樣的例子經(jīng)常會見到。有效的模擬計算，需要首先明確以下事項： ①為什么要進行模擬計算（提高模具壽命）。②想知道什么參數(shù)（工具面壓）。③什么方面對獲得目的結(jié)果的影響最大(角部過渡圓角)。④所需參數(shù)的精度要求是多少（5%以上的壓力變化）。

（2）不能過度相信模擬結(jié)果 模擬只是基于輸入的數(shù)據(jù)進行計算，如果輸入數(shù)據(jù)不正確那肯定得不到正確的結(jié)果。100%正確的數(shù)據(jù)很難得到，為了正確理解計算結(jié)果，需要與一定程度的實驗數(shù)據(jù)進行比較。因此，需要對是否符合模擬的目的，是否按照模型化的意圖進行了模擬等項目進行不斷的確認(rèn)。

（3）模型的簡化 初入手操作者在進行三維計算時，會劃分很多單元，同時建立包括溫度計算與工具彈性計算的復(fù)雜模型，不過“盡可能建立簡單的計算模型”非常重要。模型越復(fù)雜，計算時間就越長，易于錯過觀察重要參數(shù)的機會。簡單的模型可以節(jié)約計算時間，在分析計算結(jié)果時，可以回避徒勞無益的工作，易于排除數(shù)據(jù)設(shè)定失誤等引起的相關(guān)錯誤。三維模擬除了計算時間長以外，斷面上的結(jié)果觀察也是在平面上進行的，很難檢查出問題。建議盡量采用不考慮溫度計算的軸對稱變形來完成模擬解析分析。需要復(fù)雜的模型時，最好也從簡化模型計算開始，不斷朝著復(fù)雜的方向進展，這樣可在短期間內(nèi)獲得高信賴度的模擬結(jié)果。

（4）進行徹底的分析 調(diào)查有無應(yīng)變應(yīng)力分布極端集中的部分，對單元的大小和分布及一個變形步的變形量是否適當(dāng)進行研討。與過去的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗進行比較，看計算結(jié)果是否與實際現(xiàn)象一致，以便確認(rèn)輸入數(shù)據(jù)的可信性。正確理解計算得到的“一次信息”的物理意義，并進行綜合的分析判斷。從“一次信息”有時也能夠預(yù)測鍛造缺陷等“二次信息”，對各種一次信息進行組合，綜合推定二次信息的情況也很多?？梢哉f這些分析能力是模擬專家最不可欠缺的東西。

（5）關(guān)鍵人才的培養(yǎng)是成功的秘訣 在鍛造模擬的日常使用中，要掌握模擬最基本的知識，熟悉掌握塑性力學(xué)，有限單元法的知識不是絕對的條件。限定適用范圍，完善使用說明，圍繞限定的目的，在生產(chǎn)現(xiàn)場也可以使用模擬計算。當(dāng)遇到問題時如果沒有具有處理能力的人員，往往會導(dǎo)致模擬計算的使用舉步不前。因此，要想有效地使用鍛造模擬軟件，需要培養(yǎng)既要懂鍛造理論又要精通鍛造實際技術(shù)的關(guān)鍵人才。

4. RIPLS鍛王

RIPLS鍛王是鍛造工藝設(shè)計專家系統(tǒng)(鍛王)與鍛造模擬軟件(RIPLS-FORGE)組合而成的一個精密鍛造模具（工藝）設(shè)計的輔助工具，由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、體積計算、壓力（噸位）計算、模具計算、有限元模擬以及設(shè)計方法6部分組成。本軟件簡單、快速、精確，鍛造技術(shù)人員及鍛造現(xiàn)場工作人員均能使用，并能獲得幫助為目的而開發(fā)，鍛王融合了塑性理論、現(xiàn)場經(jīng)驗以及實測數(shù)據(jù)的計算公式，既操作簡單又能滿足生產(chǎn)現(xiàn)場對精度的要求。

5. RIPLS-FORGE的模擬計算實例

圖2 帶有大法蘭小圓角的冷鍛制品

圖2 所示為一個帶小圓角的法蘭螺帽，是使用多工位冷鍛機加工的實例。材料為10鋼，法蘭直徑較大（φ52mm），并且要求成形后上部鍛造成圓角小于R0.5mm。依據(jù)現(xiàn)場設(shè)計人員的經(jīng)驗，由于材料很軟認(rèn)為可以通過密閉成形得到所需的形狀，可是在試模時模具產(chǎn)生開裂。最初，只是考慮可能是模具本身的質(zhì)量問題，之后又加工了3個模具繼續(xù)進行試驗，結(jié)果還是開裂。

針對以上問題，使用有限元軟件RIPLSFORGE進行計算，在模擬目的明確的前提下，為了能用二維有限元進行計算，忽略了中心孔的存在，簡化成了圓柱軸對稱模型。為獲得小圓角R0.5mm，需要550t成形力，工具面壓也將超過30 000 MPa，從而搞清了面壓過大是模具開裂的原因, 如圖3 圖5所示。

改進后的法蘭螺帽的鍛造工序，為了獲得最終的形狀，設(shè)計了4個工序。

第一工序的目的主要是矯正不規(guī)則的切斷面，為下一步鐓粗成形時防止材料失穩(wěn)做好準(zhǔn)備并進行預(yù)備成形。另外，為了盡量獲得均勻的軸對稱形狀，沖頭和模具兩面都設(shè)計了約束部分，圖6a中A部的過渡圓角R也不能太?。ㄌ蔀檎郫B的根源）。

第二工序的目的是進一步矯正切斷帶來的圓周不均勻缺陷，為了增加摩擦采用帶有微小同心圓槽約束的球面沖頭。在第三工序中，鐓粗到法蘭外徑尺寸，并盡量保證外周的自由表面，避免噸位的急速增加（外周形狀可以根據(jù)允許面壓來調(diào)節(jié)）。在第四工序，使用局部擠壓整形的辦法來實現(xiàn)上部角部小于R0.5mm的成形。實際鍛造中，幾乎是與模擬結(jié)果一樣，整體噸位在500t以下就實現(xiàn)了鍛造生產(chǎn)，模具壽命較高（見圖6）。

圖 3

圖 4

圖 5