郭平義， 邵 勇， 金云學(xué)， 黃忠富， 石鳳健

(江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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仿真模擬與物理成形相結(jié)合的葉片鍛造實(shí)驗(yàn)

郭平義， 邵 勇， 金云學(xué)， 黃忠富， 石鳳健

(江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

針對(duì)鍛造類實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展的困難，提出了基于仿真模擬與物理成形相結(jié)合的葉片鍛造及其輔助成形的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。開發(fā)了較為完善的葉片鍛造成形實(shí)驗(yàn)裝置，并設(shè)計(jì)了豐富多樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及課后任務(wù)形式。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)活動(dòng)的開展有利于學(xué)生更好地理解及掌握復(fù)雜金屬成形制坯、鍛造及沖切方面的專業(yè)知識(shí)及工裝設(shè)計(jì)方法，豐富了相關(guān)課程內(nèi)容的教學(xué)方式及手段，所開發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝備及實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容經(jīng)實(shí)際教學(xué)過(guò)程檢驗(yàn)，取得了較好的運(yùn)行及教學(xué)效果。

葉片； 鍛造成形； 實(shí)驗(yàn)研究； 模具設(shè)計(jì)

0 引 言

鍛造成形作為金屬塑性加工領(lǐng)域重要的成形工藝方法之一，一直是材料塑性成形及相關(guān)本科專業(yè)的主干課程內(nèi)容[1-4]，針對(duì)塑性成形課程的教學(xué)及實(shí)驗(yàn)方面的教學(xué)改革是本科專業(yè)教學(xué)及人才培養(yǎng)的必要保證[5-12]。然而，受限于成形設(shè)備能力不足，工裝設(shè)計(jì)及制造較為復(fù)雜，成形過(guò)程較為繁瑣，實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)開展困難等因素[13]，針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)鍛件的鍛造工藝設(shè)計(jì)及其成形過(guò)程方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容鮮有設(shè)置，直接導(dǎo)致鍛造工藝內(nèi)容的理論教學(xué)部分弱化，總體教學(xué)效果難以達(dá)到較高水平。

與沖壓成形相比，鍛造成形工藝更加復(fù)雜，并且實(shí)際操作過(guò)程常伴有一定的危險(xiǎn)性。一個(gè)普通的鍛件成形過(guò)程往往需要專門的主壓力設(shè)備及輔助沖壓設(shè)備、鍛件加熱及溫控系統(tǒng)、鍛造及配套成形模具、鍛造潤(rùn)滑及其他清理工序等，因此，鍛造類實(shí)驗(yàn)的開展需要具備一定的硬件條件。其次，一個(gè)完整的鍛造成形實(shí)驗(yàn)，其過(guò)程準(zhǔn)備、操作及輔助成形時(shí)間往往較長(zhǎng)，在有限教學(xué)課時(shí)的情況下，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無(wú)法深入開展。如：鍛造模具大多較重，其安裝、調(diào)整、拆卸均十分不便；熱加工過(guò)程坯件需要一定的預(yù)熱時(shí)間等。另外，金屬塑性流變特點(diǎn)及分析是本類實(shí)驗(yàn)關(guān)注的重點(diǎn)，而金屬實(shí)際成形過(guò)程速度往往較快，且主要發(fā)生于閉合模腔內(nèi)部，無(wú)法直接觀察；現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下只能從制件的成形結(jié)果反推其演變歷史，對(duì)制件在成形過(guò)程中的任意時(shí)刻、任意位置處的變形狀況難以進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，因而無(wú)法獲得量化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)中獲取的有價(jià)值信息與實(shí)驗(yàn)開展所投入的資源相比顯得較少，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在開展模式上有待優(yōu)化。

上述因素給鍛造類實(shí)驗(yàn)課程的開展帶來(lái)了一定困難，使得此類教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目少，且大多以演示性、驗(yàn)證性為主，學(xué)生往往無(wú)法親自動(dòng)手實(shí)踐或每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組只有個(gè)別學(xué)生能夠參與實(shí)際操作，極大限制了學(xué)生的主觀能動(dòng)性和參與性，客觀上造成了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不足，實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)單一，學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)抄襲、代做，成績(jī)考核無(wú)法真實(shí)體現(xiàn)個(gè)體的差異性，難以達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果等等。

針對(duì)上述問(wèn)題并結(jié)合多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累，同時(shí)考慮到高?，F(xiàn)有壓力加工設(shè)備噸位較小、自動(dòng)化程度低、精度差的不足，本教研組在63 t通用曲柄壓力機(jī)上對(duì)復(fù)雜航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制件的鍛造模具及配套切邊模具進(jìn)行了研制與開發(fā)，并提出了物理成形與仿真模擬相結(jié)合的葉片鍛造及切邊成形實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，為此類實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的開展及改革提供了有益嘗試。

1 葉片鍛造實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)及過(guò)程設(shè)計(jì)

葉片鍛造過(guò)程較為復(fù)雜[14-15]，其完整的成形過(guò)程涉及制坯、模鍛及沖切等變形工步，相關(guān)模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成形過(guò)程演示等均有較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范性和工程實(shí)用性，能全面系統(tǒng)的體現(xiàn)鍛造工藝特點(diǎn)及要求。本實(shí)驗(yàn)葉片鍛件產(chǎn)品外形如圖1所示，其最大外廓尺寸約為70 mm×28 mm×28 mm，水平投影面積約9 200 mm2；壓力設(shè)備、葉片鍛造及配套切邊模具如圖2所示。

圖1 葉片鍛件形狀圖2 葉片鍛造設(shè)備及相關(guān)模具

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的迅速發(fā)展和金屬塑性成形理論的成熟，基于數(shù)值模擬的計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)在金屬塑性成形領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并逐漸成為行業(yè)內(nèi)的主流。利用數(shù)值模擬方法可以動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地獲得材料成形過(guò)程中各種場(chǎng)量參數(shù)以及金屬流變規(guī)律，預(yù)測(cè)制件成形的組織及缺陷，為分析材料成形及相關(guān)工藝設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的工具。通過(guò)把數(shù)值仿真模擬技術(shù)與現(xiàn)有的物理成形實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，預(yù)期教學(xué)效果突出：首先，利用仿真模擬技術(shù)可以對(duì)金屬成形過(guò)程中相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)可追溯的定量分析，這有利于全面分析材料的變形歷史及行為特征。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)際的物理成形實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并與仿真模擬結(jié)果進(jìn)行分析、比較，將使學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)及理解更加全面及深入。其次，基于數(shù)值模擬平臺(tái)，通過(guò)靈活改變壓力加工成形參數(shù)或坯料結(jié)構(gòu)參數(shù)等方式，可以分析不同成形條件下材料的變形行為，進(jìn)而可以為每個(gè)學(xué)生定制獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，為每個(gè)學(xué)生創(chuàng)造參與分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的必要條件，使他們真正獲得專業(yè)實(shí)踐方面的鍛煉及能力。最后，仿真模擬與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的學(xué)習(xí)模式，符合本專業(yè)科學(xué)研究的基本規(guī)律，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的改革將有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研意識(shí)，掌握必要的科研方法，提升了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)跨學(xué)科人才的目標(biāo)，具有一定的推廣及應(yīng)用價(jià)值。為此，本實(shí)驗(yàn)教研組對(duì)葉片鍛造及切邊成形所涉及的物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了仿真建模及模擬，開發(fā)了基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的葉片鍛造及切邊成形過(guò)程演示、工藝分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化教學(xué)相結(jié)合提供了必要的軟件基礎(chǔ)。

在具體實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程設(shè)計(jì)上，指導(dǎo)教師可在課前預(yù)先將整個(gè)模具安裝調(diào)試好并固定在壓力機(jī)上，所需要的葉片鍛件在成形過(guò)程中各階段的成形樣件也預(yù)先制備好，進(jìn)而節(jié)省了輔助工序操作時(shí)間。課堂上，通過(guò)講授并輔以仿真系統(tǒng)對(duì)成形模具及模架進(jìn)行虛擬裝配及固定演示，對(duì)葉片的制坯、鍛造、切邊過(guò)程等進(jìn)行成形模擬，并著重分析葉片成形過(guò)程中的模腔充填情況，材料的流動(dòng)變形情況，缺陷的產(chǎn)生及分布情況等，使學(xué)生們?cè)敿?xì)了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及流程，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)際的物理成形實(shí)驗(yàn)獲得各階段成形樣件，并與模擬仿真結(jié)果相比較，評(píng)估它們之間的成形差異并分析其中原因。最后，給出一定的結(jié)論并預(yù)留相關(guān)問(wèn)題供學(xué)生課后尋找答案。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告及評(píng)分考核環(huán)節(jié)上，可充分利用仿真模擬的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)改變不同成形材料、不同成形工藝參數(shù)、不同預(yù)成形坯件形狀等，來(lái)訂制個(gè)性化的課后任務(wù)，使學(xué)生們既可以圍繞鍛造成形工藝這一主題相互學(xué)習(xí)和交流，又避免了實(shí)驗(yàn)報(bào)告任務(wù)及內(nèi)容的雷同，真正讓每個(gè)同學(xué)都參與到實(shí)驗(yàn)中來(lái)并掌握到相關(guān)的專業(yè)知識(shí)。

2 教學(xué)效果

目前，本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已在我校材料成型及控制工程專業(yè)的“塑性加工工藝及模具設(shè)計(jì)”以及金屬材料專業(yè)的“金屬塑性加工學(xué)”專業(yè)課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了初步嘗試，收到了良好的教學(xué)效果，具體體現(xiàn)在：

(1) 仿真模擬實(shí)驗(yàn)的引入改變了以往實(shí)驗(yàn)繁雜、拖沓的操作過(guò)程，整個(gè)課程組織有序、緊湊；仿真成形結(jié)果穩(wěn)定可靠、波動(dòng)小，有利于理論知識(shí)的講授。

(2) 由于可以全方位、多角度觀察、分析葉片的鍛造過(guò)程，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情顯著提高，能主動(dòng)提出問(wèn)題，參與思考及交流的學(xué)生有所增多，學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解及領(lǐng)悟更加透徹。

(3) 仿真模擬技術(shù)的利用極大豐富了教學(xué)內(nèi)容的深度與廣度，并給學(xué)生們提供了充分學(xué)習(xí)及實(shí)踐的廣闊空間，靈活多變的課后任務(wù)調(diào)動(dòng)起了學(xué)生的自主參與性，消極怠工現(xiàn)象減少，教學(xué)效果明顯改善。

圖3是學(xué)生們?cè)趯?shí)驗(yàn)課堂上鍛造的不同形狀葉片鍛件及對(duì)應(yīng)的成形數(shù)值模擬分析結(jié)果。

圖3 物理成形及仿真模擬的葉片鍛件

3 結(jié) 語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)活動(dòng)的開展有利于學(xué)生更好地理解及掌握復(fù)雜金屬成形制坯、鍛造及沖切方面的專業(yè)知識(shí)及工裝設(shè)計(jì)方法，豐富了相關(guān)課程內(nèi)容的教學(xué)方式及手段，所開發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝備及實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容經(jīng)實(shí)際教學(xué)過(guò)程檢驗(yàn)，取得了較好的運(yùn)行及教學(xué)效果，所提出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路及方法具有一定的推廣意義。

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Research on Blade Forging Experiment Combining Physical Forming Process and Computer Simulation

GUOPing-yi,SHAOYong,JINYun-xue,HUANGZhong-fu,SHIFeng-jian

(School of Material Science and Technology, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Facing on difficulties of experimental teaching, a new experimental teaching mode based on combining physical forming process and computer simulation has been presented. Then, the sufficient equipment used for blade forging experiment has been developed. Diverse experimental teaching contents and private works have been established for the success in the future experimental teaching operation. The developed project will broaden the teaching mode and way of relative courses. It will also make students deeply comprehend and grasp the knowledge about the metal forming process and technological design with complicated shape including preform, forging and stamping aspects. The suggested experimental courses and equipment have been evaluated by actual teaching stage, and it confirms that a better teaching and operation effects have been achieved finally.

blades; forging process; experimental research; die design

2015-04-21

國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(51201073,51005150)；江蘇科技大學(xué)自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備項(xiàng)目(ZZ1305)

郭平義(1978-)，女，湖北天門人，副教授，主要從事材料表面處理方面研究。Tel.：15052919636；E-mail：32615000@qq.com

G 642.0

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1006-7167(2016)04-0216-03