蔣翠翠，張永棟，王慶堅

（廣東交通職業(yè)技術學院 汽車與工程機械學院，廣東 廣州 510650）

前言

內管件鍛造成形工藝，廣泛應用于機械行業(yè)。內管件加工后的性能與其材料和加工工藝等主要工藝參數(shù)有關。內管件的主要的加工方式為鑄造和鍛壓成形。鑄造成形工藝復雜，且鑄件中間容易產生氣孔等缺陷，其加工工件性能較差。鍛造成形是利用高壓將現(xiàn)有的管材坯料成形，鍛件不僅具有強度好、剛性強、可靠性強及疲勞壽命長等特性。但是在生產中，也會遇到工藝參數(shù)選擇不合適，帶來鍛件的某些位置材料流動性不好，出現(xiàn)不正常的折迭現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)有些位置應力集中，對模具產生擠壓損傷，降低生產效率和大大提高了生產成本。

在傳統(tǒng)的生產過程中，遇到問題，通常都是靠技術人員或者操作者的經驗來解決。用經驗——制坯——生產試驗——經驗這種方式來解決問題，有些問題的再現(xiàn)，比如對模具的損傷，需要依靠大量的試驗來驗證，這種生產制造方式，重復周期長，生產成本高，已經無法適應現(xiàn)在高效率生產的需求。本文提出基于計算機輔助技術的有限元仿真建模方法，用于指導生產過程。采用計算機輔助技術，可以考慮坯料形狀、材料及所有的工藝參數(shù)進行建?！獏?shù)輸入——優(yōu)化參數(shù)——輸入模型驗證——指導生產，改善了傳統(tǒng)生產制造中，完全靠試驗驗證周期長和成本高的缺陷，快速求解并有效地指導生產。本文綜合分析了在鍛造成形仿真建模時，加工工藝參數(shù)對建模仿真結果的影響趨勢，根據(jù)實際的加工工藝經驗參數(shù)，選擇合適的加工工藝參數(shù)，驗證仿真模型，以將仿真模型分析結果，更好地用于指導生產。

1 仿真建模的工藝參數(shù)選擇

本文依據(jù)實際生產的管件尺寸和鍛造設備的尺寸，內管件生產尺寸圖如圖1所示，制作坯料的CAD模型和鍛造設備的CAD模型，制作坯料的尺寸見表1，選擇DEFORM作為輔助設計軟件，將模型導入，包括模具、坯料的模型如圖2所示。

圖1 內管件尺寸圖

表1 坯料尺寸

圖2 仿真模型截面圖

在圖2仿真模型基礎上，坯料的材料特性參數(shù)、坯料網格數(shù)量、成形速度、成形摩擦系數(shù)、熱傳遞系數(shù)、坯料形狀、中心定位桿尺寸等參數(shù)要在分析中輸入模型。為了驗證仿真過程中，成形工藝參數(shù)對成形模型結果的影響，本文選擇一組經驗數(shù)據(jù)作為基準數(shù)據(jù)，然后在經驗基準數(shù)據(jù)的基礎上，設置參數(shù)變化量范圍，來分析比較各工藝參數(shù)對仿真結果的影響大小。其中材料參數(shù)特性見表2，各基準參數(shù)見表3。

表2 材料參數(shù)特性

表3 基準參數(shù)

1.1 模型網格數(shù)量的選擇

在仿真模型中分別設置網格數(shù)量分別為 3000個，6000個和9000個。成形過程中，網格數(shù)量越多，成形效果越好，材料流動及應變反映更真實，如圖3（a），（b），（c）所示 。成形過程中，網格數(shù)量越多，應力分布較真實。在應力的過渡區(qū)域，較大的應力差說明材料出現(xiàn)折疊越嚴重，如圖3（a）,（b），（c）所示 。同時成形過程中，網格數(shù)量越多，底端應力區(qū)域越大，反映材料成形狀態(tài)越真實，如圖5（a），（b），（c）所示。但是，隨著網格數(shù)量的增加，對計算機硬件的要求較高，計算時間較長，建議根據(jù)分析條件，選擇合適的網格數(shù)量。綜合考慮各方因素，本文建模時選擇網格數(shù)量為6000個。

圖3 不同模型網格數(shù)量應變結果

圖4 不同模型網格數(shù)量頂部應力結果

圖5 不同模型網格數(shù)量底部應力結果

1.2 熱傳導系數(shù)參數(shù)的選擇

將熱傳導系數(shù)設置為0和5。熱傳導系數(shù)為0，即坯料和模具之間無熱傳導。分別輸入模型進行計算，計算結果顯示，成形過程中，熱傳導系數(shù)小，網格的重劃分質量較好，成形速度相對快。由于對外沒有熱量傳遞，坯料的應變較大，如圖6所示。熱傳導系數(shù)小，模擬成形效果好，坯料不與外界進行熱交換，自身金屬流動快，坯料表面的材料流動更好，應力分布均勻，應力大；應力的分界面，根據(jù)材料的流動性在內壁偏下的位置，如圖6所示，與實際中，應力形成的折迭位置相吻合。同時在實際鍛造過程中，坯料放入模具中，成形時間較快，熱傳遞較小，因此，在仿真分析建模中，熱傳導系數(shù)，可以設置為0。

圖6 不同熱傳導系數(shù)應變結果

圖7 不同熱傳導系數(shù)應力結果

1.3 摩擦系數(shù)對成形的影響

圖8 不同摩擦系數(shù)應變結果

將建模中摩擦系數(shù)分別設置為0.02,0.08和0.20。成形模擬過程中，摩擦系數(shù)變化對結果影響較大。仿真過程中，摩擦系數(shù)為0.02時，坯料上端成形力小，鍛件和模具之間有打滑趨勢，和實際的鍛造過程差異較大，而且仿真結果顯示，由于打滑造成底部充型不滿，如圖8（a）和圖9（a）所示；當摩擦系數(shù)輸入為0.20時，坯料上端成形力大，材料應變較大，成形過程中，摩擦系數(shù)0.20時，鍛件的上端材料破壞較大，如圖 8（c）所示。根據(jù)分析和經驗， 摩擦系數(shù)為 0.08時的應變和應力分布，較符合真是的內管成形材料流動特性。在仿真分析建模中，摩擦系數(shù)，設置為0.08。

圖9 不同摩擦系數(shù)應力結果

1.4 成形速度的選擇

在上述仿真模型的基礎上，研究成形速度對成形結果的影響趨勢。根據(jù)經驗和設備可以實現(xiàn)程度，設置成形速度為100mm/sec,200mm/sec,350mm/sec，分別輸入分析模型。可以得到應變和應力結果如圖10,11,12所示。

在成形過程中，選擇成形速度為 100mm/sec。成形過程中，應變率主要集中在飛邊處，成形速度越大，應變率越高，底端應力越大，如圖 12（a）（b）（c）所示。成形過程中，成形速度為200mm/sec時，應力和應變分布比較均勻，如圖10（b）、11（b）和12（b）所示。而且該產品在實際生產中，有內壁折迭的問題，如圖13所示，當成形速度為200mm/sec時內壁折迭為 0.99mm，如圖 11（b）所示；當成形速度為350mm/sec時，內壁折迭為1.06mm，如圖11（c）所示。當速度在200mm/sec內壁的折疊會減弱一些。根據(jù)生產需求和分析結果，內管成形時建模選擇成形速度為 200mm/sec。

圖10 不同成形速度應變結果

圖11 不同成形速度頂部應力結果

圖12 不同成形速度底部應力結果

圖13 實際生產的內管產生內壁折迭問題

1.5 模具的溫度的設置

模具鍛造的初始溫度，對內管成形和模具的損傷程度的結果影響較大。設置上模溫度30℃和下模溫度250℃分析工況和上下模溫度同時為 380℃分析工況。當上下模溫度都為380℃時，高溫等溫模擬結果顯示，應變較大，但是材料流動性和充型能力較好，如圖14（b）和15（b）所示。而且等溫建模分析時，材料的應變特性和應力分布和實際鍛造中材料的流動特性更為一致。根據(jù)生產需求和分析結果，內管成形時建模選擇上下模具溫度為380℃。

圖14 不同模具溫度應變結果

圖15 不同模具溫度應力結果

1.6 中心定位桿尺寸的選擇

根據(jù)內管內徑終鍛成形尺寸為?17.5mm，如圖1所示。本次仿真模擬設置中心定位桿分別為?17.5mm和?16.5mm進行仿真。比較模型分析的應力結果，說明?16.5比?17.5mm時，在內管內壁處的應力小，對內管的損傷比較少，如圖16（a）所示； 而且中心定位桿直徑大，材料流動性差，中心定位桿?16.5mm，坯料和模具之間有一定的空間有助于金屬流動連續(xù)性，內壁處的應力分界面偏上，應力分界面的應力值較小，減少內壁折迭問題的產生，如圖16所示。

圖16 不同中心定位桿尺寸應力結果

2 仿真建模方案

綜合分析所有對建模分析影響因素，最終選擇的建模工藝參數(shù)見表4，基于DEFORM-3D的仿真模型，如圖17所示。仿真模型提交計算，得到內管鍛造成形結果，如圖18所示。

表4 建模參數(shù)

圖17 內管的仿真模型

圖18 內管的仿真成形結果

3 結論

通過對于內管成形模擬參數(shù)對應的仿真結果和實際鍛造結果比較，可以得出在仿真建模時，成形參數(shù)的選擇非常關鍵：

（1）熱傳導系數(shù)和模具溫度的選擇會對坯料成形的邊界和材料成形的應變、流動有一定影響，所以模擬時要明確生產溫度和工況，并用于指導生產。

（2）成形摩擦數(shù)稍大，成形結果較好，但是要考慮到摩擦過大，成形困難，對模具的損傷要大，所以要根據(jù)實際生產的工況選擇合理的摩擦系數(shù)。

（3）網格的數(shù)量和細化程度會直接影響計算機模擬的效果，在計算量允許的范圍內，網格越多模擬相對越真實。

（4）成形速度要根據(jù)現(xiàn)實生產來選擇，成形速度過大或過小，都會導致成形效果不佳；如本例中，最初根據(jù)生產的成形速度為200mm/sec，但是模擬速度設為350mm/sec時，關注部位內壁的折疊相對比較小，所以建議實際生產中增大成形速度。

（5）中心定位桿尺寸適當減小，材料流動性能變好，鍛件靠近中心定位桿的應力減小，有助于減小對中心定位桿的損傷，降低生產成本。本例最初中心定位桿尺寸為?17.5mm，建議建模和實際生產中，適度調小中心定位桿尺寸。

[1] 黎運宇.基于DEFROM-3D的凸輪等溫鍛造工藝數(shù)值模擬[J].熱加工工藝,2017,46（19）:136-138.

[2] Satisha G D,Singhb N K, Ohdarb R K. Perform optimization of pad section of front axle beam using DEFORM [J].Journal of Materials Processing Technology,2008,203:102-106.

[3] 張少杰,王明福,王志偉.基于 DEFROM-3D 的花鍵成形分析[J].機械工程與自動化,2011,165（2）:57-59,61.

[4] 劉陶,龍思遠.基于DEFROM-3D的鋁合金筒形件旋壓成形過程數(shù)值模擬[J].特種鑄造機有色合金,2010,30（6）:508-511.