趙新海 鄭超 劉雪梅 孫璐 陳茂愛 管延錦 趙國(guó)群

基金項(xiàng)目： 本研究部分資助于山東大學(xué)教研項(xiàng)目【《材料成形工藝》精品在線開放課程建設(shè)（編號(hào)：2019Y083）;將被動(dòng)考試變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)——兩階段考試法評(píng)價(jià)方式轉(zhuǎn)化探索（編號(hào)：2020Y297）】。

摘要：《材料成形工藝》是一門典型的工科課程，工藝或?qū)嶒?yàn)存在高危難測(cè)等苦難。本文借助數(shù)值模擬的手段，探討其在教學(xué)過(guò)程中的具體應(yīng)用。以一個(gè)典型的圓環(huán)平砧鐓粗為例，研究摩擦對(duì)金屬流動(dòng)的影響，總結(jié)其影響規(guī)律，并將最終的結(jié)果，以圖形，曲線，動(dòng)畫等不同的形式給與課堂展示，對(duì)于固化、加深學(xué)生理論知識(shí)的理解和掌握，提高課堂的氣氛和教學(xué)效果，具有積極的作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;材料成形工藝;摩擦

中圖分類號(hào)：TG386文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-9129（2020）13-0164-01

1前言

《材料成形工藝》是材料成形及控制工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課和重要核心課，主要包括材料的液態(tài)成形、塑性成形和連接成形三大部分的內(nèi)容。著重于向?qū)W生傳授常見的各種材料成形工藝的特點(diǎn)、原理及應(yīng)用，是學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)、了解專業(yè)前景等的主干課程[1，2]。

塑性成形工藝是利用金屬的塑性，在外力作用下使金屬發(fā)生變形的一種工藝，在國(guó)民生產(chǎn)中占有重要的地位。坯料和工具之間的摩擦對(duì)金屬的流動(dòng)有著較大的影響，不僅會(huì)影響金屬內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，引起不均勻變形，產(chǎn)生了附加拉應(yīng)力和殘余應(yīng)力，還會(huì)加劇模具的磨損，降低模具的壽命[3]。然而，采用實(shí)驗(yàn)的方法，不僅很難確定實(shí)際的摩擦系數(shù)，而且也很難保證在成形過(guò)程中的摩擦始終保持一致，而且，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程高危、難觀察、難測(cè)量，給研究摩擦對(duì)金屬流動(dòng)的影響規(guī)律帶來(lái)了很大的阻礙，也不利于在課堂上進(jìn)行講授，不利于學(xué)生對(duì)該部分內(nèi)容的理解和掌握。

有限元數(shù)值模擬，將成形過(guò)程在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)，不僅可以精確的設(shè)置摩擦條件，確保在成形過(guò)程中的一致性，還可以以動(dòng)畫、視頻的形式直觀的顯示成形過(guò)程中任意時(shí)刻的金屬充填及流動(dòng)情況，還能夠給出成形過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度的分布狀態(tài)等，因此，將數(shù)值模擬技術(shù)引入到材料成型工藝課程的教學(xué)中，對(duì)于加深學(xué)生對(duì)于所講授工藝成形過(guò)程的理解和掌握，豐富課程的教學(xué)手段，提升教學(xué)效果，具有積極的作用[4]。

本文以圓環(huán)鐓粗為例，采用數(shù)值模擬的手段，通過(guò)設(shè)置不同的摩擦條件，來(lái)向?qū)W生展示摩擦對(duì)金屬流動(dòng)的影響，并分析其影響規(guī)律。

2研究模型及方案設(shè)計(jì)

本文以一種圓環(huán)平砧鐓粗為例，毛坯為環(huán)形件，內(nèi)徑25mm，外徑50mm，高度40mm，材料采用的是1035，溫度設(shè)定等溫1100攝氏度，成形過(guò)程中，壓下量為30%，即12mm，在0-0.7之間設(shè)置不同的摩擦系數(shù)，其他條件不變，研究摩擦對(duì)金屬成形的影響。

3結(jié)果分析及討論

通過(guò)設(shè)置不同的摩擦條件下，得到的各成形過(guò)程的數(shù)值結(jié)果。為了提高模擬的效率，并根據(jù)模型的對(duì)稱性，在不影響模擬京都的前提下，只模擬了毛坯的一半。圖1給出的是不同摩擦條件下內(nèi)徑和外徑上頂點(diǎn)和中點(diǎn)的模擬結(jié)果。

由圖1可以看出，隨著摩擦系數(shù)的降低，內(nèi)徑中點(diǎn)和上頂點(diǎn)的數(shù)值都是整體上升的趨勢(shì)，說(shuō)明摩擦降低，利于金屬的流動(dòng)，但是內(nèi)徑中點(diǎn)基本上呈一個(gè)直線上升，而上頂點(diǎn)確是呈現(xiàn)先基本上緩慢上升，直到0.3左右，然后直線上升的趨勢(shì)，說(shuō)明摩擦對(duì)金屬流動(dòng)的影響與金屬離界面的距離有關(guān)。對(duì)于外徑來(lái)說(shuō)，不管是上頂點(diǎn)還是中點(diǎn)，隨著摩擦的降低，都呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但是上頂點(diǎn)的增大趨勢(shì)更明顯，這是由于上頂點(diǎn)位于接觸面上，摩擦的作用因而更顯著。

利用圖1的數(shù)據(jù)，還可以計(jì)算出內(nèi)外徑上頂點(diǎn)和中點(diǎn)之間的差值的變化，間接的判斷形狀的均勻程度?？梢钥闯?，對(duì)于外形來(lái)說(shuō)，隨著摩擦的降低，鼓形逐漸減小，直到消失在無(wú)摩擦的情況下。而對(duì)于內(nèi)孔的鼓形數(shù)值，卻呈現(xiàn)出完全不同的變化趨勢(shì)，出現(xiàn)了兩個(gè)等于0的情況，說(shuō)明摩擦對(duì)于內(nèi)徑的金屬流動(dòng)，在某個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生了一個(gè)分界點(diǎn)。

隨著摩擦的不斷減小，外形上的上頂點(diǎn)和中點(diǎn)之間的距離不斷減小，意味著鼓形不斷減小，直到最后消失，這是由于摩擦越來(lái)越小，上頂點(diǎn)和中點(diǎn)處的金屬的流動(dòng)區(qū)域均勻。而對(duì)于內(nèi)孔表面，則分成了兩個(gè)不同的階段。在0.7-0.35區(qū)間，隨著摩擦的降低，上頂點(diǎn)和中點(diǎn)之間的距離越來(lái)越小，而且上頂點(diǎn)的移動(dòng)距離小于中點(diǎn)，主要是由于上頂點(diǎn)處的摩擦影響作用更顯著。而在0.35附近，出現(xiàn)了一個(gè)上頂點(diǎn)和中點(diǎn)之間距離最小的部位，在這之后，反而上頂點(diǎn)處的移動(dòng)距離超過(guò)了中點(diǎn)附近的金屬，可能是由于摩擦降低，上部更多的金屬參與流動(dòng)的緣故。

4結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬的方法，通過(guò)設(shè)置不同的摩擦條件，研究了摩擦對(duì)金屬流動(dòng)的影響規(guī)律，給出了變形后內(nèi)外徑上頂點(diǎn)和中點(diǎn)處的變化情況，繪制了內(nèi)外行鼓形的變化曲線，并通過(guò)鍛件形狀的變化，總結(jié)了摩擦對(duì)金屬流動(dòng)的影響規(guī)律，獲得的結(jié)果，形象直觀、形式多樣，可以輔助學(xué)生對(duì)課堂工藝內(nèi)容的理解和掌握，固化理論知識(shí)，提升課堂的教學(xué)效果，具有積極的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏巨諶，張起勛，材料成形工藝，機(jī)械工業(yè)出版社，2017

[2]趙新海，劉雪梅，孫璐，《材料成形工藝》課程教學(xué)課程思政的應(yīng)用探討，教育研究，2020，2（3），121

[3]張憲，金屬塑性成形中的摩擦與潤(rùn)滑，化學(xué)工業(yè)出版社，2000

[4]孔凡新，金屬塑性成型CAE技術(shù) dynaform及deform 電子工業(yè)出版社，2018