（材料加工工程专业论文）基于fem模拟技术的黄铜阀体锻造成形模具设计及工艺分析.pdf

山东大学硕士学位论文 一i i 一_ m i 一_ 一i 一 _iii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 摘要 铜的最大特点是具有很高的导电、导热| 生能，以及良好的耐蚀性。但是，工业纯铜 的强度不高，因而限制了它作为结构材料的使用。为了提高铜的强度，并赋予特殊的性 能，在铜中加人适量的合金元素，从而获得铜合金。铜合金具有较高的强度、韧性、耐 磨性以及良好的导电、导热性能，特别是在空气中耐腐蚀，因此，在电力、仪表、船舶 等工业中得到了广泛的应用。一些要求强度高、耐热、耐压又耐蚀的轴类、凸缘类和阀 体类零件都用钢合金锻件来制造。 系统地介绍了体积成形有限元模拟基本理论、有限元模拟系统的组成和发展过程， 并简单介绍了目前国内外商品化的体积成形有限元模拟软件。根据济南尼克焊接技术有 限公司的产品特点，选择三维体积成形有限元模拟软件d e f o r m3 d 作为研究工具。 详细介绍了铜合金锻造成形的特点，分析了铜合金锻造过程中容易产生的缺陷，针 对每一种缺陷，系统地介绍了相应的对策，另外，还介绍了铜合金锻造的一般工艺过程。 根据节流阀阀体的结构特点，确定了三套锻造成形方案：开式无飞边模锻工艺、开 式有飞边模锻工艺和闭式模锻工艺。利用三维体积成形有限元模拟软件d e f o r m3 d 对这三 套成形工艺的成形过程进行了系统地分析，研究了毛坯尺寸对节流阀阀体成形质量的影 响，并根据模拟结果选择了合理的毛坯尺寸。根据有限元分析的结果，确定了锻造毛坯 的尺寸及锻造成形的载荷，制订了合理的成形方案，为节流阀阀体的锻造生产提供了一 定的指导。 根据调节阀阀体的结构特点，确定了两套锻造成形方案：开式有飞边模锻工艺和闭 式模锻工艺。利用三维体积成形有限元模拟软件d e f o r m3 d 对这两套成形工艺的成形过程 进行了系统地分析，研究了两种工艺方案的成形过程及成形力。根据有限元模拟的结果， 选择闭式模锻工艺成形调节阀阀体。根据尼克公司系列焊枪导电嘴的特点，确定用挤压 工艺成形导电嘴的中心孔，并保证其精度。为了找到合理的工艺方案，选择了两种方案： 一是直接挤出导电嘴的外径，挤压后外径不进行机s h _ t ；二是挤压后的毛坯直径稍大于 导电嘴的外径，再通过机加式的方式将多余的材料去除。利用三维体积成形有限元模拟 山东大学硕士学位论文 软件d e f o r m3 d 对多种毛坯进行了成形模拟，研究了毛坯尺寸对导电嘴成形过程和成形质 量的影响。由于方案一的毛坯在成形过程中易发生失稳，根据模拟结果，选择方案二作 为导电嘴的成形方案。 关键词：锻造；有限元方法；成形工艺；模拟 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c uh a sm a n yg o o dp e r f o r m a n c e s ，s u c ha sh i 曲e l e c t r i cc h a r a c t e r , p e r f e c th e a tc o n d u c t i o n , g o o dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n ds oo n b u ti tc a n tb eu s e df o rc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l sd u et ot h e l o ws t r e n g t ho f p u r ec o p p e r i no r d e rt oi m p r o v et h es t r e n g t ho fc o p p e r , a n dg i v ec o p p e rs o m e s p e c i a lc h a r a c t e r s ，s o m ea l l o ye l e m e n t sa r er e a s o n a b l ya d d e di n t oc o p p e r , s oc ua l l o yi sa t t a i n e d c ua l l o yh a sm u c hm o r eg o o dp e r f o r m a n c e st h a np u r ec o p p e r , s u c ha sb 3 曲s t r e n g t ha n d t o u g h n e s s ，p e r f e c tf i - i c t i o nr e s i s t a n c ea n de l e c t r i cc h a r a c t e r , h i 曲h e a tc o n d u c t i o na n ds oo n , e s p e c i a l l yi ti sw i t hh i 曲c o r r o s i o nr e s i s t a n c ei nt h ea i r s oi ti sw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r yo f e l e c t r i cp o w e r , i n s t r u m e n t , w a t e r c r a f t , e r e s o m ea x e sp a r t s ，f l a n g ep a r t sa n dv a l u eb o d yp a r t s r e q u i r e dw i t hh i 曲s t r e n g t l th e a tr e s i s t a n c e ，p r e s sr e s i s t a n c ea n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea r e m a n u f a c t u r e du s i n gc u a l l o y i nt h ep a p e r , s o m ek e y t e c h n o l o g i e so ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a r ei n t r o d u c e d ，s u c h a st h eb a s i ct h e o r yo fb u l kf o r m i n gf e ms i m u l a t i o n , c o n s t r u c t i o no ff e ms i m u l a t i o ns y s t e m , d e v e l o p m e n to ff e m s i m u l a t i o ns o t h c a r e ，a n df e ms o f t w a r eo f b u l kf o r m i n gw i d e l yu s e di n t h ew o r l d a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c tc h a r a c t e r so fj i n a nu n i a r cw e l d i n gt e c h n o l o g yc o ，l t d ， f e ms i m u l a t i o ns o f t w a r eo f3 db u l kf o r m i n g ，d e f o r m3 d ，i ss e l e c t e da st h er e s e a r c h i n gt 0 0 1 i nt h e p a p e r ，t h ec h a r a c t e r so ff o r g i n gc ua l l o ya r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，t h ep r o b l e m se a s i l y a p p e a r i n gi nt h ep r o c e s so ff o r g i n gc ua l l o ya r ea l s oi n t r o d u c e di nd e t a i l t h ec o u n t e r m e a s u r e s a r ei n t r o d u c e df o rt h er e l a t i v ep r o b l e m sb yt h en u m b e r s i na d d i t i o n , t h ec o m m o n t e c h n o l o g yo f f o r g i n gc ua l l o yi sa l s oi n t r o d u c e d a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e ro f t h r o t t l eb o d y , t h r e et y p e so f f o r m i n gt e c h n o l o g ya l ed e s i g n e d 抽t h ep a p e r p r o j e c to n ei so p e nd i ef o r g i n gw i t h o u tf l a s kp r o j e c tt w oi so p e nd i ef o r g i n gw i t h f l a s h ，p r o j e c tt h r e ei sc l o s ed i ef o r g i n g t h ef o r m i n gp r o c e s so ft h e s ep r o j e c t sa r es i m u l a t e d u s i n g3 db u l kf o r m i n gf e ms o f t w a r e d e f o r m3 d t h ei n f l u e n c eo ff o r g i n gb l a n kd i m e n s i o n t ot h eq u a l i t yo ft h r o t t l eb o d yi ss t u d i e du s i n gd e f o r m3 d ，t h ef o r m i n gl o a da n dt h er a t i o n a l 山东大学硕士学位论文 d i m e n s i o no f f o r g i n gb l a n ki sa t t a i n e da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ep r a c t i c a lf o r m i n g t e c h n o l o g yi sf o r m u l a t e d ，a n di ti sh e l p f u lt ot h ep r o d u c t i o no f t h r o t t l eb o d y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fr e g u l a t o rb o d y , t w ot y p e so ff o r m i n gt e c h n o l o g ya r ed e s i g n e d i nt h ep a p e r p r o j e c to n ei so p e nd i ef o r g i n gw i t h o u tf l a s h , p r o j e c tt w oi sc l o s ed i ef o r g i n g t h e f o r m i n gp r o c e s so f t h e s ep r o j e c t sa r es i m u l a t e du s i n g3 d b u l kf o r m i n gf e ms o t t w a r e d e f o r m 3 d ，t h ef o r m i n gp r o c e s sa n df o r m i n gl o a da r es t u d i e di nd e t a i l t h ec l o s ed i e df o r g i n g t e c h n o l o g yi su s e dt of o r g er e g u l a t o rb o d ya c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fe c u c o n t a c tt i p ，t h ee x t r u d i n gt e c h n o l o g yi su s e dt of o r mt h e c e n t e rh o l eo fe c uc o n t a c t 邱i 1 1t h ep a p e r t w ot y p e so fe x t r u d i n gt e c h n o l o g ya r ed e s i g n e di n o r d e rt of i n dt h er a t i o n a lp r o j e c t p r o j e c to n e ，t h eo u t e rd i a m e t e rd i m e n s i o no fc o n t a c t 邱i s a t t a i n e db ye x t r u d i n g ，t h eo u t e rd i a m e t e ri s n tm a n u f a c t u r e da f t e re x t r u d i n g p r o j e c tt w o ，t h e o u t e rd i a m e t e rd i m e n s i o no fe x t r u d i n gp a r ti sl i t t l el a r g e rt h a nt h a to fc o n t a c tt i p ，t h es u p e r f l u o u s m a t e r i a li nt h eo u t e rd i a m e t e rw i l lb ec u tb yn cm a c h i n e t h ef o r m i n gp r o c e s sa r es i m u l a t e d u s i n g3 db u l kf o r m i n gf e ms o f t w a r e d e f o r m3 d ，a n dt h ei n f l u e n c eo ff o r g i n gb l a n k d i m e n s i o nt ot h eq 岫l i t yo ft h r o t t l eb o d yi ss t u d i e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，p r o j e c t t w oi su s e dt of o r me c uc o n t a c tt i p k e y w o r d s - f o r g i n g ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d , f o r m i n gt e c h n o l o g y , s i m u l a t i o n i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：瑾笠美日期：歹- 争，o 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名理盛霉导师签名：蚴期：沙。，6 ，；j 山东大学硕士学位论文 i i i i i j- _mmm _ i i i i i i i i i i 第一章绪论 1 1 引言 铜的最大特点是具有很高的导电、导热性能，以及良好的耐蚀性。但是，工业纯铜 的强度不高( 约2 0 0 m p a ) ，因而限制了它作为结构材料的使用。为了提高铜的强度，并 赋予特殊的性能，在铜中加人适量的合金元素，从而获得铜合金。铜合金具有较高的强 度、韧性、耐磨性以及良好的导电、导热性能，特别是在空气中耐腐蚀，因此，在电力、 仪表、船舶等工业中得到了广泛的应用。一些要求强度高、耐热、耐压又耐蚀的轴类、 凸缘类和阀体类零件都用钢合金锻件来制造 。 铜及铜合金分为纯铜( 紫铜) 、黄铜、青铜和白铜。以锌为主要合金元素的铜合金 称为黄铜，黄铜分为简单黄铜和多元特种黄铜，以锌作为添加元素的铜合金称简单黄铜， 根据铜含量的百分比，我国普通( 二元) 黄铜牌号有h 9 6 h 5 9 等多种牌号，多元特种黄 铜有：铝黄铜、锰黄铜、镍黄铜、锡黄铜、铁黄铜、铅黄铜等；以锡为主要合金元素的 铜合金称为青铜。这些材料均可通过相应的挤压或锻造工艺，得到相应的铜制品。铜合 金具有适当的强度、良好的塑性，是电、热的良导体，在空气和海水中耐腐蚀，制件表 面光洁，外形美观。铜锻件用于化工、电器、造船、制冷、仪器仪表行业和居室装饰用 具中，占有相当大的比重。如船舶中的各种轴、凸缘、阀体，在汽液输送中的各种阀门 ( 如空气、煤气、液化气阀门) 、消防配件，汽车用同步器齿环，室内装饰，如：门把 手、窗钩、厨房、卫浴用具，空调机、洗衣机零件等。近几年国内的高级建筑装修与国 际潮流逐步接轨，铜锻件在室内装饰和生活用具方面得到越来越多的应用，国内外均有 需求。我国有色金属锻件生产普及i 生差，无专业生产厂，发展较缓慢，不能满足国内市 场需要。国外也有较好市场，据有关协会介绍，近年不少外商不断来华寻求铜合金锻件 定货，很难找到厂家接纳。国外对铜锻件的需求，主要是日常生活用品和室内装饰用品 的锻件 7 2 1 。 1 2 金属塑性成形过程研究方法 金属塑性成形过程是一个非常复杂的变形过程，材料特性、温度条件、摩擦条件、 山东大学硕士学位论文 润滑情况、坯料形状及尺寸和模具形状等因素对变形过程都有一定的影响。这些因素及 其作用是塑性加工研究的主要对象。金属塑性成形过程研究的主要任务是结合金属材料 的特征，分析金属塑| 生成形过程中的应力、应变场以及变形条件等因素对变形的影响， 在此基础上充分了解和掌握成形规律，从而为解决塑性加工中出现的各种实际问题，确 定最佳工艺参数，高效低耗地获得优质产品提供科学依据。金属塑性成形过程的分析方 法大致可分为三类： 第一，基于经典塑性理论的解析方法，其中包括联立求解塑性理论基本方程的数学 解析法、将平衡方程和塑性条件简化后联立求解的主应力法、针对平面问题提出的滑移 线法、基于能量守恒原理的能量法和上限法等。解析方法只能预测金属变形中的部分特 性，其解决问题的范围、复杂程度和精度都受到了很大的限制；而且需要做出较多的简 化和假设，才能使问题能够求解，所得结果与实际情况相差较大，无法满足理论分析和 工程的实际需要。 第二，以实测数据为分析基础的实验力学方法，如视塑性法、网格法、密栅云纹法 等。实验力学方法所得的结果直接或间接来自于实测数据，减少或回避了对变形条件及 材料性能等方面的许多假设，其突出优点是结果可靠。因此，实验力学方法长期以来一 直是一种用于金属塑性成形过程的不可替代的研究方法。但是，此类方法的缺点是：难 以简单、直接地给出各种影响因素在金属塑性成形过程中相互之间的关系，因而不便于 进一步进行成形极限分析以及工艺参数的优化；此外，实验力学方法往往由于耗资大、 周期长、局限大等原因，有时因为大型问题或系统状态的复杂性，无法或不能进行实验， 故难以满足研究和分析的需要。 第三，随着塑性理论的发展和计算机应用的普及，由传统方法演化出来的数值分析 方法，其中包括从上限法发展而来的上限元法( u b e t ) 、从滑移线法发展而来的矩阵算 子法等，与此同时还出现了一些新的数值分析方法，如有限差分法( f d m ) 、加权余数 法( w r m ) 、边界元法( b e m ) 和有限元法( f e m ) 等【1 3 _ 1 6 - 1 。 数值分析方法中应用最广泛的是有限元法，它是一种有效的离散数值计算的方法。 2 山东大学硕士学位论文 i 有限元法在金属塑性加工领域的应用始于2 0 世纪7 0 年代。近年来，随着计算机技术和 塑性力学理论的发展，塑性有限元法已成为模拟分析金属塑性成形过程的强有力工具。 与金属塑性成形问题的其它分析方法相比，大量分析研究表明，塑性有限元法功能更强、 精度最高、解决问题的范围最广，其主要优点有【1 - 1 9 】： ( 1 ) 适合于分析各类金属塑性成形过程，不受具体成形问题的限制： ( 2 ) 能够较全面考虑多种因素对成形过程的影响，如温度、摩擦润滑条件、材料特 性、变形速度以及模具几何形状等； ( 3 ) 能够获得有关成形过程的多方面信息，如成形力、应力、应变和温度场的分布， 金属的塑性流动规律等，这些信息为3 n - v 工艺过程的优化和控制提供了参考； ( 4 ) 在计算机上模拟成形的全过程，并可反复演示、计算和优化，在开模之前就能 够预测成形过程中可能出现的缺陷，并通过对各影响参数的修改，消除可能出现的缺陷， 从而节约昂贵的试模、修模费用，在保证工件质量、减少材料消耗、提高生产率以及缩 短生产周期等方面具有显著的优越性。 国外许多大型汽车厂家的研究表明，成功引入数值模拟技术，能使产品设计、模具 设计、调试直至投产的产品换代周期缩短1 2 ，模具制造成本降低1 3 ，经济效益和战略效 益巨大。因此，金属成形过程数值模拟和工艺优化技术将成为新工艺开发的重要手段。 1 3 有限元模拟技术发展概况 金属塑性成形过程是一个非常复杂的塑性大变形过程，存在几何非线性、物理非线 性和边界条件的非线性。所以对塑性成形问题进行精确求解非常困难。过去应用更多的 是近似方法，研究过程都需要做较多的简化和假设，从而导致所得结果和实际情况相去 甚远，甚至无法满足理论分析和工程实际的需要。目前，塑性有限元法已成为模拟分析 塑性成形过程的有力工具，也是应用最为广泛的数值分析方法 2 0 】。 塑性有限元法可以分为两大类流动型塑性有限元( 包括刚塑性有限元和刚粘塑性有 限元) 和固体型塑性有限元( 包括小变形弹塑性有限元和大变形弹塑性有限元) 两大类。 弹塑性有限元法是1 9 6 7 年由m a r c a l 和陆g 首先提出的，1 9 6 8 年山田嘉昭根据屈服准 3 山东大学硕士学位论文 则的微分形和法向流动法则，推导出弹塑性应力一应变矩阵。弹塑性有限元法分析过程 中同时考虑弹性变形和塑性变形，弹性区采用虎克定律，塑性区采用普朗特一劳斯方程 和密塞斯屈服准则。对于小塑生变形所求的未知量是单元节点位移，适用于分析结构失 稳，屈服等工程问题。对于大塑| 生变形，采用增量法分析。这类有限元法的优点是考虑 弹性区与塑性区的相互关系，不仅可以计算工件的变形、应力和应变分布以及变形力等 信息，而且可以有效的处理卸载问题，计算残余应力、残余应变和回弹。其缺点是计算 工作量繁重，对非线性硬化材料计算复杂。近年来随着计算机硬件技术的发展，这种方 法正朝着更广的应用范围扩展。 刚粘塑性有限元法与刚塑性有限元法的区别仅在于它们所采用的本构关系不同。热 加工及超塑生成形中，材料不仅表现有塑性，同时也表现有粘性，而且某些对应变速率 敏感的材料，即使在常温下也可表现出粘性。粘性对材料塑| 生变形规律有较大影响，在 有限元模拟中必须加以考虑。 刚塑性有限元法是采用刚塑性材料模型，忽略了材料的弹性变形部分。对于大多数 体积成形问题，弹性变形量较小，可以忽略，即可将材料视为刚塑性体。为了克服弹塑 性有限元方法不足，l e e n k o b a y a s h i 2 1 】于1 9 7 3 年首次提出了刚塑性有限元法。用l a g r a n g e 乘子施加体积不变条件，由于这种方法不象弹塑| 生有限元法那样用应力应变增量进行求 解，因此计算时增量步可取得较大些，但对于每次增量变形来说，材料仍处于小变p a x 态，下一步计算是在材料以前的累加变形几何形状和硬化特性基础上进行的，所以可以 用小变形的计算方法来处理大变形工步分析。1 9 7 9 年，z i e n k i e w i c z 2 2 - i 等又给出了罚函数 法的体积不可压缩的刚塑性有限元法。 刚塑| 生有限元法通常只用于一些金属的冷加工问题，而对热加工( 再结晶温度以上) 应变硬化效应不显著，材料对变形速度具有较大的敏感性的情况不太适用。因此，在研 究热加工问题时要采用粘塑性本构关系。p e r z y n a t z 3 1 霹r j - 粘塑性的屈服准则和本构关系进行 了系统的总结。刚粘塑性有限元法将变形体视为非牛顿流体，适用于分析热态及对速度 敏感的金属材料的塑性成形问题。许多学者采用刚粘塑性有限元法对各种塑性成形问题 4 山东大学硕士学位论文 进行了分析，取得了许多成果。r e b l o 等人进行了稳态过程的热力耦合计算分析。o h 2 4 等在刚粘塑| 生材料变分原理的基础上，也导出了类似的刚粘塑性有限元求解列式。目前， 刚粘性有限元法是国内外公认的分析塑性成形问题最先进的方法之一。 1 4 有限元模拟技术在金属塑性成形中的应用 长期以来，在塑性成形领域的工艺设计和产品生产都直采用试锻一修正一再试锻 的循环迭代的试错方法和经验判断的方式进行。这种传统的方法迄今积累了许多宝贵的 经验数据和公式。但是，随着信息化时代的迫近，制造全球化与贸易自由化进程的加快， 激烈的市场竞争使得产品的更新更加频繁，开发的周期越来越短，使用的新材料更加难 以加工，而用于进行实验研究的时间被大大缩短。如果采用传统的设计方法，工艺和模 具设计的质量和周期很难保证，因此需要采用有效的研究方法和手段对上述问题进行系 统、精确的分析。 近几十年来，随着计算机技术的迅速发展和数值计算方法的日益完善，尤其是随着 有限元技术的不断完善和发展，有限元数值模拟技术在塑性加工中的应用蓬勃发展，应 用范围也越来越广。从板料成形到体积成形，从正向模拟对成形结果的预测到反向模拟 对预成形件的设计，从同时考虑变形和热传导的热力耦合分析到对工件微观组织的预测， 都显示了该技术在塑性加工领域中的重要地位和作用。从塑性有限元模拟技术的发展看， 它已经走出了单纯为理论分析而进行模拟的探索阶段，已广泛应用于工业生产中。 在板材塑性成形方面，采用增量分析的大变形弹塑性有限元技术己广泛应用于加载 过程和卸载过程的分析、残余应力和回弹的计算中。m a l ( i r l o u c l l i 【2 5 】采用修正的ia g r a n g e 描述弹塑性有限元法模拟了平面应变拉弯变形过程，并给出了接触边界条件。w a n g 和 t a n g 【2 印提出了基于厚壳理论的全量啪g e 描述有限元列式，并模拟了拉深成形过程。 董湘怀【2 刀采用全量l a g r a n g e 描述的弹塑性有限元法，并考虑了板料的各向异性，对三维 板料成形过程进行了有限元模拟。邢会林口8 】采用刚粘塑性有限元法，对板材超塑性胀形 过程中的壁厚分布进行了数值模拟，同时分析了空洞的长大及其分布规律。柳玉起【2 明采 用基于虚功率原理矛1 m i n d l i n 壳单元的弹塑性大变形有限元，成功地模拟了方盒与圆筒拉 5 山东大学硕士学位论文 深成形中的凸缘起皱现象及圆锥件拉深成形侧壁起皱现象。曾元松p o 】采用l s d y n a 3 d 软件对单曲率壳体胀形时赤道的起皱和椭圆封头成对液胀时壳体周边的起皱进行了模 拟，得出了起皱的临界压力和起皱形态，与实验结果吻合较好。杨光口1 1 针对板材三维冲 压成形的切边回弹问题，提出了基于大变形弹塑性有限元数值模拟理论的切边处理的 灿方法。 在锻造方面，k o b a y a s h i 3 2 】首先采用刚塑| 生有限元法对轴对称闭式模锻过程进行了数 值模拟，模拟结果与实验结果吻合较好。1 9 8 2 年，o h 3 3 1 提出了处理任意形状模具边界条 件的方法，对刚塑生有限元法做了进一步的完善，并与v 几和a l t a n 等学者一起成功地开 发了二维模锻过程的刚塑性冈0 粘塑性有限元程序a l p i d ，并用于各种锻件锻造过程模拟 分析。在国内，赵国群嘲、卫原平等在二维模锻过程的刚塑性刚粘塑陛有限元模拟 方面也做了系统的研究工作。p a r k 和k o b a v a s l l i 鲫较早地进行了三维成形问题的模拟研 究，分析了矩形块体、楔形块体的镦粗过程，考察了摩擦条件对变形体构形和变形力的 影响。y o o n 和y a n 9 1 3 8 1 模拟t - - 维齿轮的精锻过程。在国内，王忠金 3 9 1 针对复杂形状的 模具型腔曲面和锻件提出了基于b 样条方法的曲面描述技术及样条曲面插值六面体网格 生成方法，据此进行了连杆终锻成形过程的三维刚粘塑性有限元模拟。蒋浩民 加1 采用基 于映射法的六面体网格划分技术和基于边界构形的网格重划分技术，对未经简化的铝合 金支座轴超塑| 生模锻过程进行了三维有限元模拟，计算结果与实验结果吻合较好。左旭 4 1 1 对汽车零件十字轴和曲轴的多工位模锻成形的全过程进行了三维有限元模拟，并开发 t - - 维有限元模拟软件f o r m i n 9 3 。曹飞e 4 2 j 禾o 用d e f o r m 软件对曲轴锻造成形过程进行 了有限元模拟。 在挤压方面，1 w a t a 等 4 3 1 采用弹塑性有限元法分析了轴对称和平面应变静液挤压问 题，预测出了静液挤压过程中塑性变形区的发展隋况及静液压力随坯料位移的变化情况。 谢水生等1 4 4 】也对轴对称静液挤压进行了弹塑性有限元模拟，分析了不同模角、不同型线 凹模及不同挤压比对挤压力的影响。为了克服用小变形弹塑性有限元法分析挤压问题时 j 存在较大累积误差的不足，l e e 等【4 5 悃弹塑性有限变形理论对曲线模平面挤压过程进行了 6 山东大学硕士学位论文 _iii_ i_i _1 分析。s h a h 和k o b a y a s l l i 】采用刚塑| 生有限元法，分析了轴对称状态下无摩擦的锥模挤压。 g u o 等【4 刀采用刚塑性有限元技术，对复合挤压过程进行了数值模拟。阮雪榆等幽1 对双层 金属的正反向挤压工艺进行了有限元分析。l o n g - 等1 4 9 】采用热力耦合弹塑性有限元法分析 了弹性和热效应对挤压件成形精度的影响。徐虹等【5 0 】基于弹塑性有限元数值模拟技术，使 用m s c s u p e r f o r m 软件对传动轴渐开线花键冷挤压成形过程进行了数值模拟。 成形过程的热力耦合分析将考虑温度分布的塑性变形问题与考虑塑性变形功和接触 界面摩擦功的传热学问题同时进行求解，从而提高了数值模拟的精确性。o d e n 5 1 】采用弹 塑性有限元法首次对棒材料的塑性变形与热交换进行了热力耦合分析。z i e n k i e w i c z 5 2 】进 行了稳态流动的热力耦合计算，分析了轧制、挤压、拉拔等成形过程。r e b e l o 【5 3 】首先采 用刚粘塑性有限元，对圆柱和圆环镦粗过程进行了热力耦合分析。s o y r i s 5 4 】采用三维粘塑 性有限元对汽车摇臂的锻造过程进行了模拟分析，计算了毛坯内的温度场和锻件内部的 残余应力。s h a m a s u n d a r 5 5 1 对多次连续锻造过程中的温度分布情况进行了分析。詹艳然 5 6 1 利用计算变形时的速度约束代码来生成传热边界的控制代码，用以表示该边界边上的传 热方式，实现了传热边界条件的动态处理。王华君等 5 刀对钟形罩反挤压成形过程进行了 热力耦合数值模拟，给出了金属塑性流动模式和应变及温度分布，并分析了成形物理场分 布与变形外部条件之间的关系。成形实验显示模拟计算与实验结果相当一致。 近年来，塑性有限元模拟技术在塑l 生加工领域中的应用正朝着扩大适应性，提高实 用性和精确性的方向发展。尽管塑性有限元法有了很大的发展，但由于塑性成形过程均 为三维大塑l 生非稳态变形过程，且零件的复杂几何形状具有明显的三维特征，因此对其 进行接近实际的真三维的模拟是今后模拟技术发展的主要方向【5 8 1 。 1 5 铜合金零件锻造成形的难点及存在的问剐5 9 与6 】 纯铜中的杂质主要有铅、铋、氧、硫、氢等。铜中杂质的存在不仅对使用性能有较 大影响，而且对铜的工艺性能也有极坏的作用。加热温度和变形程度对铜合金的组织和 性能影响很大，当变形程度处于临界变形程度范围时，将引起粗晶。铜合金的临界变形 程度范围大致是1 0 1 5 ，温度愈高，变形和再结晶后的晶粒尺寸也愈大。对于a + p 7 山东大学硕士学位论文 l m i l l 铜合金( 包括h 6 2 、h 6 8 、h p b 5 9 1 、q a l l 9 - 4 等) ，如果加热温度超a + 1 3 - - , 1 3 的转变 点，此时由于失去了a 相对d 相晶界迁移的机械阻碍作用，因而晶界迁移速度很快，1 3 晶粒迅速长大，使合金塑性降低，锻造中容易开裂，并常在锻件表面出现蛤模皮”。粗 化后的铜合金晶粒，即使采用大变形程度进行塑i 生变形，再结晶后的晶粒也是很粗的。 这是因为铜合金的层错能低，动态再结晶的速度快，而且，大变形时的热效应也较显著， 故在高温下很快再结晶并迅速长大。铜合金锻件组织中产生粗晶后，不能像碳钢那样， 通过热处理的办法加以细化，因此，将使产品的力学性能降低。 1 6 本文的主要研究内容 研究铜及铜合金的化学成分对成形性能的影响；铜合金的加热规范；铜及铜合金的 锻造成形工艺；设计铜合金零件锻造模具；铜及铜合金零件的缺陷及其控制措施；铜及 铜合金锻造过程的有限元模拟技术等。 8 山东大学硕士学位论文 第二章铜合金锻造有限元模拟基本理论 2 1 有限元技术基本理论 2 1 1 塑性有限元的发展 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是随着计算机技术的发展而出现的一种有效的离 散数值计算的方法。目前己在很多领域得到了广泛的应用，从力学领域发展到电磁学、 热传导、流体力学和材料科学等领域。在金属塑性加工领域的应用也得到迅速而深入的 发展【6 7 删。 根据变形特征，金属塑i 生成形可以分为体积成形和板料成形工艺。体积成形中，如 锻造、挤压、轧制等，金属材料产生较大塑| 生变形，弹性变形相对较少，可忽略不计。 而在板料成形中，如冷冲压、冷轧等，弹性变形部分所占比例并非太小，此时必须与塑 性变形同时考虑。正因为如此形成了两种典型的材料模型，即刚塑性材料模型和弹塑性 材料模型，与之相对应的有限元法也分为刚塑| 生有限元法和弹塑性有限元法 7 卜7 4 。 金属塑性成形数值模拟过程最常用的有限元法为刚塑f 生有限元法和刚粘塑l 生有限元 法。刚塑f 生有限元法适于冷加工，刚粘塑性有限元法适于热加工及应变速率敏感性材料 的塑性变形过程。在实际的金属塑性变形中，弹性变形部分远小于塑性变形部分，尤其 对于体积成形来说，可以忽略弹性变形的影响，采用刚塑性或者刚粘塑性材料模型进行 求解，不仅能够得到令人满意的精度，还可以大大简化有限元列式和求解过程。同时， 与弹塑性有限元法相比较，可采用较大的时间增量步长。在保证足够的工程精度的前提 下，可提高计算效率。此外由于刚塑性刚粘塑f 生有限元法采用率方程表示，这样材料变 形后的构形可通过在离散空间对速度的积分而获得，从而避开了应变与位移之间的几何 非线性问题。所以刚塑| 生刚粘塑性有限元法自2 0 世纪7 0 年代提出之后发展迅速，尤其 在塑性加工领域的应用更是如此。目前它已成为对金属塑性成形过程进行数值模拟的重 要手段 7 5 - 8 3 】。 9 山东大学硕士学位论文 2 1 2 刚塑性刚粘塑性有限元基本方程 2 1 2 1 刚塑性刚粘塑性材料基本假设 金属塑性成形过程中，材料塑性变形的物理过程相当复杂，为此必须作出一些假设， 即把变形中某些过程理想化，以便于从数学上进行处理。对刚塑性冈0 粘塑性材料的基本 假设如下： ( 1 ) 忽略变形材料的弹性变形； ( 2 ) 材料均质，各向同性； ( 3 ) 材料体积不变； ( 4 ) 不计体力和惯性力； ( 5 ) 材料的变形流动服从l e v y m i s e s 流动法则。 2 1 2 2 塑性力学基本方程 1 0 刚塑性冈0 粘塑性材料发生塑性变形时，应满足下列基本方程组： ( 1 ) 平衡微分方程( 运动方程) o 口。j = 0 ( 2 ) 速度一应变速率关系方程( 几何方程，协调方程) 1 ，、 s 扩2 i ( u ，+ q ，) 二 ( 3 ) l e v y m i s e s 应力应变率关系方程( 本构关系) 叠口= 旯仃； j3 万 l = 一一 2 歹 式中，扛厮为等效应变麟歹= 历为等效觑 ( 4 ) m i s e s 屈服准则 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 _ 4 ) 山东大学硕士学位论文 1 ，2 j 硝 式中，k ：辜，对于理想刚塑性材料，r 为常数。 3 ( 5 ) 体积不可压缩条件 亡v = 亡q 6 口= 0 ( 6 ) 边界条件 边界条件分为力面边界条件和速度边界条件，分别为： 在力面& 上，挖，= e 在速度面品上，u ，= 玩 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 对于理想刚粘塑| 生材料，除了屈服条件中材料模型外，其它方程和条件都相同。 ” 2 1 3 刚塑性粘塑性有限元变分原理 设变形体的体积为v ，表面积为s ，在& 上给定面力互，在品上给定速度弦，在 满足几何条件式( 2 2 ) ，体积不变条件式( 2 6 ) 和边界条件式( 2 8 ) 的一切动可容速度场中， 真实速度场使泛函 庐i 痢矿一f “，d s 取极小值，上述原理称为m a r k o v 变分原理。 ( 2 9 ) 利用m a r k o v 变分原理对变形体进行数值求解，欲求既满足速度边界条件，又能满足 体积不可压缩条件的速度场比较困难，而仅满足边界条件的速度场则比较容易找到。因 此，在实际求解时，往往采用l a g r a n g i a n 乘子法或罚函数法将体积不可压缩条件引入泛 函( 式2 9 ) 中，得到新泛函。 采用l a g r a n g i a n 乘子法构成的泛函为： 庐p 勘矿一王，z “，d s 十工名毛岛d 矿 ( 2 - 1 0 ) 山东大学硕士学位论文 式中，兄为l a g r a n g i a n 乘子。 采用罚函数构成的泛函为： 万= 膨y 一f 搬+ 詈上( 乞毛) 2 d 矿 ( 2 - 1 1 ) 式中，口为惩罚因子。 罚函数法不需额外增加求解未知数和半带宽，可以省内存和计算时间，而且收敛速 度快。罚函数法着眼于数学角度来处理体积不变条件，不像l a g r a n g l a n 乘子法中的九具 有明确的物理意义。一般多采用罚函数法。 l a g r a n g i a n 乘子五具有明确的物理意义：兄= 仃。( 静水压力) ，这在分析应力场时尤 为重要。而罚函数法只能求出应力偏量，无法求得平均应力，但可以证明平均应力 c l r m2 伽v o 而对于刚粘塑性材料，h i l l 提出了刚粘塑性变分原理。即对于刚粘塑性边值问题， 在满足几何方程、条体积不可压缩条件及位移速度边界条件的一切容许速度场中，其真 实解使下列泛函 庐乒( 岛) a v f ，f , u , d s 取驻值，即一阶变分为零。 肛王疆( 毛渺d v 一f 瑰。d s ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 式中，e ( 岛) 表示塑性变形功率函数，是凸函数。实际推导公式时，涉及到e ( 岛) 的具体 表示，它与材料模型公式密切相关。 设刚粘塑性材料模型公式为 1 2 萨万( 万，万，丁) 则对应的功函数可以表示为 ( 2 1 4 ) 山东大学硕士学位论文 e 媾；、) = 譬a 秘。= 毫_ d 考 ( 2 - 1 5 ) 这样，若刚粘塑性材料模型公式( 2 1 4 ) 一旦给定，则可以由上式积分得到对应的 功函数。 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 3 ) ，得 船工犯( 岛。d v f ，e 昆，d s = 0 ( 2 - 1 6 ) 上述变分原理与m a r k o v 变分原理一样，可以用l a g r a n g i a n 乘子法和罚函数法引入 体积不可压缩条件。 2 1 4 刚塑性刚粘塑性有限元求解过程i 雒勰】 刚塑性冈u 粘塑性有限元的求解过程与一般有限元一样，不同的是刚塑性刚粘塑性有 限元法组装成的总体方程组为非线性方程组，还需要进行线性化处理和采用 n e w t o n - r a p h s o n 迭代法进行速度场迭代求解。 变形体经离散化后，能量泛函就成为各节点速度的函数，能量泛函取驻值的条件是： 意5 手c 氛2 。 式中，( 7 ) 表示第个单元，为节点编号。 ( 2 1 7 ) 为了求解上述非线性方程，采用n e w t o n r a p h s o n 方法进行迭代，把式( 2 1 7 ) 用t a y l o r 级数在v = v o ( 初始值) 展开，忽略二阶以上的高阶微量，保留线性部分得： 吼峋+ 表l 舭。 p 8 ，