（材料加工工程专业论文）汽车前轴锻件弯曲与整体终锻过程有限元模拟.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 前轴是汽车的关键零件，传统的前轴锻造工艺设备投资大，且设备维修困难。 精密成形辊锻及模锻复合成形工艺，具有设备投资少、工艺适应性强、材料利用率 高等优点，但其模具仍采用手工设计与传统的方法制造，严重制约了该成形工艺的 应用。随着塑性加工过程计算机模拟技术的飞速发展，采用有限元模拟来辅助工艺 的制定和模具设计是一种非常好途径。模拟方法可以在模具的虚拟制造阶段就能 充分检验模具设计的合理性，减少新产品模具的开发研制时间，对用户需求做出快 速响应，大大缩短探索和试验周期及费用，提高整体经济效益，增强企业的综合实 力。 本文在阐述前轴锻件技术现状及发展趋势的基础上，讨论了塑性成形过程 的分析方法，重点论述了有限元法在金属塑性成形过程中的应用。并通过查阅 国内外相关的技术文献，分析了常见的前轴锻造工艺：锤上模锻工艺、热模锻压力 机上模锻工艺和辊锻工艺的特点，分析比较了前轴精密成形辊锻及模锻复合成形工 艺的优越性。 在上述基础之上，采用刚粘塑性材料模型与有限元耦合分析方法，对精密辊锻 成形的前轴毛坯的弯曲成形和整体终锻成形过程采用有限元分析软件d e f o r m 进行了 模拟，获得成形过程中的内部应力、应变、金属流动规律及变形行程载荷曲线， 预测分析了工件的成形状况、可能产生的主要缺陷的形式、部位和原因。为优化前 轴锻件成形工艺及提高终锻模具寿命提供了定量与定性相结合的科学依据。 关键词：弯皓成形整体终锻有限元数值模拟 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef o r w a r ds h a f ti sak e ya u t o m o b i l ep a r t t h ec o n v e n t i o n a lf o r g i n gp r o c e s so f f o r w a r ds h a f ti n v o l v e st h eh i g he x p e n s e so ne q u i p m e n t sa n dd i f f i c u l tm a i n t e n a n c eo f e q u i p m e n t t h ec o m b i n e df o r m i n gp r o c e s so fp r e c i s i o nf o r m i n gr o l lf o r g i n g a n dd i e f o r g i n gp r e s e n t sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sl i t t l e e x p e n s e s o n e q u i p m e n t s ，s t r o n g a d a p t a b i l i t y o fp r o c e s sa n du t i l i z a t i o nr a t i oo fm a t e r i a l s h o w e v e rt h ed i e sa r es t i l l d e s i g n e db yh a n d w o r ka n dm a d eb yc o n v e n t i o n a lm e t h o d st h a tg r e a t l y r e s t r i c tt h e a p p l i c a t i o no ft h ep r e c i s i o nf o r m i f i gp r o c e s s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn u m e r i c a l s i m u l a t i o no fp l a s t i c p r o c e s s i n g ，i ti s ap e r f e c tw a yf o rt h e d e s i g n i n go fp r o c e s sa n d p r o d u c t i o no fd i ea i d e db yt h ef i n i t ee l e m e n tr f e ) s i m u l a t i o n t h er a t i o n a l i t yo fd i e d e s i g n i n gi sf u l l yv a l i d a t e db yt h es i m u l a t i o nm e t h o dd u r i n gt h ev i r t u a lm a n u f a c t u r i n g p r o c e s s ，a n dh e n c ed e c r e a s i n gt h er & d t i m eo ft h en e w p r o d u c t ，q u i c k l yr e s p o n d i n gt h e c u s t o m e r sr e q u i r e m e n t s ，t r e m e n d o u s l ys h o r t e n i n gt h ec y c l et i m ea n dc o s to ft h et r i a la n d e r r o rt e s t a sa r e s u l t ，t h ew h o l ee c o n o m i cp e r f o r m a n c ea n dt h ec o m p r e h e n s i v es t r e n g t ho f e n t e r p r i s e sa r eu p g r a d i n g b a s e do nt h ec u r r e n tt e c h n i c a ls i t u a t i o na n dt r e n do ft h ef o r w a r ds h a f t ，t h ea n a l y s i s m e t h o do f t h e p l a s t i cf o r m i n gp r o c e s si sd i s c u s s e ds y s t e m i c a l l y , a n dm o r ea t t e n t i o ni sp a i d o nt h ef ea p p l i c a t i o no nt h ep l a s t i cf o r m i n gp r o c e s s a f t e rs c r u t i n i z i n gt h en a t i o n a la n d i n t e m a t i o n a lr e l a t e dt e c h n i c a ld o c u m e n t s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r a lc o m m o n f o r g i n g p r o c e s s e so f f o r w a r ds h a f t ，s u c ha sd r o pf o r g i n g ，d i ef o r g i n ga n dr o l lf o r g i n g ，i sa n a l y z e d d e e p l y t h e nt h ea d v a n t a g e so f t h ec o m b i n e df o r m i n gp r o c e s so f p r e c i s i o nf o r m i n gr o l l f o r g i n ga n dd i ef o r g i n gp r o c e s so ff o r w a r ds h a f ta r ep r o p o s e dt h r o u g hc o m p a r i n gt h e s e v e r a lf o r g i n g p r o c e s s e s 、i t l le a c ho t h e r b a s e do nt h ea b o v ea l l ，b yu s i n gr i g i d v i s c o p l a s t i c m a t e r i a lm o d e la n d3 - d c o u p l e df es i m u l a t i o n ，b e n d i n gf o r g i n ga n dw h o l ef i n a lf o r g i n gp r o c e d u r ea r ea n a l y z e d a n ds i m u l a t e dw i t l lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ed e f o r m t h er e s u l t si n d i o a t et h e i n n e rs t r e s sf i e l d , s t r a i nf i e l d ，m e t a lf l o w i n gl a wa n df o r g i n gt r a v e l l o a dc h i v ed u r i n gt h e f o r m i n gp r o c e d u r e n l ef o r m i n gs t a t u s c a u s a t i o no f d e f e c to f w o r k p i e c e a r ep r e d i c t e da n d s oo n a l lo ft h e s er e s u l t sc a no f f e raq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v et h e o r e t i c a lb a s i si n o p t i m i z i n gt h ep r o c e s so f f i n a lf o r g i n go ff o r w a r ds h a f ta n d p r o l o n g i n gt h ef i n a lf o r g i n g m o l d ss e r v i c el j f e k e y w o r d s ：b e n d i n gf o r m i n g w h o l ef i n a lf o r g i n g f i n i t ee l e m e n t n u m e r i c a is i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：赫汞 日期：扣4 年f 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使月学位论文的规定，即：学校有 权保留并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 借阐。本人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 书权授本用适 后密解年 一 往影 口 密打 密 保内 保 不框方 于 上 属 以 文 在 论 请 零 0 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源和意义 前轴( 如图1 1 ) 是汽车中的承载件，它通过弹簧座和钢板弹簧相连承受车身载 荷，通过两端拳头部位和转向节与车轮相连，承受因道路不平引发的冲击载荷，尤 其是在汽车下坡急刹车时，前轴将承受汽车负荷的2 3 ，是汽车的重要保安构件之一。 在实际工作中，前轴的受力状态主要是既有弯曲疲劳又同时承受一定的冲击载荷等 交变应力，要求具有较高的强度和疲劳寿命。其强度、刚度及疲劳寿命等指标的高 低直接影响到汽车传动系统的稳定性和整车的安全性。 图1 1z c l 0 2 2 前轴锻件 前轴锻件细长、横向截面变化大、纵向带弯曲，属复杂锻件，锻造工艺复杂， 需要大型设备“。一般轻型车、卡车和大客车的前轴都要求必须采用模锻成形，以保 证前轴零件的强度和疲劳寿命。 从图1 1 可见，前轴零件虽然左右形状对称，但是其截面起伏较大，特别是钢 板位、限位块部位具有深而窄的截面，这些都给其成形工艺带来困难，其模具设计 也较为复杂。1 。实际生产过程中，模具使用寿命需要提高，产品的废品率有待进一步 降低，同时迅猛增长的市场需求也需要前轴产品结构加快更新换代，这些都对前轴 的传统生产工艺和技术提出了挑战。 华中科技大学硕士学位论文 随着现代科学技术的发展，对塑性加工过程的讨算机模拟已经取得了很大的进 步，有限元法日趋成熟，一些高水平的模拟软件也已经开发出来，采用有限元法通 过计算机模拟来制定工艺和设计模具是新的发展形式下的一种非常好的途径。 借助模拟手段，可以在计算机屏幕上观察前轴锻件成形时金属的流动变形过程， 可以获得应力、应变、温度分布状态，所需成形力的大小，模膛充满情况，预测可 能产生缺陷的部位及原因，为指定合理的工艺参数和实现模具( 模膛) 优化设计提 供可靠的依据“3 。塑性加工过程的计算机模拟可在模具虚拟技术、虚拟制造阶段就能 充分检验模具设计的合理性，减少新产品模具的开发研制时间，对用户需求做出快 速响应，提高市场竞争能力，从而可以大大缩短探索和试验周期及费用，提高整体 经济效益，增强企业的综合实力0 1 。 因此，华中科技大学塑性成形模拟与模具国家重点实验室和湖北谷城车桥股份 有限公司签订了汽车前轴成形过程计算机模拟及模具优化设计项目，同时为4 0 0 0 吨 液压螺旋压力机的研制提供工艺参数、模膛结构、温度及模锻成形力等数据。 1 2 前轴类锻件技术发展概况和趋势 汽车前轴一般要求为锻件，采用模锻成形，需要大型的模锻设备，目前国外一 般采用i o o m n 以上的热模锻压力机来成形，设备价格昂贵，投资巨大，而国内也仅 有3 条万吨以上的用于前轴和曲轴的热模锻压力机锻造生产线。对此类锻件，我国 主要用大吨位真空模锻锤( 5 t 、1 0 t 、1 6 t ) 锻造成形，在2 0 世纪8 0 年代和9 0 年代 还相继开发出了成形辊锻前轴和精辊一模锻前轴工艺，以辊锻工艺完成前轴大部分 的成形，使采用较小的锻造设备实现前轴锻件的生产成为可能。 目前，日本、德国采用的是1 2 0 m n 热模锻压力机( 模压机) 模锻工艺，其主要 特点是生产线自动化程度高，产品质量稳定，基本无公害。但工艺设备、厂房和公 用配套设施投资大，若建成年产1 0 万件汽车前轴生产线需投资2 亿多元人民币m 。 我国具备批量生产汽车前轴能力的生产线有一汽的1 2 5 m n 热模锻压力机模锻曲 轴、前轴生产线，二汽的1 2 0 m n 锲式热模锻压力机模锻生产线及济南汽车制造厂的 1 6 0 m n 模锻曲轴、前轴模锻生产线。以上三厂年生产能力约为2 5 万件左右，国内其 华中科技大学硕士学位论文 f i 4 , 厂年生产能力之和不到： o 万件，且工艺水平落后，产品质量差”、。 “汽车前轴成形辊锻工艺”是谷城车桥股份有限公司的专利技术，属国内外首 创。该工艺首先采用成形辊锻工艺实现前轴中段非对称工字型断面的成形和两端的 制坯，接着在2 5 m n 高能螺旋压力机上对两端进行模锻终成形。这种复合成形工艺彻 底克服了单纯成形辊锻前轴长度误差大和1 2 0 m n 热模锻压力机上整体模锻设备昂贵 的缺点，使前轴的关键尺寸即前轴锻件的长度尺寸精度达到1 2 0 m n 热模锻压力机上 整体模锻的水平，同时其设备投资驭为整体模锻工艺所需设备投资的1 1 0 。 据资料显示，随着仪器、仪表、家用电器、交通、通信和轻工业产品等行业的 飞速发展，模具行业的产值已经超过机床行业。据预测，2 1 世纪零件粗加工的7 5 和精加工的5 0 将采用塑性加工方式实现“3 。 2 1 世纪的塑性加工产品将朝着轻量化、高强度、高精度、低消耗的方向发展m w 。 塑性精密成形技术对于提高产品精度、缩短产品交货期、减少或免除切削加工、降 低成本、节省原材料等有着重要的意义。成形工件( 毛坯) 将由近净成形 ( n e z r n e t s h a p ef o r m i n g ) 向无余量的净成形( n e t s h a p ef o r m i n g ) 发展。 从锻造方面看，精密锻造发展的总趋势是产品的复杂化、精密化和质量轻化， 工艺设计的最优化，模具设计制造技术的集成化。精密锻造成形产品的尺寸精度在 1 5u m 2 0 0 “m 之间。国际机械加工技术协会预测，2 1 世纪初精密成形与磨削加工 相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。到2 0 1 0 年，成形公差将相当于今天的 磨削精度。精密锻造的主要工艺有无飞边锻造和多工位冷温挤压，其技术要点是降 低成形力和使型腔充满。精密锻造技术的进步表现在闭式模锻压力机和多工位压力 机等高效专用设备的开发以及整个配套技术的完善，包括模具材料、润滑、犊具失 效检测等“。 随着计算机硬件、软件技术的飞速发展和对塑性成形过程物理规律研究的深入， 塑性加工过程的计算机模拟( 虚拟塑性加工技术) 近年来取得了很大的进展。它主 要采用有限元法或有限差分法进行数值计算n 3 t 4 1 o 通过模拟，不仅能获得塑性加工 过程中工件和模具的位移场、速度场、应变场、应力场、温度场和载荷行程曲 华中科技大学硕士学位论文 线，还能预测工件纲观组织和性能的变化，如组织结构的演化，细观损伤的形核、 长大和聚合的过程，热加工中的再结晶晶粒度等。 利用计算机图形技术将这些分析结果直观地呈现在设计人员面前，使他们能通 过虚拟的塑性加工过程检验工件的最终形状、尺寸是否符合设计要求，是否会产生 折叠等外部缺陷、疏松和裂纹等内部缺陷，根据细观组织的变化预测产品的使用性 能；还能根据模具的受力校核其强度、刚度，预测模具的磨损，确定压力机压下量 的补偿值等。 采用塑性加工过程模拟，能在塑性加工工艺设计和模具设计初步方案完成后立 即对其进行检验，并提供修改方案所需的详尽资料。经模拟检验后，再完成详细设 计并进行模具制造。这样，就能从根本上改变以往由于缺乏对塑性加工过程的科学 分析手段而只能凭经验设计模具，通过反复的工艺试验修改模具和工艺参数，以便 最终生产出合格零件的状况，极大地降低了成本、提高了质量、缩短了产品交货期。 塑性加工过程模拟与人工智能技术相结合，将成为塑性加工中设计和制造智能 化的有力工具“”3 。 据美国工业界统计，其大型制造企业每年至少要花费2 0 0 0 万美元去排除有问题 的模型。制造企业在制造模型和模具的过程中，经常要返工修改甚至报废一些模具 和模型。出现这种情况的原因是对于大多数零件，制造者不了解其在铸造、注塑以 及塑性变形过程中所发生的情况。随着计算机模拟仿真技术的发展，采用塑性加工 过程模拟仿真技术可以分析和发现工艺过程中可能出现的问题，从而能够对模具进 行优化设计，提高模具使用寿命，提高产品质量。 塑性加工过程模拟在工业发达国家已进入实用阶段，如美国三大汽车公司在汽 车覆盖件模具设计制造中，都要求在设计完成后必须经过计算机模拟检验，才能投 入试验软模的制造。这样可以大大节省制造试验软模的昂贵费用和试验周期，其经 济效益非常明显。 塑性加工过程模拟的发展趋势是提高模拟速度和可靠性、解决目前存在的困难 问题“1a 将有限元模拟运用于汽车前轴的成形过程，将有助于优化现有的经验参数， 4 华中科技大学硕士学位论文 预测缺陷可能产生情况，并用模拟结果指导实践，对企业的实际生产和发展定会产 生显著影响。 1 3 本文主要研究内容 作者要完成的研究工作主要包括： ( 1 ) 广泛阅读相关文献资料，充分掌握国内外汽车前轴生产技术及发展趋势， 分析存在的技术问题。 ( 2 ) 结合前轴成形工艺，论述有限元分析方法，确定所要选取的材料模型。 ( 3 ) 采用国内外流行的体积成形计算机模拟软件d e f o r m ，对前轴弯曲成形 和整体终锻成形过程进行模拟，分析前轴锻件在相应成形过程中的应力、应变以及 金属流动速度场的分布情况，预测缺陷可能出现的部位，所得结果用于验证和优化 前轴成形工艺及模具设计。 华中科技大学硕士学位论文 2 金属塑性成形过程的分析方法 2 1 金属塑性成形过程分析方法概述 金属塑性成形是一种先进的加工工艺，是利用金属的塑性，通过模具( 或工具j 使简单形状的毛坯成形为所需工件的技术。在塑性成形中，材料的塑性变形规律、 模具与工件之间的摩擦现象、材料中温度和微观组织的变化及其对制件质量的影响 等等，都是十分复杂的问题。这使得塑性成形工艺和模具设计缺乏系统的、精确的 理论分析手段，主要是依据工程师长期积累的经验。 对于复杂的成形工艺和模具，这种方法难以保证设计质量，一些关键性的设计参 数要在模具制造出来之后，通过反复的调试、修改才能确定，这样就必然会浪费大 量的人力、物力和时间。 人们在长期的生产和实践中不断探索和研究金属塑性成形过程中的普遍规律，积 累了大量的经验，总结出了一系列的分析方法，大致可以分为三类：经典理论方法， 物理模拟方法( 实验方法) ，数值模拟方法。 物理模拟方法和数值模拟方法都是采用模拟的手段，对金属塑性成形过程进行研 究。所谓模拟，即是针对某个现象或过程的原型，建立一个与该现象或过程具有相 似性而又便于让人们进行观测和控制的模型，通过研究模型在各种条件下的响应来 推测原型在相应条件下的响应，从而获得对于原型规律性的认识。 借助于模拟方法，能使人们获得对于塑性成形过程规律的认识，以较小的代价、 在较短的时间内找到最优的或可行的设计方案“。随着实验和理论的发展，塑性成 形过程模拟方法已经取得了有了很大的发展，并已应用于科学研究和实际生产。 2 1 1 经典理论分析方法 经典理论分析方法主要是基于金属塑性成形理论及塑性力学理论，对成形 对象建立适当简化的力学模型，求解其内部的应力及应变分布。主要的经典理 论分析方法有：( 1 ) 主应力法，( 2 ) 能量法，( 3 ) 滑移线法，( 4 ) 上限法，( 5 ) 上限元法，( 6 ) 希尔( h i l l ) 分析法等”1 。 6 华中科技大学硕士学位论文 经典理论分析方法在金属成形理论的发展过程中起着一定的作用，为金属成形 模具的设计提供了理论分析的手段，它们可以预测成形载荷，定性地描述金属的流 动模式。但这些方法都有一个共同的缺陷只能分析几何形状简单的零件，缺乏 分析了解诸如接触、摩擦条件、材料性质及工件形状等参数对金属流动特性的影响。 主应力法掌握容易，使用简单，但该法忽略了摩擦力对内部应力分布的影响， 计算精度不高，且不能提供材料内部变形的详细信息。 能量法以能量最小原理为基石i 如通过求解能量平衡方程得到平均应力。该方法 在分析简单的金属塑性成形问题时比较实用，对于复杂的金属塑性成形问题，由于 速度关系过于繁琐，其用途受到限制。 滑移线法主要用来求解理想塑性材料的平面应变问题，能求出塑性变形材料内 部的应力场和速度场。尽管理论上滑移线能够提供“精确”的应力分布，但通常情 况下计算结果与实验数据还存在较大的差距，并且这个方法一般只能用于流动规则 的各向同性、无硬化的刚一塑性材料的平面变形。 上限法是一种用途较广的经典分析方法。但是，由于金属成形过程中具有有限 多个动可容速度场，故只有对边界不太复杂、形状比较简单的工艺成形过程，上限 法才显示出简单和有效性。 上限元法是在上限法基础上提出来的，实质上也是一种上限法。 希尔( h i l l ) 分析法以交分原理为基础。希尔方法尤其适用于分析二维或无约 束变形的三维问题，但数学处理比较复杂。 2 1 2 物理模拟方法【1 8 】 物理模拟即采用物理模型进行实验模拟。实验研究是最基础的研究方法，即通 过系统的物理实验来发现金属塑性成形过程中的普遍规律，或直接对生产过程进行 物理模拟以提供用于设计的经验数据，检验理论计算的结果，评价金属塑性成形的 性能。坐标网格即是一种测量塑性变形过程中金属变形分布的方法，该法是通过观 察制作在金属上的小网格变形前后的变化来确定板料上的应变场。 但是实验方法在应用上存在两个主要问题，一是实验分析只能在模具加工完成 华中科技大学硕士学位论文 后方可进行，因此，要想进行系统的实验要消耗大量的人力、物力和时间；二是影 响金属塑性成形的因素很多，诸如摩擦条件，材料性质及几何参数等都对金属塑性 成形中的金属流动有影响，在实验分析中很难控制实验条件。因此，实验分析方法 在应用范围上受到了一定的限制。 金属塑性成形过程的物理模拟方法有网格法、云纹法等。 2 1 3 数值模拟方法 传统的塑性加工生产中，成形工艺和模具设计一般是以图表、资料、金斯公式 和设计人员的经验为依据，即所谓“经验设计”( e m p i r i c a ld e s i g n ) 。这种设计方 法常需要依据大量的经验，经过费工时、费财力的设计实验再设计再 实验等过程才能达到最终目的。 对于一个零件，采用何种尺寸的毛坯最容易填充型腔，选择何种工艺参数才能 保证生产出合格的产品，是否需要预成形，预成形模的形状和次数如何确定，怎样 提高制件的材料利用率，避免诸如充不满、开裂、折叠等缺陷，如何通过控制金属 的流动和变形状态来提高产品的性能等，这些问题很难仅仅通过经验，在耗费较少 的人力、物力的条件下得到解决。即使对于某些零件，依据经验可以得到较满意的 解决，但这些经验是否可以应用于其他类型的锻件，还难以确定。 在实践中，对于新开发的零件，往往不得不耗费大量的原材料，采用多工艺方 案或多做几套模具，进行多次实验，不断总结经验以改进设计。这无疑会造成很大 的浪费，延长设计和投产周期，不利于产品的更新换代、有碍市场竞争力和工艺水 平的提高。 全面了解金属材料在塑性变形过程的力学性能和流动规律是科学地进行工艺设 计和模具设计的基础，也是金属塑性成形理论分析和实验研究的主要内容，其任务 是从理论上得出有关处理金属塑性成形问题的途径，提高工艺和模具设计的科学性， 从而达到更合理地利用材料，节约能源和提高生产效率的目的。“。 数值模拟采用一组数学方程( 一般是微分方程) 和定解条件将实际过程抽象成 理论模型，采用计算机求得该理论模型在不同条件下的数值解，以此推测在相应条 华中科技大学硕士学位论文 件下所发生的实际过程。 随着计算机技术的发展，数值模拟方法越来越显示出巨大的优越性。首先，它 不需要建造物理模型，因而节省了大量人力、物力和时间，在设计阶段即可对不同 的设计方案及时进行评价，筛选出合理的或最优的方案；其次，数值模拟能提供工 件和模具中各物理量( 如应力、应变、温度等) 分布的详尽数据，使设计者获得对 于实际过程的深入、全面的了解：最后，数值模拟有着极大的灵活性，能用于模拟 在目前尚不能提供的虚拟条件下模型的性态，从而为探索性的研究提供了手段。另 一方面，我们也必须认识到，由于建立理论模型时对原型的简化处理，所依据的理 论的不完善和计算误差等等，数值模拟的结果应该用物理模拟来检验。 数值模拟方法是建立在塑性成形过程力学分析的基础之上的，分析金属成形过 程的目的在予： ( 1 ) 预测工件的几何形状是否满足产品的精度要求，是否会产生表面缺陷； ( 2 ) 预测工件的内部质量，是否会发生破裂等； ( 3 ) 预测模具的受力和磨损； ( 4 ) 参照模拟结果选择适当的材料和工艺及模具参数等。 数值模拟方法主要包括有限差分法、有限元法和边界法，其中有限元法是最流 行的种方法。 有限元法起源于4 0 年代提出的结构力学中的矩阵算法，它起初是作为一种力学 分析的数值计算方法，后来发展成为求解偏微分方程边值、初值问题的一种一般的 离散化方法。 有限元法的基本思想是把连续体视为离散单元的集合体来考虑。在应用有限元 法分析问题时，首先采用“化整为零”的办法，将连续体分解为有限个性态比较简 单的“单元”，对这些单元分别进行分析；然后采用“积零为整的办法，将各单元 重新组合为原来的连续体的简化了的“模型”，通过求解这个模型得到问题的基本未 知量( 例如位移) 在若干离散点上的数值解；最后，根据得到的数值解再回到各个 单元中计算其他物理量( 例如应变、应力) 。 q 华中科技大学硕士学位论文 对金属弹塑性和刚塑性变形用有限元法进行分析的实施步骤可归纳如下： ( 1 ) 用假想的线或面将连续体分成若干“有限单元”，这些单元具有简单的几 何形状。 ( 2 ) 假设这些单元在且仅在其边界上的若干个离散节点处互相连接。将这些节 点的位移( 或速度) 作为问题的基本未知量。 ( 3 ) 选择适当的插值函数，以便由每个“有限单元”的节点位移( 或速度) 唯 一地确定该单元中的位移( 或速度，分布。 ( 4 ) 利用位移( 或速度) 函数对坐标的偏导数，可根据节点位移( 或速度) 唯 一地确定一个单元中的应变( 或应变速率) 分布。由单元的应变( 或应变速率) 以 及材料的本构关系，可确定单元的应力分布。 ( 5 ) 根据虚功原理可建立每个单元中节点位移( 或速度) 和节点力之间的关系， 即单元刚度方程。 ( 6 ) 将每个单元所受的外载荷根据作用力等效的原则移置到该单元的节点上， 形成等效节点力。 ( 7 ) 按照各节点整体编号及节点自由度的顺序，将各单元的刚度方程迭加，组 装成问题的整体刚度方程。 ( 8 ) 根据边界节点必须满足的位移( 或速度) 条件，修改整体刚度方程。 ( g ) 求解整体刚度方程，得到节点位移( 或速度) 。 ( 1 0 ) 根据求得的节点位移( 或速度) 计算各单元的应变( 或应变速率) 和应力。 在金属成形过程中，工件发生很大的塑性变形，在位移与应变的关系中存在几何 非线性，在材料的本构关系( 应力应变关系) 中存在材料非线性，即物理非线 性。不仅如此，成形所用模具型面的几何形状往往比较复杂，工件与模具的接触状 态不断改变，摩擦规律也难以准确地描述。由于以上种种原因，金属塑性成形问题 问题难于求得精确解。有限元法是目前进行非线性分析的最强有力的工具，因此也 成为金属塑性成形过程模拟的最流行的方法。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 金属体积成形的有限元模拟概述2 2 l 体积成形是金属塑性成形中一大类应用广泛的工艺方法，如锻造、挤压和轧制 等等。体积成形时，工件在模具的作用下产生塑性变形，通过金属材料体积的大量 转移获得机器零件( 毛坯) 或各种型材。 体积成形的重要特征是金属材料产生较大的塑性变形，而弹性交形相对很小。 刚塑性分析或弹塑性分析、小变形增量分析或有限应变增量分析等方法，各有其特 点，对于塑性成形过程的分析，采用那种分析方法，应视材料变形过程的性质和分 析的目的而定，并应恰当地考虑分析精度和效率。实际上，对于绝大多数体积成形 过程的分析，采用刚( 粘) 塑性小变形增量分析法是非常有效的。因此，刚塑性有 限元法已成为分析金属体积成形的主要数值模拟方法。 随着有限元理论和模拟实施中的关键技术以及计算机相关技术的发展，刚塑性 有限元法在金属体积成形方面的应用已由二维问题扩展到三维问题，由典型的简单 工艺延伸到工业生产中的复杂成形工艺，并且能进行成形过程的热力耦合分析，还 可以逆过来，从成品的形状尺寸反向模拟出合理的毛坯。与此同时，有限元软件也 由功能简单的计算程序发展成界面友好、功能较强的模拟分析软件，并且有着向智 能化和集成化方向发展的趋势。可以预见，随着刚塑性有限元模拟技术的进一步发 展和完善，它必将在金属体积成形过程的模拟分析中发挥更大的作用。 2 3 金属塑性成形的刚塑性有限元分析概述 以计算固体的应力、应变为目的的有限元，是从基于小变形理论的弹性有限元 法开始发展的。到6 0 年代后半期，为了研究超出弹性变形达到屈服点的应力和应变 状态，小变形弹塑性有限元法得到了发展，以此尝试进行塑性加工的弹塑性分析。 然而研究发现，在将速率形式的本构方程向前积分时，需要非常小的时间增量。如 果用这种方法跟踪大变形，计算费用则很昂贵，弗且累积误差很大，甚至得不到正 确的解。这个误差是由于没有考虑一个时间步长开始与结束时的形状( 构形) 差别 和材料转动而造成的。因此，进入7 0 年代以后，基于有限变形理论的大变形弹塑性 华中科技大学硕士学位论文 有限元法得到了发展。 与此同步，研究工作沿着另一条途径发展，即考虑到在很多实际应用中，塑性 变形量远远大于弹性变形量，故可以忽略变形的弹性部分，所以就出现了刚塑性有 限元法。这个方法最初是将上限法用有限单元求极小值开始发展的。但用上限原理 求不出应力，是其不足之处。后来，在7 0 年代初期，l e e 和k o b a y a s h i 等人使用拉 格朗日未定乘子法所用的变分原理处理体积不可压缩条件，使应力计算成为可能， 并将这种方法命名为刚塑性分析的矩阵法”。另外，z i e n k i e w i c z 的罚函数法和小坂 田宏造的可压缩法，也是应力计算的代表性算法。 刚塑性有限元法不需要像弹塑性列式那样求解应力增量，而是在每一时间增量 都直接求出应力，所阻没有应力的误差累积。并且，因为它是一种流动型列式，故 可以取较大的增量步长，减少计算时间，在保证足够的精度下提高计算效率。在刚 塑性有限元分析中，必须随时问向前携带的历史变量仅仅是与材料结构变化( 例如 加工硬化) 有关的变量；它通常采用率方程，即列式本身是根据小变形增量建立的， 这样，变形后的构形可通过在离散空间上对速度积分而获得，从而避开了几何非线 性问题，这些特点使刚塑性有限元列式比较简单，易于编程实现。由于简单性和效 率，使其可方便地用于分析稳态和非稳态大塑性变形问题，得到了广泛应用，也成 为一些商业软件( 如d e f o r m ) 的核心算法o 。 刚塑性有限元法也有明显的局限性。由于忽略了弹性变形，这种方法仅适合于 塑性变形区的分析，不能直接分析弹性区的变形和应力状态；弹性变形区的解仅仅 在整体意义上是正确的，即维持平衡方程；它不能处理卸载问题和计算由此带来的 残余应力和残余应变。与大变形弹塑性有限元法相比，在变形量很小的场合，刚塑 性有限元分析精度较差。但是，如果塑性变形很大，弹性变形所占比重就很小，采 用刚塑性有限元模型也是合理的；并且，工程实践中并不总是需要考虑卸载、残余 应力和残余应变。所以，刚塑性有限元法仍是一种有效的分析手段。 对速率敏感性材料的塑性加工，需要使用粘塑性模型分析，刚粘塑性有限元法 仅仅是刚塑性有限元法的扩展，在工程上也得到了很好的应用。塑性加工伴随着一 1 2 华中科技大学硕士学位论文 个热力学过程，在分析模型中考虑温度与变形的交互作用，显然是对物理现象的更 精确的逼近。现在，刚塑性有限元法已可以把材料的变形流动与热传导进行耦合分 析o “。这些进展反映出刚塑性有限元法日趋成熟。 2 4 成形过程模拟软件一d e f o r m 2 4 1d e f o t e v i 简介 d e f o r m ( d e s i g ne n v i r o n m e n t f o rf o r m i n g ) 软件是由美国b a t t e l ec o l u m b u s 实验室和俄亥俄州立大学精密成形工程中心共同开发的一套有限元分析软件。早 期的d e f o r m 一2 d 软件只能局限于分析等温变形的平面问题或者轴对称问题。随着有 限元技术的日益成熟，d e f o r m 软件也在不断发展完善。目前，d e f o r m 软件已经能够 成功用于分析考虑热力耦和的非等温变形问题和三维变形( d e f o r m 一3 d ) 。此外， d e f o r m 软件可视化的操作界面以及强大而完善的网格自动再划分技术，都使d e f o r m 这一商业化软件在现代工业生产中变得愈来愈实用而可靠，目前已在美国和其它一 些国家的研究所机构和公司中应用，它现已成为国际上最著名的2 d 3 d 体积成形加 工和热处理工艺模拟分析软件，是专为生产实际应用而设计开发的，使用起来比较 简便。能使用户缩短设计、生产周期，优化工艺，提高生产率”。 2 4 2d e f o r m 的技术特性 为了真实地描述塑性成形过程，个完整的模拟系统必须处理好有限元中的一 些关键技术，同时还得综合考虑现场实际生产条件。d e f o r m 的下列技术特性可以有 效地解决上述两个问题。“： ( 1 ) 网格自动生成及其再划分 d e f o r m 以严格控制体积损失和保证场量的有效继承为准则，具备一个高度自动 化、智能化的网格划分及其再划分的生产器。从而保证了模拟过程的顺利进行，无 须人工干预。 ( 2 ) 分析对象的多元化 d e f o r m 将参与成形的物体均作为分析对象，即可以分析变形体的塑性成形过程 及其残余应力，又可以分析模具的应力、弹性或弹性变形。 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 多工步成形 d e f o r m 将多工步成形问题的各个预成形及终成形工步进行有效安排，依次进行 模拟并自动实现工步间物理信息的相互传递。 ( 4 ) 成形缺陷的预测 d e f o r m 建立了较为完善的质点脱模及材料断裂准则，可以有效预测表面折叠、 缩孔、表面裂纹、内部裂纹等常见成形缺陷。 ( 5 ) 模拟结果分析 d e f o r m 不但提供常见的网格、等值线、等色面等图形显示工具，而且还配备载 荷行程曲线、质点场量跟踪、试件格线变形跟踪等塑性加工专用处理工具。 ( 6 ) 成形设备的多样化 d e f o r m 提供了分别适用于机械压力机、液压机、摩擦压力机、螺旋压力机、锤 上锻造等常用塑性加工设备的模具运行方式。 ( 7 ) 材料库的建立 d e f o r m 建立了1 5 0 多种常见的金属、非金属材料数据库，同时允许用户定义自 己的材料流动应力模型及材料属性系数。 ( 8 ) 数据接口 d e f o p $ 1 同c a d c a m 系统建立了i g e s 和s t l 等通用数据接口，同a m g 、i d e a s 和 f a t r a n 等有限元网格生成器建立了专用的数据接口， ( 9 ) 模拟范围广 d e f o r m 可以模拟材料流动、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、缺陷成因等项目。 ( 1 0 ) 适用工艺广 d e f o r m 可以模拟冷、热、温过程；锻造，拉拔，挤压，镦头，镦租，轧制，摆 辗，机加工车削，冲切等；正火，退火，淬火，回火，时效，渗碳，蠕变，硬化等。 2 4 2d e f o r m 模拟操作示意流程例 d e f o r m 系统主要由前置处理( p r o p r o c e s s o r ) 、模拟计算( s i m u l a t i o n ) 、后置 处理( p o s tp r o c e s s o r ) 三大模块组成。前置处理主要是通过用户的参与，将实际 问题用系统可以识别的几何模型来代替，并设置各种必需的边界条件及相应的运动 华中科技大学硕士学位论文 参数，最终目的是得到在模拟计算中可以调用的库文件( ，d b ) 。接下来就是启动模 拟计算模块，调用具体的库文件，确认无误后即可开始模拟，计算过程可能需要 些时间，具体要看所模拟对象的复杂程度以及所采用的硬件设备条件。模拟计算完 毕之后，在后置处理模块中，d e f o r m 系统提供了良好的图形界面可以很生动直观的 将模拟对象的应力场、应变场、温度场、速度场等表现出来，以便用户采用。 d e f o r m 系统组成结构及模拟流程图如下( 图2 1 ) ： 图2 1d e f o r m 软件模块及相应模拟操作流程示意图 华中科技大学硕士学位论文 3 前轴锻件成型工艺分析及比较 3 1 前轴锻件的特点 前轴类锻件( 如图1 1 ) 是一种大型、复杂、成形要求高、生产难度大的锻件， 具有以下一些特征： ( 1 ) 锻件质量达3 3 1 5 0 k g ，锻件展开长1 2 0 0 2 1 0 0 m m ，锻造工艺比较复杂， 需要大锻锤( 如l o 1 6 t ) 或大型热模锻压力机( 如8 0 1 2 0 m n 或1 6 0 m n ) 来模锻成 型。 ( 2 ) 锻件主轴线上下部分形状对称，而左右截面在某些区段内具有较大的不对 称性。 ( 3 ) 前轴属形状复杂的锻件，特别是限位块和弹簧座工字型一侧的外形反映在 锻模型腔上为深而窄的沟槽，采用任何形式的模锻方法，金属都较难填充成形。 ( 4 ) 锻件纵向截面起伏变化较多，某些部位具有较大的高度落差。 3 2 常用模锻工艺的特点 模锻是指将坯料放入上、下模块的型槽( 按零件形状尺寸加工) 间，借助锻锤 锤头、压力机滑块或压力机活动横梁向下的冲击或压力成形为锻件，是成批或者大 批大量生产锻件的主要锻造方法。其特点是，在锻压设备动力作用下，毛坯在锻模 型槽中被迫塑性流动成形，从而获得高质量的锻件。”。最常用的模锻工艺包括锤上 模锻、热模锻压力机模锻和辊锻工艺三种。 3 2 1 锤上模锻 锤上模锻是早期的一种模锻工艺，但是直到现今在国内外的锻造行业中，仍然 占有非常重要的地位。这是因为锻锤与其他锻压设备相比，具有工艺适应性广、设 备造价较低的优点。模锻锤的打击能量可在操作中调整，能够实现轻重缓急打击。 毛坯在不同能量的多次锤击下，经过镦粗、打扁、拔长、滚挤、弯曲、卡压、成型、 预锻和终锻等各类工步，使各种形状的锻件得以成形，但是锤上模锻工作时的振动 和噪音大。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 2 热模锻压力机上模锻 与锤上模锻相比，热模锻压力机上模锻锻件具有下列优点： ( 1 ) 机械加工余量和锻件公差小； ( 2 ) 模锻斜度小： ( 3 ) 锻件各处的机械性能较为一致，流线分布比较均匀。 热模锻压力机生产率比较高，易于实现锻造过程的机械化和自动化，对工人的 操作技巧要求较低，能减轻劳动强度。但是也有以下缺点： ( 1 ) 在锻造过程中，金属沿水平方向流动较为强烈，形成较大的飞边： ( 2 ) 滑块行程不能调节，不适宜进行拔长、滚挤等制坯操作； ( 3 ) 采用闭式模锻工艺时，对下料重量准确程度要求较高，否则