（材料加工工程专业论文）材料成形过程的类等势场法模拟与预成形设计.pdf

西北工业大学工学硕士学位论文 摘要 预成形设计是锻造工艺设计中重要的内容之一，预成形模及预成形形状与 终锻件形状直接对应，它直接限制金属的流动状况，从而直接影响成形件的最 终形状和成形质量。从理论上说，对于给定的锻件形状，其预成形的形状域是 无限的对预成形的优化设计就是要从这无限的形状域中寻求最优或者接近最 优的解。如何设计预锻件形状和预锻模具形状，是生产合格终锻件的关键，也 是模具设计的难点之一。而目前国内外在此方i 面的工作多集中于利用数值模拟 技术进行设计结果验汪的试错法，其基本思路仍与传统的试错法思路一样，只 不过所用的验证手段不同。 针对上述问题，在本课题组已有研究成果的基础上，本文进一步探讨了基 丁类等势场的材料预成形设汁新方法及其正向模拟过程，并将浚方法应用到一 些具体的成形工艺过程进行了模拟分析。同时，在体积成形预制坯设计中，根 据频谱分析原理，提出了一种基于傅立叶变换的预锻模型腔轮廓局部光顺处理 新方法取得了比较满意的结果。 主要成粜4 ：n , b 7 见解如下： ( 【) 从相似理论出发，证明了利用类等势场法模拟材料成形过程的可能性， 掘此进一步探讨了应用类等势场法来模拟材料成形过程的一般方法及规律，给 2 j f 了材料变形过程中内部场变量分布的计算方法及其计算结果的可视化处理技 l = = 。 ( 2 ) 逛川类等势场模拟法对轴对称件超塑约束胀形工艺进行了初步研究，给 出了有模具边界时坯料瓤性变形轨迹模型的建立步骤和方法，并与有限元法的 计算结果作了对t b ，) 4 j 7 ，结粜表明，该方法具有计算速度快、计算结果可靠性 高、易于实现等特点。与已有静电场法相比，类等势场法不仅能获得合理的预 制坯形状，通过分析还”j 以获得其成彤过程的合理场变量分布规律。 ( 3 ) 将类等坍场模拟法运月j 到盘形件体积成形顺制坯设计过程中，同时，根 据频浩分析原理，提出了一种基于傅、细一| - 变换的模具，哩腔轮廓局部光顺处理新 方法。通过对4 5 钢盘形什两 ：步( 预锻+ 终锻) 成形过程的模拟，并进一步分析 了预锻什、终锻件以及顸锻模和终锻模的相关场变最分布情况，综合亏虑后， 优选“：l 了鞍理想的预锻模型腔轮廓。对有预锻和无预锻工步的盘形件锻造成形 摘要 过程的模拟分析表明，与没有采用预锻工步的锻件相比，采用优选出的预锻模 预锻后终锻件中的最大等效应蔓和等效应力减小，过渡比较明显且过渡区域比 较大，变形更加均匀，材料的分配与流动更加合理，充填性能提高从而证明 了基于类等势场法的预成形发计和基于频谱分析的预锻模型腔轮廓局部光顺处 理方法的可行性及其结果的可靠性。 关键词：预制坯类等势场电场模拟相似理论等参单元频谱分析傅 立叶变换 a b s t r a c t p r e f o r g i n gd e s i g ni so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tc o n t e n ti nt h ef o r g i n gt e c h n i c s d e s i g n b e c a u s et h es h a p eo fp r e - f o r g i n gd i ea n dp r e f o r g i n ga r ed i r e c t l yc o r r e s p o n d w i t ht h eo n eo ff i n i s hf o r g i n g ，i tl i m i t st h ef l o wo fm e t a l ，s ot h es h a p eo fp r e f o r g i n g d i ea n dp r e f o r g i n ge f f e c to nt h ef i n a ls h a p ea n dt h eq u a l i t yo ff i n i s hf o r g i n g a sf a r a st h et h e o r y i sc o n c e m e d ，f o rt h ec e r t a i ns h a p eo ff i n i s hf o r g i n g ，t h es h a p er e g i o no f p r e f o r g i n gi s i n f i n i t e i ti st h ed u t yf o rt h eo p t i m u md e s i g nt of i n db e s ta n s w e ro r c l o s et ot h eb e s tf r o mt h ei n f i n i t es h a p er e g i o n i ti st h ek e yt op r o d u c ee l i g i b l ef i n i s h t b r g i n ga n do n eo ft h ed i f f i c u l t i e so fd i ed e s i g nh o wt od e s i g nt h es h a p eo f p r e - l b r g i n g , a n dp r e - f o r g i n g d i e a tp r e s e n t ，n a t i o n a la n do v e r s e a sw o r k sa b o u t p r e - f o r g i n gd e s i g nm o s tf o c u so nt h em e t h o do ft r i a la n de r r o rw h i c hu t i l i z s n u r a e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt ov a l i d a t er e s u l t s ，t h ev a l i d a t em e t h o dw h i c hi s a d o p t e di sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lm e t h o do ft r i a la n de r r o r , b u ti t se s s e n t i a l i d e ai st h es a m e a i mf o rt h ep r o b l e ma b o v e ，t h ep a p e rf u r t h e rd i s c u s s e st h en e wd e s i g nm e t h o d o ft h ep r e f o r g i n go nt h eb a s i so fe q u i p o t e n t i a lf i e l da n df o r w a r ds i m u l a t i o np r o c e s s w i t ht h ee x i s t i n gr e s e a r c hf i n d i n g sg a i n e db yo u rl a b o r a t o r y ，m a dt h i sm e t h o dh a s be ( ne x t e n d e dt oi d i o g r a p h i cf o r m i n gt e c h n i e a sf o rs i m u l a t i o na n a l y s i s a tt h es b n l e t i m e an e wm e t h o dt ot a k el o c a ls m o o t h n e s st r e a t m e n to nt h ed i ec a c i t yp r o f i l ei sp u t i b m a r do nt h eb a s i so ff o u r i e rt r a n s f o r ma c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fs p e c t r u m a n a l y s i s t h es t u d i e dr e s u l ti so b t a i n e d t h em a i nr e s e a r c hf i n d i n g sa n dn e wo u t l o o k sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep o s s i b i l i t yt h a ts i m u l a t i n gt h em a t e r i a l sf o r m i n gp r o c e s sb a s e do nt h e s i m i l a r i t yt h e o r yh a sb e e np r o v e db ye q u i p o t e n t i a lf i e l dm e t h o d ，a n dg e n e r a lm e t h o d a n dl a ww h i c hs i m u l a t em a t e r i a l sf o r m i n gp r o c e s sb ye q u i p o t e n t i a lf i e l dm e t h o di s f u r t h e rd i s c u s s e d t h ec a l c t d a t i o nm e t h o da b o u tt h e d i s t r i b u t i o no fi n n e rf i e l d v a r i a b l e si sa & a n c e da n dt h ev i s u a l i z a t i o no f t h er e s u t si sa l s op u tf o r w a r d 2t h es a p e r p l a s t i c b u l g i n g t e c h n i c so fa x i s y m m e t r i c a lc i r c u l a rs h e e t si s r e s e a r c h e db ye q u i p o t e n t i a lf i e l dm e t h o d ，t h ee s t a b l i s h i n gp r o c e s sa n dm e t h o do ft h e a b s t r a c t b l 。m kp l a s t i cd e f o r m a t i o nt r a j e c t o r ym o d e l l sa d v a n c e dw h e nt h ed i eb o u n d a r i e se x i s t c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ff e m i ts h o w st h a tt h i sm e t h o dh a st h ec h a r a c t e ro f r a p i dc a l c u l a t i o n r e l i a b l er e s u l t sa n de a s yr e a l i z a t i o n t h er e a s o n a b l es h a p eo f p r e f o r ma n dd i s t r i b u t i o nl a wo ff i e l dv a r i a b l e si nf o r m i n gp r o c e s sc o u l db eo b t a i n e d b ye q u i p o t e n t i a lf i e l dm e t h o dc o m p a r e dt ot h ee x i s t e n te l e c t r o s t a t i cf i e l dm e t h o d 3 t h ee q u i p o t e n t i a lf i e l dm e t h o di sa p p l i e di nt h ep r e f o r md e s i g no fg e a rb l a n k f o r m i n gp r o c e s s ，a tt h es a m et i m e ，an e wm e t h o dt ot a k el o c a ls m o o t h n e s st r e a t m e n t o nt h ed i ec a c i t 、rp r o f i l ei sp u tf o r w a r do nt h eb a s i so ff o u r i e rt r a n s f o r ma c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo fs p e c t r u ma n a l y s i s f o r g i n gp r o c e s so fs t e e l4 5g e a rb l a n kw i t ht h e p r e f o r g i n ga n df i n i s hf o r g i n gi ss i m u l a t e d ，a n dc o r r e l a t i v ef i e l dv a r i a b l e so ff o r g i n g a n dd i ea r ea n a l y z e d ，i nc o n c l u s i o n ，r e a s o n a b l ep r e f o r g i n gd i e c a c i t yp r o f i l ei s o b t a i n e d f o r g i n gp r o c e s so fg e a rb l a n kw i t ht h ep r e - f o r g i n ga n dw i t h o u tp r e f o r g i n g i ss i m u l a t e da n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a t ，c o m p a r e dw i t ht h ef o r g i n gw i t h o u t p r e - f o r g i n g ，t h em a x i m a le q u i v a l e n ts t r e s sa n de q u i v a l e n ts t r a i no ft h ef o r g i n gw i t h p r e f o r g i n gm i n i s h ，t h et r a n s i t i o nr e g i o ni sm o r eo b v i o u sa n db r o a d e r t h ef o r m i n go f m a t e r i a l si sm o r ee v e n ，t h ed i s t r i b u t i o na n df l o wo fm a t e r i a l sa r em o r er e a s o n a b l e t h ep e r f o r m a n c eo ff i l l i n gd i ei se n h a n c e d ，s ot h ep o s s i b i l i t yo fp r e f o r md e s i g n m e t h o do nt h eb a s i so fe q u i p o t e n t i a lf i e l dm e t h o da n dl o c a ls m o o t h n e s st r e a t m e n t m e t h o do nt h ed i ec a c i t yp r o f i l eo nt h eb a s i so ff o u r i e rt r a n s f o r mi sp r o v e d a n dt h e r e l i a b i l i t yo f t h e i rr e s u l t sa l s oi sp r o v e d k e y w o r d s ：p r e f o r m ；e q u i p o t e n t i a l f i e l d ；e l e c t r i cf i e l ds i m u l a t i o n ；s i m i l a r i t yt h e o r y ； i s o p a r a m e t r i ce l e m e n t ；s p e c t r u ma n a l y s i s ；f o u r i e rt r a n s f o r m 西北工业大学7 - 学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 塑性加工技术是指包括锻造、冲压、挤压、轧制及其它以材料发生永久变 形为特点的材料加工技术，与其它加工方法相比它具有成品组织性能好，材料 利用冀曼高等特点。从铁器时代人们开始大规模使用金属工具以来已有几千年的 历史，但一直到1 9 世纪，这门技术一直是停滞在“技艺”的水平上。虽然古代 曾经出现过水平很高的技术案例，但技术的传播主要是以师傅带徒弟的方式流 传下来的，没有建立相应的理论基础。直到1 9 世纪后期，法国人t r e s c a 提出 一j 屈服准则，人们丌始从理论和实践两方面去研究这一古老的技术。随着塑性 力学的建立和材料科学的发展，塑性加工技术有了科学理论的指导，在原束的 自山锻和简单冲压基础上开发了诸如挤压、轧制、超塑成形等大量新的工艺技 术，为2 0 世纪工业的突飞猛进提供了强大的技术支持，成为诸如汽车、飞机、 航天、武器、农机和电器电子行业发展的重要加工制造手段。2 0 世纪末，塑性 加工模拟技术、控制技术理论基础和方法塾本形成，为新的世纪里全面实现塑 性加工技术的科学化奠定了基础。 从某种方面来讲，塑性加工过程是在一定外力( 载荷) 和边界条件诸如：加 载方式、加载速度、约束条件、，l 何形j 状、接触摩擦条件、温度场等作用下对 村料进行“力处理”和“热处理”的过程，从而使材料发生所希望的几何形状 的改变( 成彤j 与组织性能( | 改性) 的变化。在金属和合金的塑性加工过程中，最 终 ! = 1 标就是要得到预期的锻什形状、合理的流线织构和良好的锻后组织，以使 成形零件具有良好的机械性能和足够的使用寿命。 人们划这些变化要达到能够控制的目的，不但要提供外部条件使材料能完 成这j 变化，还要使材料按照人们的需求发生“定向”的变化。然而这些变化 是相当复杂的，形j 佚的变化不但取决予外力载荷条件、温度、摩擦与约束条件， 还取决于材料的变形抗力、硬化等性能变化，而温度、载荷速度、摩擦条似：等 的变化还难以准确地预测；材料细织。| ! ! j ：能的变化更加复杂，例如热成形状态下， 材料发l i 位错移动、品界变形、结晶与回复再结品、第二项析出、彩 车匀变形、 。刚虚托艮，使材荆的性能和微观结构发生了很多变化。对塑性加工过裎中利料 第l 章绪论 的这些复杂变化进行预测与控制就成为塑性加工的科学任务。 螺性加工力学的建立，使得人们可以根据外力载荷、儿何条件、边界条件、 体积不变条件等对任意一种塑性加工过程建立联立的求解方程组。有了材料的 具体性能数据，塑性加工过程原则上就可以求解了，材拳斗变形过程中的形状变 化、工艺缺陷形成也就可以预测了。然而，塑性加工过程是高度的静不定问题， 与材料应变过程密切相天，没有唯一解，只有接近实际过程的最优解。因此， 塑性加工力学建立之初也只有很少的简单理想塑性加工问题可以根掘一些简化 方法如主应力法、滑移线法、上限法等进行求解。2 0 世纪7 0 年代随着计算机 技术的发展和塑性加 有限元法的建立，塑性加工过程的科学训算终于有了町 能，实现了塑性加工过程模拟、工艺参数预测及工艺缺陷预测，还可以在可视 化条件下直观观察塑性加丁：过程，甚至将一个短暂的锻造过程以慢动作的形式 表现出来，将一个难以直接观察的变形过程用屏幕及剖切面的形式显示出来， 实现塑性加工过程的最优化和自动化设计。 随着控制与信息技术的发展，塑性加工过程可以按照人们的要求实现自动 控制，从而实现高效、高精度和高重复性。塑性加工技术因此有条件真正科学 化，成为一门迅速发展的技术科学，并成为材料加工过程中重要的、科学的环 节。 社会对制造业需求的增氏是塑性加工技术进步的巨大推动力。二与前，计算 机技术、c a d c a e c a m 技术、数控技术、快速原型制造等技术突飞猛进的发 展，也从相关技术方面为塑性加工技术的创新和发展提供了十分有利的条件。 根据专家们的预测，到2 1 世纪，产品零件粗加工的7 5 和精加 的5 0 g 哿采 用塑性成形的方式实现。工业部门的广泛需求为塑性加工新工艺和新设备的发 展提供了强大的原动力1 2 j 。 现代塑性加工是介于原材料生产与最终产品制造之间零部件生产的主要行 业之，是制造、的一个重要组成部分。随着国民经济的键壤持续发展，塑性 加工技术迎来了空f i l j 自 , j 发展机遇，同寸也面临诸多挑战。 随着【吐界范幽内市场竞争的n 益激烈，以提高质量和降低成本为宗旨的净 形及近净形制造已成为当| j 制造、发展趋势各种先进的制造技术也顺势不断 涌现。这种趋势给具有悠久历史的传统锻造工艺设计提出了新的要求，即工艺 设汁应最颐质鼍和成本，实现设计优化。预成形 殳计是锻造工艺设计q 囊婴的 内容之一，预成形模及预成形形状o j 终锻件形状直接对应，它直接限制金槿的 流动? 状况，从而直接影响成形件的最终形状和成形质最。由于锻件形状的干变 万化，预成肜形：佚也是变化万千的，这就使得预成形形状设汁及刘成的工步数 西北工业大学工学硕士学位论文 确定成为锻造工艺设计最具难点的一环【习。从理论上说，对于给定的锻件形状， 其预成形的形状域是无限的，对预成形的优化设计就是要从这无限的形状域中 寻求最优或者接近最优的解。如何设计预锻件形状和预锻模具形状，是生产合 格终锻你的关键，也是模具设计的难点之一。 1 2 材料成形过程的工艺设计 在材料塑性成形过程中，由于材料性能的特殊性和基于血i z _ 成本的考虑， 对成形工岂设计一般需经历初始设计，验证设计结果，修改设n 再验证等一 系列过程。验证方法通常采用真实材料的试错法，或者用替代材料的物理模拟 技术实现。但在实际生产：中，由于替代材料与真实材料在性能上存在差异，往 往得 i c n f i 意的精度。而通常真实材料又比较昂贵，势必造成材料及设备的浪 费使设计成本大大增加。 2 1e l l 纪是信息的时代，计算机及网络技术：降渗透到社会生活的各个方面， 包括产品的设计l r l 锚d 造过程。在这个背景下，利用计算机来模拟现实世界的虚 拟技术将得到充分的发展。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。 通过模拟，不仅能获得塑性加工过程中一l 件和模具的位移场、速度场、应变场、 鹿j 场和温度场，还能预测工件细观组织和性能的变化，如织构的演化，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研究人员面阿，使他们能通过虚拟的塑性 加r 过程检验工件的最终形状、尺寸是否符合设计要求，为合理的初始毛坯形 状和模具型腔设汁提供依据；以及是否会产生折叠等外部缺陷和疏松、裂纹等 内都缺陷，根据细观组织的变化预测，。品的使用性能；还f i t a l - 7 ：据模具的受力校 饮其强度、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 生 加工过程梭拟，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，并捉供修改方案所需的洋尽资料。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拄山于缺乏对塑性加工过程的科学 分析手段而只能凭经验没计模具，通过反复的工岂试验修改模其和工艺参数， 以便最终! l 产出合格零件的状况，从而能极大地降低模具设i r 耵i 丌发的成本， 0 成少试错用发备，缩短产品交货期，提高质量1 4 j 。 第1 章绪论 1 3 材料成形快速模型构建 用有限元法对塑性加t 过程进行数值模拟已有3 0 多年的历史。然而，数值 模拟真正进入实用阶段并对生产设计起到指导作用，仅是近1 0 余年的事情。进 入9 0 年代以来，计算机技术和计算机工业 i 速发展，超大型的计算已经不再是 难以克服的困难，用有限元法对塑性加工过程进行数值模拟也取得了突飞猛进 的发展垆】。然而，随着问题复杂性的增加，以及材料塑性成形过程的特殊性( 其 中存在着大量的高度非线性问题，如材料非线性、结构非线性、状态非线性和 接触非线性等) ，有限元程序中必然存在着大量的迭代求解运算，致使程序的时 间复杂度大大增加，对于复杂锻件成形过程的有限元数值仿真通常要耗费大量 的时间( 几小时、十。几小时、甚至几十小时) ，而实际生产中材荆的成形过程只 需要比较短的时间，这种模型控制时间远远滞后于实际生产控制时问的现象使 生产效率大大降低，故需要建立一种新的更加快捷的模型束代替有限元模型， 以便实现成形过程的实时控制。 目前常用的模型漠拟方法有：数值模拟、物理模拟、电模拟、混合模拟等。 数值模拟近年来发展很快，特别是由于计算机技术的发展，各种数值计算方法 成为可能，其中有限元法应用最广，可以模拟多工步加工过程的全部细节，给 出各个阶段的变形参数和力能参数，在扳材成形方面已成为许多大型企业的f 1 常工具，在体积成形方面也有大量应用。计算机辅助设计系统( c a d ) 、有限元 数值分析系统和计算机数控加工系统一起组成计算机辅助t 程系统( c a e ) 已成 为现代食业的先进制造系统。物理模拟方法在现代科研和企业界也取得了引人 注目的进展，而且在某些制造领域内占主要地位，例如汽车行业内的火量冷锻 ( 冷挤压) 生产和近净形零件精密成形都是以物理模拟为主进行分析。欧盟的许 多塑。阡加工科研攻关项目都采用物理模拟为主要手段，兼以数值模拟手段和实 测实验。目前应用较多的商用有限元软件牛要是d e f o r m 、f o r g e 2 ，a b a q u s 和m a r c a u t o f o r 2 e ，这些软件的主要用户还多是科研部门和高等学校，j 目于 进行体积成形研究时与物理模拟结果和实验结果进行对比。企业在进行f ；：i 常生 产设计时还是以物理模拟为主，熏大攻关项目时燕川两种方法。其原因主要是 冷挤压生产用物理模拟方法进行分析更简币易行，更直观方便，有数1 ! | 【模拟西 法难以替代的作用。例如羽物理模拟方法很容易预测工件的蓊种工艺缺陷，埏 至测算出变形体内的心变应力分布，其模具也简单，已成为许多欧荚科研羽1 企 、k 的h 常。l = 具。丽数值模拟方法在模拟体积成形问题时还1 ：完善，在预测工艺 西北工业大学工学硕士学位论文 缺陷、准确计算载荷与应力等力能参数方r 匦还不够理想，虽然长远看大有发展 前途，但不可能完全代替物理模拟方法【6 j 。 相比较而；氰以被研究系统与模型之间的数学类比为基础的电模拟方法具 确很人的理论和实用意义，电模拟方法的特点是用模拟的方法在物理状况下求 僻数学问题，该方法速度决、连续性好，易于进行实时模拟和实时控制，且价 格低廉，随着电子技术的发展，目前电模拟还可以实现一定的逻辑功能并达到 相当高的精度。电模拟方法利用的是系统矧的相似性原理，就是将非电系统作 为电气系统的相似系统来研究，这不仅可以保持数学模型的一致性，而且由于 变量、元件、基本关系式、守恒原理、平衡方程等存在着对应关系，所阱对应 变量的变化规律也是相同的，因而兼有物理模拟和数学模拟二者的优点。应用 电模拟方法建立的电学模型不仅具有良好的实时性，而且由于模型中的变量都 为电学变量，易于进行测量和控制，故可方便地与相应的控制系统进行接口。 因此，电模拟是种较为理想的模拟方法，可以满足材料成形过程的实时模拟， 以及控制系统中对预测模型的要求。 电模拟作为一种模拟方法，从j “义上讲，还应包括依据电模拟的基本原理、 基本方法，采用其它形式对被模拟对象进行的模拟，而不一定非要构建真实的 电路、电场等电气系统。总之，从材料成形过程的： 艺设计与控制角度来说， 依据电模拟原理建立的材料成形仿真模型，应该可以对材料成形过程中所关心 的问题，如坯料尺寸参数的确定、变形体内都场变量的分布以及加工过程中合 理的工艺参数等进行快捷、准确的模拟预测。 1 4 材料预成形设计概述 141 材料成形预制坯设计 锻造生产是在一定的温度下，利阁压力的f 4 - f 1 使坯料产生塑性变形，形成 具有预定形状、尺寸的无缺陷产品。在实际锻造生产中，犬多数零件的几何形 状相当复杂。对于这些零件，当用形状规则的毛坯( 如圆柱体) 真接成形( 一次成 形) h 扎锻出的产品可能会出现严疆的质量问题，如因充不满而达不到要求的外 形尺寸、局部变形严茅( 变形不均匀) 影娴产品的性能、内部出现空穴、材料断 裂及材料纤维不规则弯曲、切断或折叠等：另外，还会使得模具载荷过大，模 h 磨损加快等。冽而，对于形：吠复杂的锻件，为使金属材料更好地充满型槽， 第l 章绪论 避免终锻成形时产生诸多缺陷，提高锻件的质量和锻模的使用寿命，获得符舒 要求的无缺陷锻件，通常需要采用多工序加工、工序数目的确定和各工序模具 形状的设计，即在终锻前必须进行一次或多次预成形。预成形没计是材料成彤 工艺与模具设计的中心工作，且已成为控制产品质量、实现锻造生产要求的必 需且非常重要的方面【7j 。 随着全球经济竞争的同趋激烈，低成本、高质量和高效率成了制造性企业 在竞争中取胜的关键因素，也成了制造性企业追求的目标。这就要求在实际锻 造生产工艺设计时，要兼顾成本、质量和效率，对锻造过程中的有关工艺参数 进行优化设计以获得少无飞边高性能的锻件，并实现锻造过程优化设计，从而 提高设计效率，减少设计过程的盲目性1 8 】。在锻造生产工艺设计的各个方面， 预成形设计对产品的制造成本、质量和生产效率的影响最为直接，也最为显著。 所以，预成形的优化设计已成为锻造过程优化设计中最为关键也最为有效的一 环，同时产品的多样化和复杂化也使得预成形的优化设计成为锻造过程优化设 计中的难点。于是，人们开始研究可实现预成形优化设计的方法，并取得了娃 著进展。 体积成形过程预成形 漫计是根据所掌握锻造过程中材料流动规律进行的创 造性活动。到目前为止，人们对体积成形过程金属流动规律的认识途径主要有 三种：生产实践、物理模拟技术和数值模拟技术。与此相对应，预成形设计和 工艺设计中所依据的知识和采用的手段也主要有三类：基于以往丰富经验的经 验式指导原则、物理模拟技术和基于数值模拟的计算机辅助设计。 基于以往丰富经验的经验性指导原则，其定性准则山于经验性强，技术含 量高，应用起来十分网难；其定量准则主要基于体积计算和圆角半径的修诉 并不能预测材利的流动、应力应变分布和可能出现的缺陷，因而精度不高。在 计算机辅助预成形及模具没计中，仅能起辅助的、先期的指导作用 8 l 。 为了改善： 艺质量，提高产品性能，保证安全服役，就需要采用各种模拟 技术，对生产做出定性甚至定量的指导，凶此便出现了基于物理模拟技术的设 计方法。物理模拟是指缩小或放大比例，或简化条件，或代用材料，用试验模 型来代替原型的研究。对材料和热加工工艺来说，物理模拟通常指利用小试件， 借助于某试验装置再现材料在制备或热加工过程中的受热，或同时受热与受力 的物理过程，充分而精确地暴露与提示材料或构件在热加工迂程中组织与性能 的变化规律，评定或预测材料在制备或热加工时出现的问题，为制定合理的加 工工艺、预成形设计及研制新材料提f j 疆b 论指导和技术依据。物理模拟试验分 为两种，种足在模拟过程中进行的实验，另一种足模拟完成后进行的试验。 西北工业大学x - 学硕士学位论疋 尽管物理模拟是实现数值模拟及建立专家系统的前提与基础，物理模拟本 身又可以直接指导科学研究与实际生产，作为验证顸成形设计和工艺设计、验 证数值模拟结粜的手段以及研究金属成形规律的实验方法，具有重要的实用价 值，但物理模拟需要进行大量的实物实验，需要专门的仪器设备和试样以及实 物的模具和材利，具体实施仍然耗时、耗力、耗材，成本较大，且一般只能获 得有限点上的测量值，所得到的结果不能用外推法，不能实时地观察试样内部 的热力学状态，同时模拟的准确性与普遍性依赖于必要的测量手段和模拟的 相似程度，这刈复杂的热加工过程有时很难实现，另外由于软材料与真实材料 物理性质的差异，试验结果不可避免地存在偏差，故此方法在预成形及模具设 计- j 也只能起辅助作用j 。 而基于数值模拟的计算机辅助没计，由于利用数值模拟方法，可以方便地 确定塑性成7 眵过程各个阶段所需的变形功和载荷，获得工件的内部应力、应变、 温度分布和金属流动规律，并获得模具的应力、应变、温度分布和合理形状， 预测工件的成形状况、残余应力、缺陷、晶粒的大小和取向分布等，为预成形 设计和工艺设计提供了强有力的工具，同时由于计算机软硬件技术的发展，基 于数值模拟的预成形设计得到了迅速的发展。 基于数值模拟技术的预成形设计方法主要有反向模拟法和正向模拟法。反 向模拟是从具有假定的应变分布和速度分布的最终锻件丌始，反向跟踪到给定 工件形状和应变分布所经历的变形路径，以确定预成形件形状和初始坯料。反 向模拟技术中广泛使用的方法是有限元法和上限法。反向模拟技术在金属成形 的预成形设计1 得到r 广泛的应用。p a r k 9 j 等介绍了一种反向模拟技术并将其应 用于壳体缩i - 1 的预成形设计：k a n g l l o , l l 】等采用网0 塑性有限元及向模拟法对净 够壳体零件缩口和挤压工艺进行了预成形设计；赵国群【1 2 - 1 5 1 等用刚塑性有限元 法划涡轮机转了圆盘、截面为“h ”型的锻件等轴对称锻件的锻造过程进行反 向模拟和预成形发汁，并对其结果进行了难向模拟验证；刘庆斌 1 6 , 1 7 1 等采月j 上 限元泌刈截呵为“h ”型的轴刈称锻件的锻造过程进行了反向模拟和预成形设 计，并用有限元法对其结果进行了f 向模拟验证，其设计结果成功地应用于实 际生产。j 郇d 模拟是从坯料丌始，模拟工件在模具作用下的整个成形过程，以 获得1 件的变形状况和各种场变量分布。正向模：t e l , p 广泛使用的是有限元法。 d 。l g g i r a l a t 博j 等用刚型性有瞅元程序a l p i d 模拟了各种锻造过程，以确定一种闭 式帧锻： 艺柬获得无缺陷圆研、齿轮锻件；k i m t l 9 1 等用有限元法剥应变硬化材料 及1 应娈硬化材料“h ”型截面锻件三种几何形状进行了无飞边锻造预成形设 汁，以瓠得f ；同截砸舟度比( h b ) 零件所需的预成形工序数和预成形形状。 第l 章绪论 k a n g 【20 】等将翼型截面浆u t - 作为二维平面应蹙问题，采用有限元e 0 正向加载方 法，由模拟结果提出了此类锻件较为理想的预成形设计力法。 以上方法均可归结为利用数值模拟技术进行设计结果验证的试错法，其基 本思路仍与传统的试错法思路一样，只不过所用的验证手段不同，对不合理设 计的修改方案还是需要由设计者根据模拟结果和分析影响模拟结果因素的经验 来提出，设计过程的自动化问题还有待于进一步提高。 1 4 2 材料成形预锻模优化设计 优质、高效、低成本一直是制造技术发展所追求的永恒目标，模具作为现 代工业不可缺少的工艺装备，是提高产品质量、生产效率，节约能源和原材料， 体现模具生产制品技术经济性的有效手段，已成为当代工业生产的工艺发展方 向和产品参与市场竞争的主要关键。欲获得满意的模具生产制品需要正确的模 具设计、合理的模具材料及热处理方法、较高的模具加工质量、精确的模具使 用等各方面的优化配合，而这些方面实际上决定了模具的功效，并且它们相互 影响后的结果是相乘而不是相加。这也意味着：只要其中一个环节失控，将会 导致失去原设讨的效能，其综合效果电就是零。 目前，我国的模具产业在制造技术、材料技术方面均不逊色于国际先进水 平，而我国的模具寿命仅为工业发达困家先进水平的2 一2 0 ，不仅造成了原 材料和能源的极大浪费，也严重制约了产品的发展和市场竞争力，这是模具行 业亟待解决的难题。究其原因，就是我围模具行业的设计技术尚不精湛，管理 技术普遍落后，从而造成非正常失效的模具数量居高不下，大量的模具失效分 析的统计结果表明，模具结构设计和模具热处理在模具失效因素中占相当的比 重。因此，提高结构设计质量，是提高模具寿命的关踺措施。 在金属塑性加工领域，模具的设计与制造水平对于金属成形工艺能甭实现 产品的综合质量控制和原材料消耗的最小化起着关键作用，对于锻造问题其核 心之一是预锻模具形状设计。【支期以来人们主要采用基于经验的试错方法进行 工艺和模具设计，其设讨加工后的模具需在反复试模和修模后方町用于t 】i 产， 这就使得产品生产周期长、材料消耗大、费用高、质量也住往小能完全保证。 同时，得到的结果往往只是某一具体产品在特定情况下的工艺与性能的关系 不呵能获得工艺过程中变化的全丽规律，更不呵能探索普遍性的问题，从而延 滞新材料、新技术与新产品的开发和应用。 目前预锻模形状优化设计方法主要有两种：一种是反向跟踪方法，从锻件 西北工业大学工学硕士学位论丈 的最终形状开始，通过反向跟踪e 向加载路径获得预成形形状和锻造 步数。 k o b a y a s h i l 2 2 1 等提出了一种采用有限元法反向模拟金属成形过程和优化设计预 锻模具形状的方法，并应用于实际锻件的成形分析。赵国群 2 3 - 2 8 1 等根据锻件形 状的复杂程度建立了一种反向模拟中边界条件的控制准则，并提出了一种设计 预锻件形状的反向模具接触跟踪算法。这些研究都涉及正向和反向模拟技术， l 而且在反向模拟中需要合理确定1 件边界节点与模具的脱离准则，但目前还没 有适用于各种情况的边界节点的脱离判据，即仍未很好解决如何确定反向跟踪 过程的动态边界条件这一。问题。另种是基于灵敏度分析的优化方法。基于灵 敏度分析的预成形优化设计是近年来国际上出现的一种新的预成形设计方法， 它是在有限元正向模拟的基础i 二，结合工程优化算法，来实现对预成形的优化 设计。b a d r i n a r a y a n a n 和z a b a r a s l 29 】从力学和数学的角度提出了一种超弹粘塑性 材料大变形过程的灵敏度分析方法，并将这种方法用于轴对称圆柱坯镦粗的预 成形优化设计，但优化的预锻件在工程实践中不易实现。f o u r m e n t 3 0 】等也提出 了一种用 二预锻模形状优化设计的方法，目书。、函数为理想锻件形状和实际锻件 形：【犬的距离。山东大学的赵国群i 。”j 1 9 9 6 年在美国国家自然基金的资助下开展 了预成形优化设计方面的研究，他采用实际终锻件形状与理想终锻件形状不重 台j 域的面积作为目标函数，优化的对象是预成形模具的形状。此方法效率高， 但由于优化算法嵌入到锻造过程模拟代码中，优化日标不可变动，故灵活性不 好。j 灵敏度分析的方法需要计算目标函数对预成形参数的灵敏度信息( 导数) ， 然后采用高效的优化算法( 如b f g s 算法) 进行优化设计。求解目标函数对设计 变赶的灵敏度通常有两种方法，一种是根据有限元刚度方程推导灵敏度方程， 然后求解灵敏度的值：另一种方法是用直接差分法求解灵敏度的值。d 矿一种方 池，推学过程复杂，但求解的灵敏度值精度高，优化迭代收敛速度快，优化次 数少。后一种方副：计算简单，但灵敏度值精度低，优化迭代次数多，有时会出 玑优化不收敛的现织。以上两种方法在预成形设计中耗时较长的现象均十分突 。 因此，针刘以上问题，本文提出了种新的模具型腔轮廓局部光顺处理方 法傅置叶变换及频瞄分析法。陔方法将模具型腔的几何形状当成随时间变 化的数据信号的，l 何波形，通过傅立叶变换将时域信号转换为频域信号，因此， 砸始信号就由睹多频率成份的信号组成，其幅值反映了该频率成份的信号在原 始信弓t p 所。旨的比例，滤除菜一部分频率成份的信号通过傅立叶反变换后就可 以 ： 剑原始信号l 何波形的近似曲线，并且通过对被滤除频率成份的选取可以 第1 章绪论 使近似信号几何波形任意逼近原始信号波形，从而达到光顺模具型腔轮廓眭线 的目的。该方法不但能很好的保持原模具型腔几何形状曲线的轮廓，而日能多 次重复进行使模具型腔更光顺，算法速吱快，特别适合具有大数据量的模具型 腔几何形状曲线和益面的优化设计。 1 5 主要研究内容及新见解 将类等势场模拟与有限元数值模拟相结合，在实验结果及简单有限元分析 结果的基础上，利用类等势场模拟理论模拟材料的变形过程，从而实现材料成 形过程的快速模型构建。本文分析研究了一种基于类等势场的材料预成形设计 方法，并将该方法应用到。一些具体的成形工艺过程进行了模拟分析。同时在体 积成形预制坯设计中，根据频谱分析原理，提出了一种基于j 傅立叶变换的模具 型腔轮廓局部光顺处理新方法，取得了比较满意的结果。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 材利成形类等势场模拟理论的研究 通过调研，查阅文献资料，对材料成形过程类等势场模拟的一般原理、规 律和方法等进行了初步研究。 ( 2 ) 基于类等势场的材料预成形设计方法的研究 依据能量最小原理和阻力最小原理，结合电场分析及有限元数值模拟方法， 研究了一种基于类等势场的材料预成形设计新方法。 ( 3 ) 基于傅立叶变换的模具型腔轮廓局部光顺处理新方法的研究 依据频谱分析原理，借助m a t l a b 信号处理工具箱，结合有限元方法研究了 一种基于傅立叶变换的模具型腔轮廓局部光顺处理新方法。 通过以上研究，本