浅析锻压技术中的各种制约因素

摘要：本文提及的锻压成型为大变形的材料成型，在实际生产中，大变形是难以控制的。因此工艺制定比较难，笔者通过使用DEFROM 软件对大变形情况下的锻压过程进行了模拟，为制定实际生产工艺了提供依据。

关键字：大变形 、热模锻、有限元分析

本文提及的锻压成型为大变形的材料成型，在实际生产中，大变形是难以控制的。因此工艺难度比较高，作者使用DEFROM 软件对大变形情况下的锻压过程进行了模拟，为制定实际生产工艺了提供依据。下面就以作者从事过的一次事例为例，从工艺与模拟条件作简要分析。

1.案例分析

本文中使用压力机成型，采用热锻，始锻温度是1100℃，模具也预热到300℃，这样可以避免坯料和模具接触时温度发生突变，提高最终锻件质量，网格数目为6000个，下图为导向套的模拟过程。

1.1模型建立

薄板冲压成型过程计算机仿真的模型建立指两个方面的工作。首先是分析板料的实际受力和变形过程，从而建立一个可以用有限元方法来求解的力学模型。由于一个实际锻压过程十分复杂，在仿真计算时必须予以适当的规范和简化。在薄板冲压成型的计算中，最常用的一个假设是薄板厚度方向的应力与其他应力分量比很小，因此可以不计。这样，薄板在变形中最多只有五个独立的应力分量。另外，如果是轴对称成型，并且不考虑起皱的话，应力分量还将减少。最简单的情况是二维的纯弯曲成型，这时可只考虑二个正应力，甚至一个正应力。什么情况下用什么样的力学模型是一个十分重要的问题。如果一个冲压成型过程的力学模型与实际冲压过程的力学性能不符，那么以这个力学模型为基础的计算结果自然很难符合实际情况。力学模型除涉及到应力状态外，还涉及应变状态、动态效应、边界条件等。这里不一一详叙。

力学模型确立后，就要考虑如何建立有限元分析模型。建立有限元分析模型中最重要的一步是选择有限单元的类型并划分有限元网格。有限单元类型选择的依据主要是对板料变形描述的准确性。通常选择壳体类单元描述板料的变形，单元的节点数一般为3或4，每节点的自由度数为5。随着计算机速度的提高和内存容量的增大，锻压成型有限元模型也不断完善，为精确地描述局部变形也不排除采用非壳体类单元。有限元网格的划分一方面要考虑对各物体几何形状的准确描述，另一方面要考虑变形梯度的准确描述。如果模具和压板采用解析面描述，只需将板料划分有限元网格，这时主要是考虑变形梯度的准确描述。由于在仿真计算前，板料的变形梯度分布是未知的，其网格的划分只能凭直觉和经验。当材料在成型中流动很不规则时，初时的网格可能不符合要求，这就要重新划分网格以提高计算精度。网格重新划分和自适应网格技术对提高仿真计算的精度和速度是十分重要的。

1.2选择一个合适的网格划分方式

网格划分太大，则模拟精度降低；网格划分太小，模拟准确性上升，但是模拟时间增加，效率降低。所以选择一个合适的网格划分方式和网格划分的大小至关重要。

划分网格的标准是：比较准确反映模型效果的前提下，网格尽可能少。这样可以减少模拟时间和运算时间。本次模拟中两种网格划分方法都运用到了，具体分析如下：

（1）冷锻压时，由于模具是刚性的，不参与变形和传热，所以模具不用划分网格，工件则也可以采用默认的相对网格划分方式，分别取工件的网格数目是4000和8000个，模拟对比如图1 所示，可看出，图1（a）的成形比图1（b）好，更能准确反映

锻件的实际形状。

1.3、锻压技术中的变形速度

变形速度对变形抗力有影响，金属的变形抗力则需要锻压力来克服，具体反映到模具上就是模具所受的挤压载荷。在DEFORM 软件中，能以图形的形式来表示出来挤压载荷与位移或者时间的函数关系，使得分析更直观。具体模拟结果如下分析：

（1）变形速度对塑性的影响。变形速度对塑性有两个不同方面的影响，谁大谁小，要视具体情况而定。

①随变形速度的增大，要驱使更多的位错同是运动，使金属的真实流动应力提高，进而使断裂提早，所以使金属的塑性降低。另外，在热变形条件下，变形速度大时，可能没有足够的时间发生回复和再结晶，使塑性降低。

②随着变形速度的增大，温度效应显著，会提高金属的塑性。

（2）变形速度对变形抗力的影响。变形速度的增大使热效应增大，从而使变形抗力降低；另一方面，缩短了变形时间，位错运动的发生与发展的时间不足，又使变形抗力增加。一般来说，随着变形速度的增加，金属的真实应力提高，但提高的程度与变形温度有关。变形时变形速度对真实应力影响不大；而在热变形时变形速度的提高会引起真实应力明显提高。随着变形程度的增加，只要回复和再结晶来不及发生，都会必然产生加工硬化，提高变形抗力。提高的幅度与材料的硬化率有关。

如图 2 所示，（a）中锻压件主体部分的变形速度是1090，所对应的上下模具所受的最大锻压力是67MN；（b）中冲锻件的主体部分的变形速度是760，所对应的上下模具所受的最大锻压力是11.3 MN。该模拟进一步论证了上述原理。

1.4、冲压技术中的模具圆角半径分析

模具圆角半径对金属流动有很大影响。当R 很小时，金属在圆角处的流动方向要突变一个很大的角度，因此受到很大的阻力，消耗较多的能量，故不易充满模膛，因此，圆角半径应适当加大。同时冲压件外形和内腔轮廓拐角处的圆角半径对金属流动也有很大影响，过小的圆角半径，使金属流动受到很大阻力而不易充满模膛，消耗较多的能量并造成模具相应部位严重磨损，因此，在允许的情况下应将此类圆角半径适当加大。如图3 所示是此类模拟对照图。

从图 3 中的两个图可看出，较大圆角时锻件质量较好，其破坏系数只有0.00348，而较小圆角时锻件在圆角拐角出有破坏的倾向，从彩图可以看出，该处的与其他部位的组织分布存在差异，破坏系数也达到了0.112 左右。故适当增大圆角能生产出更好的锻件。

1.5、锻压技术中的温度分析

冷变形时，材料的变形抗力较大，需要使用大吨位的设备，多次变形中还要增加再结晶退火和其他辅助工序，而且冷变形后工件材料残余应力大，塑性指标低，还会导致金属的力学性能和化学性能的改变。而热变形就没有这些缺点，其变形后无加工硬化现象，变形过程中同时出现加工硬化和再结晶软化现象，还能减小金属的变形抗力，可适用小吨位的设备，节约能源，降低成本；提高材料的力学性能；提高材料的塑性。如图4 所示。

如图4所示，从图中对比可看出，热锻时的应力较小，且分布较均匀；改变圆角后冷、热锻时的充型情况都较好。模拟中还发现，冷变形时由于金属的塑性差，变形较难，容易产生折叠等缺陷，下面对该缺陷产生进行分析。

由图 5 可看出，冷锻时发生折叠缺陷，并且有发生破坏的倾向，从图可看出，冷锻时发生折叠处的破坏系数达到了0.280 左右；而热锻时温度较高，金属塑性也好，所以避免了该缺陷的产生。模锻件上的折叠，主要是模锻时金属发生对流或者回流造成的，这从图6 中的速度分析便可看出，发生折叠处的金属同时有向下运动和向右运动的倾向，并且向下运动的速度大于向右的速度，故产生了折叠。

2.实践结果

通过以上各种环境下的模拟情况对比和分析，得出各个因素对充型、应力分布、载荷、破坏倾向等的影响，得出最优化模拟条件，并可以指导实际生产。

最终模拟条件：工件划分网格数目16000，采用热锻，工件始锻温度是1100℃，上下模具首先预热到300℃，上下模具采用绝对划分网格的方式，最小网格单元的尺寸和工件的最小圆角半径相同，为3 mm，比例因子取为1，摩擦系数是0.1（热加工并且有），热传导系数为0.1。

图 7 是最终锻件形状及其充型情况演示，如图7 所示，左图为最后锻件形状演示，从图中可看出，圆角过渡圆滑，形状符合要求；右图中的MinimumDistance 指的是锻件和模具的最小距离，图示的该距离都是0mm，所以充型情况较好。

综上所述，大变形材料成型，影响因素较多，模拟的难度较大，因此，正确的理解工艺与模拟条件对大变形情况下的材料成型是非常重要的。

3.结论

大变形加工生产难以控制产品质量，通过模拟方法可对其生产工序进行控制，使用DEFORM 软件对大变形生产进行有限元分析，对生产起了指导作用。通过对套类零件的有限元模拟，对其锻压过程中的影响因素如网格划分，模具的锻压速度，局部圆角的大小，温度的影响进行了细致的分析。网格数要具有实用性，按照计算机的能力和零件局部的复杂程度来决定，模具的锻压速度对于材料成型有两方面的影响，在实际应用时，要根据当时的情况而定，在一个特定值附近反复试验，取得理想的实验数据。圆角越大，材料的流动性能越高，越有利于材料局部成型。温度越高，材料的变形能力越高，组织性能越优越，但要注意温度的控制。基于以上锻压过程的参数设置，得到了套类零件的实用信息。