數(shù)值模擬技術(shù)在大型鍛件生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、數(shù)值模擬技術(shù)在大型鍛件生產(chǎn)中的應(yīng)用 前言大鍛件生產(chǎn)具有單件、小批的特點(diǎn)。生產(chǎn)前需要大量的人力和物力準(zhǔn)備原材料、模具或輔具，前期投入相當(dāng)大，一旦產(chǎn)品報(bào)廢，將造成很大的損失，這對工藝制定的合理性提出了很高的要求。在生產(chǎn)新產(chǎn)品或制定新工藝時(shí)，工藝人員往往無法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定工藝是否合理，只能采用大量實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。由于大型鍛件尺寸較大，不可能進(jìn)行11的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，而小件實(shí)驗(yàn)有時(shí)會(huì)與實(shí)際生產(chǎn)過程相差過大。而且物理實(shí)驗(yàn)通常只能給出工藝過程某個(gè)階段的結(jié)果，無法全面了解整個(gè)工藝過程，具有一定的局限性。由于大鍛件生產(chǎn)的這些特殊性，采用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)改變工藝制定過程中僅憑經(jīng)驗(yàn)決定的現(xiàn)狀是具有重要意義的。 1數(shù)

2、值模擬技術(shù)在現(xiàn)代制造中的地位和作用圖1現(xiàn)代產(chǎn)品制造過程示意圖數(shù)值模擬技術(shù)是CAE的關(guān)鍵技術(shù)。通過建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，可以在昂貴費(fèi)時(shí)的模具或輔具制造之前，在計(jì)算機(jī)中對工藝的全過程進(jìn)行分析。不僅可以通過圖形、數(shù)據(jù)等方法直觀地得到諸如溫度、應(yīng)力、載荷等各種信息，而且可預(yù)測可能存在的缺陷；通過改變工藝參數(shù)對不同方案進(jìn)行模擬分析，可以從各方案的對比中總結(jié)出規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工藝的優(yōu)化。數(shù)值模擬技術(shù)在保證工件質(zhì)量，減少材料消耗，提高生產(chǎn)效率，縮短試制周期等方面顯示出無可比擬的優(yōu)越性。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，數(shù)值模擬技術(shù)已被認(rèn)為是生產(chǎn)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前在國內(nèi)數(shù)值模擬技術(shù)也早已走出象牙塔，并已在實(shí)際生產(chǎn)中取得了巨

3、大成功。本文所提到的例子，都具有明確的生產(chǎn)背景，是近十多年來我們利用數(shù)值模擬方法解決大鍛件生產(chǎn)實(shí)際問題中較為成功的例子。 2數(shù)值模擬技術(shù)在大型鍛件生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)例 2.1鋼錠凝固過程模擬及缺陷預(yù)測眾所周知，大型鍛造用鋼錠中一般存在縮孔、疏松、夾雜和偏析等缺陷。這些缺陷的存在會(huì)增大材料的消耗，而且可能會(huì)影響到后續(xù)鍛造工序。認(rèn)識缺陷形成及分布的規(guī)律，并進(jìn)而提出合理的鑄錠工藝，對于提高大鍛件質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期、降低材料消耗具有重大意義。從八十年代中期開始，作者與第一重型機(jī)器廠合作，對鋼錠凝固過程的溫度場進(jìn)行了大量研究，建立了鋼錠凝固中傳熱過程的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)對發(fā)熱劑、保溫劑的發(fā)熱機(jī)理進(jìn)行了深入的探討

4、，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出一套專用的有限元模擬程序MIPS。MIPS可以分析凝固過程中溫度場的分布，確定不同時(shí)刻凝固前沿的位置，而且能預(yù)測縮孔及疏松的位置及尺寸。使用該程序?qū)σ恢?20噸鋼錠的生產(chǎn)工藝所進(jìn)行的優(yōu)化，成功地解決了疏松進(jìn)入錠身的問題。圖2顯示了工藝改進(jìn)前后，縮孔及疏松的模擬結(jié)果。(a)原工藝(b)改進(jìn)工藝圖2220噸鋼錠上縮孔疏松缺陷的分布采用MIPS軟件并結(jié)合正交設(shè)計(jì)的方法，對鋼錠結(jié)構(gòu)等工藝參數(shù)對縮孔大小的影響進(jìn)行了研究，得出了“冒口端部條件對縮孔疏松的影響最顯著，其次是側(cè)壁耐火磚的導(dǎo)熱系數(shù)，再次是錠身錐度，而錠身高徑比則影響不大”的結(jié)論。這對于工藝人員掌握鋼錠生

5、產(chǎn)規(guī)律，并優(yōu)化工藝會(huì)有很大的幫助。MIPS軟件不僅在普通鋼錠的凝固模擬及缺陷預(yù)測中取得了成功，而且已成功地應(yīng)用到無冒口或小冒口鋼錠，定向結(jié)晶錠以及空心鋼錠的研究當(dāng)中。尤其在定向結(jié)晶錠中，通過引入流場，對凝固過程中的傳質(zhì)過程進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述，從而能夠準(zhǔn)確地預(yù)測出鋼錠的偏析情況。在大型鋼錠凝固過程中，錠模出現(xiàn)裂紋甚至報(bào)廢的現(xiàn)象也是不容忽視的。在MIPS軟件成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，我們又開發(fā)了三維鋼錠錠模的應(yīng)力分析程序，有助于解決這一問題。 2.2鍛造過程模擬及工藝優(yōu)化鋼錠需要經(jīng)過鍛造才能達(dá)到產(chǎn)品所希望的形狀，這是大鍛件生產(chǎn)關(guān)鍵的一環(huán)，它的成功與否直接影響著整個(gè)生產(chǎn)。以前開發(fā)的一些程序，由于大多針對某一具體

6、的工藝過程，不具備造型功能，在模具運(yùn)動(dòng)或邊界條件的施加等方面存在著很大的局限性，通用性比較差。一旦遇到新的問題，通常要對程序作較大的修改，無法滿足鍛造過程模擬的需要。針對這一問題，我們采用與世界上成熟的商品化軟件，如ANSYS相結(jié)合的道路，利用ANSYS完善的前、后期處理功能，成功地解決了ANSYS不能進(jìn)行網(wǎng)格重劃的難題，開發(fā)出了一套二維和三維的彈塑性、彈粘塑性大變形通用的鍛造過程模擬程序。該程序可以與ANSYS實(shí)現(xiàn)無縫集成，從而具有了較強(qiáng)的通用性。該軟件可以描述多個(gè)模具及其運(yùn)動(dòng)，能有效地控制加載；不僅可以得到金屬流動(dòng)、應(yīng)力、應(yīng)變的變化，而且可以得到載荷力，模具受力等信息，有助于在制定工藝時(shí)選

7、擇合適設(shè)備，評估模具的磨損甚至破壞。多向模鍛工藝綜合了模鍛和擠壓工藝的特點(diǎn)，可以制造外形復(fù)雜、中空、無飛邊鍛件。過去，這方面的研究多采用物理實(shí)驗(yàn)方法，如采用在鉛試樣對稱面上劃網(wǎng)格或做低倍實(shí)驗(yàn)等來研究金屬的流動(dòng)情況。由于多向模鍛件外形復(fù)雜、中空，且在封閉型腔內(nèi)成形，影響因素較多，金屬變形流動(dòng)過程極為劇烈、復(fù)雜，所以這些物理實(shí)驗(yàn)方法都存在著一定的局限性，如網(wǎng)格法對于劇烈的變形將失去作用，低倍實(shí)驗(yàn)對于復(fù)雜的流動(dòng)也會(huì)得不到清晰的金屬流線。更重要的是，通過這些實(shí)驗(yàn)，只能對變形過程的某一方面進(jìn)行研究，而得不到對變形全過程的認(rèn)識；而且由于模具的加工、調(diào)試費(fèi)工費(fèi)時(shí)，需要大量的資金投入。而采用數(shù)值模擬方法，可以完全避免這些缺陷，得到整個(gè)變形全過程的各種信息。由于多向模鍛的特點(diǎn)，對其工藝過程進(jìn)行數(shù)值模擬具有很大的難度，而且也頗具代表性。由于等徑三通的形狀特點(diǎn)，其多向模鍛擠壓成形的工藝過程應(yīng)為一個(gè)三維問題，見圖3。為使問題簡化，本文采用了平面應(yīng)變模型，主要分析兩正交管軸線所組成對稱面上的金屬流動(dòng)及模具受力情況。圖4顯示的模擬結(jié)果表明，在水平?jīng)_頭先擠入的方案中，當(dāng)水平?jīng)_頭擠到打靠位置時(shí)，沖頭上部的坯料金屬會(huì)因?yàn)檩^