【正文】 指導(dǎo)工藝 和模具設(shè)計(jì) ，大幅度縮短模具設(shè)計(jì)周期 ，降低制造成本 。 鍛造生產(chǎn)中， 模鍛件約占鍛件總產(chǎn)量的 65％。鍛模的壽命 （熱鍛 25千個(gè)，溫鍛 12萬個(gè)，冷鍛 25萬個(gè)）與其它 模具相比 很低，鍛件的生產(chǎn)消耗大量的模具，是鍛件制造成 緒 論 本 居高不下 的重要因素。 調(diào)查 資料表明， 濟(jì)南某汽車零件鍛造廠的模具費(fèi)一年在 2020萬元左右。模具成本構(gòu)成可以某機(jī)車車輛廠 生產(chǎn) 的大連桿為例： 大 連桿重量 50kg/件， 采用10T錘用熱鍛模 ： 模具長 1300mm、寬 800mm、高 450mm； 模具 成本： 材料 （ 5CrNiMo）約 6萬元，加工費(fèi)約 5萬元 ，合計(jì) 11萬元 ；模具 生產(chǎn) 定額 2020件。 如何降低 模 具的材料費(fèi)用和加工費(fèi)是 企業(yè)非常重視的問題 [1,2, 3]。 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車零部件中對高精度、形狀復(fù)雜鍛件的需求量越來越大。對于汽車制造業(yè)來說，未來的競爭核心將是新產(chǎn)品的競爭，如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、短周期的汽車零件的開發(fā) 、生產(chǎn) ，是贏得汽車市場的關(guān)鍵。在這種情況下，鍛造新工藝的開發(fā)對于汽車零件的生產(chǎn)尤為重要，而先進(jìn)工藝模具設(shè)計(jì)方法將對提高汽車零件設(shè)計(jì)水平、縮短零件研制周期和降低成本起著舉足輕重的作用。 基于以上背景，本文以某廠汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件為研究對象，應(yīng)用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對其鍛造過程進(jìn)行研究，以優(yōu) 化鍛造工藝和模具設(shè)計(jì)；以降低鍛件制造成本為目標(biāo)，研究其模具的再制造技術(shù)。 塑性加工模擬技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀 近幾十年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的日益完善，尤其是隨著有限元技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術(shù)在塑性加工中的應(yīng)用蓬勃發(fā)展，應(yīng)用范圍越來越廣。從板料成形到體積成形，從正向模擬對成形結(jié)果的預(yù)測到反向模擬對預(yù)成形件的設(shè)計(jì)，從同時(shí)考慮變形和熱傳導(dǎo)的熱力耦合分析到對工件微觀組織的預(yù)測 等等 ，顯示了該技術(shù)在塑性加工領(lǐng)域中的重要地位和作用。從塑性有限元模擬技術(shù)的發(fā)展看，它已經(jīng)走出了單 純?yōu)槔碚摲治龆M(jìn)行模擬的探索階段，廣泛應(yīng)用于 一般 工業(yè)生產(chǎn)中。 塑性加工模擬技術(shù)的發(fā)展 如圖 ，塑性加工工藝模擬時(shí)采用的分析方法大致分為三類：（ 1）解析法，主要包括主應(yīng)力法、滑移線法和上限法，它們都屬于塑性力學(xué)中的經(jīng)典解法；（ 2）實(shí)驗(yàn) /解析法，即實(shí)驗(yàn)與解析的綜合方法，有相似理論法和視塑性法；（ 3）數(shù)值 模擬 法，它是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用而產(chǎn)生的，包括有限元法、有限體積法、有限差分法和邊界元法。 緒 論 圖 塑性加工模擬方法 Simulation methods of plastic forming 解析法 （ 1）主應(yīng)力法 主應(yīng)力法又稱為工程近似法，是借助于塑性方程求解平均主應(yīng)力平衡方程式。該方法假設(shè)變形區(qū)有許多 規(guī)則切塊組成，這些切塊變形均勻，這 往往 與實(shí)際的變形情況不相符。切塊法分析中假設(shè)了主應(yīng)力方向得到的平衡微分方程中的變量是一維的，在給定邊界條件后可以直接求出應(yīng)力分布，但 其 解的精度取決于對問題的假設(shè)程度。 （ 2）滑移線法 滑移線法是利用滑移線求解平衡方程式?；凭€法以漢基（ Hanchky）應(yīng)力方程為基礎(chǔ)，以體積不變條件和沿最大剪應(yīng)力方向構(gòu)造滑移線， 從而得到一個(gè)速度許可場?；凭€法在數(shù)學(xué)上較為嚴(yán)謹(jǐn)，理論上也較為完善，盡管受到自己的假設(shè)條件的限制，但在計(jì)算工模具局部應(yīng)力與變形、死區(qū)范圍、形狀以及自由表面輪廓形狀的變化等方面仍能給出非常精確和詳細(xì)的數(shù)據(jù)，而且還可求出變形金屬在平面各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)及金屬流動的趨勢。但是對于滑移線場未知的復(fù)雜變形問題以及考慮材料硬化、應(yīng)變速率影響、變形溫度引起的熱應(yīng)力等問題，滑移線法則難以施展。而且目前尚不能解決三維問題。 （ 3）極限分析法 極限分析法包括上限法和下限法兩種。其目的是在許可速度場中確定最小上限解和在靜可容應(yīng)力場中 確定最大的下限解。在塑性加工中較簡單的問題上，上限法應(yīng)用較多。上限法的原理是：剛塑性材料設(shè)定的速度場只滿足運(yùn)動許可條件和塑性條件（滿足位移或速度邊界條件和體積不變條件，不一定滿足平衡方程和應(yīng)力邊界條件），所確定的功率是實(shí)際功率的上限。由此上限功率求出的變形力是該變形力的上限值。上限法本質(zhì)上 緒 論 已 包含了多余功。用形式簡單的上限法能很快估算出近似的擠壓力。但由于速度場 是 采用剛性塊組成的不連續(xù)速度場，所以只能求出擠壓力的上限和大致的變形，不能求出應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律，所得結(jié)果為平均值，因而限制了它的應(yīng)用。 解析法計(jì)算簡 便，對計(jì)算工具要求較低。但是計(jì)算中要對材料和邊界條件做較多的簡化，只能對典型的簡單塑性加工問題進(jìn)行定性或有限的定量研究，難以準(zhǔn)確估計(jì)變形力、工件形狀變化、應(yīng)力場、應(yīng)變場、溫度場以及金屬流動趨勢。 實(shí)驗(yàn) /解析法 實(shí)驗(yàn) /解析法是采用物理模型進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M的方法，包括網(wǎng)格法、軟材料實(shí)物模擬法、密柵云紋法和光彈光塑性法等。 物理模擬的一種發(fā)展方向是模擬的材料盡可能接近實(shí)際的金屬材料，以解決它們間的相似性問題。另一種發(fā)展方向是用氯化銀、有機(jī)玻璃、塑泥和蠟?zāi)嗟溶洸牧献鳛槟M材料進(jìn)行變形實(shí)驗(yàn)，用光彈光塑實(shí) 驗(yàn)來觀察、分析和研究工模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力應(yīng)變分布等對金屬流動的影響。 數(shù)值模擬法 數(shù)值模擬法 是 以電子計(jì)算機(jī)為工具，用現(xiàn)代數(shù)值方法求解塑性加工問題的方法 。 較典型的有 ：有限元法、有限體積法、 有限差分法 和 邊界元法。有限差分法和邊界元法在塑性問題中應(yīng)用比較少。 （ 1）有限元法 有限元法（ FEM， Finite Element Method）最初用于結(jié)構(gòu)分析，其本質(zhì)思想是：當(dāng)在全域內(nèi)描述力學(xué)場的微分方程的原函數(shù)困難時(shí)，則用有限個(gè)單元將求解域離散化；在單元內(nèi)假設(shè)滿足邊界條件的原函數(shù)，并考慮單元之間的 聯(lián)系，最終求得全域的解。目前，有限元法已高度形式化和系統(tǒng)化，且單元類型十分豐富，能有效地分析二維和三維工程問題。應(yīng)用于塑性成形領(lǐng)域的有限元法主要有剛 (粘 )塑性有限元法、大變形彈塑性有限元法等。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算理論的快速發(fā)展，以有限元為主的數(shù)值模擬技術(shù)已成為塑性成形問題的主要求解方法。但對于復(fù)雜、大變形塑性成形問題 ，由于 有限元采用拉格朗日坐標(biāo)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)隨著材料運(yùn)動，變形程度大時(shí)，會使網(wǎng)格單元嚴(yán)重變形，甚至?xí)惯吔缇W(wǎng)格與模具表面出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，嚴(yán)重影響計(jì)算精度。 解決數(shù)值模擬網(wǎng)格再劃分問題，一方面可從網(wǎng) 格再劃分技術(shù)著手，研制完善的網(wǎng)格 緒 論 自動生成器。但目前對于復(fù)雜形體的三維網(wǎng)格自動生成（尤其是成形性能較好的六面體網(wǎng)格）還未得到圓滿的解決。另一方面，也可以采用別的方法來避開網(wǎng)格再劃分，基于Euler網(wǎng)格的有限體積法就是其中的一種最具代表性的方法。 （ 2）有限體積法 有限體積法（ FVM）又稱為控制體積法。其基本思路是：將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)控制體積；將待解的微分方程對每一個(gè)控制體積積分，便得出一組離散方程。 Euler網(wǎng)格是一個(gè)固定的參考框架，單元由節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)在空 間固定不動。物體的材料在分析過程中可以在網(wǎng)格中流動，并且材料的質(zhì)量、動量和能量也隨之從一個(gè)單元流到另一個(gè)單元。因此，在劃分有限體積單元時(shí)， Euler網(wǎng)格的范圍必須包含材料所有可能流經(jīng)的區(qū)域。有限體積法完全避免了有限單元技術(shù)和 Lagrange方法難以處理又無法回避的三維網(wǎng)格重劃分問題。 有限體積法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解釋。離散方程的物理意義，就是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無限小的控制體積中的守恒原理一樣。有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對任意一組控制體積都得到滿足，對整個(gè)計(jì)算區(qū)域，自然也得到滿足。這是有限體積法吸引人的優(yōu)點(diǎn)。有一些離散方法，例如有限差分法，僅當(dāng)網(wǎng)格極其細(xì)密時(shí)，離散方程才滿足積分守恒；而有限體積法即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準(zhǔn)確的積分守恒。由于有限體積法既保持了計(jì)算精確性，又兼有計(jì)算簡單性，因此它在塑性加工模擬中迅速得到了非常廣泛的應(yīng)用，是塑性加工模擬技術(shù)的發(fā)展方向 [4,14]。 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造過程有限元模擬 應(yīng)用現(xiàn)狀 近年來，國內(nèi)對汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造過程有限元模擬的研究主要有： （ 1） 楊青春，于滬生，余寧 [15]以 STEYR 轉(zhuǎn)向節(jié)為例，采用自行開發(fā)的剛塑性有限元模擬計(jì)算程序 MAFAP，通過選取典型截面，對整個(gè)變形過程進(jìn)行模擬和折疊缺陷分析。 （ 2） 李尊榮等 [16]以 連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)和曲軸鍛造生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)為例，介紹利用參數(shù)解析法計(jì)算變形力，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)剖析每一步的變形過程，運(yùn)用物理模擬變形過程中出現(xiàn)的各種問題，獲得了合理的工藝方案。并對變形的計(jì)算 、 設(shè)備選型、鍛造生產(chǎn)線的平面布置 、 設(shè)備連線 、 生產(chǎn)線的自動化等問題進(jìn)行了討論。 緒 論 （ 3） 王紅衛(wèi)等 [17]提出了一種基于歐拉描述的有限變形軸對稱有限元計(jì)算方法， 分別建立 了 轉(zhuǎn)向節(jié)擠壓和 鐓粗的軸對稱模型 ， 推導(dǎo)出了簡化屈服條件下的成形力計(jì)算公式 ，以 STEYR 轉(zhuǎn)向節(jié)為例分析了成形過程中鍛造變形力的變化規(guī)律 。 （ 4） 蔣鵬等 [18]利用 Deform3D 軟件針對奔馳重卡轉(zhuǎn)向節(jié)的擠壓鍛造進(jìn)行了有限元分析。 鍛件采用剛塑性材料模型 ， 成形過程看作為等溫成形。報(bào)告給出了毛坯形狀和尺寸、鍛件形狀變化 ， 成形等效應(yīng)變分布以及載荷 ——行程曲線等。實(shí)驗(yàn)表明 ， 模擬結(jié)果和實(shí)際成形過程吻合良好。 （ 5） 周杰等 [19]使用塑性有限元分析軟件 Deform3D 對 1020 轉(zhuǎn)向節(jié)成形過程進(jìn)行了模擬分析，找出了其在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)折迭 等問題的原因。通過 Deform 強(qiáng)大的處理程序?qū)δM結(jié)果進(jìn)行分析，為解決問題提供了理論依據(jù)。 以上研究，通過不同的有限元方法對轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造過程進(jìn)行了模擬，多數(shù)模擬過程得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，證明了有限元鍛造過程模擬的有效性。 熱鍛模制造 技術(shù) 熱鍛模開發(fā)與 CAD/CAM技術(shù) 為提高市場競爭力，企業(yè)對 模具的要求也越來越苛刻。 用戶不只是希望模具的成型精度和表面質(zhì)量滿足需求，使用壽命長， 還特別要求盡量縮短模具交貨周期 以縮短其產(chǎn)品開發(fā)周期 。為了適應(yīng) 市場 要求，新的加工理念，逐漸改變傳統(tǒng)模具制造的工藝方式 ，現(xiàn)代 高速、高效的數(shù)控銑削加工 方法的應(yīng)用，大大 提高了模具制造的精度 和效率。模具制造 進(jìn)入 一個(gè)以 模具計(jì)算機(jī) 輔助設(shè)計(jì)、 輔助制造 為主的新階段 ， CAD/CAM技術(shù)在鍛模開發(fā)過程中得到了極為普遍的應(yīng)用 。 近 50 年來， CAD/CAM 技術(shù)獲得飛速發(fā)展。 1962 年美國麻省理工學(xué)院（ MIT） 發(fā)表了《 SKETCHPAD—— 人機(jī)對話系統(tǒng)》一文，這是一篇世界公認(rèn)的計(jì)算機(jī)圖形設(shè)計(jì)論文的處女作，它奠定了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ CAD Computer Aided Design）的理論基礎(chǔ)。 上 世紀(jì) 70 年代，開始出現(xiàn) 了 CAD 和 CAM 集成的趨勢，即 CAD/CAM 集成系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)輔助制造（ CAM Computer Aided Manufacturing）始于 20 世紀(jì) 50 年代，1952 年美國麻省理工學(xué)院（ MIT）試制成功第一臺數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床的誕生實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜零件的自動加工。 1955 年 MIT 研制成功了自動編程工具 APT(Automatically Programmed Tooling)，這些硬件和軟件的出現(xiàn)奠定了計(jì)算機(jī)輔助制造的基礎(chǔ)。 經(jīng)過上世紀(jì)后幾十年的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)由簡單的 NC機(jī)床發(fā)展到 CNC機(jī)床，以及 緒 論 后來 FMS（柔性制造系統(tǒng)）等 ， 先進(jìn) 加工理念 不斷得到 應(yīng)用，現(xiàn)在各 種形式的 數(shù)控機(jī)床滿足 了 不同領(lǐng)域的加工需求，包括鉆、銑、車、鏜、磨床和齒輪加工、線切割、電火花等加工方式，特別是帶自動換刀裝置 (ATC)的數(shù)控加工中心，越來越廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)當(dāng)中，顯著提高了加工效率。與之同步發(fā)展的計(jì)算機(jī) 軟 硬 件 技術(shù) 也得到 迅速發(fā)展，過去二十年中，大量的 CAD/CAM系統(tǒng)在制造行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，使復(fù)雜零件的編程變得越來越簡單，所有這些共同促進(jìn)了數(shù)控技術(shù)在模具行業(yè)中的廣泛應(yīng)用。 熱鍛模型腔復(fù)雜，加工較困難。型腔加工由電火花加工逐漸 變?yōu)?數(shù)控銑