【正文】 、軟材料實(shí)物模擬法、密柵云紋法和光彈光塑性法等。 較典型的有 ：有限元法、有限體積法、 有限差分法 和 邊界元法。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。但目前對(duì)于復(fù)雜形體的三維網(wǎng)格自動(dòng)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。 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(dòng)。 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。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。并對(duì)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(dòng)化等問(wèn)題進(jìn)行了討論。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。 以上研究，通過(guò)不同的有限元方法對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造過(guò)程進(jìn)行了模擬，多數(shù)模擬過(guò)程得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，證明了有限元鍛造過(guò)程模擬的有效性。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(kāi)發(fā)過(guò)程中得到了極為普遍的應(yīng)用 。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(guó)麻省理工學(xué)院（ MIT）試制成功第一臺(tái)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(dòng)加工。 熱鍛模型腔復(fù)雜，加工較困難。 合理制定模具的加工工藝、優(yōu)化切削參數(shù)，充分發(fā)揮 CAD/CAM技術(shù)優(yōu)勢(shì)和數(shù)控設(shè)備能力 ，是提高模具加工效率、降低模具成 本的重要手 段 [22]。 修復(fù)廢舊模具、提高模具壽命就成為降低鍛造成本的重要途徑之一 。由于每次落面都降低了模具的閉合高度，使每一次模具鍛打的壽命降低。再制造的重要特征是再制造產(chǎn)品的質(zhì)量和性能達(dá)到甚至超過(guò)新品，成本只有新品的 50%，節(jié)能 60%，節(jié)材 70%，對(duì)環(huán)境的不良影響與制造新品相比顯著降低。 （ 2）采用數(shù)控高速硬銑削技術(shù)加工型腔。 第三章 ： 研究 了 轉(zhuǎn)向節(jié) 典型生產(chǎn)工藝。 第 五 章： 研究 了熱鍛模的失效方式，焊接修復(fù)技術(shù) 及 數(shù)控銑削技術(shù) 。剛塑性有限元法適于冷加工，剛粘塑性有限元法適于熱加工及應(yīng)變速率敏感性材料的塑性變形過(guò)程。此外 ， 由于剛塑性 /剛粘塑性有限元法采用 方程表示，這樣材料變形后的構(gòu)形可通過(guò)在離散空間對(duì)速度的積分而獲得，從而避開(kāi)了應(yīng)變與位移之間的幾何非線性問(wèn)題。對(duì)剛 塑性 /剛粘塑性材料的基本假設(shè)如下：忽略變形材料的彈性變形；材料均質(zhì)，各向同性；材料體積不變；不計(jì)體力和慣性力；材料的變形流動(dòng)服從 LevyMises 流動(dòng)法則。 2. 2 剛塑性 /剛 粘塑性有限元變分原理 設(shè)變形體的體積為 V ，表面積為 S ，在 FS 上給定面力 iF ，在 US 上給定速度 iu ，在滿足幾何條件式 ()，體積不變條件式 ()和邊界條件式 ()的一切動(dòng)可容速度場(chǎng)中，真實(shí)速度場(chǎng)使泛函 dSuFdV iS iv F?? ???? ?＝ () 取極小值，上述原理稱為 Markov 變分原理。 采用罰函數(shù)構(gòu)成的泛函為： dVdSuFdV V ijijiS iV F 2)(2 ??? ??? ?????? ?? () 式中， ? 為懲罰因子。 Lagrangian 乘子 ? 具有明確的物理意義： m??? (靜水壓力 )，這 在分析應(yīng)力場(chǎng)時(shí)尤為重要。 dSuFdVE iS iijV ij F ??????? ?? ??? )(＝ () 式中， )(ijE?? 表示塑性變形功率函數(shù)，是凸函數(shù)。 剛塑性 /剛粘塑性有限元求解過(guò)程 剛塑性 /剛粘塑性有限元的求解過(guò)程與一般有限元一樣，不同的是剛塑性 /剛粘塑性有限元法組裝成的總體方程組為非線性方程組，還需要進(jìn)行線性化處理和采用NewtonRaphson 迭代法進(jìn)行速度場(chǎng)迭代求解。如此迭代下去，直到速度修正量小到可以忽略。一種準(zhǔn)則是速度的相對(duì)誤差范數(shù)const?? VV ，其中 const 為一非常小的正數(shù)；另一種準(zhǔn)則是節(jié)點(diǎn)力不平衡量小于某一正常數(shù)。 (3) 組裝成總體剛度方程。 (7) 刷新工件形狀。汽車產(chǎn)量 的迅猛增長(zhǎng)，對(duì)鍛造行業(yè)的 裝備和工藝技術(shù)水平提出了更高的要求。就目前所了解的工藝方案 有以下幾種 [2530]。成形溫度低，節(jié)省能源。 該工 藝的主要缺點(diǎn)是：需兩次加熱，成本高，鍛件精度差，質(zhì)量不穩(wěn)定，材料消耗和能耗大，勞動(dòng)條件差。 (4)半封閉擠壓工藝 半 封閉擠壓工藝，兼有閉式鍛造和開(kāi)式模鍛的優(yōu)點(diǎn)，其工藝路線為：下料 — 中頻感應(yīng)加熱一墩粗 (去除氧化皮 )— 半封閉擠壓 — 終鍛 — 切邊 — 校 正 — 檢驗(yàn)。同開(kāi)式模鍛相比，閉塞鍛造在很大程度上可提高金屬流動(dòng)性、材料的利用率、鍛件精度和產(chǎn)品的機(jī)械性能。由頭部、盤(pán)部和桿部三部分組成，屬?gòu)?fù)雜類鍛件。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是成形性 轉(zhuǎn)向 節(jié)鍛造工藝設(shè)計(jì) 好，金屬易于充滿模膛，表面質(zhì)量較高。 圖 轉(zhuǎn)向節(jié)熱鍛件圖 Heat fing drawing of steering knuckle 轉(zhuǎn)向節(jié)的工藝設(shè)計(jì)采用熱擠壓 — 模鍛復(fù)合成形工藝，就是利用正擠壓將桿 部經(jīng)過(guò)三道工步擠出來(lái)，頭部伴隨熱擠壓而模鍛成形。 （ 2） 擠壓工步 該工步成形可分為兩部分：第一部分為桿部，由正擠壓擠出，擠壓長(zhǎng)度為桿部總長(zhǎng) 轉(zhuǎn)向 節(jié)鍛造工藝設(shè)計(jì) 的 60％～ 70％ ；第二部分為頭部，靠鐓粗一擠壓預(yù)成形，其形狀 應(yīng)簡(jiǎn)化，最大尺寸達(dá)到鍛件圖尺寸的 70％～ 80％ ，高度應(yīng)大于終鍛尺寸，各連接處的圓弧均勻過(guò)渡。 鍛件盤(pán)部可能出現(xiàn)的切邊變形在校正工步中得以校正，并使留有精壓余量的個(gè)別平面的尺寸達(dá)到鍛件圖 紙 的要求。根據(jù)設(shè)備有關(guān)性能資料要求，擠壓工步的鍛造力應(yīng)小于或等于設(shè)備公稱力的 85% ，按生產(chǎn)線上熱模鍛壓力機(jī) (63000kN)計(jì)算允許負(fù)荷為 45000kN43524kN。所以，為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，一定要嚴(yán)格控制坯料下料重量、始鍛溫度以及擠壓高度等工藝參數(shù)。三副 主 成形模采用了不同的結(jié)構(gòu)形式， 鍛模材料選用 5CrNiMo， 熱處理后硬度為 HRC40～ 45。 （ 3）模具設(shè)計(jì)： 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造主要成形模具的結(jié)構(gòu)及類型等內(nèi)容。 圖 鍛造工藝模擬的典型框圖 Simulation typical diagram of fing process 模鍛工藝模擬分析包含以下幾個(gè)方面： （ 1） 金屬塑性流動(dòng)的預(yù)測(cè)，建立金屬材料內(nèi)部變形區(qū)與未變形區(qū)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系（如外形、速度、應(yīng)變、應(yīng)變率等），即確定鍛件是否能充滿模具。它是由三部分組成：第一，工藝模型的建立，它包括變形毛坯及產(chǎn)品、模具、材料、工藝參數(shù)等方面的信息；第二，工藝模擬分析，它是分析模型的核心部分，它完成所分析工藝的各種力能參數(shù)、變量的結(jié)果數(shù)據(jù)，為最終的結(jié)果分析提供依據(jù)；第三，模擬結(jié)果的解釋與評(píng)價(jià)，如工藝參數(shù)優(yōu)化、產(chǎn)品幾何尺寸控制、微觀組織預(yù)報(bào)等等，這部分工作涉及到產(chǎn)品的技術(shù)要求、工藝規(guī)程以及利用大量實(shí)驗(yàn)所確定的某一評(píng)價(jià)模型，如產(chǎn)品表面裂紋的生成模型。 Simufact 用于金屬塑性成形分析，具有以下特點(diǎn)： （ 1）適用于多種類型的金屬塑性成形過(guò)程的分析，不受具體成形問(wèn)題的限制； （ 2）能提供豐富的單元類型，從而具有很高的邊界擬 合精度，同時(shí)，也使復(fù)雜成形的過(guò)程分析成為可能； （ 3）能夠較全面地考慮多種因素對(duì)成形過(guò)程的影響，如溫度、摩擦潤(rùn)滑條件、材料特性、變形速度以及模具的幾何形狀等； （ 4）能夠在假設(shè)條件較少的前提下提供詳盡的變形力學(xué)信息，如應(yīng)力、應(yīng)變、速度和溫度場(chǎng)等的分布，金屬的塑性流動(dòng)規(guī)律，成形載荷等力能參數(shù)，這些信息可供進(jìn)行工藝過(guò)程的優(yōu)化與控制。 （ 1）工模具幾何模型的 CAD接口 sfForming自身支持三維 CAD造型，可以直接建立毛坯的幾何模型，或者從各種 CAD軟件導(dǎo)入幾何模型，如 CATIA、 Pro/E、 UG、 Solidworks、 SolidEdge等。這種功能允許在一次分析中完全自動(dòng)地進(jìn)行先二維后三維的多步鍛造分析。 模擬計(jì)算模塊 Simufact軟件的求解器將全球領(lǐng)先的非線性有限元求解器 求解器 ，提供有限元法（ FEM）和有限體積法（ FVM）兩種建模求解方法，具備快速、高效的求解能力。而求解代數(shù)方程組的方法為稀疏存儲(chǔ)的直接解法和稀疏存儲(chǔ)的迭代解法。 軟件采用的固定在空間的有限體積 Eulerian網(wǎng)格技術(shù)，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)在空間上固定不動(dòng)。 軟件提供的圖形界面 網(wǎng)格稀化器，可以在兩個(gè)鍛造道次之間稀化材料表面小平面，使模擬速度大大加快，所需內(nèi)存反而減少。 轉(zhuǎn) 向節(jié)鍛造數(shù)值模擬模型的建立 幾何模型的建立 采用 UGNX 建立模具的三維幾何模型，然后另存為 STL 文件格式導(dǎo)入到 Simufact軟件中 。對(duì)于毛坯材料 42CrMo和模具材料 5CrNiMo可以直接從系統(tǒng)的材料數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用。圖 、 。有限元網(wǎng)格尺寸輸入 0，由系統(tǒng)自動(dòng)劃分適合的網(wǎng)格無(wú)需用戶干預(yù)，其余模擬參數(shù)均按照系統(tǒng)默認(rèn)。圖 ，由于摩擦的影響，可以看出毛坯兩端應(yīng)變小，中部應(yīng)變較大，心部應(yīng)變較小，而外圓部分應(yīng)變較大 。 圖 多工步間的數(shù)據(jù)傳遞 D。 擠壓成形過(guò)程模擬結(jié)果分析 擠壓工步是轉(zhuǎn)向節(jié)成形過(guò)程中的一個(gè)最為關(guān)鍵工藝，它起到預(yù)分配金屬的作用，需要通過(guò)模擬結(jié)果了解模具能否充滿、擠壓力的大小和鍛件表面是否會(huì)產(chǎn)生缺陷。從圖中可以看出由于毛坯和上、下壓頭之間存在摩擦，導(dǎo)致鐓粗過(guò)程的不均勻性，出現(xiàn)單鼓形 。 模擬參數(shù)的設(shè)定 圖 鐓粗工藝模擬圖 圖 閉式模鍛工藝模擬 Simulation of upsetting process Simulation of closed die fing 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝模擬 四個(gè)工步中，鐓粗工步的模擬類型采用 Upsetting（鐓粗）類型，求解方法按系統(tǒng)默認(rèn)采用有限元法分析，如圖 ；其余三個(gè)工步均采用 Close die（閉式模鍛）類型，按系統(tǒng)默認(rèn)采用有限體積法分析，如圖 。 圖 42CrMo的物理屬性 圖 42CrMo的應(yīng)力－應(yīng)變曲線 Physics attributes of 42CrMo Stress and strain curve of 42CrMo （ 2）摩擦條件的設(shè)定 模具與毛坯間的摩擦模型選用塑性剪切模型，摩擦系數(shù)直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用，選用熱鍛工藝下的中等摩擦條件，其值為 ，如圖 。 在軟件中進(jìn)行模具的裝配 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝模擬 和毛坯的定位。此外，諸如部件幾何尺寸測(cè)量、變量數(shù)值詢問(wèn)等結(jié)果解釋工具，也一并提供。 Simufact采用了分辨率增強(qiáng)技術(shù)（ RET）自動(dòng)加密工件表面離散的小平面，提高對(duì)材料流動(dòng)描述的精度。 （ 2）有限體積法求解技術(shù) Simufact不僅采用傳統(tǒng)的有限元法求解金屬成形工藝問(wèn)題，還首次應(yīng)用有限體積法求解高度非線性大變形問(wèn)題。更新的 Lagrangian描述的彈塑性分析在計(jì)算上雖實(shí)現(xiàn)起來(lái)不如剛塑性分析簡(jiǎn)便，但可提供彈性應(yīng)力、回彈、模具膨脹和工件殘余應(yīng)力結(jié)果。 設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)中包含鍛錘、曲柄壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)、液壓機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)和輥鍛機(jī)的參數(shù)，用戶也可自定義工模具的運(yùn)動(dòng)方式。用戶可以根據(jù)自己應(yīng)用 CAD軟件的具體情況選用相應(yīng)的模塊，以便更方便的導(dǎo)入幾何模型。 工藝輸入模塊 Simufact 軟件的工藝輸 入即前處理模塊以結(jié)構(gòu)化方式內(nèi)置各種鍛造過(guò)程 ， 這就允許用戶組合用不同鍛造道次創(chuàng)建一個(gè)新的鍛造過(guò)程，通過(guò)拖放技術(shù)，易于在鍛造過(guò)程中 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝模擬 把模具和工件模型分配給不同的加工道次。 Simufact 是由功能極強(qiáng)的有限體積求解器和 Windows 風(fēng)格的易用圖形界面無(wú)縫集成。