【正文】 、軟材料實物模擬法、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。應用于塑性成形領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。但目前對于復雜形體的三維網格自動生成（尤其是成形性能較好的六面體網格）還未得到圓滿的解決。 Euler網格是一個固定的參考框架，單元由節(jié)點連接構成，節(jié)點在空 間固定不動。 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，僅當網格極其細密時，離散方程才滿足積分守恒；而有限體積法即使在粗網格情況下，也顯示出準確的積分守恒。并對變形的計算 、 設備選型、鍛造生產線的平面布置 、 設備連線 、 生產線的自動化等問題進行了討論。報告給出了毛坯形狀和尺寸、鍛件形狀變化 ， 成形等效應變分布以及載荷 ——行程曲線等。 以上研究，通過不同的有限元方法對轉向節(jié)的鍛造過程進行了模擬，多數(shù)模擬過程得到了實驗的驗證，證明了有限元鍛造過程模擬的有效性。模具制造 進入 一個以 模具計算機 輔助設計、 輔助制造 為主的新階段 ， CAD/CAM技術在鍛模開發(fā)過程中得到了極為普遍的應用 。計算機輔助制造（ CAM Computer Aided Manufacturing）始于 20 世紀 50 年代，1952 年美國麻省理工學院（ MIT）試制成功第一臺數(shù)控機床，數(shù)控機床的誕生實現(xiàn)了復雜零件的自動加工。 熱鍛模型腔復雜，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技術優(yōu)勢和數(shù)控設備能力 ，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品的質量和性能達到甚至超過新品，成本只有新品的 50%，節(jié)能 60%，節(jié)材 70%，對環(huán)境的不良影響與制造新品相比顯著降低。 （ 2）采用數(shù)控高速硬銑削技術加工型腔。 第三章 ： 研究 了 轉向節(jié) 典型生產工藝。 第 五 章： 研究 了熱鍛模的失效方式，焊接修復技術 及 數(shù)控銑削技術 。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變速率敏感性材料的塑性變形過程。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形可通過在離散空間對速度的積分而獲得，從而避開了應變與位移之間的幾何非線性問題。對剛 塑性 /剛粘塑性材料的基本假設如下：忽略變形材料的彈性變形；材料均質，各向同性；材料體積不變；不計體力和慣性力；材料的變形流動服從 LevyMises 流動法則。 2. 2 剛塑性 /剛 粘塑性有限元變分原理 設變形體的體積為 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 ()的一切動可容速度場中，真實速度場使泛函 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 在分析應力場時尤為重要。 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程 剛塑性 /剛粘塑性有限元的求解過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，還需要進行線性化處理和采用NewtonRaphson 迭代法進行速度場迭代求解。如此迭代下去，直到速度修正量小到可以忽略。一種準則是速度的相對誤差范數(shù)const?? VV ，其中 const 為一非常小的正數(shù)；另一種準則是節(jié)點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。汽車產量 的迅猛增長，對鍛造行業(yè)的 裝備和工藝技術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 藝的主要缺點是：需兩次加熱，成本高，鍛件精度差，質量不穩(wěn)定，材料消耗和能耗大，勞動條件差。 (4)半封閉擠壓工藝 半 封閉擠壓工藝，兼有閉式鍛造和開式模鍛的優(yōu)點，其工藝路線為：下料 — 中頻感應加熱一墩粗 (去除氧化皮 )— 半封閉擠壓 — 終鍛 — 切邊 — 校 正 — 檢驗。同開式模鍛相比，閉塞鍛造在很大程度上可提高金屬流動性、材料的利用率、鍛件精度和產品的機械性能。由頭部、盤部和桿部三部分組成，屬復雜類鍛件。這樣做的優(yōu)點是成形性 轉向 節(jié)鍛造工藝設計 好，金屬易于充滿模膛，表面質量較高。 圖 轉向節(jié)熱鍛件圖 Heat fing drawing of steering knuckle 轉向節(jié)的工藝設計采用熱擠壓 — 模鍛復合成形工藝，就是利用正擠壓將桿 部經過三道工步擠出來，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，擠壓長度為桿部總長 轉向 節(jié)鍛造工藝設計 的 60％～ 70％ ；第二部分為頭部，靠鐓粗一擠壓預成形，其形狀 應簡化，最大尺寸達到鍛件圖尺寸的 70％～ 80％ ，高度應大于終鍛尺寸，各連接處的圓弧均勻過渡。 鍛件盤部可能出現(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別平面的尺寸達到鍛件圖 紙 的要求。根據(jù)設備有關性能資料要求，擠壓工步的鍛造力應小于或等于設備公稱力的 85% ，按生產線上熱模鍛壓力機 (63000kN)計算允許負荷為 45000kN43524kN。所以，為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，一定要嚴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構形式， 鍛模材料選用 5CrNiMo， 熱處理后硬度為 HRC40～ 45。 （ 3）模具設計： 轉向節(jié)鍛造主要成形模具的結構及類型等內容。 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方面： （ 1） 金屬塑性流動的預測，建立金屬材料內部變形區(qū)與未變形區(qū)的運動關系（如外形、速度、應變、應變率等），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)、變量的結果數(shù)據(jù)，為最終的結果分析提供依據(jù)；第三，模擬結果的解釋與評價，如工藝參數(shù)優(yōu)化、產品幾何尺寸控制、微觀組織預報等等，這部分工作涉及到產品的技術要求、工藝規(guī)程以及利用大量實驗所確定的某一評價模型，如產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： （ 1）適用于多種類型的金屬塑性成形過程的分析，不受具體成形問題的限制； （ 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，也使復雜成形的過程分析成為可能； （ 3）能夠較全面地考慮多種因素對成形過程的影響，如溫度、摩擦潤滑條件、材料特性、變形速度以及模具的幾何形狀等； （ 4）能夠在假設條件較少的前提下提供詳盡的變形力學信息，如應力、應變、速度和溫度場等的分布，金屬的塑性流動規(guī)律，成形載荷等力能參數(shù)，這些信息可供進行工藝過程的優(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地進行先二維后三維的多步鍛造分析。 模擬計算模塊 Simufact軟件的求解器將全球領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的直接解法和稀疏存儲的迭代解法。 軟件采用的固定在空間的有限體積 Eulerian網格技術，是一個固定的參考框架，單元由節(jié)點連接構成，節(jié)點在空間上固定不動。 軟件提供的圖形界面 網格稀化器，可以在兩個鍛造道次之間稀化材料表面小平面，使模擬速度大大加快，所需內存反而減少。 轉 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 文件格式導入到 Simufact軟件中 。對于毛坯材料 42CrMo和模具材料 5CrNiMo可以直接從系統(tǒng)的材料數(shù)據(jù)庫中調用。圖 、 。有限元網格尺寸輸入 0，由系統(tǒng)自動劃分適合的網格無需用戶干預，其余模擬參數(shù)均按照系統(tǒng)默認。圖 ，由于摩擦的影響，可以看出毛坯兩端應變小，中部應變較大，心部應變較小，而外圓部分應變較大 。 圖 多工步間的數(shù)據(jù)傳遞 D。 擠壓成形過程模擬結果分析 擠壓工步是轉向節(jié)成形過程中的一個最為關鍵工藝，它起到預分配金屬的作用，需要通過模擬結果了解模具能否充滿、擠壓力的大小和鍛件表面是否會產生缺陷。從圖中可以看出由于毛坯和上、下壓頭之間存在摩擦，導致鐓粗過程的不均勻性，出現(xiàn)單鼓形 。 模擬參數(shù)的設定 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 轉向節(jié)鍛造工藝模擬 四個工步中，鐓粗工步的模擬類型采用 Upsetting（鐓粗）類型，求解方法按系統(tǒng)默認采用有限元法分析，如圖 ；其余三個工步均采用 Close die（閉式模鍛）類型，按系統(tǒng)默認采用有限體積法分析，如圖 。 圖 42CrMo的物理屬性 圖 42CrMo的應力－應變曲線 Physics attributes of 42CrMo Stress and strain curve of 42CrMo （ 2）摩擦條件的設定 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)庫中調用，選用熱鍛工藝下的中等摩擦條件，其值為 ，如圖 。 在軟件中進行模具的裝配 轉向節(jié)鍛造工藝模擬 和毛坯的定位。此外，諸如部件幾何尺寸測量、變量數(shù)值詢問等結果解釋工具，也一并提供。 Simufact采用了分辨率增強技術（ RET）自動加密工件表面離散的小平面，提高對材料流動描述的精度。 （ 2）有限體積法求解技術 Simufact不僅采用傳統(tǒng)的有限元法求解金屬成形工藝問題，還首次應用有限體積法求解高度非線性大變形問題。更新的 Lagrangian描述的彈塑性分析在計算上雖實現(xiàn)起來不如剛塑性分析簡便，但可提供彈性應力、回彈、模具膨脹和工件殘余應力結果。 設備數(shù)據(jù)庫中包含鍛錘、曲柄壓力機、螺旋壓力機、液壓機、機械壓力機和輥鍛機的參數(shù)，用戶也可自定義工模具的運動方式。用戶可以根據(jù)自己應用 CAD軟件的具體情況選用相應的模塊，以便更方便的導入幾何模型。 工藝輸入模塊 Simufact 軟件的工藝輸 入即前處理模塊以結構化方式內置各種鍛造過程 ， 這就允許用戶組合用不同鍛造道次創(chuàng)建一個新的鍛造過程，通過拖放技術，易于在鍛造過程中 轉向節(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 是由功能極強的有限體積求解器和 Windows 風格的易用圖形界面無縫集成。