【正文】 圖 模擬參數(shù)的設(shè)定 Settings of simulation parameters 鐓粗工步模擬結(jié)果分析 鐓粗壓下量為 40mm，鐓粗后毛坯高度為 240mm，初始坯料鐓粗的幾何模型如圖 所示，鐓粗完成后的毛坯形狀如圖 。 模擬結(jié)果分析模塊 Simufact提供了高級(jí)結(jié)果可視化和動(dòng)畫(huà)處理工具，自動(dòng)輸入結(jié)果文件，支持等值線、速度矢量、切片、時(shí)程曲線、動(dòng)畫(huà)等多種后處理功能，并且允許多窗口顯示，便于結(jié)果比較。 （ 3）數(shù)據(jù)庫(kù)支持 Simufact軟件擁有材料數(shù)據(jù)庫(kù)、加工設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)和工模具摩擦條件數(shù)據(jù)庫(kù)等，數(shù)據(jù)庫(kù)為開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，用戶可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改和擴(kuò)展。 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝模擬 （ 2） 確定材料與工藝的可成形極限性，即確定工件成形后是否出現(xiàn)表面或內(nèi)部缺陷。這樣擠壓工步的鍛造力在生產(chǎn)線上得到滿足。但是，由于轉(zhuǎn)向節(jié)細(xì)長(zhǎng)的桿部在鍛壓機(jī)上延伸困難，而且頭、 尾之截面相差太大，為了保證 鍛件的充滿，經(jīng)反復(fù)論證，采用了熱擠壓— 模鍛復(fù)合成形工藝。 (3)制坯彎曲終鍛工藝 國(guó)外采用在熱模鍛壓力機(jī)上鍛造轎車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)，其工藝路線為：下料 — 加熱 — 開(kāi)式墩擠制坯 — 去連皮 — 彎曲 — 終鍛 — 切邊。重復(fù)步驟 (2)~(7)，直到所需的變形程度。 變形體經(jīng)離散化后，能量泛函就成為各節(jié)點(diǎn)速度的函數(shù)，能量泛函取駐值的條件是： 0)()(?????? ?jj II VV?? () 式中， (j)表示第 j 個(gè)單元， I 為節(jié)點(diǎn)編號(hào)。 利用 Markov 變分原理對(duì)變形體進(jìn)行數(shù)值求解， 欲求既滿足速度邊界條件，又能滿足體積不可壓縮條件的速度場(chǎng)比較困難，而僅滿足邊界條件的速度場(chǎng)則比較容易找到。對(duì)比了制造新模具與利用焊接新技術(shù)修復(fù)再制造模具的成本，結(jié)果表明 再制造模具 不僅 壽命 大大增加增加， 而且極大地 降低 了 成本。而且落面的鋼材以及最后不能再落的模具鋼材都會(huì)被當(dāng)作廢鋼賣(mài)掉，造成大量模具鋼材浪費(fèi)。 1955 年 MIT 研制成功了自動(dòng)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)。 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(duì)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(duì)稱模型 ， 推導(dǎo)出了簡(jiǎn)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(guò)程中鍛造變形力的變化規(guī)律 。另一方面，也可以采用別的方法來(lái)避開(kāi)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。但由于速度場(chǎng) 是 采用剛性塊組成的不連續(xù)速度場(chǎng)，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。 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。這種 “反復(fù)試 制直到模具設(shè)計(jì)合理” 的工藝 是傳統(tǒng)塑性加工技術(shù)的重要特征，它使得產(chǎn)品質(zhì)量靠檢驗(yàn)來(lái)保證，而不是融入設(shè)計(jì)、制造的全過(guò)程。 最后， 介紹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)。 確定了設(shè)備噸位，給出了轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造工藝流程，并介紹了轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造主要成形模具的結(jié)構(gòu)及類型等內(nèi)容。 其中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是模具的設(shè)計(jì)和制造。 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(lái)，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(lái)越廣。由此上限功率求出的變形力是該變形力的上限值。但對(duì)于復(fù)雜、大變形塑性成形問(wèn)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(dòng)，變形程度大時(shí)，會(huì)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。 汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造過(guò)程有限元模擬 應(yīng)用現(xiàn)狀 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造過(guò)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(kāi)發(fā)的剛塑性有限元模擬計(jì)算程序 MAFAP，通過(guò)選取典型截面，對(duì)整個(gè)變形過(guò)程進(jìn)行模擬和折疊缺陷分析。 1962 年美國(guó)麻省理工學(xué)院（ MIT） 發(fā)表了《 SKETCHPAD—— 人機(jī)對(duì)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)。典型的 工 藝路線 是 ：模具退火 → 根據(jù)模具受損情況下沉模具型腔 10～ 50mm → 粗銑預(yù)鍛、終鍛模具型腔 → 銑壓彎型腔 → 熱處理 → 修檢驗(yàn)角 → 修燕尾、定位鍵槽 → 電加工預(yù) 鍛、終端型腔 → 鉗磨、拋光型腔 → 灌型 → 檢驗(yàn)。 第四章： 研究了 有限元模擬系統(tǒng)組成及三維有限元模擬軟件 Simufact，并利用Simufact 軟件建立了轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝數(shù)值模型，對(duì)擠壓、預(yù)鍛和終鍛過(guò)程進(jìn)行模擬， 分析 各 工步的金屬流動(dòng)規(guī)律，給出各工步等效應(yīng)力、應(yīng)變分布及行程壓力曲線。 (4) Mises 屈服準(zhǔn)則 221 ??? ??? ijij () 式中，3???，對(duì)于理想剛塑性材料， ? 為常數(shù)。 設(shè)剛粘塑性材料模型公式為： ),( T???? ?＝ () 則對(duì)應(yīng)的功率函數(shù)可以表示為： ?? ??? ?? ????? ?? ??? 00)( ddE ijijij ij () 這樣，若剛粘塑性材料模型公式 ()一旦給定，則可以由上式積分得到對(duì)應(yīng)的功率函數(shù)。 (5) 解總體剛度方程，得到速度修正量。該工藝現(xiàn)處于研究和小批量生產(chǎn)階段。轉(zhuǎn)向節(jié) 的 材料為 42CrMo，鍛件質(zhì)量 33kg，坯料選用 150mm熱軋圓鋼，質(zhì)量為 。 按斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)計(jì)算，知： K=， F=930，P=43524(kN)。按照實(shí)施成形過(guò)程模擬的流程 (如圖 )，模擬系統(tǒng)的功能大致可分為前置處理 (Preprocessing)部分、有限元求解 (Simulation)部分和后置 處理 (Postprocessing)部分。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。 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。 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 ，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 。 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 。 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。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。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)。 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。 (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)。汽車(chē)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。如此迭代下去，直到速度修正量小到可以忽略。 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。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。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。 熱鍛模型腔復(fù)雜，加工較困難。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。 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)。 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。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(duì)問(wèn)題的假設(shè)程度。采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)鍛造過(guò)程進(jìn)行模擬分析，可預(yù)測(cè)成形過(guò)程中的金屬流動(dòng)情況、溫度、速度、應(yīng)力應(yīng)變、壓力等物理場(chǎng)量的分布及變化情況，以及模具應(yīng)力及變形狀態(tài)，判斷鍛件是否產(chǎn)生折疊、充不滿和過(guò)熱等缺陷，以及模具是否會(huì)過(guò)早破壞， 可以指導(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 。 參考文獻(xiàn) ...........................................................................................................53 緒 論 1 緒 論 課題的研究背景 鍛造是金屬加工的一種重要的工藝方法，它不僅生產(chǎn)效率高、原材料消耗少，而且可以有效地改善金屬材料的力學(xué)性能和組織。 本文以 斯太爾載重汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件為研究對(duì)象，以 UGNX、 Simufact 軟件為基礎(chǔ)，對(duì)該產(chǎn)品的鍛造工藝流程進(jìn)行了模擬分 析，并對(duì)其熱鍛模的再制造技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。 隨著中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，鍛 件的需求量會(huì) 持續(xù)增長(zhǎng)。對(duì)于汽車(chē)制造業(yè)來(lái)說(shuō)，未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)核心將是新產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)，如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、短周期的汽車(chē)零件的開(kāi)發(fā) 、生產(chǎn) ，是贏得汽車(chē)市場(chǎng)的關(guān)鍵。其目的是在許可速度場(chǎng)中確定最小上限解和在靜可容應(yīng)力場(chǎng)中 確定最大的下限解。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(wèn)題。這是有限體積法吸引人的優(yōu)點(diǎn)。為了適應(yīng) 市場(chǎng) 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。 因此，鍛造企業(yè) 始終 千方百計(jì)地尋求降低成本的方法。 第二章：介紹剛塑性／剛粘塑性有限元基本理論及其求解過(guò)程，為 建立 數(shù)值 模型進(jìn)行模擬提供了 理論 依據(jù) 。 剛塑性 /剛粘塑性有限元基本方程 剛塑性 /剛粘塑性材料基本假設(shè) 金屬塑性成形過(guò)程中，材料塑性變形的物理過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，為此必須作出一些假設(shè)，即把變形中某些過(guò)程理想化，以便于從數(shù)學(xué)上進(jìn)行處理。即對(duì)于剛粘塑性邊值問(wèn)題，在滿足幾何方