【文章內(nèi)容簡介】 削 加 工 。 加工工藝方案 可 有多種選擇，銑削工序也有多種組合。 然而， 即使最智能化的 CAD/CAM系統(tǒng)，也需要設(shè)計(jì)人員來 制定加工工藝， 選擇合適的刀具、切削參數(shù)等 等。 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]。 熱鍛模的再制造 模具的質(zhì)量和使用壽命是影響鍛造企業(yè)成本的重要因素之一。然而，中國模具行業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比存在著開發(fā)技術(shù)不成熟、產(chǎn)業(yè)化程度不高、專業(yè)化分工不細(xì)和人才匱乏等問題；而且，目前國內(nèi)模具材料市場仍落后于模具 工業(yè)的需要，主要是模具材料品種少、質(zhì)量低和中低端產(chǎn)品供大于求等問題；以上原因最終導(dǎo)致國內(nèi)鍛造企業(yè)使用的模具失效頻繁、模具的鍛打壽命不高， 從而使 模具成本提高，最終影響到企業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)效益。 因此，鍛造企業(yè) 始終 千方百計(jì)地尋求降低成本的方法。 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 。 模具失效后，傳統(tǒng)修復(fù)工藝是落面修復(fù)。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)。該工藝加工工序多、周期長、模具能落面次數(shù)少、模具壽命短。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。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)作廢鋼賣掉，造成大量模具鋼材浪費(fèi)。 而 有些模具因本身尺寸比較小，根本就不能通過落面修復(fù)，只能再 行 新制模具。 再制造工程， 就是 對(duì)廢舊產(chǎn)品 采用 高科技 恢復(fù) 維修的 工程 ，從 20 世紀(jì)末開始萌生并發(fā)展。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。再制造加 緒 論 工 主 要 是 針對(duì)達(dá)到物理壽命和經(jīng)濟(jì)壽命而報(bào)廢的產(chǎn)品，在失效分析和壽命評(píng)估的基礎(chǔ)上，把有剩余壽命的廢舊零部件作為再制造毛坯，采用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行加工，使其性能迅速恢復(fù)，甚至超過新品。 鍛模的再制造可大幅度的降低模具成本，從而降低鍛件成本。本文采用的失效鍛模的再制造技術(shù)方案 是 ： （ 1）用碳弧氣刨等工藝清理失效的鍛模的模腔，用大直徑焊條或焊絲配合機(jī)械手進(jìn)行堆焊，仿型或注滿模腔部位。 （ 2）采用數(shù)控高速硬銑削技術(shù)加工型腔。 本文的研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 本文以 斯太爾載重汽 車轉(zhuǎn)向節(jié)（簡稱斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)，下同）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，具體內(nèi)容如下： 第一章： 緒論。介紹課題的研究背景、塑性加工模擬技術(shù)的發(fā)展及在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)中的應(yīng)用現(xiàn)狀、 鍛模的制造技術(shù) 相關(guān)問題 。 第二章：介紹剛塑性／剛粘塑性有限元基本理論及其求解過程，為 建立 數(shù)值 模型進(jìn)行模擬提供了 理論 依據(jù) 。 第三章 ： 研究 了 轉(zhuǎn)向節(jié) 典型生產(chǎn)工藝。 對(duì) 斯太爾 轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行工藝分析，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 。 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。 針對(duì)模擬所發(fā)現(xiàn)的問題，進(jìn)行了模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 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) 。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。 第 六 章： 總結(jié) 。 有限元技術(shù)基本理論 2 有限元技術(shù)基本理論 金屬塑性成形數(shù)值模擬過程最常用的有限元法為剛塑性有限元法和剛粘塑性有限元法。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程。在實(shí)際的金屬塑性變形中，彈性變形部分遠(yuǎn)小于塑性變形部分，尤其對(duì)于體積成形來說，可以忽略彈性變形的影響，采用剛塑性或者剛粘塑性材料模型進(jìn)行求解，不僅能夠得到令人滿意的精度，還可以大大簡化有限元列式和求解過程。同時(shí)，與彈塑性有限元法相比較，可采用較大的時(shí)間增量步長。在保證足夠的工程精度的前提下，可提高計(jì)算效率。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)形可通過在離散空間對(duì)速度的積分而獲得，從而避開了應(yīng)變與位移之間的幾何非線性問題。所以 ， 剛塑性 /剛粘塑性有限元法自 20 世紀(jì) 70 年代提出之后發(fā)展迅速，尤其在塑性加工領(lǐng)域的應(yīng)用更是如此。目前它已成為對(duì)金屬塑性成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬的重要手段 [23,24]。 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) 金屬塑性成形過程中，材料塑性變形的物理過程相當(dāng)復(fù)雜，為此必須作出一些假設(shè)，即把變形中某些過程理想化，以便于從數(shù)學(xué)上進(jìn)行處理。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 塑性力學(xué)基本方程 剛塑性 /剛粘塑性材料發(fā)生塑性變形時(shí)，應(yīng)滿足下列基本方程組： (1) 平衡微分方程 (運(yùn)動(dòng)方程 ) 0, ?jij? () (2) 速度 應(yīng)變速率關(guān)系方程 (幾何方程，協(xié)調(diào)方程 ) )(21 , ijjiij ??? ??? () (3) LevyMises 應(yīng)力應(yīng)變率關(guān)系方程 (本構(gòu)關(guān)系 ) 有限元技術(shù)基本理論 ijij ??? ???? () ??? ?? 23? () 式中，ijij??? ??? 32＝為等效應(yīng)變速率，ijij??? ??? 23為等效應(yīng)力。 (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)。 (5) 體積不可壓縮條件 0?ijij???? ?? ＝ () (6) 邊界條件 邊界條件分為力面邊界條件和速度邊界條件，分別為： 在力面 FS 上， ijij Fn ?? () 在速度面 US 上， ii uu? () 對(duì)于理想剛粘塑性材料，除了屈服條件中材料模型外，其它方程和條件都相同。 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)可容速度場中，真實(shí)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。 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比較困難，而僅滿足邊界條件的速度場則比較容易找到。因此，在實(shí)際求解時(shí)，往往采用 Lagrangian 乘子法或罰函數(shù)法將體積不可壓縮條件引入泛函 (式 )中，得到新泛函。 有限元技術(shù)基本理論 采用 Lagrangian 乘子法構(gòu)成的泛函為： dVdSuFdV ijV ijiS iV F ?????? ??? ?? ??＝ () 式中， ? 為 Lagrangian 乘子。 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。 罰函數(shù)法不需額外增加求解未知數(shù)和半帶寬，可以省內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間，而且收斂速度快。罰函數(shù)法著眼于數(shù)學(xué)角度來處理體積不變條件，不像 Lagrangian 乘子法中的 ? 具有明確的物理意義。一般多采用罰函數(shù)法。 Lagrangian 乘子 ? 具有明確的物理意義： m??? (靜水壓力 )，這 在分析應(yīng)力場時(shí)尤為重要。而罰函數(shù)法只能求出應(yīng)力偏量，無法求得平均應(yīng)力，但可以證明平均應(yīng)力vm ??? ?? 。 而對(duì)于剛粘塑性材料， Hill 提出了剛粘塑性變分原理。即對(duì)于剛粘塑性邊值問題，在滿足幾何方程、體積不可壓縮條件及位移速度邊界條件的一切容許速度場中，其真實(shí)解使下列泛函 dSuFdVE iS iijV F?? ?)(?? ?＝ () 取駐值，即一階變分為零。 dSuFdVE iS iijV ij F ??????? ?? ??? )(＝ () 式中， )(ijE?? 表示塑性變形功率函數(shù)，是凸函數(shù)。實(shí)際推導(dǎo)公式時(shí)，涉及到 )(ijE?? 的具體表示，它與材料模型公式密切相關(guān)。 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)。將式 ()代入式 ()，得： dSuFdVE iS iijV ij F ??????? ?? ??? )(＝ ＝ 0 () 有限元技術(shù)基本理論 上述變分原理與 Markov 變分原理一樣，可以用 Lagrangian 乘子法和罰函數(shù)法引入體積不可壓縮條件。 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(jìn)行線性化處理和采用NewtonRaphson 迭代法進(jìn)行速度場迭代求解。 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)。 為了求解上述非線性方程，采用 NewtonRaphson 方法進(jìn)行迭代，把式 ()用 Taylor級(jí)數(shù)在 0VV? (初始值 )展開，忽略二階以上的高階微量，保留線性部分得： 020???????? ?? ???????? ???? JvvJIvvI oVVVV ?? () 式中， JV? 是對(duì)速度 0V 的一階修正。式 ()又可以寫成如下形式： fVK ?? () 當(dāng)速度的修正值 V? 求得后，就可用 0V +? V? 對(duì) 0V 進(jìn)行修正，其中 ? 是一個(gè)介于0~1 之間的數(shù)，稱為衰減因子。如此迭代下去，直到速度修正量小到可以忽略。初始假設(shè)的速度值應(yīng)接近于真實(shí)解，否則會(huì)出現(xiàn)迭代不收斂。常用直接迭代法求解初始速度場。 判斷迭代收斂的常用方法有兩種準(zhǔn)則。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)。 圖 所示為剛塑性 /剛粘塑性有限元分析系統(tǒng)程序