【導(dǎo)讀】零件的生產(chǎn)尤為重要。轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車上的關(guān)鍵零件，它既支撐車體重量，又傳遞轉(zhuǎn)向力。研究該類鍛件的合理鍛造工藝對我國汽車工業(yè)零部件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重。該產(chǎn)品的鍛造工藝流程進行了模擬分析，并對其熱鍛模的再制造技術(shù)進行了系統(tǒng)研究。擬模型提供了理論依據(jù)。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。金屬的流動規(guī)律，以及等效應(yīng)力、應(yīng)變分布情況及行程—載荷曲線。問題，進行了模具的優(yōu)化設(shè)計，取得了良好的經(jīng)濟效益。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，而且極大地降低了成本，具有較大的應(yīng)用價值。

　　

【正文】 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。 （ 3） 預(yù)測變形工藝所需的變形力、應(yīng)力，以便模具設(shè)計及設(shè)備選用。 圖 表示塑性加工工藝模擬分析的一般框圖。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)果的解釋與評價，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)程以及利用大量實驗所確定的某一評價模型，如產(chǎn)品表面裂紋的生成模型。 Simufact 軟件 功能介紹 Simufact 工業(yè)制造過程仿真軟件包，其中用于鍛造工藝模擬的是 （ sfForming）功能模塊。 Simufact 是由功能極強的有限體積求解器和 Windows 風(fēng)格的易用圖形界面無縫集成。利用 Simufact 的鍛造仿真技術(shù)，能夠大幅度減少反復(fù)試驗，縮短鍛造工藝開發(fā)周期。 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(fù)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(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。 Simufact 軟件所包含的眾多功能模塊將鍛造工藝及其模擬分析作為一個有機系統(tǒng)，保證了整個模擬流程能順利進行。 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(shù)，易于在鍛造過程中 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。同樣利用拖放技術(shù)，將材料特性、壓機類型，摩擦和熱傳導(dǎo)及模型間的導(dǎo)熱等需要考慮的各種因素分配給模具和工件。 （ 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。 此外 Simufact還提供了第三方 CAD軟件支持模塊，包括 ACIS、 IGES、 DXF等模塊，分別提供對 ACIS、 IGES和 DXF格式的圖形的支持。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。 （ 2）多工步工序分析 Simufact同時集成二維和三維模擬模塊，可以從模擬結(jié)果中輸出變形后工件的幾何圖形，支持全自動多道次工序分析，提供的多步鍛造分析能夠自動將 2D軸對稱模擬向 3D模擬無縫過度，將 2D軸對稱分析的狀態(tài)量 ，作為進入后續(xù) 3D分析的初始狀態(tài)，繼續(xù)后續(xù)的 3D分析。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。 （ 3）數(shù)據(jù)庫支持 Simufact軟件擁有材料數(shù)據(jù)庫、加工設(shè)備數(shù)據(jù)庫和工模具摩擦條件數(shù)據(jù)庫等，數(shù)據(jù)庫為開放式結(jié)構(gòu)，用戶可以對數(shù)據(jù)庫進行修改和擴展。 設(shè)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。 系統(tǒng)提供多種材料的材料數(shù)據(jù)庫，包括：合金鋼、工模具鋼、銅、鋁等有色金屬、鈦合金和鋯基合金等，為成形工藝模擬提供可靠的材料 數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不僅包括材料的流動應(yīng)力、化學(xué)成分和一些熱傳導(dǎo)參數(shù)，還包含組織相變信息，例如再結(jié)晶、晶粒的長大等，以便進行微觀組織模擬。 模擬計算模塊 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。 （ 1）有限元法求解技術(shù) 既支持基于更新歐拉方法的剛塑性分析，也允許完成基于更新 Lagrangian的彈塑性分 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝模擬 析。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(yīng)力、回彈、模具膨脹和工件殘余應(yīng)力結(jié)果。 對非線性方程組的迭代解法是 NewtonRaphson。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。稀疏存儲迭代求解器具備了求解效率高、精度好的特點，能支持大規(guī)模的金屬成形分析。 （ 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題，還首次應(yīng)用有限體積法求解高度非線性大變形問題。金屬成形是高度非線性工藝過程，多數(shù)情形下毛坯形狀相當(dāng)簡單， 但最終產(chǎn)品的幾何形狀非常復(fù)雜，采用基于有限體積的材料流動模擬技術(shù)，突破了傳統(tǒng)有限單元技術(shù)模擬極度大變形材料流動的障礙。 軟件采用的固定在空間的有限體積 Eulerian網(wǎng)格技術(shù)，是一個固定的參考框架，單元由節(jié)點連接構(gòu)成，節(jié)點在空間上固定不動。非常適于精確模擬材料大變形問題，避免了用有限單元技術(shù)難于處理而又無法回避的三維網(wǎng)格的重劃分問題。 Simufact采用了分辨率增強技術(shù)（ 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。多道次鍛造過程，跟蹤材料表面的小平面數(shù)量會非常大。 軟件提供的圖形界面 網(wǎng)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(nèi)存反而減少。 模擬結(jié)果分析模塊 Simufact提供了高級結(jié)果可視化和動畫處理工具，自動輸入結(jié)果文件，支持等值線、速度矢量、切片、時程曲線、動畫等多種后處理功能，并且允許多窗口顯示，便于結(jié)果比較。此外，諸如部件幾何尺寸測量、變量數(shù)值詢問等結(jié)果解釋工具，也一并提供。從后處理結(jié)果可以直接觀測金屬的流動情況，了解是否能充滿模具；獲得行程－載荷曲線圖，以便選擇合適的加工設(shè)備；還可以發(fā)現(xiàn)鍛件是否出現(xiàn)缺陷。 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 。 初始毛坯采用軟件自帶的三維造型功能建立 φ 150 277mm 的圓柱坯料，考慮加熱到 1150℃ 后坯料的熱膨脹，坯料的實際高度為 280mm。 在軟件中進行模具的裝配 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝模擬 和毛坯的定位。 工藝參數(shù)的定義 （ 1）材料的定義 Simufact 軟件的 、可靠的材料數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不僅包括材料的流動應(yīng)力、化學(xué)成分和一些熱參數(shù)，還包含組織相變信息，例如再結(jié)晶、晶粒的長大等。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(diào)用。圖 42CrMo材料的一些物理屬性，圖 42CrMo的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。 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)庫中調(diào)用，選用熱鍛工藝下的中等摩擦條件，其值為 ，如圖 。 圖 摩擦條件的設(shè)定 Friction condition settings （ 3）溫度參數(shù)的設(shè)定 模具與坯料間的熱傳導(dǎo)系數(shù)，及對環(huán)境的熱輻射系數(shù)直接調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的參數(shù)，工作環(huán)境溫度設(shè)置為 50℃ 。圖 、 。 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝模擬 圖 毛坯溫度參數(shù)的設(shè)定 Blank temperature parameters’ settings 圖 模具溫度參數(shù)的設(shè)定 Die temperature parameter settings （ 4）壓力機參數(shù)的設(shè)置 根據(jù) 6300t熱模鍛壓力機的技術(shù)參數(shù)，可以從 Simufact軟件的機械設(shè)備數(shù)據(jù)庫選用機械壓力機類型，輸入相關(guān)的技術(shù)參數(shù)。 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 。 鐓粗工步壓力機行程為 40mm，可以在前處理窗口中預(yù)覽模具的運動方式，如圖 所示。有限元網(wǎng)格尺寸輸入 0，由系統(tǒng)自動劃分適合的網(wǎng)格無需用戶干預(yù)，其余模擬參數(shù)均按照系統(tǒng)默認。 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 。從圖中可以看出由于毛坯和上、下壓頭之間存在摩擦，導(dǎo)致鐓粗過程的不均勻性，出現(xiàn)單鼓形 。 圖 鐓粗前毛坯的外形 圖 鐓粗后的毛坯形狀 Blank shape before upsetting Blank shape after upsetting 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝模擬 圖 鐓粗過程溫度場分布圖 Temperature distribution chart during upsetting 圖 鐓粗過程等效應(yīng) 變分布圖 Equivalent effective strain distribution chart during upsetting 圖 ，由于模具溫度較低，所以毛坯與模具接觸的上下底面溫度較低，中間溫度較高。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 鐓粗過程的載荷 行程曲線 圖 Loadstroke curve during upsetting 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝模擬 圖 －行程曲線，從圖中看出其載荷基本上呈線性增加，最大載荷為 983KN。 擠壓成形過程模擬結(jié)果分析 擠壓工步是轉(zhuǎn)向節(jié)成形過程中的一個最為關(guān)鍵工藝，它起到預(yù)分配金屬的作用，需要通過模擬結(jié)果了解模具能否充滿、擠壓力的大小和鍛件表面是否會產(chǎn)生缺陷。 擠壓工步模擬的前處理過程與鐓粗過程相似，只是擠壓所需的毛坯是鐓粗結(jié)束后的坯料， Simufact軟件支持多工步成形分析，可以自動導(dǎo)出上一工步成形后坯料的幾何模型和溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)信息，如圖 。 圖 多工步間的數(shù)據(jù)傳遞