【正文】 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束后的坯料， Simufact軟件支持多工步成形分析，可以自動導出上一工步成形后坯料的幾何模型和溫度、應力、應變等數(shù)據(jù)信息，如圖 。 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 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。 鐓粗工步壓力機行程為 40mm，可以在前處理窗口中預覽模具的運動方式，如圖 所示。 圖 摩擦條件的設定 Friction condition settings （ 3）溫度參數(shù)的設定 模具與坯料間的熱傳導系數(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)境溫度設置為 50℃ 。 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力、化學成分和一些熱參數(shù)，還包含組織相變信息，例如再結晶、晶粒的長大等。從后處理結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備；還可以發(fā)現(xiàn)鍛件是否出現(xiàn)缺陷。多道次鍛造過程，跟蹤材料表面的小平面數(shù)量會非常大。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簡單， 但最終產(chǎn)品的幾何形狀非常復雜，采用基于有限體積的材料流動模擬技術，突破了傳統(tǒng)有限單元技術模擬極度大變形材料流動的障礙。 對非線性方程組的迭代解法是 NewtonRaphson。 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力、化學成分和一些熱傳導參數(shù)，還包含組織相變信息，例如再結晶、晶粒的長大等，以便進行微觀組織模擬。 （ 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。同樣利用拖放技術，將材料特性、壓機類型，摩擦和熱傳導及模型間的導熱等需要考慮的各種因素分配給模具和工件。利用 Simufact 的鍛造仿真技術，能夠大幅度減少反復試驗，縮短鍛造工藝開發(fā)周期。 圖 表示塑性加工工藝模擬分析的一般框圖。其中，前置處理部分和后置處理部分又是建立在計算機圖形處理系統(tǒng) (或平臺 )的基礎之上。 （ 2）轉向節(jié)鍛造工藝分析： 該轉向節(jié)的鍛造工藝必須采用立鍛工藝，工藝設計采用熱擠壓 — 模鍛復合成形工藝，具體工步為：鐓粗 — 擠壓 — 預鍛 — 終鍛。此外，對后續(xù)加工還備有一副切邊模和一副校正模。經(jīng)測量和分析，確認主要是坯料實際重量的大小、鍛造溫度的高低及擠壓高度不當造成。在轉向節(jié)鍛造各工步中，擠壓工步變形力最大，是鍛造設備選型的主要依據(jù)。 （ 5） 切邊及校正 鍛件的切邊與校正均在 8000kN切邊壓力機上完成。 (a)鐓粗 (b)擠壓 (c)預鍛 (d)終鍛 圖 轉向節(jié) 成型工 步 圖 Forming steps of steering knuckle （ 1） 鐓粗工步 其目的是經(jīng)過鐓粗，去除毛坯表面的氧化皮，控制其高度，鐓粗量大致為毛坯原高度的 10％ ，鐓粗后的毛坯翻轉 90度 后能方便地放入擠壓模膛。在鍛壓機上要達到這個要求，其關鍵為：第 一 材料要合理分配；第二，要有制坯工位設計。 轉向節(jié) 工藝 的 分析 從圖 ，該轉向節(jié)的鍛造工藝必須采用立鍛工藝。 轉向節(jié)鍛造工藝分析 轉向節(jié)的結構分析 斯太爾 載重汽車 轉向節(jié) （簡稱斯太爾轉向節(jié)，下同） 鍛件如圖 。 (5)兩步法閉塞側彎擠壓精密成形工藝 可分凹模閉塞鍛造技術是在 20世紀 70年代以后，一些工業(yè)發(fā)達國家逐步研制和推廣的一項新型模鍛工藝，它屬于精密成形技術。 該工藝的缺點是：工序多、能耗大、材料利用率低、鍛件成本高、金屬流線不完整。 (2)劈爪成形工藝 整個成形工 藝主要由自由鍛制坯和錘上鍛造成形組成，其工藝路線為：下料 — 加熱— 圓料壓扁 — 劈爪 — 拔長左爪 — 錘上鍛造成形。 半固態(tài)成型工藝的優(yōu)點是：一個工步內(nèi)即可做出形狀復雜和尺寸精確的轎車轉向節(jié)，機械加工余量小，材料利用率高，加工成形件 的 質量輕，無空洞性缺陷和夾雜物缺陷。汽車轉向節(jié)幾何形狀復雜，該產(chǎn)品大量的市場需求和可觀的技術附加值，被技術先進的國家視為專有技術，生產(chǎn)工藝方案很少公布。 轉向 節(jié)鍛造工藝設計 3 轉向節(jié)鍛造工藝 設計 轉向節(jié)是汽車上的關鍵零件，它既支撐車體重量，又傳遞轉向力矩和承受前輪剎車制動力矩，因此對其機械性能和外形結構要求嚴格，是汽車上的重要安全零件之一。 有限元技術基本理論 (6) 用速度修正量對初始速度場進行修正，重復步驟 (2)~(6)，直到速度場收斂。 (2) 計算單元剛度矩陣和節(jié)點力向量。 判斷迭代收斂的常用方法有兩種準則。式 ()又可以寫成如下形式： fVK ?? () 當速度的修正值 V? 求得后，就可用 0V +? V? 對 0V 進行修正，其中 ? 是一個介于0~1 之間的數(shù)，稱為衰減因子。將式 ()代入式 ()，得： dSuFdVE iS iijV ij F ??????? ?? ??? )(＝ ＝ 0 () 有限元技術基本理論 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。即對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，其真實解使下列泛函 dSuFdVE iS iijV F?? ?)(?? ?＝ () 取駐值，即一階變分為零。一般多采用罰函數(shù)法。 有限元技術基本理論 采用 Lagrangian 乘子法構成的泛函為： dVdSuFdV ijV ijiS iV F ?????? ??? ?? ??＝ () 式中， ? 為 Lagrangian 乘子。 (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。 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 金屬塑性成形過程中，材料塑性變形的物理過程相當復雜，為此必須作出一些假設，即把變形中某些過程理想化，以便于從數(shù)學上進行處理。在保證足夠的工程精度的前提下，可提高計算效率。 有限元技術基本理論 2 有限元技術基本理論 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。 針對模擬所發(fā)現(xiàn)的問題，進行了模具的優(yōu)化設計。 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 模型進行模擬提供了 理論 依據(jù) 。本文采用的失效鍛模的再制造技術方案 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械手進行堆焊，仿型或注滿模腔部位。 再制造工程， 就是 對廢舊產(chǎn)品 采用 高科技 恢復 維修的 工程 ，從 20 世紀末開始萌生并發(fā)展。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。 因此，鍛造企業(yè) 始終 千方百計地尋求降低成本的方法。 然而， 即使最智能化的 CAD/CAM系統(tǒng)，也需要設計人員來 制定加工工藝， 選擇合適的刀具、切削參數(shù)等 等。與之同步發(fā)展的計算機 軟 硬 件 技術 也得到 迅速發(fā)展，過去二十年中，大量的 CAD/CAM系統(tǒng)在制造行業(yè)中得到廣泛應用，使復雜零件的編程變得越來越簡單，所有這些共同促進了數(shù)控技術在模具行業(yè)中的廣泛應用。 上 世紀 70 年代，開始出現(xiàn) 了 CAD 和 CAM 集成的趨勢，即 CAD/CAM 集成系統(tǒng)。為了適應 市場 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 方法的應用，大大 提高了模具制造的精度 和效率。通過 Deform 強大的處理程序對模擬結果進行分析，為解決問題提供了理論依據(jù)。 鍛件采用剛塑性材料模型 ， 成形過程看作為等溫成形。 （ 2） 李尊榮等 [16]以 連桿、轉向節(jié)和曲軸鍛造生產(chǎn)線的設計為例，介紹利用參數(shù)解析法計算變形力，利用計算機輔助設計剖析每一步的變形過程，運用物理模擬變形過程中出現(xiàn)的各種問題，獲得了合理的工藝方案。這是有限體積法吸引人的優(yōu)點。有限體積法完全避免了有限單元技術和 Lagrange方法難以處理又無法回避的三維網(wǎng)格重劃分問題。其基本思路是：將計算區(qū)域劃分為一系列不重復的控制體積，并使每個網(wǎng)格點周圍有一個控制體積；將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程。 解決數(shù)值模擬網(wǎng)格再劃分問題，一方面可從網(wǎng) 格再劃分技術著手，研制完善的網(wǎng)格 緒 論 自動生成器。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題。 數(shù)值模擬法 數(shù)值模擬法 是 以電子計算機為工具，用現(xiàn)代數(shù)值方法求解塑性加工問題的方法 。但是計算中要對材料和邊界條件做較多的簡化，只能對典型的簡單塑性加工問題進行定性或有限的定量研究，難以準確估計變形力、工件形狀變化、應力場、應變場、溫度場以及金屬流動趨勢。上限法本質上 緒 論 已 包含了多余功。其目的是在許可速度場中確定最小上限解和在靜可容應力場中 確定最大的下限解。滑移線法在數(shù)學上較為嚴謹，理論上也較為完善，盡管受到自己的假設條件的限制，但在計算工模具局部應力與變形、死區(qū)范圍、形狀以及自由表面輪廓形狀的變化等方面仍能給出非常精確和詳細的數(shù)據(jù)，而且還可求出變形金屬在平面各點的應力狀態(tài)及金屬流動的趨勢。該方法假設變形區(qū)有許多 規(guī)則切塊組成，這些切塊變形均勻，這 往往 與實際的變形情況不相符。從板料成形到體積成形，從正向模擬對成形結果的預測到反向模擬對預成形件的設計，從同時考慮變形和熱傳導的熱力耦合分析到對工件微觀組織的預測 等等 ，顯示了該技術在塑性加工領域中