体积成形过程物理模拟技术的研究及应用

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-27 原文发表:2007-06-27 人气:1

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内容摘要:摘要：本文介绍了体积成形整体物理模拟技术的实施方案和主要技术要点，以及将该项技术用于模拟研究曲轴等典型锻件的成形过程，测定了变形力、错移力和关键部位的应变分布，提出了优化工艺设计、提高锻件成形质量及减少模具和设备磨损的具体措施。关键词：体积成形。物理模拟。应变场1 体积成形整体物理模拟技术在塑性加工过程中，为了研究新工艺、优化工艺参数、分析产品缺陷及其产生原因，预测工艺的可行性和变形力，常需要对成形过程进行模拟研究。

摘要：本文介绍了体积成形整体物理模拟技术的实施方案和主要技术要点，以及将该项技术用于模拟研究曲轴等典型锻件的成形过程，测定了变形力、错移力和关键部位的应变分布，提出了优化工艺设计、提高锻件成形质量及减少模具和设备磨损的具体措施。
关键词：体积成形；物理模拟；曲轴；应变场

1 体积成形整体物理模拟技术

在塑性加工过程中，为了研究新工艺、优化工艺参数、分析产品缺陷及其产生原因，预测工艺的可行性和变形力，常需要对成形过程进行模拟研究。本文作者研制的体积成形整体物理模拟技术方案如图1所示。

图1 体积成形整体物理模拟技术方案
Fig．1 The scheme of entire physical simulation for bulk forming 其主要技术要点如下：

1）模拟材料采用高分子材料和以碳酸钙为主要填充材料的塑性泥。如图2所示。其中：曲线1用于模拟钢的热锻成形，曲线2用于模拟钛合金的热锻成形，曲线3用于模拟铝材在常温下的成形[2]。由于模拟材料对温度较敏感，模拟一般应在20C以上的温度下进行，并同时测定模拟材料的应力应变特性。

图2 模拟材料的应力应变曲线 2）专用实验台配有10个测力传感器和6个微型压力传感器及一个位移传感器，
3）测试和计算系统由16通道动态应变仪和计算机、数据采集卡以及图像处理系统组成。
4）流动分析和应变计算采用三维网格和图像处理网格法。
采用该项系统可以模拟测定锻造成形过程中的变形力、局部压力、错移力、压力中心、材料填充应变性能、成形件特殊部位的材料流动和应变分布以及锻件缺陷产生过程等。

2 典型锻件成形过程的模拟研究

2.1 某重要锻件的模拟研究

该锻件形状复杂，技术要求高，成形难度大，现在使用的锻造技术是引进国外的专利技术。在实际生产中存在的主要问题是：设备偏载严重、错移力大、模具磨损快，锻件个别部位充填性能差并且容易产生折叠。

该锻件重18.6kg，毛坯尺寸为：Φ100*298mm。按1：1制坯并进行锻造模拟，模拟结果如下：

终锻工序的锻造力如图3所示，模具的错移力如图4所示，锻件终锻工序易出现缺陷部位的应变分布如图5所示。

图3 终锻工序的总变形力
Fig．3 The total deforming force during the final forging process

图4 模具错移力
Fig．4 Offset force of die

图5 终锻工序应变分布
Fig．5 Distribution of strain during the final forging 根据模拟测试计算结果得出如下结论：

1）终锻工序的变形力为41300KN，最大载荷时的压力中心位置偏移量为：X：-12.5mm，Y：80mm。

2）锻造过程中错移力的大小和方向都在变化，而且还存在很大的扭矩。模拟测定的最大错移力为1620kN。与实际模具的磨损部位和情况相符合。

3）根据应变计算和流动分析可以看出:由于原工艺是采用方型毛坯，利用轴向局部墩挤成形的方法聚积金属。但现有工艺采用的是圆型毛坯，而制坯和预锻模膛没有相应修改，造成制坯工序中的材料聚积效果不好、预锻工序中流动不合理、锻造过程中金属充填情况不稳定。导致在这些部位充填不满或产生局部折叠，无法保证缎件的成形质量。

根据上述研究分析，提出了具体改进措施，主要有以下几点：选择合理的坯料形状或合理设计制坯形状和模腔尺寸；局部修改预锻模腔和终锻模飞边，保证多余金属的“顺流”；调整模具的安装位置，使压力中心与设备加载中心重合；合理设计模具的定位锁扣等。按照上述改进措施来指导生产取得了较好的效果。

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