道釘加工工藝數(shù)值仿真分析

王 彤

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院，銀川750021）

0 引言

數(shù)值仿真是描述真實(shí)系統(tǒng)的現(xiàn)象及客觀規(guī)律的一種模擬方法，它是依據(jù)相關(guān)原理和規(guī)律建立系統(tǒng)的虛擬及物理模型[1]。通過系統(tǒng)的建模和仿真，可以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，減少時(shí)間，降低研究成本。精密鍛造工藝過程是指在零件鍛造過程中，通過模具和坯料的設(shè)定，在成形后不需要太多工加工，或不需后續(xù)的加工就直接成形的工藝成形技術(shù)。它是在普通鍛造的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種先進(jìn)加工工藝，其優(yōu)越性體現(xiàn)在機(jī)械性能好，材料利用率高，尺寸公差范圍小，表面質(zhì)量高等。因此精密鍛造已經(jīng)在建筑、航空、航天、汽車、能源等諸多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[2]。

本文所研究的零件為道釘，如圖1所示，滿足應(yīng)用和成形工藝的要求選擇材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼35，由于其本身的力學(xué)性能如優(yōu)良的塑性、一定的強(qiáng)度和良好的工藝性能，35鋼主要用于各種鍛件的生產(chǎn)。本文運(yùn)用加工成形工藝仿真軟件Deform-3D對(duì)道釘?shù)木懗尚芜^程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析成形過程中的金屬流動(dòng)特征、應(yīng)力應(yīng)變的分布狀態(tài)以及載荷的變化規(guī)律，為研究零件在加工成形過程中工藝規(guī)劃提供參考[3]。

圖1 道釘模型圖

1 道釘?shù)臄?shù)值模擬

1.1 模型的建立

采用CAD軟件SolidWorks建立鍛造模具的模具和坯料的立體仿真模型如圖2所示，并以stl格式將文件保存。將坯料和模具文件輸入Deform-3D中，建立其有限元仿真模型，用以仿真從坯料到終鍛的鍛壓變形工藝過程。眾所周知鍛壓過程中工件的主要變形為塑性變形，在建立其有限元模型設(shè)置中，工件模型應(yīng)設(shè)定理想剛塑性體，模具設(shè)定為剛性體[4]。

1.2 仿真參數(shù)

1.2.1 材料設(shè)定

根據(jù)零件性能，選擇AISI-1035COLD材料（35鋼），設(shè)計(jì)模擬溫度條件20℃。

1.2.2 模具速度參數(shù)

根據(jù)工藝過程數(shù)值模擬，選定上模具主運(yùn)動(dòng)模具，速度設(shè)定3 mm/s；下模具設(shè)為固定，速度設(shè)定0mm/s。

1.2.3 摩擦選定

根據(jù)條件設(shè)定剪切摩擦模型，由于冷鍛加工，選凸模與工件之間摩擦因數(shù)為0.12，凹模和工件間摩擦因數(shù)為0.12。

1.2.4 網(wǎng)格設(shè)計(jì)

Deform-3D中的網(wǎng)格設(shè)計(jì)方法有相對(duì)網(wǎng)格和絕對(duì)網(wǎng)格兩種，相對(duì)是通過選定總網(wǎng)格量和單元大小比例因子設(shè)定；絕對(duì)通過選擇最大或最小單元邊長(zhǎng)和比例因子設(shè)定。因?yàn)椴捎盟拿骟w網(wǎng)格中的絕對(duì)網(wǎng)格設(shè)定形式。網(wǎng)格總數(shù)量控制在5萬(wàn)，網(wǎng)格最小尺寸為0.5 mm，模擬步長(zhǎng)設(shè)為網(wǎng)格最小尺寸的1/3，如圖2 所示[5]。

圖2 毛坯及其網(wǎng)格劃分

2 有限元分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變分析

精鍛完成后道釘?shù)牡刃?yīng)變、等效應(yīng)力分布圖見圖3和圖4。根據(jù)有限元數(shù)據(jù)分析：等效應(yīng)變的最大值分布在零件的上邊部，等效應(yīng)力的最大值大部分分布在零件的上部，還有小量是底部。由于加工中金屬的流動(dòng)性影響，導(dǎo)致上邊部的等效應(yīng)變最大，同一位置的等效應(yīng)力也最大。釘?shù)咨倭繎?yīng)力大是由于此處的模具尺寸小，形狀較復(fù)雜的原因，應(yīng)力值略大，這與實(shí)際生產(chǎn)也相近，同樣與設(shè)計(jì)理論經(jīng)驗(yàn)相同[6]。

圖3 等效應(yīng)變分布圖

圖4 等效應(yīng)力分布圖

2.2 成形載荷分析

圖5所示為成形時(shí)鍛模Y向載荷分布，從圖中可看出一般鍛壓的三個(gè)階段:鐓粗、成形和靠模過程。

圖5 Y向載荷

在鐓粗過程中，受力比較小，曲線接近于緩慢上升，證明坯料在這個(gè)過程中受到力比較小，并且力的變化不大。

在變形增加過程中，材料要壓入模具中變形，因此受力較大，并且材料變形劇烈，載荷上升速度最大。

接近63步時(shí)，材料開始靠模，其變形更加劇烈，材料接近模具的圓角處時(shí)，壓力產(chǎn)生突變，后急速上升，這是由于頭部外側(cè)圓角處的空間比較小，金屬流動(dòng)比較困難而造成壓力迅速上升，載荷與等效應(yīng)力的分布一致。

2.3 材料流動(dòng)速度分析

為了分析材料流動(dòng)速度，選擇鍛造過程軸向切面做研究。上模運(yùn)動(dòng)、下模靜止、材料的流動(dòng)狀態(tài)如圖6和圖7所示。圖6選擇坯料下部充滿模具時(shí)的流動(dòng)布圖，由圖可以看出，在上模的加力的作用下，材料沿上模的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，在坯料下端充滿下模時(shí)坯料上端部分位移最大，也從此開始坯料沿軸向產(chǎn)生變形量。圖7所示為接近終止時(shí)模腔中材料的流動(dòng)情況，可以發(fā)現(xiàn)，釘頭頂部基本沒有位移，大位移還是體現(xiàn)在釘頭邊部，材料流動(dòng)速度最大，釘?shù)撞课灰屏恳草^小。

圖6 下模充滿時(shí)金屬流動(dòng)圖

圖7 接近終止的金屬流動(dòng)圖

3 結(jié)論

通過Deform-3D軟件的道釘加工成形過程的數(shù)值仿真研究，其過程是使用CAD軟件三維建模道釘毛坯、上、下模具，隨后將其導(dǎo)入Deform-3D軟件，同時(shí)設(shè)定參數(shù)，并對(duì)精鍛過程數(shù)值仿真。針對(duì)仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果，分別數(shù)值仿真分析了鍛造過程的應(yīng)力應(yīng)變、成形載荷和金屬材料流動(dòng)規(guī)律。針對(duì)仿真數(shù)據(jù)可以看出，Deform有限元軟件仿真模擬的金屬塑性變形規(guī)律，與實(shí)踐接近。因此運(yùn)用有限數(shù)值仿真分析，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義，具體分析可以對(duì)金屬加工過程工藝參數(shù)優(yōu)化，減少設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間，降低設(shè)計(jì)人員的工作量，顯著提高生產(chǎn)效率，節(jié)省成本。