锻造中横截面形状的数值模拟与优化

1.发展省力成形工艺

锻造的优点是锻件内部致密且组织比较均匀，性能高于铸件及焊接件，但缺点是需要较大的变形力，多年来人们一直在探求省力的锻造工艺与设计省力的工装。

从以下公式可以看出决定变形力F的主要因素及省力途径：

F=KR_eLA

式中 K——应力状态系数，又称拘束系数。对于异号应力状态，K＜1；对于三向压应力状态，K＞1，可能达到K=6甚至更高；

R_eL——流动应力，它表征材料在特定条件下抗塑性变形的能力，取决于所变形材料的成分、组织、变形温度、变形程度、变形速率等；

A——工件与模具的接触面积在主作用力方向上的投影。

由上述分析可以看出，省力的主要途径有三种：

（1）减小拘束系数K 实际上在生产中常采用分流的办法减少变形力，例如齿轮精锻时常采用环形毛坯，锻造时金属向外充满齿形，同时由于有一部分金属向内流动，避免用实心坯料压缩时的中部峰值应力，而使变形力降低，如图1-1-1所示。

在反挤压筒形件时，在工件中部增设储料杆局部正挤出一个储料杆（见图1-1-2），然后再去除掉，这样，可使变形力大幅度下降，图1-1-3表示设储料杆与否在压缩时的变形力分布对比情况。

（2）降低流动应力 属于这一类的成形方法有超塑成形及液态模锻（即半固态成形或近熔点成形），前者属于较低应变速率的成形，后者属于特高温度下的成形（见第五篇）。

（3）减少接触面积（见第五篇）。

2.发展精密成形工艺

近年来有一个名词叫净形锻造（Net shapeforging），指锻件不再加工。目前，已能够将精锻件的公差控制在0.01～0.05mm以内，德国已将汽车传动用的十字轴（见图1-1-4）、内外弧齿齿轮（见图1_-1-5）实现净形锻造。

在有些情况下，完全实现达到“净形”有困难，同时则有相应的名词“近净形”，于是有“近净形成形”，近净形锻造（Near net shape forging）。

很显然实现精密成形在模具方面要有严格的要求，图1-1-6为弧齿齿轮挤压的模具装置及产品零件图。

图1-1-3 带储料杆压缩与不带储料杆压缩时的压力分布对比曲线

图1-1-4 汽车传动用十字轴净形锻件

图1-1-5 汽车传动用内外弧齿齿轮“净形”锻件

图1-1-6 弧齿齿轮挤压的模具装置及产品零件图

该装置的特点为：

1）凸模球面自位支撑，可以避免侧向力。

2）下模有调节装置保证上下模同心。

3）下模有液压夹紧装置，保持对中夹持。

成形分为两个工步，即温态预成形挤压外齿的杯状坯，然后进行冷态精整成形（见图1-1-7），有限元分析表明只有预制坯的齿形为梯形才是最合适的，挤出的棒料齿形部分不加工仅切成一个个齿轮。

图1-1-7 弧齿齿轮成形的两个工步

3.采用复合工艺

锻造用的坯料可以是粉末烧结件，也可以用喷射成形制坯。图1-1-8为用喷射成形的坯料再进行锻造。

图1-1-8 用喷射成形的坯料再进行锻造

近年来半固态成形将铸锻复合是一种既节能又可得到相对精密且性能好的工件。另外，采用半固态成形又是一种低纤维复合材料与颗粒强化复合材料成形的好方法。

大环形件精密弯曲、精密焊接工艺。直径达8m以上的大法兰件由于运输困难，王仲仁等开发了大环形件精密弯曲、精密焊接工艺^[1，2]。其最大的优点是可以避免使用立车工序。这种方法的主要工序如图1-1-9所示：图a为锻方坯，其长度要大于每一个扇形段的长度，应预留出两端头部的加工量；图b为用龙门刨床加工出异型截面，含密封槽及与筒体连接的焊接坡口；图c为精密弯曲；图d为按弧长精确加工端头及对端头之间对焊用的焊接坡口；图e为组装成圆环；图f为法兰与筒体焊接，焊成带法兰筒体后在施工现场使用简易机床对密封面进行精加工。图1-1-10为大法兰的精密弯曲时的照片。考虑到在实际的弯曲过程中横截面将发生变化，可采用数值模拟的方法进行预报，然后根据预报结果对截面形状进行校正，确定在刨床上应保证的加工尺寸。弯曲件的尺寸变化的有限元数值模拟结果如图1-1-11所示。

4.扩大锻造过程模拟的应用范围

由于软件的日趋成熟及计算机价格的不断下降，CAD/CAM已被越来越广泛地得到应用。

值得强调的是锻造过程模拟已经能成功地优化模具结构设计、预报成形过程中可能出现折叠及充不满等缺陷，优化成形参数，预报模具型腔中的应力分布，避免局部开裂或过度磨损，数值模拟已经由纯学术研究走向实用。目前，已能预报工件内的应力应变速率的分布，必要时可以预报变形后的组织与性能。

图1-1-12所示为通过数值模拟进行模具形状优化来消除锻造过程中所产生折叠的例子。如图1-1-12所示导致锻件产生折叠的原因是模具形状设计不合理，经过修改模具使工件顶部实现在上模夹持的情况下压缩，可以完全消除折叠。(www.xing528.com)

图1-1-9 大法兰弯曲的主要工艺过程

a）锻方坯 b）加工异型截面 c）精密弯曲 d）加工端部和焊接坡口 e）组装成圆环 f）法兰和筒体组焊成一体

图1-1-10 大法兰的精密弯曲

图1-1-11 法兰弯曲后横截面的尺寸变化的有限元数值模拟结果

图1-1-12 通过数值模拟的方法优化模具形状消除折叠

a）模具形状优化前 b）模具形状优化后

5.微成形^[3-6]

塑性加工中的微成形是由微零件大量需求而引起的，这些微零件的大量需求并不仅是由于电器小型化而引起，随着医疗器械、传感器及光电子器械的发展，对微零件的需求也迅速增加。从生产成本及生产效率来看，塑性加工的方法要优越于集深度X射线光刻、电铸成模、微塑铸为一体的三维超微细加工工艺（LIGA工艺）。

所谓微成形习惯上是指至少所成形的零件有一个尺寸小于0.5mm，由于所使用的原材料的晶粒尺寸并没有多大变化，也就是说微零件的尺度与晶粒尺寸之比远小于常规零件的尺度与晶粒尺寸之比，因此两者之间不遵守相似规律。同样道理，微零件的表面积与体积之比也远大于常规零件的相应数值，相应地接触面积对微成形的影响要远大于常规零件的成形。图1-1-13形象地表示由于尺寸的变小而引起表层晶粒数相对于整体晶粒数的变化，图中λ_x为尺寸缩小倍数。

图1-1-13 体晶粒和面晶粒之间的关系^[3]

图1-1-14表示工件表面的凸起经压平后易形成闭式存放润滑剂的凹槽，如果表面尺寸很小，例如对于微成形就不容易形成存放润滑剂的凹槽。

因此，对于图1-1-15所示双杯挤压当工件直径由4mm降至0.5mm时，试验结果表明在使用挤压油作为润滑剂的条件下，随着试验件尺寸的减小，摩擦力显著增加，增加幅度可达20倍。

图1-1-14 开式和闭式凹坑

图1-1-15 双杯挤压试验

图1-1-16表示用直径0.3mm以下的线材镦锻的零件，为了对比图中右侧放置了火柴。

6.多点柔性成形

多点柔性成形是一种制造大曲率壳体工件的新成形方法^[7]，如图1-1-17所示。其实质是将下模离散成为多个可调节的小模具。为了避免小模具顶部在工件表面造成压痕，在离散的模具上放置一块钢板，产生连续的柔性表面。上模使用聚氨酯块组成，工件的两侧都有聚氨酯板覆盖。多点柔性成形主要可以通过调节下模的形状来制造所需工件，为了考虑工件弹复对成形精度的影响，可以通过调节小模具的高度进行模具形面修正，此类模具已被成功地用于大型风洞收缩型体弧板的制造。

7.复合材料成形

复合材料成形近年来有较快的发展，对于长纤维复合材料多采用半固态方法制造，K.Sigert研制了AlMg合金碳纤维增强的复合材料成形件^[8]，如图1-1-18所示，半固态成形的温度介于固相线与液相线之间，为577～638℃之间。其预制坯如图1-1-19所示，纤维与板材相间铺设，外边用铝箔包裹。

对于短纤维复合材料成形，需事先将短纤维压制成一个型坯然后将液体金属在压力下铸渗到纤维之间的空隙，冷却至半固态再挤压成形，胡连喜等在这方面曾作了研究^[9]。

张立斌曾对制备PM-SiC_p/2A12复合材料进行了研究，其工艺流程如图1-1-20所示，包套模具热压、闭式镦粗和等温热反挤压均在国产通用四柱液压机上进行。

经等温热反挤压塑性加工的PM-SiC_p/2A12复合材料具有良好的力学性能，与同种状态铸锭冶金2A12的室温拉伸性能相比，含SiC_p15%（质量分数）和20%（质量分数）的PM-SiC_p/2A12复合材料的条件屈服强度σ_0.2分别提高17.3%和24.6%，抗拉强度R_m分别提高2.5%和10.2%。

图1-1-16 线材镦锻所得零件

图1-1-17 多点柔性成形原理

1—小模 2—金属垫板 3—聚氨酯垫板 4—聚氨酯上模 5—坯料

图1-1-18 用半固态成形法制成的金属基复合材料成形件（214mm×24mm）及模具

图1-1-19 半固态成形前的复合材料预制坯

图1-1-20 PM-SiC_p/2A12复合材料的工艺流程^[10]