《材料加工数值模拟技术》
期末综述报告
题目：扭压复合加载之DEFORM模拟
学院：学号：姓名：指导老师：机械工程及自动化学院SY1107110
许亿
张彦华教授
2012
年6月
1 绪论
1.1课题的背景[1]
锻造成形是现代制造业中的重要加工方法之一。锻造成形的制件有着其他加工方法难以达到的良好力学性能。随着科技发展，锻造成形工艺面临着巨大的挑战：各行业对锻件质量和精度的要求越来越高，成本要求越来越低。这就要求设计人员在尽可能短的时间内设计出可行的工艺方案和模具结构。但目前锻造工艺和模具设计，大多仍然采用实验和类比的传统方法，不仅费时而且锻件的质量和精度很难提高。随着有限元理论的成熟和计算技术的飞速发展，运用有限元数值模拟进行锻压成形分析，在尽可能减少或无需物理实验的情况下，得到成形中的金属流动规律、应力场、应变场等信息，并据此设计工艺和模具，已经成为一种行之有效的手段。
锻造成形大多属于三维非稳态塑性成形，一般不能简化为平面或轴对称等简单问题来近似处理。在成形过程中，即存在材料非线性，又有几何非线性，同时还存在边界条件非线性，变形机制十分复杂，并且接触边界和摩擦边界也难以描述。应用刚(粘)塑性有限元法进行三维单元数值模拟，是目前国际公认的解决此类问题的最好方法之一。本文针对镦粗这一锻造中常用的加工方式，采用DEFORM数值模拟软件对其进行模拟，从而显现出数值模拟技术
的巨大优势。
2镦粗工艺的概述
2.1 镦粗的定义
自由锻是锻造常用的加工方法，自由锻造是利用冲击力或压力使金属在上下砧面间各个方向自由变形，不受任何限制而获得所需形状及尺寸和一定机械性能的锻件的一种加工方法，而镦粗是自由锻的一种常用加工方式，既使毛坯高度减小而横截面增大的成形工序，它可以用于以下几个方面：
1.由横截面积较小的坯料得到横截面较大而高度较小的锻件。
2.冲孔前增大坯料横截面和平整坯料端面。
3.提高下一步拔长时的锻造比。
4.反复进行镦粗与拔长可以破碎合金工具钢中的碳化物。
镦粗一般可分为平砧镦粗、垫环镦粗和局部镦粗三类。本文涉及的主要是平砧镦粗。
2.2 镦粗缺陷及问题
在镦粗过程中，由于工件与工具存在摩擦，阻碍金属流动，使成形所需的压力增加及导致不均匀变形，可能产生裂纹，鼓形等。同时在高温下镦粗时，温度降低快，屈服极限较高，产生不均匀变形更加明显。
如上图所示，开始镦粗后上下表面有摩擦力，阻碍金属向外流动，中间不存在摩擦力，而由于塑性变形总体积不变，所以出现了如图的鼓形。
因此，为提高锻件的质量和变形量，自由锻过程中应该尽量小鼓形，提高镦粗变形的均匀性，这对于难变形材料和锻件的镦粗尤为重要。
2.3 扭压复合加载成形[3]
为了提高镦粗变形的均匀性，现在提出一种新型的加工的方法—扭压复合加载成形。扭压复合加载成形的原理是在工件高度方向上施加压力的同时，使弓箭产生扭转运动，将被动摩擦转化为促进金属流动的主动摩擦的一种新型工艺。
扭压复合加载成形通过主动摩擦力给工件施加扭压的作用，迫使工件产生高度方向上的压缩变形和很界面上的剪切变形，以消除镦粗成形中摩擦的有害作用，促进金属的流动
（如下图所示），扭压成形时多出剪切应变，该剪切力在难变形区促进了晶粒的滑移流动，均匀性自然就提高了。
为了验证该加工方式的科学性和合理性，我们可以用数值模拟技术—deform对其进行
模拟分析，通过对普通镦粗和扭压复合加载镦粗实验的对比，得到更优的加工方式，从而在很大程度上降低实验所带来的繁琐。
3. DEFORM概述及实验模拟分析
3.1 DEFORM概述
Deform是针对复杂金属成型过程的三维金属流动分析的功能强大的过程模拟分析软件。该软件的理论基础是经过修订的拉格朗日定理，属于钢塑性有限元法，其材料模型包括刚性材料模型、塑性材料模型、多孔材料模型和弹性材料模型。Deform-2D的单元类型是四边形，deform-3D的单元类型是经过特殊处理的四面体，更容易实现网格重划分。后者在模拟金属成型过程中三维流动时可以提供极有价值的工艺分析数据及有关成型过程中的材料和温度
流动。典型应用包括锻造、摆碾、轧制、旋压、拉拔和其他成型加工手段。是模拟3D材料
流动的理想工具。不仅稳健性好，而且易于使用。Deform强大的功能模拟引擎能够分析金
属成型过程中多个关联对象耦合多用的大变形和热特性。系统中集成了任何在必要时能够自行触发自动网格重画生成器，生成优化的网格系统。在要求精度较高的区域，可划分细密的网格，从而降低题目的运算规模，并显著提高计算效率。
Deform图形界面既强大又灵活，为用户准备输入数据和观察结果提供了有效工具，还
提供了3D几何操作修正工具，这对于3D过程模拟极为重要。deform系统几十年来一贯秉承力保计算准确可靠地传统。
3.2 实验模拟与分析
3.2.1 实验模拟[2]
Deform模拟过程主要可分为以下几个步骤：
接下来就对以上给出的几个步骤进行详细的分解，从中我们能感受到deform的优越性便捷性。
首先我们进行材料的设置：毛坯材料为AL-2-17，高度80mm，直径60mm，单元网格10000。上
模为直径120mm，刚性，主动摸，垂直下压，下压速度为2mm/s，运动行程为40mm。对于普通
镦粗其角速度为0，扭压复合加载角速度为0.1745rad/s。下模直径为200mm，刚性，不动。
上模与工件及工件与下模的接触摩擦系数为0.12.加工温度为常温。
(1)设置模拟控制初始条件：主要是对模拟过程的单位(unite)及名称的设置。在simulation
control里的main进行。
(2) 输入对象模型：先添加模块，在预先利用pro-e或catia等三维成形软件绘制模拟所需要
的上模，下模，加工件。通过geometry的import object插入所需要的上下模及工件。并且
通过object positioning调整各制件在空间中的位置，使其完美接触。
(2)定义材料：该步骤主要是加工件的材料及性质定义和网格的划分，如属性为塑性，温度
设置模拟控制初始条件输入对象模型定义材料设置驱动条件
设置模拟控制信息
设置对象关系
生成数据文件
后处理及分析
为华氏68，材料为AL-2017。此外需要注意网格的划分，网格划分太大会降低模拟精确度，网格划分太小可提高模拟准确性，但模拟时间增加，降低了效率。所以选择合适的网格划分方式和网格划分大小很重要，我们可以使用generate mesh的功能预先生成网格，观察其是否均匀，达到我们的要求，若均匀，则可以Freview。材料的设置和网格的划分如下图所示。
（材料的定义）
（网格的划分）
(4) 设置驱动条件：因为上模是运动模，而下模是固定的，因此驱动条件主要是设置上模的运动参数。在本次镦粗实验室中，运动参数包括上模运动的方向，上模恒定的运动速度（constant value），此外还有上模的自转角速度及自转中心坐标。这些数据在上模的movement里面设置。界面如下图所示。
(5)设置模拟控制信息：该步骤在sumulation controls的step里进行。主要是对整个镦粗过程中的一些参数的设置，如整个加载过程的步数，每步前进的距离等。
[6]设置对象关系：该步骤即接触定义，定义变形体与模具之间以及模具之间可能产生的接触关系。变形的的温度、变形是待求量，变形体为接触体，刚性接触时只具有常温，起主动传递位移或合力作用。如果需要模具的温度变化，可将模具上要关心的部分离散成单元，定义成允许热传递的刚性接触体，可以与外界催在热交换。操作界面为inter-object，如下图所示。
[7]生成数据库文件：生成数据库文件（database generation）为预处理的最后一步，在点击check和generate后如果界面中无出现错误提示，说明可继续操作，进入后处理过程，若出现错误提示，则需要检查前期的设置是否出现错误。具体界面如下所示。
[8]后处理及分析：在经过计算机的一段时间的模拟计算后，可以进入后处理，通过后处理我们可以得到工件在镦粗过程中应力、应变等各种数据。
3.2.2 实验分析
首先我们可以通过宏观表面的观察来对比两种加工方式，如下为每8步的对比图，上面为普通镦粗，下面为扭压复合加载。
通过上面两组图的对比以及具体数值的计算，我们至少在宏观上可以发现从扭压成型可
以明显减小鼓形。K为鼓形系数,扭压鼓形系数只有2.4,而普通镦粗达到了12.5扭压复合加载成形所形成的鼓形明显比普通镦粗所形成的鼓形小。
接下了是镦粗的应变分析。下图为模拟出来的应变曲线和应变分布图，第二幅图为边扭压成型。
从上图应变曲线和应变分布图可以看出，扭压复合加载成型应变分布均匀，最大最小应变之比为1.742.普通镦粗难变形区，易变形区，小变形区应变相差较大，最大最小应变之比达到了10.55。可见扭压成型大大提高了均匀性
最后是应力分析。从下图应变曲线和应变分布图可以看出，第二幅图扭压复合加载成型。
从上图可以看出扭压复合加载成型应力分布均匀,特别是在难变形区和侧面鼓形处,这样使得变形均匀.而普通镦易变形区和小变形区相差大,这就使镦粗时鼓形不断加大。
通过分析，可以得出以下结论：扭压复合加载成型比普通镦粗更省力；扭压成型使变形体内应力应变分布均匀，基本消除了镦粗时坯料顶部的难变形性区和鼓形；实验结果与模拟结果基本一致，说明模拟的可靠性，因此我们可以用软件模拟进行实验，同时还可以变化各种参数，从而获得更详尽的数据，同时降低实验的成本，提高经济效益。
4 结束语
本文系统地介绍了deform软件，同时阐述了镦粗过程中产生的问题，针对这些问题，我们提出一种新型的加方式--扭压复合加载，为了验证这种加工方式的合理性和科学性，我们利用deform这一数值模拟技术，进行模拟。从而得到了各种数据，进行分析，于此同时我们还可以通过实验软件更换各种实验参数，取得不同的实验成果，最终得到镦粗的最佳参数。通过数值模拟分析，我们省去了实际实验操作所带来繁琐，大大提高了工作效率。
数值模拟在锻造成形中的应用虽不断深入，越来越广泛，但目前主要是模拟一些形状不太复杂、模具结构无飞边、加工只需要一个工步的成形过程。但随着模拟中一些关键技术的进一步发展及计算机硬件水平的提高，数值模拟在锻造成形的应用将会越来越广泛。
5 参考文献
[1] 王连东，刘助柏.圆柱体（H/D>1）在普通平板间镦粗时应力场计算的力学分块法.塑性工程学报.1994;1(3):20~28.
[2] 梁辰，王连东，刘国辉，刘助柏.圆柱体（H/D>1）在普通平板间镦粗时候应力场的数值模拟.第六届全国锻压学术年会.北京.1995
[3] 冯道武.镦粗变形规律实例分析.锻压技术.1995;(1):18.