基于DEFORM－3D的锻压数值仿真分析

田静

（甘肃省特种设备检验检测研究院，甘肃 兰州 730050）

多年来，锻造行业概念不清，学术概念与行业概念混淆。随着锻造工业的发展，锻造工业的概念越来越清晰，这也是锻造工业发展的重要标志。在发达国家，锻造业是锻造、冲压、钣金和制造业的总称。一种成形加工方法，是利用锻压机械的锤、砧座、冲头对坯料施加压力产生塑性变形，从而获得所需零件的形状和尺寸［1-10］。近年来，随着科学技术的发展，锻造工艺得到了稳步的改进，被加工零件的内在质量性能、形状复杂度和尺寸精度都有了很大的提高［11］，已突破了毛坯锻造，正向部分或全部取代切削加工的方向发展，如锻压工艺与磨削工艺相结合将取代大部分的切削加工。冲压和钣金是金属板材、管材和型材塑性加工的基本方法之一。它是一种利用冲压和钣金设备提供动力的加工工艺，借助模具控制坯料变形，使坯料按预期要求变成产品零件［1］。在压力设备和工（模具）的作用下，坯料或钢锭产生部分或全部塑性变形，以获得一定的几何尺寸和形状的加工方法称为锻造。锻造是将金属加热或不加热，在一个力的作用下形成形状的一种加工方法，俗称“铸铁”。制造业是我国国民经济的重要支撑产业，而锻压作为制造业的重要加工技术，已广泛应用于航空、航天、汽车、武器、船舶、铁路等各个领域［1］。锻造作为金属加工的主要方法和手段，在当今的经济产业中起着举足轻重的作用。它是装备制造领域不可缺少的主要加工技术，特别是在机械、汽车、军工、航空、航天等行业［12］。目前，锻压设备和技术水平有了很大的提高，锻压行业的竞争力也得到了提升，部分技术达到了世界先进水平。数字模块主要包括锻造工艺刚粘塑性有限元分析、数值模拟、锻造模CAD/CAM、伺服系统数字化、锻造设备控制系统数字化等［11-12］。

本文运用科学合理的研究方法,利用现代工业的重要辅助工具计算机技术，通过对塑性变形过程进行数值仿真。基于工业生产对锻件的要求，要想获得相关的力学参数，传统的方法是采用工程法计算，计算量巨大，计算过程复杂，有较强的局限性，并且易导致结果误差较大。计算机数值仿真技术的兴起，解决了诸如热扩、轧制、锻造以及板料成形等各种塑性加工领域的问题［13-14］。通过大型商业有限元软件对塑性变形过程进行数值仿真，获得了工件锻压过程的变形及各时刻参数变化的规律，为变形工艺的制定提供参考，对工件的失效做出有效的预测，打破了一直以来传统的以经验判断的局面。

本文运用大型商业有限元软件DEFORM-3D，研究了工件锻压的变形过程以及其等效应力和应变分布规律，得出了较好的成形工艺，并验证了仿真的准确性。

1 建模与仿真条件

本文采用简化的锻压结构，模拟其金属塑性成形过程。选取材料为1035号钢。

1.1 建立三维模型

将模型简化为工件、上模具、下模具组成，如图1所示。工件采用四面体实体单元，材料类型为塑性。通过多次网格划分，最终划分5000个网格时结果较合理。上下模具分别定义为刚体，不需划分网格，同样也不需要定义材料特性。

图1 锻压模型

1.2 设置物体温度

锻压初始温度、工件与模具的温度为68°F(华氏温标)，即为20℃（摄氏温标）。

1.3 设置模具的运动

锻压过程中，上模具以一匀速1in/s向下模具移动，下模具固定，上下模具间的工件，在上模具向下的移动中被锻压变形。

1.4 仿真控制条件设置

本文采用国际单位制和增量形式计算，加工模式为变形，步长数20，增量存储为2，模拟步数相隔0.15in。设定接触条件时，分别设定上模具与工件、下模具与工件之间的摩擦系数为0.12。对于接触容差的设定，如果公差太大，模具上接触点太多，会导致工件网格变形。反之，如果公差太小，模具就不会与工件接触［15］。所以在锻压过程中，取接触容差值为0.0112in。

2 仿真结果分析

2.1 变形过程

在锻压过程中，上模具匀速向下运动，下模具保持静止，工件分别受到来自上模具的轴向和径向作用力，在此作用下，最终实现锻压塑性变形，各时刻的变形仿真如图2所示。从数值仿真结果可以得出，随着锻压步数的增加，锻压过程实际上就是上模具向工件压缩，致使工件轴向压缩和径向扩张的过程。

图2 锻压变形

2.2 等效应变场和等效应力场分析

图3、图4为锻压工件的等效应变分布图。分别以等效应变显示图与等高线显示的形式展现。从图中可以看出，第16步原来的矩形工件块体两端有向鼓形发展的趋势，第20步效果更明显。由于摩擦力的作用，工件与模具接触的部分等效应变最小，中间部分等效应变变化较小，接近一常值。边界上等效应变值变化比较大。以上情况在实际锻造中都会发生，充分说明了仿真的准确性。

图3 锻压工件的等效应变分布图

图4 锻压工件的等效应变分布图

2.3 温度场分布分析

从图5锻压工件的温度场分布图中可以看出，此锻压工艺为等温锻压。温度不变，工件只受到向下的挤压。

图5 锻压工件的温度场分布图

3 结论

基于DEFORM-3D的锻压过程数值仿真，直观地反映了锻压的变形过程，分析了等效应变、温度场下的各种变形状态，这些数据的变化规律对掌握锻压变形、缩短生产周期、降低生产成本、提高生产效率、确定合理的成形工艺等提供了指导作用。