DEFORM金属成形技术的发展与应用.doc

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DEFORM金属成形技术的发展与应用

·DEFORM是在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析。

适用于金属冷、温、热成形，提供极有价值的工艺分析数据。

如：

材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微观结构和缺陷产生发展情况等。

　　金属成形工艺及模具是加工制造业重要的生产方式及装备，随着金属制造业的迅速发展以及金属制品在电子、机械、汽车、航空航天和船舶等工业部门的推广应用，产品的生产质量以及产品对模具设备的要求将越来越高，传统的模具设计方法和靠经验的工艺生产方式已无法适应产品更新换代和提高质量的要求。

　　一、CAE技术在金属成形市场上的重要性与需求

　　计算机辅助工程CAE技术已成为金属产品开发、模具设计及产品加工中薄弱环节的最有效途径。

同传统的模具设计相比，CAE技术无论在提高生产率、保证产品质量，还是在降低成本、减轻劳动强度等方面，都具有很大优越性。

近些年，CAE技术在汽车、家电、电子通讯、模具制造、日用品等领域逐步地得到了广泛应用。

　　当今，金属成形工艺及模具的设计不但要采用CAD技术，而且还要采用CAE技术，这是发展的必然趋势。

传统的金属成形方法是在正式生产前，由于设计人员凭经验和直觉设计模具、设定成形工艺，模具加工并装配完毕后，需要多次试模，发现问题后，不仅需要重新设计成形工艺、工艺参数，甚至还需要修改金属制品和模具设计，这种“试错”的研发模式势必增加生产成本，延长产品开发周期。

采用CAE技术，可以通过计算机模拟代替试模，提供了从产品设计到生产的完整解决方案。

在模具制造前，预测产品整个成形过程，帮助研判潜在的问题，有效地防止问题发生，大大缩短了开发周期，降低生产成本，在金属成形时市场上发挥着越来越重要的作用。

　　二、CAE技术在金属成形领域的重要应用

　　采用CAE技术可以全面解决金属成形过程中出现的问题，指导模具设计。

CAE计算机模拟技术能成功地应用于产品成形工艺优化设计、模具设计开发、成形缺陷预测及热处理等方面。

　　1、产品成形工艺优化设计

　　CAE数值模拟技术可实现冷、温、热状态下锻造、辊轧、挤压、开坯、环轧等成形工艺的仿真分析，提供极有价值的工艺分析数据：

　　1）可分析成形过程中的材料流动，包括流动方向，流动速度，模拟金属切面纹理变化，观测金属内部材料流动情况;

　　2）可分析锻造成形中材料的填充情况，飞边的产生与分布，解决锻坯的初始定位、毛坯最优化形状对成形质量的影响;

　　3）可获得锻造负荷数据，分析在不同成形工艺及参数条件下所需的压力机吨位，达到降低成形负荷值，减小压机吨位的目的，以降低成本;

　　4）通过工艺模拟分析，可优化多工序成形方案，减少复杂产品的成形工步数，极大地提高生产效率;

　　5）可分析温度场，观测成形过程温度变化，优化锻造加热温度;

　　6）可分析微观组织信息，包括晶粒尺寸变化，回复再结晶等，深入判断金属性能，提高产品质量。

　　2、模具设计开发

　　模具的设计，除了对成形产品的影响外，还要考虑到其自身的结构强度、使用疲劳寿命，以解决在使用过程中出现的变形、开裂、磨损等问题。

　　3、成形缺陷预测

　　用户可通过CAE成形缺陷的分析，发现工艺和模具设计的缺陷，从而修改工艺及模具设计，获得好的产品质量。

可模拟的缺陷主要包括：

　　1）锻造、挤压裂纹;

　　2）材料填充不满;

　　3）折叠;

　　4）流线紊乱;

　　5）加工扭曲变形;

　　4、热处理分析

　　CAE技术通过结构-热-微观组织的耦合作用，可模拟成形金属及模具的热处理工艺，包括：

正火、退火、淬火、回火、调质、时效处理、渗碳、蠕变、高温处理、相变、金属晶粒重构、硬化。

先进的CAE数值模拟技术克服了传统热处理靠经验和试错的设计模式，使产品质量获得极大的提高。

通过热处理模拟，可分析：

　　1）产品在热处理过程中发生的体积变化;

　　2）淬火裂纹;

　　3）相的转变及分布;

　　4）热处理硬度;

　　5）残余应力分布;

　　6）渗碳层厚度;

　　7）热处理工艺参数优化;

　　三、金属体积成形与热处理仿真平台DEFORM简介

　　金属体积成形及热处理软件DEFORM是美国ScientificFormingTechnologiesCorporation公司开发的具有2D、3D模拟功能的专业金属成形数值模拟CAE仿真程序。

DEFORM是一套有限元分析方法的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关的各种成形工艺及热处理工艺。

三十多年的工业实践证明了基于有限元法的DEFORM有着卓越的准确性和稳定性，模拟引擎在大流动、行程载荷和产品缺陷预测等方面同实际生产相符，保持着令人叹为观止的精度，被国际成形模拟领域公认为处于同类型模拟软件的领先地位。

　　DEFORM是在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析。

适用于金属冷、温、热成形，提供极有价值的工艺分析数据。

如：

材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微观结构和缺陷产生发展情况等。

　　DEFORM不同于一般的有限元程序，是专为金属成形而设计、为工艺工程师和模具设计工程师量身定做的软件。

DEFORM可以用于模拟零件制造的全过程，从成形、热处理到机加工。

DEFORM主旨在于帮助设计人员在制造周期的早期能够检查、了解和修正潜在的问题或缺陷。

DEFORM具有非常友好的用户界面，可帮助用户方便地进行数据准备和成形分析。

这样，工程师们便可把精力主要集中在工艺分析上，而不是去学习繁琐的计算机软件系统。

　　四、DEFORM金属成形分析案例

　　1、螺钉模锻成形工艺优化分析

　　螺钉的成形一般采用四道工序：

1次挤压和3次墩头。

传统的工艺以可成形为主要目的，并认为对该工艺来讲，可优化的空间很小。

DEFORM成形模拟技术对不同直径的毛坯进行研究以提升优化空间，通过成形吨位、产品质量等方面进行优化分析，达到降低成本和提高产品质量的目的。

　　图1为螺钉的四道成形工序图，DEFORM可对整个工艺进行连续模拟。

　　图1螺钉成形工序图

　　通过对不同直径和长度毛坯的成形工序分析，获得诸如成形吨位、断裂危险性、强化程度等方面的数据，最终获得最优化的工艺方法。

　　图2五种工艺设计成形吨位表

　　图2是对五种具有不同毛坯直径、长度的设计工艺进行分析所获得的成形吨位表，其中包括每个工步的成形吨位及总吨位。

从表中可看出每种工艺的不同成形吨位值，蓝色为最小直径尺寸的数值，橙色为最大直径尺寸的数值。

图3是不同工艺模拟获得的其他信息。

　　图3成形应变云图

　　对于小直径锻坯，通过模拟结果知，成形反而需要大的吨位，较深的挤压模，发生屈曲的危险性较大，在螺钉肩部（图3左图白色部位）由于低的应变导致加工硬化低，因此肩部硬度较低，在螺钉肩部及头部的中间区域由于应变过大（左图红色区域）导致该处出现断裂的危险增大，而右图则应变较低，断裂危险性降低，发生屈曲的危险性较小，成形吨位较低。

通过分析，可准确判断各工艺的成形结果，从而达到获得最优化工艺、降低成形难度，减少生产成本的目的。

　　2、模具结构优化设计

　　模具疲劳断裂是冷成形工艺中常见的情况，设计不合理，常会造成模具发生低周疲劳断裂。

图4的螺钉成形模在优化前，使用40，000次即发生了断裂。

DEFORM通过分析整个成形过程及模具在该过程的拉应力情况，重新优化设计模具，避免了模具整体大应力的发生，使模具的使用寿命增加到1，000，000次。

　　图4螺钉成形组合模

　　图5优化前模具拉应力云图

　　通过模拟分析可见，未优化前的模具内部衬套采用了整体式结构，螺钉成形过程中，在内部衬套轴向上产生了很大的拉应力（如图红色处），轴向拉应力及环向拉应力是造成模具产生图5中断裂的原因。

DEFORM可分析轴向、径向、环向拉压应力值及其产生部位，指导重新优化模具结构以避免发生低周疲劳断裂。

优化后的结构通过在大应力部位进行组合衬套结构设计，降低并改变了最大拉应力及其产生位置，使模具使用寿命得到大幅提高。

优化后的模具结构及应力分析如图6所示。

　　图6优化后的模具结构及应力云图