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采用建模方法对工件和冷锻件收缩模的弹性特性进行估计
Youngseon Lee a,lowast;, Junghwan Lee a, Yongnam Kwon a, T. Ishikawa b
材料加工部，韩国机械与材料研究所，韩国，长胜，641-010。
名古屋大学材料加工工程系，日本名古屋464-8603。
摘要
冷锻零件的尺寸和锻造工具的尺寸有所不同，而这些不同受多方面的特征因素影响。在本次研究中，采用有限元分析的方法来研究模具和工件的弹性特征。将由测量得到的模具变形量和锻件尺寸进行比较，本文一共提出了五种有限元建模方法，并采用了一种商用的有限元编码——DEFORM-2D来完成模拟。在所有的建模方法中，在当模具和工件被认为是弹性材料和弹塑性材料时，分别在成形模拟中，有限元分析结果与实验结果吻合较好。此外，在实际模具制造中考虑了收缩型模具的尺寸变化和应力分布，锻件的估计尺寸与实验结果的误差很好地控制在10micro;m范围内。最后，提出了一种合理的建模方法，不仅考虑到了实际冷缩配合和加工模具的尺寸，而且成功地预测了冷锻件的尺寸。
- 简介
冷锻件的尺寸与模具型腔的尺寸不同，其中差异产生的原因主要是受到模具和工件的电磁特性、热影响和机器弹性等因素的影响。为了能够提高锻造零件的精度，特别是精密齿轮等非加工零件的精度，应当预先对各种参数的影响进行准确的分析和补偿。迄今为止，我们已经通过实验以及数值模拟方法对模腔补偿的进行了许多研究，而且也利用有限元方法对模具和工件的弹性变形进行了研究。对低碳钢以及铝的弹性特性和热变化的影响进行了估计，结果表明，刀具和工作材料的弹性行为对低碳钢成形的尺寸精度影响较大，温度变化对铝成形的尺寸精度的影响较大。此外，我们还利用工件的热偶合弹性有限元模拟以及刀具热偶合弹性有限元模拟对挤压件和工具的差异进行了深入研究。
通过对冷锻过程预测更深入的研究，我们认识到工件材料的二次屈服可以发生在一些大块金属的成形过程中，并且涉及到了工件的尺寸变化。一种提高仿真效率的两步解耦有限元仿真方法被作为耦合模/部件建模的一种替代方法而提了出来，这种耦合建模方法将模具和工件作为变形体相互接触。
我们利用应变片在闭模镦粗中对模具的弹性变形进行了试验研究，此外，我们还进行了实验和有限元分析模拟，以便更加精确地研究模具的弹性特性。为了与测得的弹性应变进行比较，提出了两种有限元建模方法，这俩种方法是通过使用商用的有
限元代码——DEFORM-2D测试而得到的。第一种建模方法是将冲模作为一个整体锻造周期刚性体，并通过对变形的零件加压来对模具进行应力分析。对于第二种方法是假设在成形模拟中，将模具和工件都看作变形体，因此在每个变形步骤上都可以计
算出刀具的弹性应变。将模具看作变形体所得到的有限元分析结果与实验结果吻合度较好。因此，弹性模材料模型应在冷锻加工中多加以应用从而可以获得更加真实的冷锻模具的变形特性。
图1：锻件和工件的尺寸
在本文中提出了一种特殊的有限元分析技术，目的是以便更假准确地预测弹性应变以及模具和工件的尺寸变化。为了验证该模型的有效性，将有限元结果与实验数据进行了比较。其中我们尤其模拟了作为刚体和弹性体的成形模具，以此来证明模具的特性对有限元分析结果如何产生影响。同样，对于工件，刚塑性模型和弹塑性模型都被用于与模具模型的耦合。如图1所示，所用的模型具有三个不同直径的轴对称圆柱。实验的细节均可在参考中找到。
- 有限元分析建模方法
我们采用了DEFORM-2 DTM v7.2进行来有限元分析。如上文所述，在整个锻造过程中，模具的模型采用刚性材料和弹性材料，而工件的模型则是硬质塑性或弹塑性材料，从现实的角度出发，我们选择了模具与工件特征相结合的五种建模方法进行有限元分析。 在表1中体现了第一种方法(模型1)是将模具和工件分别作为刚体和刚塑性体来进行锻造循环的结果。用变形件的压力加载模具，计算了模具的应力。由于模具是刚性的，所以模具的弹性挠度对模具的弹性变形在锻件每个变形步骤上的自然变化没有任何影响。另一方面，在模型2-5的情况中，模具在接触时被认为是变形体，因此会出现刀具的弹性应变。所以模具的弹性挠度在每个变形步骤中都会导致锻件尺寸有所变化。
序号 对象模型 通过收缩拟合考虑预应力 模拟目标
模具 工件
材料 尺寸
1 刚性 设计值 刚塑性 在锻造模拟后，考虑在模具 模具变形
应力分析阶段。
2 弹性 设计值 刚塑性 在锻造周期中，同时考虑。 模具变形
由于模具是由收缩件变形的，
在仿真中使用的模具内半径
比机加工模具要低。因此，
在模拟模具挠度时，应消除尺
寸变化。
3 弹性 加工值 刚塑性 在锻造周期中，同时考虑。 模具变形
对收缩拟合过程进行了模拟，
然后将预应力插值到用机械模
具设计的其他模型中。因此，
模拟的模具挠度是正确的。
4 弹性 设计值 弹塑性 与模型2相同 模具偏转；
锻件的弹性恢复
5 弹性 加工值 弹塑性 与模型3相同 模具偏转；
锻件的弹性恢复
表1:目前用于FEA的模型方法
对于收缩拟合函数的研究，我们采用了两种建模方法。首先，在模型2和模型4中，以收缩拟合的预应力作为边界条件，在这种情况下，由于模具是通过收缩装置变形的，所以仿真中模具插入件的内半径D值均低于机加工模具。然而，在实际锻件行业中，在端头与应力环之间进行收缩装配后，要采用最终加工的方法来制造出适合用于实际锻件的模具。因此，在模拟的模具挠度过程中，应该消除收缩拟合过程的尺寸变化。模型2和模型4对于预测模具变形和锻造零件的尺寸显得十分复杂，因此制造这些模型将会非常昂贵，但实际上却并不是很有用。另一方面，模型3和5是新提出的考虑了收缩拟合效果的有限元分析方法，如图2所示。
在模型A中，利用收缩拟合法计算了模具的预应力。 在弹性区域内水冷却端和应力环的尺寸发生了变化，因此在水冷却端和压力环的实际使用维度和预应力上，另一个模型（模型B）在水冷端和压力环上的预应力与加工模具相等。模型B用于整个锻造周期的仿真，因此新模型模拟的模具挠度正确地反映了模具的尺寸变化，图3显示了环向应力分布。 模型5中具有收缩拟合效果的模具的建立，收缩拟合产生的压应力作用于尖端和应力环，而不适用于推件器。
模具制造 建立有限元模型
图2：考虑预应力的收缩拟合的新建模方法
模型1-3计算了模具的挠度，但由于工件的模型材料是刚塑性的，所以不能对锻件进行弹性恢复。而在模型4和5中由于工件材料是弹塑性的，所以可以计算出锻件的弹性恢复。
|
模具材料 |
硬度 |
弹性模量 |
屈服强度 |
泊松比 |
|
(MPa) |
(MPa) |
|||
|
WC |
85 (HRA) |
500000 |
3100 |
0.23 |
|
AISI H-13 |
47 (HRC) |
212000 |
1200 |
0.30 |
由于锻造速度慢，只有5mm/s，因此可忽略温升效应。根据另一各实验报告，模具在单个成形周期内的温度变化不会导致尺寸结果产生重大的变化，而且模具挠度主要取决于弹性变形。利用压缩试验测量工件的流动应力，可用此关系式来表示：，模型中使用的模具插入件和应力环的材料性能见表2。
表2：模具材料的机械性能
冷缩配合预应力
-3、4：压缩的
-5： 伸长的
1：工件
2：压力机
3：上端
4：下端
5：应力环
6：顶出装置
模型5
环向应力
图3：模型5和环应力分布的有限元模型
- 建模方法的效果
3.1锻压载荷和弹射载荷
如图4所示，锻造阶段的行程负荷曲线与实验数据具有相似的趋势。我们对计算与实验的总行程进行了研究，发现俩者的差异是由于压力机模垫的弹性变形引起的。模型1显示了较短的冲程，因为该模型使用的是刚性模具，所以工件材料模型的差异不影响整体的行程负荷曲线，而最大峰值负荷的差异是由于行程的不一致造成的。
计算出的弹射阶段行程负荷曲线如图5所示。计算得出的顶出行程-载荷曲线与根据模块负载收缩拟合建模方法得到的行程=载荷曲线是不同的。采用边界条件进行收缩拟合的模型2和4均高于模型3和5。由于收缩作为预应力，导致了模型2和4中的荷载水平升高。图6显示了卸载阶段工件和刀具在模具和工件上的有效应力分布。模型4的顶件器应力高达320 MPa，而模型3则几乎为零。 这是由于模型4中的应力作用于顶件器，而模型3中没有应力作用。
1200
模型 1
模型 2
模型 3
模型 4
模型 5
实验
1000
载荷（MN） 800
600
400
200
0
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 行程（mm）
图4：在锻造阶段测量和模拟的行程负载行程曲线
载荷（MN） 40
模型 2
模型 3
模型 4
模型 5
30
20
10
0
0 5 10 15 20 25 行程（mm）
图5：模拟在弹射阶段的负载行程曲线
（a） 模型3
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