基于Deform的履带板锻造工艺数值模拟及优化研究.pdf

中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 90 基于 Deform 的履带板锻造工艺数值模拟及优化研究 匡 奇 张臻臻 陈建玺 赵雪梅 杭州市极弱磁场重大科技基础设施研究院，浙江 杭州 310000 摘要：摘要：为了解决现有的工程车履带板模锻成形工艺中可能存在锻件质量缺陷以及材料利用率低的问题，本文主要通过数值仿真模拟及优化分析的方式得到新的成形参数，从理论角度改善履带板模锻成形的生产情况。利用Deform 软件对原始的履带板模锻成形工艺方案进行有限元模拟，分析锻造过程中锻件的成形情况和不同工艺参数对锻件成形过程的影响。通过设计不同的边界条件，综合分析各工艺参数对锻件的成形载荷和锻后的平均温度的影响，确定最优参数，并进行生产试验。根据仿真的得出工艺参数，安排试验生产，试验结果表明：锻件填充完整，质量稳定，且具有较好的机械强度，成品率达到 99.6%，满足生产要求。试验结果和模拟结果基本一致，证明了有限元建模的可靠性，为锻造工艺与模具设计提供了理论依据。关键词：关键词：履带板；模锻工艺；Deform 有限元分析 中图分类号：中图分类号：TH-39 履带板(Crawler Plate)，是履带行走装置的关键部件，是重要的工程机械结构件，由于其直接与地面接触，地形复杂，极易损坏，所以也是使用量最大，备件最多的零件之一。现在履带板件主要通过铸造和锻造成型，铸造容易出现组织不均匀、产品性能差，影响使用寿命，锻造成型是近年来才开始采用的成型方法，其产品性能较好，但其材料利用率较低，容易出现填充缺陷，加工成本较高，所以需要采用合理的工艺方法。利用有限元仿真分析软件模拟模锻工艺过程是近年来在我国迅速发展起来的分析手段。与传统的锻造工艺设计方法相比，有限元法仿真分析可以有效的减少不断试模的过程，从而有效的降低设计加工成本。本文以组合式三齿型履带板为研究对象，设计了其模具参数，采用 Deform 仿真分析软件，对锻件成型过程进行仿真分析，分析各工艺参数对锻造成型的影响，并通过现场试验验证了仿真分析的可行性。1 锻造工艺设计 本文研究的履带板为组合式三齿型履带板，其结构尺寸图如图 1 所示。该履带板长度较长而板体的厚度较薄，由于履带 图 1 履带板结构尺寸图 中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 91 板的板体与模具直接接触，可以迅速传递温度，冷却的速度较快，锻造成形过程中，金属变形产生的热量不够，可能不能此处的金属保持在较高的温度，当锻造力度和速度不足时，肋板锻造可能达不到需要的尺寸。而且锻造成型过程中，水平方向的金属流动很难，履带板四个顶角为锻造最不好成型的地方，履带板成型以后，应该重点关注。1.1 分模面确定 根据所研究履带板的结构特点拟采用开式模锻，由于履带板的上表面的形状比较整齐，为了脱模更加简单和方便检查上模和下模的相对错位，根据履带板的形状和确定分模面的常用方法，一般以最大投影面作为分模面，切分模线尽可能平直，以便于检查上下模膛的相对位置。所以以履带板上下面的中间位置作为分模面，如图 2 所示。图 2 履带板分模面 1.2 飞边槽的设计 飞边槽的主要用途是增大金属的流动阻力，可以容纳多余金属和进行缓冲作用。根据履带板的结构特点，在锻件的边缘处厚度较薄，因为太大的飞边槽桥部尺寸起不到阻流的作用，综合考虑履带板的尺寸及锻造设备，通过计算获得的飞边槽尺寸如图 3 所示。图 3 飞边槽尺寸 1.3 坯料尺寸计算 坯料的尺寸一般是根据锻件的形状及锻造的工艺确定的，首先需要计算出坯料的体积，然后计算其长度和截面积。由于履带板为复杂锻件，所以以锻件长度作为其坯料长度。坯料体积计算公式为：=(+)(1+)VVV飞坯锻 其中V锻为锻件的体积，V飞为飞边的体积，为火耗率，与加热方式有关。2 数值仿真模拟与优化 履带板的锻造过程是一个非常复杂的塑性变形过程。数值模拟软件 Deform 主要用来对金属成型过程进行仿真，可以发现成型过程中的问题，并进行优化，从而降低试模的成本，有助于生产效率的提高。Deform软件由前处理器、求解器和后处理器三部分组成。为了提高锻件的成形质量，需要合理的锻造成形工艺参数，所以需要了解不同工艺参数对锻件成形的影响，并找到最优参数。可以根据成形工序，在 Deform软件中设计不同的边界条件，综合分析各工艺参数对锻件的成形载荷和锻后的平均温度的影响。2.1 Deform 简介 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。适用于热、冷、温成形，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、金属微结构和缺陷产生发展情况等。DEFORM 通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员，设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本，提高模具设计效率，降低生产和材料成本，缩短新产品的研究开发周期，分析现有工艺方法存在的问题，辅助找出原因和解决方法。Deform 主要有前处理器、求解器和后处理器三部分组成。前处理主要是确定网格的划分方式、设置仿真需要的参数、定位模型等，为后面的仿真计算做好准备。然后进入计算环节，进行参数的仿真计算。计算结束后，可以在后处理中分析查看仿真结果。比如查看锻件的应变和应力、流动的速度和不同地方的温度等。本文中主要利用Deform软件，对不同成型速度、不同预热温度、不同润滑条件下工件的成型结果进行对比和模拟，选取最优参数，对工艺过程进行优化和改进。2.2 数值仿真设定 数值仿真模拟的基础就是对网格进行划分，网格大小和数量对后续计算是否正常进行有着至关重要的中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 92 作用。本文中的数值模拟由于存在热传递，所以需要同时对模具和工件都进行网格的划分，才可以得到最终的模拟结果。网格划分的数量和大小，都与分析仿真的时间有着紧密的关系，数量越多，软件的分析计算工作量越大。所以要根据实际的需求和模型的复杂程度来确定网格的精细程度。将 UG 中绘制的工件、上模、下模三维图导出为 stl格式，导入 Deform 软件中进行网格划分。Deform 中的网格划分方式主要有绝对式和相对式两种方式。为了使仿真结果更接近实际结果，确保模拟的过程中上模和下模完全贴合，网格的重新划分次数比较少，模拟的结果可以反应出工件的特征，经过一次又一次的试模拟之后，采用绝对式对工件进行网格划分，相对式对模具进行网格划分的方式，可以得到较好的网格划分结果，如图 4 所示。设定工件材料为 AISI-1035 钢，模具材料为AISI-H-13 钢，设定上模为运动模，摩擦类型选择剪切摩擦，系数根据热成形选择为 0.3，热导系数选择Forming，系数为 11。图 4 工件、上模、下模网格划分 此仿真分析分为四阶段，第一阶段为预热阶段，第二阶段为空冷阶段，第三阶段为下模接触阶段，第四阶段为成形阶段，具体设定的参数如下。预热阶段：设定坯料初始温度为 20，加热时间为 40 秒，采用固定时长，设定为 0.1sstep。空冷阶段：此阶段模拟的是坯料从加热炉中取出，与下模接触前的阶段，此阶段设定时间为 3s，采用固定时长，设置为 0.1 sstep。下模接触阶段：此阶段是坯料接触下模后，到上模接触坯料前的阶段，设定此阶段时间为 lOs，采用固定时长，设置为 0.1sstep。成形阶段：此阶段模拟的是坯料经锻压成形的过程，仿真步数由仿真停止条件确定，设定 Z 轴距离为 0时为仿真停止条件。为了防止软件进行不必要的计算，本次仿真采用可以自动中止的模式，节约仿真的时问。在上模的下表面随机取一点，在下模上表面随机取一点，设置着两个点在 Z 轴上的距离为 0 时，仿真的过程中止。2.3 不同成型速度优化分析 在保证坯件、模具和网格划分、温度分布、摩擦和边界设置、模拟步数等仿真参数不变的情况下，设定不同的成型速度，对比不同的成型速度对模锻件的影响。不同成型速度下，锻件的成型载荷及温度分布关系，如图 5 所示。图 5 不同成型速度下锻件的成型载荷及温度分布关系 由图 5 可以看出，锻件的成型载荷和成型后的平均温度都是随着成型速度的增加而增大的，成型速度从 200mm/s 增加到 1000mm/s，锻件的成型载荷从 5100t增加到 5600t，而平均温度从 970增加到 1040。产生此现象的原因是：由于成型速度的增加使得锻件的变形时间变短，从而锻件与模具的热交换时间缩短，锻件变形产生的热量来不及传出去，从而使锻件的平均温度增大；由于加工硬化的作用，随着金属变形速度的增加，金属的抗变形的力会随之增大，所以随着成型速度的增加，锻件的成型载荷增大，但是金属温度的增大会使金属的塑性提高，从而会减低其变形抗力，但其减低量比较小，所以综合分析，锻件成型载荷是增大的。所以为了使锻件的成型载荷减小，需要降低成型速度，考虑到加工效率，选择 40mm/s 的成型速度。2.4 不同的预热温度优化分析 预热温度是锻造工艺的重要参数之一，加热后不仅可以提升金属塑性，使得金属可承受更大的变形并且不容易开裂，而且可以使金属的变形抗力减小，使锻造时候需要的力量大大地减小。在温度合适的情况下锻造，锻件的锻造变形比较大，会产生再次结晶，锻件会变成细小的晶粒，形成优秀的组织结构，提升力学性能。预热温度关系到锻件的内部组织性能及机械性能，具有非常重要的作用。在保证坯件、模具和网格划分、温度分布、摩擦和边界设置、模拟步数等仿真参数不变的情况下，设中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 93 定不同的预热温度，对比不同的预热温度对模锻件的影响。不同预热温度下，锻件的成型载荷及温度分布关系，如图 6 所示。（1）（2）图 6 不同预热温度下，锻件的成型载荷及温度分布关系：（1）成型载荷（2）锻件温度 由图 6 看以看出，随着预热温度的增大，锻件的平均温度有小幅提高，其原因是因为在模具状态不变和锻压速度一样的情况下，锻件的平均温度全部受坯料的温度影响。随着预热温度的增大，成型载荷总体成下降 趋势，但在预热温度 1200处有一个很明显的斜率变化，在预热温度小于 1200时，增大预热温度能够有效的减小锻件的成型载荷，但当预热温度大于1200时，继续增大预热温度，锻件的成型载荷减小量相对小很多，说明当锻件预热温度大于 1200时，其综合性价比较低，所以，选取锻件预热温度为 1200。2.5 不同润滑条件优化分析 采用上述同样的方法，设定预热温度为 1200，成型速度为 40mm/s，其他参数不变，设定不同的摩擦系数，对比不同的摩擦系数对模锻件的影响。不同摩擦系数下，锻件的成型载荷及温度分布关系，如图 1所示。表 1 不同摩擦系数下，锻件的成型载荷及温度分布关系 摩擦系数 成 形 载 荷(t)锻后平均温度（)温 度 范 围（)0.1 4215 972 652-1194 0.2 4723 974 653-1197 0.3 5140 977 656-1200 0.4 5543 979 657-1202 由图表 1 可以看出，锻件的成型载荷随着摩擦系数的增大而快速增加，摩擦系数从 0.1 到 0.4，成型载荷增大了 1.3 倍，可以看出摩擦系数对锻件成型载荷的影响是巨大的，这是因为随着摩擦系数的增大，模具的填充阻力增大，特别是在履带板的高筋及深槽附近，需要克服极大的填充阻力。而锻件的平均温度基本无变化，这主要是因为，在其它参数不变的情况下，由于摩擦系数增大而产生的摩擦热对锻件的温度影响很小。所以在生产过程中，需要尽量减小模具的摩擦系数，需采用表面光滑的模具并尽量均匀的喷洒润滑剂。3 生产试验 为了验证模拟仿真的可行性，按上述设计的工艺及参数进行试生产，试验坯料材料为 AISI-1035 钢，模具润滑采用油基石墨，用高压力空压机喷涂，喷涂润滑的同时，吹掉模具上的杂质，锻压机采用吨位为 1万吨的螺旋压力机，锻件预热温度为 1200，压机下压的成型速度为 40mm/s。生产的锻件如图所示 图 7 生产的锻件 经过检测，锻件填充完整，成型效果好，尺寸在设计范围内，达到图纸要求，且质量稳定，具有较好的机械强度，成品率达到 99.6%，满足生产要求。考虑到上下模具加工及装配误差、坯料的定位误差等因素，认定有限元仿真模拟结果与实际生产吻合，验证了有限元建模仿真的可靠性。参考文献 1孙兴辰.推土机履带板锻造全过程工艺设计及质量控制的研究D.临沂:山东大学,2010.2邱泽林.某煤机用整体式履带板模锻工艺设计及优化研究D.重庆:重庆大学,2016.3王国丽.工程机械用典型锻件锻造工艺模具设计及成形过程数值模拟D.临沂:山东大学,2013.4江荣忠.墙式阻力毛边槽在复杂锻件中的研究和应用D.南昌:南昌航空大学,2014.5徐磊.湿地履带板锻造工艺设计及成形过程数值模拟D.山东:山东大学,2010.作者简介：作者简介：匡奇,结构设计研究工程师（机械类）,杭州市极弱磁场重大科技基础设施研究院。