摘 要： 本文介绍了体积成形整体物理模拟技术的实施方案和主要技术要点，以及将该项技术用于模拟研究曲轴等典型锻件的成形过程，测定了变形力、错移力和关键部位的应变分布，提出了优化工艺设计、提高锻件成形质量及减少模具和设备磨损的具体措施。
关键词：体积成形；物理模拟；曲轴；应变场
1 体积成形整体物理模拟技术
在塑性加工过程中，为了研究新工艺、优化工艺参数、分析产品缺陷及其产生原因，预测工艺的可行性和变形力，常需要对成形过程进行模拟研究。本文作者研制的体积成形整体物理模拟技术方案如图1所示。
图1 体积成形整体物理模拟技术方案
Fig．1 The scheme of entire physical simulation for bulk forming
其主要技术要点如下：
1）模拟材料采用高分子材料和以碳酸钙为主要填充材料的塑性泥。如图2所示。其中：曲线1用于模拟钢的热锻成形，曲线2用于模拟钛合金的热锻成形，曲线3用于模拟铝材在常温下的成形[2]。由于模拟材料对温度较敏感，模拟一般应在20C以上的温度下进行，并同时测定模拟材料的应力应变特性。
图2 模拟材料的应力应变曲线
2）专用实验台配有10个测力传感器和6个微型压力传感器及一个位移传感器，
3）测试和计算系统由16通道动态应变仪和计算机、数据采集卡以及图像处理系统组成。
4）流动分析和应变计算采用三维网格和图像处理网格法。
采用该项系统可以模拟测定锻造成形过程中的变形力、局部压力、错移力、压力中心、材料填充应变性能、成形件特殊部位的材料流动和应变分布以及锻件缺陷产生过程等。
2 典型锻件成形过程的模拟研究
2.1 某重要锻件的模拟研究
该锻件形状复杂，技术要求高，成形难度大，现在使用的锻造技术是引进国外的专利技术。在实际生产中存在的主要问题是：设备偏载严重、错移力大、模具磨损快，锻件个别部位充填性能差并且容易产生折叠。
该锻件重18.6kg，毛坯尺寸为：Φ100*298mm。按1：1制坯并进行锻造模拟，模拟结果如下：
终锻工序的锻造力如图3所示，模具的错移力如图4所示，锻件终锻工序易出现缺陷部位的应变分布如图5所示。
图3 终锻工序的总变形力
Fig．3 The total deforming force during the final forging process
图4 模具错移力
Fig．4 Offset force of die
图5 终锻工序应变分布
Fig．5 Distribution of strain during the final forging
根据模拟测试计算结果得出如下结论：
1）终锻工序的变形力为41300KN，最大载荷时的压力中心位置偏移量为：X：-12.5mm，Y：80mm。
2）锻造过程中错移力的大小和方向都在变化，而且还存在很大的扭矩。模拟测定的最大错移力为1620kN。与实际模具的磨损部位和情况相符合。
3）根据应变计算和流动分析可以看出:由于原工艺是采用方型毛坯，利用轴向局部墩挤成形的方法聚积金属。但现有工艺采用的是圆型毛坯，而制坯和预锻模膛没有相应修改，造成制坯工序中的材料聚积效果不好、预锻工序中流动不合理、锻造过程中金属充填情况不稳定。导致在这些部位充填不满或产生局部折叠，无法保证缎件的成形质量。
根据上述研究分析，提出了具体改进措施，主要有以下几点：选择合理的坯料形状或合理设计制坯形状和模腔尺寸；局部修改预锻模腔和终锻模飞边，保证多余金属的“顺流”；调整模具的安装位置，使压力中心与设备加载中心重合；合理设计模具的定位锁扣等。 按照上述改进措施来指导生产取得了较好的效果。
2.2 某曲轴锻件的模拟研究
该曲轴锻件曲拐之间夹角为120°，曲柄处带有平衡块且开档很窄，模锻工艺难度大，主要问题是平衡块上部不易充满且锻模开档处易磨损、变形甚至折断。
该锻件重25.98kg，毛坯重38.16kg，毛坯尺寸为Ф120X430mm。按1：1制坯并进行锻造模拟，模拟结果如下：
终锻工序的锻造力如图6所示，模锻过程中模具的错移力如图7所示，图7a、b分别为沿模具轴向和垂直方向的错移力，最大载荷时的压力中心位置如图8所示，具体位置见图中P点，坐标为（12.6，-49.5）mm；终锻结束时曲柄处的应变分布如图9所示。
图6 力－位移曲线（纵轴比例1：527（kN））
Fig．6 Force- displacement curve
（a）垂直轴线错移力 （b）沿轴线错移力
图 7 错移力曲线（纵轴比例1： 5.86（kg））
图8 模锻成形时压力中心P点的位置
图9 终锻结束时的应变分布
3 结 论
根据模拟测试结果得到如下结论：
1）终锻工序的总变形力为60610kg，故该锻件宜在10t模锻锤上锻造成形。
2）根据应变计算和流动分析。为了保证成形质量,开坯工序应保证平衡块处的用料，对于原来的预锻工序应增加平衡块上部A处的体积，如图10所示。需重新设计预锻毛坯的形状和预锻模腔的尺寸以及确定毛坯的定位方式和位置。
图10 预锻工步的毛坯形状
3）根据错移力和压力中心的偏移量重新确定模具型槽的排布并加大锻模沿锻件轴向的锁扣尺寸。
根据上述试验和理论分析改进了模具和锻造工艺，并重新进行模拟试验得到了较为理想的结果。将改进措施用于指导生产，取得了较好的效果。
实践证明，上述金属体积成形物理模拟技术对于优化 优化工艺过程分析、保证锻件质量、分析并改善模具和和设备的受力状态具有实用价值。
参考文献
［1］汪大年等．金属塑性成形原理．北京：机械工业出版社，1986
［2］曹有名，于德弘．金属高温塑性物理模拟材料制备及其性能．化工新型材料．2000，8：38～41
［3］李尚建．金属塑性成形过程模拟．北京：机械工业出版社，1999
［4］V K Jain，L E Matson．Physical Modeling of Metalworking Process．J Mater Shaping Technol，1988，5：243～256
于德弘E-mail:dhyu@xjtu.edu.cn
作者简历：于德弘，男，1949年生，西安交通大学，博士生导师，研究方向为塑性加工新工艺与设备及成形过程模拟(end)
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