道钉加工工艺数值仿真分析

王 彤

（中国矿业大学银川学院，银川750021）

0 引言

数值仿真是描述真实系统的现象及客观规律的一种模拟方法，它是依据相关原理和规律建立系统的虚拟及物理模型[1]。通过系统的建模和仿真，可以验证实验，减少时间，降低研究成本。精密锻造工艺过程是指在零件锻造过程中，通过模具和坯料的设定，在成形后不需要太多工加工，或不需后续的加工就直接成形的工艺成形技术。它是在普通锻造的基础上发展起来的一种先进加工工艺，其优越性体现在机械性能好，材料利用率高，尺寸公差范围小，表面质量高等。因此精密锻造已经在建筑、航空、航天、汽车、能源等诸多行业中得到广泛应用[2]。

本文所研究的零件为道钉，如图1所示，满足应用和成形工艺的要求选择材料为优质碳素结构钢35，由于其本身的力学性能如优良的塑性、一定的强度和良好的工艺性能，35钢主要用于各种锻件的生产。本文运用加工成形工艺仿真软件Deform-3D对道钉的精锻成形过程进行数值模拟，分析成形过程中的金属流动特征、应力应变的分布状态以及载荷的变化规律，为研究零件在加工成形过程中工艺规划提供参考[3]。

图1 道钉模型图

1 道钉的数值模拟

1.1 模型的建立

采用CAD软件SolidWorks建立锻造模具的模具和坯料的立体仿真模型如图2所示，并以stl格式将文件保存。将坯料和模具文件输入Deform-3D中，建立其有限元仿真模型，用以仿真从坯料到终锻的锻压变形工艺过程。众所周知锻压过程中工件的主要变形为塑性变形，在建立其有限元模型设置中，工件模型应设定理想刚塑性体，模具设定为刚性体[4]。

1.2 仿真参数

1.2.1 材料设定

根据零件性能，选择AISI-1035COLD材料（35钢），设计模拟温度条件20℃。

1.2.2 模具速度参数

根据工艺过程数值模拟，选定上模具主运动模具，速度设定3 mm/s；下模具设为固定，速度设定0mm/s。

1.2.3 摩擦选定

根据条件设定剪切摩擦模型，由于冷锻加工，选凸模与工件之间摩擦因数为0.12，凹模和工件间摩擦因数为0.12。

1.2.4 网格设计

Deform-3D中的网格设计方法有相对网格和绝对网格两种，相对是通过选定总网格量和单元大小比例因子设定；绝对通过选择最大或最小单元边长和比例因子设定。因为采用四面体网格中的绝对网格设定形式。网格总数量控制在5万，网格最小尺寸为0.5 mm，模拟步长设为网格最小尺寸的1/3，如图2 所示[5]。

图2 毛坯及其网格划分

2 有限元分析

2.1 应力应变分析

精锻完成后道钉的等效应变、等效应力分布图见图3和图4。根据有限元数据分析：等效应变的最大值分布在零件的上边部，等效应力的最大值大部分分布在零件的上部，还有小量是底部。由于加工中金属的流动性影响，导致上边部的等效应变最大，同一位置的等效应力也最大。钉底少量应力大是由于此处的模具尺寸小，形状较复杂的原因，应力值略大，这与实际生产也相近，同样与设计理论经验相同[6]。

图3 等效应变分布图

图4 等效应力分布图

2.2 成形载荷分析

图5所示为成形时锻模Y向载荷分布，从图中可看出一般锻压的三个阶段:镦粗、成形和靠模过程。

图5 Y向载荷

在镦粗过程中，受力比较小，曲线接近于缓慢上升，证明坯料在这个过程中受到力比较小，并且力的变化不大。

在变形增加过程中，材料要压入模具中变形，因此受力较大，并且材料变形剧烈，载荷上升速度最大。

接近63步时，材料开始靠模，其变形更加剧烈，材料接近模具的圆角处时，压力产生突变，后急速上升，这是由于头部外侧圆角处的空间比较小，金属流动比较困难而造成压力迅速上升，载荷与等效应力的分布一致。

2.3 材料流动速度分析

为了分析材料流动速度，选择锻造过程轴向切面做研究。上模运动、下模静止、材料的流动状态如图6和图7所示。图6选择坯料下部充满模具时的流动布图，由图可以看出，在上模的加力的作用下，材料沿上模的运动方向运动，在坯料下端充满下模时坯料上端部分位移最大，也从此开始坯料沿轴向产生变形量。图7所示为接近终止时模腔中材料的流动情况，可以发现，钉头顶部基本没有位移，大位移还是体现在钉头边部，材料流动速度最大，钉底部位移量也较小。

图6 下模充满时金属流动图

图7 接近终止的金属流动图

3 结论

通过Deform-3D软件的道钉加工成形过程的数值仿真研究，其过程是使用CAD软件三维建模道钉毛坯、上、下模具，随后将其导入Deform-3D软件，同时设定参数，并对精锻过程数值仿真。针对仿真的数据结果，分别数值仿真分析了锻造过程的应力应变、成形载荷和金属材料流动规律。针对仿真数据可以看出，Deform有限元软件仿真模拟的金属塑性变形规律，与实践接近。因此运用有限数值仿真分析，对实际生产具有一定的指导意义，具体分析可以对金属加工过程工艺参数优化，减少设计开发时间，降低设计人员的工作量，显著提高生产效率，节省成本。