数值模拟技术在锻造中的应用

随着有限元理论的广泛应用和计算机技术的快速发展，运用有限元法数值模拟对锻压成形进行分析，在尽可能少或无需物理实验的情况下，得到成形中的金属流动规律、应力场、应变场等信息，并据此设计成形工艺和模具，成为提高金属成形效率和生产率的行之有效的手段。由于锻造成形的制件大多属于三维非稳态塑性成形过程，在成形过程中，既存在材料非线性和几何非线性，同时还存在边界条件非线性，接触边界和摩擦边界也难于描述，因此变形机制十分复杂。应用刚粘塑性有限元法进行三维有限元法数值模拟分析是目前公认的解决此类问题的最好方法之一。

S.Kobayashi及其合作者先后采用刚(粘)塑性有限元法，用用三维有限元法分析了体和楔形块体在两平行平砧间的墩粗问题。J.H.Yoon和D.Yang。采用模块化的网格重划方法，用三维刚粘塑性有限元法分析了伞齿轮的模锻过程。T. Coupez分析了块状体在两平模间三维热锻过程，并且用三维有限元法对小齿轮锻造进行了模拟计算。Vazquez应用三维有限运法对连杆的闭式锻造进行了模拟和优化。B.A.Behrens,  J.H.Song, O.Eyercioglu等人在运用三维有限元法对齿轮等锻件的锻造过程进行分析及改进方面做了大量的工作。近年来，国内学者在该方面也做了一些工作。运用数值模拟技术对汽车转向节成形工艺进行了研究，提出一火成形工艺，并物理实验证实了工艺方案的可行性。利用三维有限元法对曲轴的辊锻制坯过程进行了优化。采用刚塑性有限元模型对前轴辊锻3道次进行了有限元模拟，分析了辊锻过程中坯料的变化规律、等效应力分布及辊锻力矩的变化规律。

连杆、前轴、曲轴等都是汽车上重要结构件，对其机械性能要求高，而锻件的综合性能很大程度上是由锻件微观组织决定的，因此预测锻造成形过程中坯料上晶粒尺寸的分布情况，可以在设计锻造工艺时就考虑到微观组织的演变情况。

近年来将有限元法与微观组织模拟相结合的研究成为热加工领域的研究热点，研究成果层出不穷。首先Sellar和Whiteman,Yada和Senuma,

H. J.McQueen等人建立了微观组织演变数学模型，为以后学者研究通过有

限元计算实现热变形过程中微观组织演变的数值模拟奠定了基础。Y.S.Na等基于三维有限元模拟分析了镍基合金718叶片预锻和终锻后的晶粒尺寸和体积分数。N. Bontcheva等使用有限元软件对后轮轴法兰进行了两道次数值模拟，模拟结果所得到晶粒尺寸与试验结果基本吻合。J. T.Yeom运用有限元软件预测718合金在拔长过程中的再结晶和晶粒长大过程，并通过具体实验验证了其预测结果。F. S. Duan同样运用数值模拟的方法研究了不同的锻造参数对大型锻件锻造后晶粒大小及微观组织均匀性的影响。H.S.Jeong等人利用有限元分析软件对柴油机高温排气阀锻件进行了数值模拟，得到了锻件晶粒度分布预报图，通过金相实验验证了模拟的准确性。

目前，使用有限元预测微观组织演化在国内也逐渐成为研究的热点。最早模拟了墩粗过程中的动态再结晶和晶粒尺寸变化，Mn18Cr18N钢护环扩挤成形过程中内部晶粒尺寸变化进行了试验和模拟研究，应用热力祸合有限元对H型钢热轧过程晶粒尺寸和再结晶情况进行了三维数值模拟，用数值模拟技术预报了TC6合金等温锻造过程中晶粒尺寸的变化情况，用变形、温度和组织演化祸合分析系统对38MnVS6Ti钢活塞的成形过程中晶粒的分布进行了研究，等基于热力祸合模拟了曲轴预成形中晶粒的变化，等运用微观组织技术对轴锻件锻透性进行了研究，分析了转向直臂成形后的晶粒度分布，制定了合理的转向直臂锻造工艺，使得锻件终态组织晶粒度较为细小均匀，利用有限元软件研究了锻造和挤压两种不同变形方式对锻件平均晶粒尺寸以及晶粒尺寸分布状况的影响规律，基于有限元晶粒度预报方法，对7075铝合金多向墩粗工艺过程进行了模拟，并用实验验证了预报的准确性。

综上所述，随着数值模拟技术在锻造领域的应用，以往的成形工艺试验次数大大减少，降低了产品的开发成本。特别是利用微观组织预报技术对产品质量的进行控制己成为当前研究的热点。