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热闭模镦锻的有限元模拟和实验研究
M. BAKHSHI-JOOYBARI，I. PILLINGER,P. HARTLEYt and T. A. DEANt
摘要：模具镦锻通常形成了在闭模精密锻造中从坯料生产成品零件的顺序的一部分。已经通过实验获得变形的工件的几何形状，以及在闭式模具镦锻期间作为冲头移动的函数的锻造载荷。弹塑性有限元程序也被用于模拟过程。为了从模拟中获得真实的结果，进行初步实验以确保引入适当的热参数。从模拟获得的结果与来自实验的结果很一致。 由于FE模拟已经通过实验验证，因此它可以单独用于产生类似工艺的锻造模具设计的基于智能知识的系统（IKBS）的数据。
- 简介：
近年来，锻造工具的设计已经成为大量研究的主题年份。 这一领域的一个重大进步是应用计算机技术，其中计算机辅助设计（CAD）具有重大影响[1,2]。
为了减少CAD软件的应用和验证所需的实验量，已经开发了另一类计算机辅助。 这包括过程模拟的技术，其中有限元法（FEM）是最重要的[3,4]。这些技术的缺点是，详细的研究需要大量的计算时间，这使得它们不适合在工业中日常使用，特别是对于中小型公司。
最近关于闭模锻造的工作，例如参考文献[5]和[6]，是目前以专家系统或智能知识系统（IKBS）的形式努力整合基于经验规则的数值模拟技术和CAD程序的典型。这种方法的基本原理是当仅有一些不确定性的设计规则的有效性时，使用基于规则的程序设计模具，以及诉诸计算成本更高的过程模拟方法。
伯明翰大学采用这种方法开发了一个专业镦锻锻造模具设计系统[7]，它结合了多年研究的结果基于经验指导[8]和有限元金属成形模拟设计[9]。
这项研究进一步由Pillinger等人进行。 他们的初步工作是将IKBS用于锻造模具设计[10]。这个建议的重要创新是将系统设计的所有组件记录在计算机数据库中，IKBS可以随后使用它来确定是否应该使用有限元方法来分析新组件的锻造序列。
IKBS的主要部分是一个序列设计程序，用于设计轴对称和三维温热锻造的操作顺序和模具[11]。
IKBS用于锻造模具设计的部件的进一步工作[12,13]。进行闭模镦锻和向前挤压的实验，以确定对工艺设计有显著影响的几何工艺参数[14]。 选择闭模镦锻和向前挤压，因为这些是在序列设计程序中可以指定的部件族的成形序列中的典型操作。通过使用“加权因子”，获得包括在IKBS中几何和工艺参数的影响。 为了获得每个参数的加权因子，选择平均锻造压力作为每个对位的灵敏度的指标[13,14]。 在闭模镦锻中，当2％的模腔未填充时，在最后的变形阶段获得加权因子。使用有限元分析，在某些情况下用元素模拟部分的IKBS来确定加权因子，作为替代实验测量可能是唯一实用的方法。这里使用的有限元程序是EPFEP3（。
伯明翰大学，1987）[3]。本文着重于闭式模具镦锻，并显示了有限元模拟与特定模具和钢坯几何的实验测量的比较。 这是用作软件的一般验证的一部分，并且还指示可以如何使用仿真技术来特定地为IKBS提供相关数据。
2.实验程序
图1显示了用于闭式模具镦锻的模具组的基本元件。 它由冲头，容器，砧座（配合件），垫板和顶出器，以及冲头和容器夹持环和测力传感器（未示出）组成。如图所示，在对应件上加工出小锥体，该圆锥体与在坯料的轴线上的锥形缺口配合，使得它们可以居中地位于模具中。冲头，容器及其衬里，配对物和负载单元由AISIH 13制成，淬火和回火至硬度为Rc 52-54。 所有其他部件均由AISI P20钢制成。将工具组安装在2000kN曲轴压力机上，平均应变速率为13s / s，在变形中间以45冲程每分钟1次运行。在加热到工作温度之前，所有坯料都被润滑。 通过将坯料加热至约150℃，将其浸入润滑剂中，然后使其干燥，施加水基石墨润滑剂。图1.封闭模具镦锻中使用的模具图示：1，冲头; 2，集装箱; 3，坯料; 4，搭配（砧座）; 5，扶手; 6，喷射器。
将钢坯在电炉马弗炉中用大气加热约12分钟，然后直接从炉中转移到模具。将坯料从炉子转移到机器所需的时间为5-6s。在将坯料放置在配对件上和开始变形之间存在约2秒的延迟时间。 在此期间，坯料自由地搁置在配对物上。为了估计将它们放入模具中产生均匀温度所需的加热时间，使用包含坯料的热电偶实验方法校准加热和冷却过程[13]。通过考虑将每个坯料从炉子转移到模具所需的时间并使用校准曲线，可以估计炉子的所需工作温度。
使用模座内的电筒加热器将模具预热至约80℃。将温度控制器温度设置为由放置在模具表面处的热电偶反馈的所需温度。工具的工作表面在加热之后用水性石墨润滑剂润滑，借助于小的漆刷施加。
使用位于冲头顶部的应变计圆柱形测力计测量锻造载荷。使用位移传感器测量冲头与坯料接触之后的位移。 称重传感器和换能器连接到放大器，并且输出被馈送到示波器中，该示波器在每个锻造操作期间显示负载 - 位移曲线。
与实验有关的其他数据如下。
（1）钢坯材料类型：BS 080 M40（EN8），化学成分为0.442％C，0.175％Si。 0.555％Mn，0.011％P和0.025％S.
（2）坯料尺寸：直径34mm，高度29.7mm。
（3）容器直径：41mm。
（4）炉中坯料的温度：9200℃。
为了测量变形的工件的几何形状以与从仿真中获得的相比较，使用具有times;20放大率的轮廓投影仪进行描迹工件轮廓。
如下所述，为了模拟热性能并获得传热系数的值，有必要在实验上获得工件在不同的分析时段的冷却曲线。图2和图3示出了所使用的坯料的几何形状。 耦合到放大器的热电偶位于每个坯料的表面附近的孔处。将坯料放入900℃的炉中。 将坯料从炉中取出，并在所需的时间段记录温度对时间的值。 对于在表面中心的孔处的坯料重复该过程。
图2.用于获得冷却曲线的坯料。
图3.用于获得冷却曲线的钢坯的示意图。
3.有限元建模
有限元模拟结果的精度主要取决于过程变量的精度，例如材料性能和摩擦条件。
以下部分解释如何对其进行建模。
3.1坯料和模具几何形状
当在冷和清洁状态下时，测量坯料和容器的尺寸。 在实验期间，尺寸由于以下原因而改变：
（1）在坯料和容器上存在润滑剂;
（2）在钢坯表面上形成氧化物;
（3）坯料的热膨胀。
施加到坯料上的润滑剂的厚度为约0.15mm。通过在炉中加热12分钟至在约900℃的温度下在钢坯表面上形成的结垢量不显着。这与Keung的观察一致
[15]，他们报告说，在马弗炉中加热到约800℃15分钟的用水基石墨润滑剂润滑的钢坯的氧化层的总厚度约为0.025mm。由于在本工作中润滑剂是水基的，加热和蒸发水后润滑剂和水垢的近似厚度为0.1mm。 模具表面上的润滑剂的厚度也将为约0.1mm。
假设基于Touloukiau针对所使用的温度和材料公布的值，每100℃的线性尺寸增加0.1％。考虑到上述因素，进行有限元模拟，假设坯料的直径为34.5mm，高度为30.1mm，直径的容积为40.8mm。
3.2 网格生成和工具建模
有限元网格使用商业包装I-DEAS [17]产生，如参考文献1所述。
EPFEP3封装是专为三维建模使用而设计的八节点，线性等参数（砖型）元件。 对于轴对称建模工件被表示为圆柱体的段，其中段的垂直面被适当地约束以确保轴对称变形。
由于在容器 - 工件界面处的摩擦力的影响，并且也由于对于在变形开始之前从热坯料的下表面的热损失（约2 s），没有穿过坯料中间的水平对称平面。 因此
必须对坯料的整个高度进行建模。
图4示出了用于分析具有150°的节段角度的闭模镦锻中的变形的网格的三维视图。
在闭式模具镦锻中，最后的变形阶段是关键，在该阶段期间角部被填充并且与模具接触的工件材料被“冷却”，导致增加的流动应力。 因此，如图4所示，在坯料的外表面上产生两层小元件，其中工件与模具表面接触。
在分析中只对冲头，容器和配对物进行建模。这些假设是刚性的，并且使用简单的几何原始表面[3]，用于冲头和对应表面的一个环和用于容器表面的圆柱表示[12]。
基于参考文献[18]的数据选择摩擦系数的值0.3， 对于具有在相同压机中在900℃下锻造的类似润滑剂的低碳钢。
3.3 机械压力机的模拟
用于实验的机械压力机的位移随时间的变化是近似正弦的。
在模型中使用冲头的位移 - 时间记录。
图4.用于分析变形的网格的三维视图。
3.4 建模材料的流动应力数据
由于所进行的试验是用于钢的热锻，材料的流动应力
需要表示为应变，应变速率和温度的函数。
参考文献[19]中的实验数据和参考文献[20]中给出的校正因子用于指定坯料材料的流动应力，以及基于曲线拟合程序[21]通过EPFEP3使用最小二乘法将数据拟合到所采用的构成方程。
相关数据和更多细节在参考文献[13]中给出。
3.5 材料的热性能
在当前的热锻造操作中，可以区分来自工件的热损失的以下阶段：
（1）转移周期。 将已经加热到所需温度的坯料从炉中转移到模具中（约5-6s）。
热量通过辐射和对流从坯料损失到周围环境。
（2）自由休息期。 在开始变形之前将坯料放置在配对件上（约2秒）。
热通过对流，辐射和传导从坯料损失到周围环境。
- 变形期。 在这个阶段，热传递主要是由于坯料和配对件之间的传导，以及冲头和容器（一旦工件与容器接触）。机械压力机中的变形时间为约0.1s。
计算温度变化所需的工件的热性能如下：
这些数据获自参考文献[22]和[23]，并在表1中给出。为了确保正确地指定数据，使用FE程序模拟从炉子到模具的坯料转移，其中没有材料变形，并且将所得到的冷却曲线与实验测量的进行比较。
图5（a）示出了在坯料的表面附近获得的冷却曲线，图5（b）示出了坯料中心的冷却曲线。
从图中可以看出，FE预测与实验测量非常吻合，因此验证了坯料材料的热性能的选择值。
3.6 传热系数
必须指定的参数之一是工件和模具之间的热传递系数的值。 这个变量的准确值对于金属成形过程的建模是关键的[24]。
已经提出[25]，在热锻造变形期间在钢坯 - 模具界面处的传导的热通量高，而由于辐射和对流的热传递不显着。
在闭模镦锻中，特别是在变形的最后阶段，与模具接触的工件材料被“冷却”，导致增加的流动应力。 冷却的量和程度是界面传热系数，变形率和初始温度差的函数。 冷却对金属流动和锻造负荷的模式有很大的影响[26]。
Semiatin进行的实验最重要的结果[26]，并由Im [27,28]的工作支持的是在名义零负载下的传热系数比在高压下的传热系数小一个数量级。
表I.锻造时产生的热因子值：Cv，热容量单位体积; k，导热率; e，热传导率; h，热对流系数; Kbr，自由静止期的传热系数; K〜，变形周期的传热系数
图5对应于图1的坯料温度随时间（转移时间）的变化。 2.坯料直径= 34mm，坯料高度= 29.7mm;（a）表面附近; （b）在中心。
此外，在某一阈值压力之上，其值相对恒定。 该阈值的值不大于85 N ram-2。在当前分析中执行的闭式模具镦锻期间的锻造压力大于上述阈值压力。 因此，第3.5节中的第二阶段可以假定在零压力下进行，第三阶段在高压下进行。
有几个参考文献涉及测量热/热块体金属形成过程中的传热系数（其中一些在这里被提及）。 这些结果在宽范围上彼此不同，并且没有一个与过程变量和边界条件方面的当前分析相似。
在本研究中使用的方法是实验性地获得在坯料的下表面附近（距离表面1mm）的坯料的中心线上的点处的冷却曲线，如图3所示，而坯料在开始变形之前自由地搁置在配对件上。 传热系数的值通过试验和误差指定给模拟过程，直到预测的冷却曲线与从实验获得的冷却曲线一致。 图6显示了获得的结果，其表明FE预测和实验之间非常接近的相关性。
一旦在自由静止阶段获得了600 J s-1m-2 Ki的传热系数值，就可以根据上述研究结果，假定10倍的值用于变形阶段[27,28 ]。 表1显示了在模拟中使用的热参数的值。
- 结果和讨论
图7示出了从机械压力机获得的典型负载 - 位移曲线，并且图8示出了在两个阶段的变形中的初始坯料和变形的坯料的几何形状。
从图7可以看出，在闭式模具镦锻中有两个主要的变形阶段。 第一阶段涉及在与模具壁接触之前的变形（自由镦粗），第二阶段涉及当角被填充时。
在筒形外表面首先与模具壁接触之后变形和冷却的工件的几何形状以及在类似阶段（在对应于节点的最大直径等于冷却的变形工件的最大直径时）的模拟的几何形状被示出在图9中。 从图中可以看出，两个轮廓是相似的。
图6钢坯温度随时间的变化对应于图3。
图7闭模镦锻中典型的载荷 - 位移曲线：（1）自由镦锻阶段; （2）角落填充的阶段。图8变形分析中使用的工件几何形状：（a）初始坯料; （b）在与模具壁接触之前变形的工件; （c）转角填料阶段变形的工件。
如上所述，对坯料的测量几何形状进行修改以用于模拟，以考虑影响坯料尺寸的几个因素，其中之一是热膨胀。 当变形的工件冷却时，进行变形的工件
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