基于電場法的鍛件預(yù)成形設(shè)計(jì)和研究.pdf

1、預(yù)成形設(shè)計(jì)在鍛造工藝設(shè)計(jì)中具有重要的意義。復(fù)雜鍛件在成形時(shí),往往很難一次性成形,需要進(jìn)行多次的預(yù)成形,而且預(yù)鍛件形狀和終鍛件形狀關(guān)聯(lián)性比較強(qiáng),直接影響金屬的流動(dòng),從而影響最終鍛件的幾何尺寸和成形質(zhì)量。對于一個(gè)給定的鍛件形狀,其預(yù)鍛件形狀有無數(shù)種可能,而預(yù)成形設(shè)計(jì)就是從這些無數(shù)的形狀中選擇一條最優(yōu)的形狀。此外,不同的工藝參數(shù)和不同的預(yù)成形形狀組合,得到的最終鍛件質(zhì)量也有很大不同。因此,如何實(shí)現(xiàn)預(yù)成形形狀和工藝參數(shù)的最優(yōu)組合是生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品

2、的關(guān)鍵,也是模具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。目前國內(nèi)外主要是運(yùn)用基于經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證的試錯(cuò)法,但基本思路仍與傳統(tǒng)的試錯(cuò)法思路一樣,只是驗(yàn)證的手段不同。為解決上述問題,本文在已有的研究成果上更為深入的探討了電場法在預(yù)成形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。電場法是利用靜電場中帶有不同電壓的兩個(gè)導(dǎo)體之間等勢線分布類似于金屬塑性變形過程的原理,能夠模擬坯料與鍛件之間的最小變形路徑。本文進(jìn)一步將該方法與數(shù)學(xué)模型、數(shù)值模擬方法相結(jié)合,應(yīng)用到一些具體的成形工藝過程中,

3、最終優(yōu)化得到一組預(yù)鍛件形狀和工藝參數(shù)的最優(yōu)組合,結(jié)果比較令人滿意。
　　本研究主要內(nèi)容包括：①基于相似原理證明電場法模擬金屬材料成形過程的的可能性,給出了基于MATLAB自帶的MBC(Model-Based Calibration)工具箱進(jìn)行建模和優(yōu)化的方法。并以某檔位齒輪三維軸對稱件為例,給出了基于電場法的鍛件預(yù)成形設(shè)計(jì)一般方法。②以某軸對稱的檔位齒輪鍛件為例,運(yùn)用電場法對需要制坯、預(yù)鍛和終鍛三工序的模鍛成形工藝進(jìn)行預(yù)成形設(shè)計(jì)。

4、首先運(yùn)用電場模擬獲得坯料與鍛件之間的等勢線分布,確定合適的等勢線取值范圍,然后以等勢線電勢值為局部變量,終鍛時(shí)的壓機(jī)速度、摩擦因數(shù)、鍛件溫度為全局變量,以鍛造充填率和成形載荷為優(yōu)化目標(biāo),利用有限元軟件DEFORM進(jìn)行數(shù)值模擬分析,基于MBC工具箱對其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模;運(yùn)用優(yōu)化工具箱CAGE(Calibration Generation)進(jìn)行基于鍛件填充率和成形載荷的兩目標(biāo)優(yōu)化分析,最終得到了填充飽滿,晶粒尺寸均勻細(xì)小,而且終鍛力較小的齒輪鍛

5、件。③以某大飛機(jī)7050鋁合金鍛件為例,對需要制坯和終鍛兩工序的三維復(fù)雜鍛件模鍛成形進(jìn)行了基于電場法的預(yù)制坯優(yōu)化設(shè)計(jì)。與三維軸對稱檔位齒輪件類似,運(yùn)用靜電場模擬方法獲得坯料和鋁合金鍛件之間的三維等勢線分布,通過等勢面的分布規(guī)律判斷鍛件成形過程中金屬的流動(dòng)情況,判斷鋁合金鍛件鍛造過程中可能出現(xiàn)的缺陷;采用交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)(簡稱 Mimics)軟件提取三維靜電場的等勢面;并根據(jù)鍛件的特點(diǎn),采用分段設(shè)計(jì)預(yù)制坯的方法,將鍛件各段提取的等勢

6、線進(jìn)行簡化,通過三維建模得到需要的預(yù)制坯形狀?；陟o電場模擬結(jié)果,將等勢面電勢值作為局部變量,終鍛的壓機(jī)速度、摩擦因數(shù)、溫度為全局變量,以鍛造充填率、晶粒尺寸和成形載荷為優(yōu)化目標(biāo)?；贛ATLAB工具箱MBC對大飛機(jī)鋁合金鍛件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模;利用優(yōu)化工具箱CAGE進(jìn)行基于鍛件填充率、晶粒尺寸和成形載荷的三目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),最終確定預(yù)制坯形狀和工藝參數(shù)的最優(yōu)組合,得到填充完整,晶粒尺寸細(xì)小而且終鍛力較小的終鍛件。④對優(yōu)化后的7050鋁合金鍛件預(yù)