DEFORM-挤压成形工艺工业应用第一期-201安世亚太.PDF

DEFORM 金属挤压成形工艺数值模拟技术应用  安世亚太公司 张丹 晏建军 1 前言 金属挤压成形是用压力机和模具对放置在模具腔内的金属坯料施加强大的 压力使金属坯料产生定向塑性变形，从挤压模的模孔中挤出而获得所需断面形状、 尺寸且具有一定力学性能的零件或半成品的塑性加工方法。挤压成形的种类很多， 例如按照金属塑变流动方向可分为正挤压、反挤压、复合挤压及径向挤压。按照 金属坯料温度分冷挤压、温挤压和热挤压等。 2 挤压成形工艺优势及面临问题 挤压成形与其它的金属成形加工方法相比具有明显的优势，可以用少量的工 序完成复杂零件的成形加工，例如各种形状复杂的深孔、薄壁和异形截面零。零 件尺寸精度高，表面质量好，生产效率高，挤压零件不需要或仅需要少量的切削 加工，大大节约材料。 不过由于挤压成形工艺特点，在生产过程中也有许多需要克服的难点。对模 具的要求较高，要求模具要有较高的强度。对于冷挤压，坯料一般需要经过软化 处理及表面润滑处理，挤压成形后，工件还需消除内应力才能使用；对于被挤压 的金属材料要求有较高的塑性及低的屈服极限和冷硬性，目前常用于冷挤压的材 料有：有色金属，低碳钢，低合金钢，不锈钢，钛和钛合金等。除此之外在挤压 成形过程中工件经常会出现各种缺陷从而导致零件无法达到实际要求，常见的缺 陷有：表面折叠、表面折缝、缩孔和裂纹等。目前国内企业在面临这些问题时大 多采用试错法，也就是完全凭工程师经验进行大量的实际试验，这种方法的弊端 在于对工程师经验依赖性大，经验又难以快速进行有效地积累和传承，通过多次 的实际试验使得产品的生产周期长，成本增加，质量不高。因此相关企业需要一 种有效地工具来面临挑战，专业金属成形工艺数值模拟工具 DEFORM 便可以为 这些难题提供相应的解决方案。 3 金属成形工艺数值模拟工具DEFORM DEFORM 源自塑性有限元程序 ALPID （Analysis of Large Plastic Incremental Deformation）。在1980 年代初期，美国Battelle 研究室在美国空军基金的资助下 开发了用于塑性加工过程模拟的有限元程序ALPID ，后来开发人员对程序进行了 逐渐完善，并采用Motif 界面设计工具，将程序发展成为了商品化的软件DEFORM （Design Environment for Forming ），经过三十余年的发展DEFORM 已经成长为金 属成形领域著名的工艺数值模拟软件。 DEFORM 是一套基于有限元的工艺仿真系统，用来分析变形、传热、热处理、 相变和扩散之间复杂的相互作用。如图1 所示，各种现象之间相互耦合。这些耦 合效应将包括：由于塑性变形功引起的升温、加热软化、相变控制温度、相变内 能、相变塑性、相变应变、应力对相变的影响、含碳量对各种材料属性产生的影 响及热与变形对微观组织的影响等。 图1 DEFORM 技术体系 4 DEFORM 挤压成形工艺方案的工业应用 首先传统的产品工艺流程制定过程简图如图2 所示，大部分人力物力花费在 寻找一个好的工艺方案上。而在探索过程中，传统方法需要不断地试模修模反复 调整工艺直到找到满足要求的工艺方案，这个过程耗费了大量的人力物力和时间， 给企业带来的损失不可估量。 工艺方案 产品设计 模具生产 试模 量产 制定 调整工艺 修模 图2 传统工艺方案制定流程 引入 DEFORM 数值模拟技术后，制定一个好的工艺方案的过程可以由 DEFORM 来协助完成，其中的试模、修模、工艺调整过程都可以先通过DEFORM 在计算机上虚拟完成，直到找到一个比较优良的工艺方案后再进行实际生产。如 下图所示。 工艺方案 虚拟试模 产品设计 模具生产 最终试模 量产