DEFORM金属挤压成形工艺数值模拟技术

　

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

分页 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。

    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，大量减少甚至取消试模、修模工作。如下图3所示。

    图3 DEFORM协助工艺流程制定

    针对挤压成形工艺面对的各种问题，DEFORM能够通过在计算机中模拟挤压工艺过程预测零件可能出现的表面折叠、表面折缝、缩孔和裂纹等各种缺陷并能计算挤压零件除应力过程后零件的性能，同时能够对模具应力分布及模具磨损进行计算。DEFORM挤压成形工艺分析以广泛应用于汽车零部件制造企业的工艺研发中，如纳铁福传动轴、太平洋精密锻造、东风粉末厂及其他轴、齿轮、转向架等工业生产用户。

    4.1 铝合金冷挤压成形分析

    通过对发动机活塞挤压成形过程数值模拟计算，预测出现了中心部位“凹陷”，通过下图跟实际实验的对比可以看出DEFORM准确的预测出该缺陷的发生。

    图4 铝合金冷挤压成形分析结果

分页 4.2 金属正挤压分析

    金属挤压成形过程会产生金属的大位移流动现象，形成金属件内部的拉压应力，多数情况下，拉应力造成诸如轴类件的内部成形裂纹，使加工件产生报废。DEFORM提供多种韧性断裂准则，通过拉应力失效能够预测金属轴类件挤压成形过程中发生的“人”字型裂纹及断裂现象，本案例在汽车轴类件挤压过程中通过模拟预测出现芯部拉裂，实际试验的图片也验证了这一预测的准确性。

    图5 金属正挤压分析

    4.3 铝合金稳态热挤压成形分析

    热挤压成形为国内外铝型材行业的主要成形工艺，该成形工艺下金属流动行为常以分流、焊合等复杂方式进行，模具结构设计相当复杂，错误的工艺及模具设计均会造成生产出的型材发生扭拧、波纹、开裂、缩尾等缺陷，严重影响产品质量及美观。DEFORM提供独特的ALE成形求解方法能够更加快速、准确的完成稳态挤压分析，同时避免了Lagrange算法中由于网格扭曲引起的频繁网格重划分，准确预测挤型缺陷。

    图6 铝合金稳态挤压成形分析

    4.4 模具应力分析

    在挤压成形过程中，模具一般承受很大的载荷，由于模具结构设计造成强度不够而发生破坏或长时间生产发生疲劳断裂是比较常见的问题。DEFORM通过模具应力分析查找到模具发生破坏的原因并且通过修改模具圆角外形解决了模具破坏的问题。

    图7 挤型模具应力分析

分页 4.5 模具磨损分析

    由于挤压过程的特点，模具可能发生比较严重的磨损问题，DEFORM的模具磨损分析功能能够预测模具的磨损情况，根据磨损深度、磨损区域面积等帮助用户在模具设计时考虑磨损问题，下面便是一个模具磨损的案例，左上角为实际实验的结果对比图。

    图8 模具磨损分析

 

5 结论

    由以上对挤压成形特点的分析及DEFORM软件的针对挤压成形常见问题的工业应用可以得出以下结论：

    （1）使用DEFORM的工艺数值模拟分析功能协助工艺工程师完成挤压成形工艺的制定，能够减少昂贵的现场试验成本；

    （2）DEFORM可准确预测成形工艺缺陷，通过将大多数试模过程在计算机中通过模拟完成，能够减少实际试模修模次数，缩短新产品的研发周期；

    （3）通过分析模拟结果帮助用户评估工艺方案优劣，选择较优的工艺方案，提高产品质量；

    （4）帮助企业制造高效低成本的产品，使企业在市场上更有竞争力。