基于電場法的鍛件預成形設計和研究.pdf

1、預成形設計在鍛造工藝設計中具有重要的意義。復雜鍛件在成形時,往往很難一次性成形,需要進行多次的預成形,而且預鍛件形狀和終鍛件形狀關聯(lián)性比較強,直接影響金屬的流動,從而影響最終鍛件的幾何尺寸和成形質量。對于一個給定的鍛件形狀,其預鍛件形狀有無數種可能,而預成形設計就是從這些無數的形狀中選擇一條最優(yōu)的形狀。此外,不同的工藝參數和不同的預成形形狀組合,得到的最終鍛件質量也有很大不同。因此,如何實現(xiàn)預成形形狀和工藝參數的最優(yōu)組合是生產高質量產品

2、的關鍵,也是模具設計的難點之一。目前國內外主要是運用基于經驗和數值模擬技術進行結果驗證的試錯法,但基本思路仍與傳統(tǒng)的試錯法思路一樣,只是驗證的手段不同。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成形設計中的應用。電場法是利用靜電場中帶有不同電壓的兩個導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。本文進一步將該方法與數學模型、數值模擬方法相結合,應用到一些具體的成形工藝過程中,

3、最終優(yōu)化得到一組預鍛件形狀和工藝參數的最優(yōu)組合,結果比較令人滿意。
　　本研究主要內容包括：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成形設計一般方法。②以某軸對稱的檔位齒輪鍛件為例,運用電場法對需要制坯、預鍛和終鍛三工序的模鍛成形工藝進行預成形設計。

4、首先運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,終鍛時的壓機速度、摩擦因數、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,利用有限元軟件DEFORM進行數值模擬分析,基于MBC工具箱對其進行數學建模;運用優(yōu)化工具箱CAGE(Calibration Generation)進行基于鍛件填充率和成形載荷的兩目標優(yōu)化分析,最終得到了填充飽滿,晶粒尺寸均勻細小,而且終鍛力較小的齒輪鍛

5、件。③以某大飛機7050鋁合金鍛件為例,對需要制坯和終鍛兩工序的三維復雜鍛件模鍛成形進行了基于電場法的預制坯優(yōu)化設計。與三維軸對稱檔位齒輪件類似,運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;并根據鍛件的特點,采用分段設計預制坯的方法,將鍛件各段提取的等勢

6、線進行簡化,通過三維建模得到需要的預制坯形狀。基于靜電場模擬結果,將等勢面電勢值作為局部變量,終鍛的壓機速度、摩擦因數、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?；贛ATLAB工具箱MBC對大飛機鋁合金鍛件進行數學建模;利用優(yōu)化工具箱CAGE進行基于鍛件填充率、晶粒尺寸和成形載荷的三目標優(yōu)化設計,最終確定預制坯形狀和工藝參數的最優(yōu)組合,得到填充完整,晶粒尺寸細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