本發(fā)明屬于金屬材料的加工領(lǐng)域，尤其涉及一種基于數(shù)值模擬的塑性成形過程能耗分析方法。

背景技術(shù)：

金屬塑性成形是利用壓力機(jī)等鍛壓加工設(shè)備或數(shù)控機(jī)床等機(jī)械加工設(shè)備，結(jié)合相應(yīng)的模具、夾具等工裝，將一定的外力施加在坯料上使其產(chǎn)生塑性變形，從而得到一定形狀和尺寸并滿足相應(yīng)力學(xué)性能要求的制件的一種金屬加工方法。根據(jù)坯料形式以及具體實(shí)現(xiàn)方式的不同，金屬塑性成形包括體積成形(如鍛造、擠壓、拉拔等)和板料成形(如沖壓、漸進(jìn)成形以及脹形等)兩大類型；按照成形時(shí)坯料是否預(yù)熱，又分為不加熱的冷成形(即室溫下的成形)，和加熱狀態(tài)下的溫成形(加熱到室溫與金屬的再結(jié)晶溫度之間)與熱成形(加熱到再結(jié)晶溫度以上)等不同類型。金屬塑性成形具有生產(chǎn)效率與材料利用率高、加工質(zhì)量好、能大幅改善材料的組織性能等其他加工方法難以具備的綜合優(yōu)勢，因而在制造領(lǐng)域的應(yīng)用極其廣泛。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，汽車上多于60％零件，飛機(jī)上多于40％的零件要用到塑性成形的方法進(jìn)行生產(chǎn)。

在全球能源短缺和環(huán)境污染不斷加劇的情況下，既要保證經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，又要滿足節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，這已經(jīng)是制造業(yè)的普遍共識。作為一種關(guān)系民生的基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)，金屬塑性成形也存在著能耗相對較高的缺點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)“低碳化”，塑性成形行業(yè)必須大大降低生產(chǎn)過程的能量消耗。迄今為止，對金屬塑性成形的節(jié)能減排已有大量研究，從改進(jìn)工藝、節(jié)約原料，采用凈近成形的冷、溫精鍛技術(shù)，到加熱與成形設(shè)備的節(jié)能改造，研發(fā)與推廣新型低排放的節(jié)能設(shè)備，以及合理配置生產(chǎn)線輔助設(shè)施、從而發(fā)揮其最高效能等等，都是塑性成形從業(yè)者以及相關(guān)的成形設(shè)備制造商研究的課題。

對塑性成形產(chǎn)品而言，生產(chǎn)過程的能量消耗主要包括塑性成形階段的能耗以及后續(xù)處理(如熱處理、表面清理、切削加工等)的能耗。其中，塑性成形階段的能耗是制件整個(gè)生產(chǎn)過程能耗的重要部分，它通常包括兩大部分：(1)使坯料產(chǎn)生塑性變形的輸入外力所做的機(jī)械功，以及(2)熱成形時(shí)對坯料進(jìn)行加熱的能耗。由于塑性成形的具體工藝方法繁多，同一制件可以選擇不同的成形方法、或者采用不同的工序組合進(jìn)行生產(chǎn)，目前尚無能夠?qū)Ω鞣N工藝方法的能耗進(jìn)行快速準(zhǔn)確分析的系統(tǒng)手段。迄今為止，雖然已經(jīng)提出了許多針對各類塑性成形過程的變形力計(jì)算公式，但主要用于選擇成形設(shè)備的規(guī)格(噸位)。 與此同時(shí)，數(shù)值模擬技術(shù)在塑性成形過程的應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，但目前主要是用于分析材料成形過程的應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)參量以及流動(dòng)變形的狀態(tài)，很少涉及成形過程能耗的計(jì)算與分析。

綜上所述，為了能夠計(jì)算出各類零件在具體塑性成形過程中的能耗，找出影響能耗的主要因素，從而為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排提供必要的參考，有必要建立一套可行、可信的塑性成形過程的能耗分析方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于數(shù)值模擬的塑性成形過程能耗分析方法，可以針對各種金屬塑性成形制件的具體工藝過程，快速而準(zhǔn)確地計(jì)算出成形階段的總能量消耗。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括以下步驟：

(1)分析待加工制件的塑性成形工藝，按照體積成形、板料成形，以及坯料是否需要加熱進(jìn)行分類，確定成形道次；

(2)在三維造型軟件上構(gòu)建制件坯料和塑性成形模具的幾何模型，計(jì)算需要加熱成形的制件的坯料體積V；

(3)將制件的材料力學(xué)性能參數(shù)、邊界條件與成形工藝參數(shù)輸入數(shù)值模擬軟件，對各道次的塑性成形工序進(jìn)行模擬；

(4)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，計(jì)算各道次塑性成形的能耗En，所述En包括塑性變形能耗An和熱成形的加熱能耗Qn兩部分。

第n道次塑性成形的塑性變形能耗An采用如下公式計(jì)算：

An＝S*K₁

其中，S為第n道次塑性成形的材料塑性變形能，對于普通鍛造和沖壓成形，S等于數(shù)值模擬得到的載荷-行程曲線與橫坐標(biāo)所包圍的面積；對于板料的漸進(jìn)成形，S由數(shù)值模擬軟件輸出的外力所做的功確定；K₁為考慮塑性成形過程能量損失的修正系數(shù)。

對于不需要加熱的冷成形，加熱能耗Qn為零；對于加熱條件下的溫成形和熱成形，第n道次塑性成形的加熱能耗Qn為將坯料從室溫加熱到相應(yīng)成形溫度的能耗，采用如下公式計(jì)算：

Qn＝c*V*ρ*(T₁-T₀)*K₂

其中，c為材料的比熱容，ρ為材料密度，T₁為坯料加熱的最高溫度，T₀為室溫，K₂為考慮加熱過程損耗的修正系數(shù)。

第n道次塑性成形的能耗En，等于該道次塑性成形的塑性變形能耗An與加熱能耗 Qn之和：

En＝An+Qn

(5)將所有道次的塑性成形能耗En進(jìn)行累加，得到制件整個(gè)塑性成形過程的總能耗E：

E＝ΣEn

(6)改變步驟(3)的輸入?yún)?shù)，重復(fù)步驟(4)-(5)，得到調(diào)整輸入?yún)?shù)后的總能耗E，比較不同輸入?yún)?shù)下的總能耗E，找出對總能耗E影響較大的因素。

本發(fā)明具有以下有益效果：利用各類塑性成形制件成形過程的數(shù)值模擬結(jié)果，可以快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出整個(gè)成形過程的能量消耗，同時(shí)分析不同因素對能耗的影響程度。

附圖說明

下面結(jié)合附圖并分別以一個(gè)鋁合金鍛件的熱鍛成形和一個(gè)錐臺殼體零件的漸進(jìn)成形為例，對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明基于數(shù)值模擬的塑性成形過程能耗分析方法的流程圖；

圖2為熱鍛成形鋁合金鍛件的坯料示意圖；

圖3為利用DEFORM軟件模擬得到的鋁合金鍛件熱塑性成形過程的“載荷－行程”曲線；

圖4為漸進(jìn)成形的錐臺殼體零件的示意圖；

圖5為錐臺殼體漸進(jìn)成形采用的等高線加工軌跡；

圖6為錐臺殼體采用等高線加工軌跡進(jìn)行漸進(jìn)成形時(shí)，利用Abaqus軟件模擬得到的工具頭在x、y、z三個(gè)方向的“作用力－時(shí)間”曲線；

圖7為錐臺殼體漸進(jìn)成形采用的螺旋線加工軌跡；

圖8為錐臺殼體采用螺旋線加工軌跡進(jìn)行漸進(jìn)成形時(shí)，利用Abaqus軟件模擬得到的工具頭在x、y、z三個(gè)方向的“作用力－時(shí)間”曲線；

圖9為利用Abaqus軟件模擬得到的錐臺殼體漸進(jìn)成形過程的“能耗－時(shí)間”變化曲線，分別采用等高線和螺旋線兩種加工軌跡。

具體實(shí)施方式

1、鋁合金鍛件的熱鍛成形

該鋁合金鍛件的材料為Al 7050，采用熱鍛成形。鍛件坯料在水平面的外形尺寸(長*寬)為1200mm*300mm，屬于特大型鍛件。

(1)分析零件的塑性成形工藝，該鍛件采用熱模鍛壓力機(jī)上的模鍛成形，屬于體積成形范圍且需要加熱成形，成形道次為1次。

(2)在三維造型軟件上構(gòu)建鍛件坯料和成形模具的幾何模型，坯料體積V＝3.64X10⁷(mm³)；

(3)將材料力學(xué)性能參數(shù)、邊界條件以及成形工藝參數(shù)輸入體積塑性成形的數(shù)值模擬軟件DEFORM，對鋁合金鍛件的熱鍛成形過程進(jìn)行模擬；

(4)計(jì)算鋁合金鍛件熱鍛成形過程的塑性變形能耗An和加熱能耗Qn

該鋁合金鍛件熱鍛成形道次為1，該道次塑性變形能耗A₁利用DEFORM數(shù)值模擬得到的“載荷－行程”曲線計(jì)算。具體做法是，將“載荷－行程”曲線導(dǎo)入Origin軟件中，通過菜單欄中Analysis–mathematics-integrate求積分功能，得到“載荷－行程”曲線與橫坐標(biāo)所包圍的面積，即為該道次塑性成形的材料塑性變形能S。對于該鋁合金鍛件，Origin計(jì)算出area＝8490171369.731，即S＝8490(KJ)。

該鋁合金鍛件的鍛造采用熱模鍛壓力機(jī)，根據(jù)現(xiàn)有資料，該類設(shè)備的能源利用率為20％左右，因此可確定塑性成形過程能量損耗的修正系數(shù)K₂＝5。于是，該鋁合金鍛件熱鍛成形的塑性變形能耗A₁為

A₁＝S*K₁＝8490*5＝42450(KJ)

7050鋁合金的密度為2.81g/cm³，比熱容c為860J/(kg*K)，始鍛溫度T₁＝400℃，室溫T₀＝20℃。采用天然氣爐加熱，根據(jù)資料可確定考慮加熱損耗的修正系數(shù)K₂＝10。于是加熱能耗Q₁為：

Q₁＝c*V*ρ*(T₁-T₀)*K₂＝334264(KJ)

該鋁合金鍛件熱鍛成形的總能耗E，即為塑性變形能耗A₁與加熱能耗Q₁之和：

E＝A+Q＝A₁+Q₁＝376714(KJ)

2、錐臺殼體的漸進(jìn)成形

該錐臺殼體零件的小端直徑80mm，大端直徑160mm，高度40mm，壁厚1mm，材料為Al 6061。采用不同于傳統(tǒng)沖壓的漸進(jìn)成形方式制造，該方法基于“分層制造”的思想，利用一個(gè)簡單的柱狀工具頭在數(shù)控程序的控制下對板坯料進(jìn)行逐漸的成形，直到完成整個(gè)制件的加工。工具頭可以采用不同的加工路徑軌跡，本實(shí)施例中，工具頭分別采用等高線和螺旋線兩種軌跡，進(jìn)給量△Z＝2mm。

具體能耗分析步驟如下：

(1)分析零件的成形工藝，該零件為鈑金件且采用漸進(jìn)成形，坯料不需要加熱，成形道次為1次；

(2)在三維造型軟件上構(gòu)建錐臺殼體零件的坯料和成形模具的幾何模型；

(3)將成形工藝參數(shù)、材料力學(xué)性能參數(shù)以及邊界條件輸入數(shù)值模擬軟件Abaqus，對漸進(jìn)成形過程進(jìn)行模擬，工具頭首先采用等高線軌跡；

(4)根據(jù)Abaqus對漸進(jìn)成形過程的模擬結(jié)果，利用軟件的History Output模塊輸出整個(gè)成形過程中外力所做的功，于是得到采用等高線軌跡時(shí)消耗的功S＝3.553KJ。考慮塑性成形過程能量損耗的修正系數(shù)K₁為5，則整個(gè)漸進(jìn)成形過程塑性變形的能耗A₁為

A₁＝S*K₁＝17.765(KJ)

(5)將工具頭的加工軌跡改變?yōu)槁菪€形式，其余輸入?yún)?shù)不變，重復(fù)上述數(shù)值模擬步驟，得到采用螺旋線軌跡時(shí)所消耗的功為S＝3.566KJ，于是采用螺旋線軌跡時(shí)

A₁＝S*K₁＝17.83(KJ)

可見工具頭加工軌跡對該錐臺殼體零件漸進(jìn)成形過程的能耗影響較小。