基于有限元逆向模拟技术的预成形模具设计探讨

2021-04-10王旭晖

新型工业化 2021年8期

王旭晖

（沈阳职业技术学院，辽宁沈阳 110045）

0 引言

在传统锻造工艺和模具设计中，主要以人工设计为主，工作人员过于依赖工作经验，导致锻造精确性和专业性受到影响，质量上难以得到保证。在施工工艺体系不断成熟的背景下，对于生产精度、产品性能和产品质量的要求也在逐步提升，人们开始注重新技术的应用，并且相关工艺也融入到了金属设计环节，在这些新技术当中，有限元逆向模拟技术就是经常使用的技术之一，它明确了应变场信息以及金属流动规律等内容。

1 有限元逆向模拟技术相关内容论述

该技术作为模具设计过程中经常使用到的新技术，其相关理念最早可以追溯到上世纪80年代，在技术不断发展之下，在很多领域中得到了应用。该种软件技术在应用时，包含前后处理单元，主要原理为从已经成形的模具中，开展反向的二次模拟，将实际模具制作过程中的细节也能够直接进行反馈，这样也可以得到更加可靠的设计方案，提升所获取设计方案的使用价值。而且从目前的应用情况来看，该技术在许多产品塑性处理中得到了有效应用，包括产品锻造、产品冲压等，这也是模具预制期间经常使用到的加工技术。除此之外，该技术在其他领域中的应用同样比较普遍，也正是在这种预成形模具设计工作的帮助下，能够更好的维护成形质量[1]。

2 有限元逆向模拟的算法研究

当有限元逆向模拟情况明确之后，便可以进行算法研究，只有充分了解有限元逆向模拟内容，才能保证预成形模具设计更加合理。

2.1 应用增量理论

从实际应用情况来看，在模具锻造应用时，也会应用到高仿真模拟技术，期间所应用到的增量理论起到了非常关键的作用。利用该理论做好整个模拟过程计算，最终实现成型模具制作过程的还原化处理。从实际应用情况来看，增量理论在应用中，会应用到一些数学算法，借助增量近似代替的途径，对模具制作过程中存在的形变细分为若干个修正阶段，搭配着相应的数学算法逐个阶段进行形变情况修整，使其可以满足最终的质量生产要求。

2.2 常见问题分析

基于已建立的模拟体系可以了解到，在算法应用期间，其几何误差数值越低，相对应速度的收敛度也越高，这也进一步提升了模型应用过程的迭代次数。而且根据多次迭代算法处理后，存在速度场多次迭代的情况，而迭代次数也维持在较高水准，相较于传统的正向模拟技术，其所需要消耗的时间成本较大，是后续需要改善的重要内容。

2.3 新算法的应用

在已有应用经验的基础上，可以对新处理算法进行开发，使算法可以契合于不同变形阶段的处理，而且在应用过程中，也需要借助右矩形公式来辅助计算活动的进行。在具体实践中，相关人员需要对产品塑性制作过程进行离散分析，使其能够展现出不同状态下的增量形变情况。随后基于已有数据来对变心情况进行量化处理，借此得到平均速度场，基于相应理论来完成相应数值的计算，评价数值和理论值的偏差，多次重复上述操作，直到获取到所需的变形结构[2]。

2.4 两种模拟方式的差异

相较于正向模拟技术，反向模拟技术在应用中使用到的系统构造差异性较大，主要体现在变形结构的构型、动态便捷状态等。而且反向模拟结构在应用过程中，主要依靠减法来完成参数细分，并借助动态边界来将参数误差保持在可靠范围内，并对脱离模具的时机进行确定，该内容与模具形状好与坏存在直接关系，属于是逆向模拟操作的难点内容。

3 主体锻造工艺及预成形模具方案

根据已有技术对模式内容进行确定之后，开始进入到模具方案的设计环节。相较于普通作业工艺，锻造工艺在应用过程中的复杂程度相对较高，耗费时间相对较长。为了确保模具可以迅速成型，可以采取闭式套膜方式，执行胎膜锻造工作。从实际套膜锻造角度来说，容易受到压应力作用，这样也导致套膜会和上下垫片之间出现了相对较大的缝隙，从而造成生产过程中出现金属毛刺，干扰到后续作业活动的顺利展开。对此，在进行锻造方案设计处理时，也会使用到5t和8t锤来参与实验，基于不同实验参数，会出现不同的实验结果，最终得到正确方案。例如，在298kg主体下料实验中，只需选择一半进行模拟设计。在有限元模拟技术软件帮助下，三维数学模型能够被导入其中，做到体积的自动划分，设置相应的实验坯料参数，之后再设计成型模具参数，如最终锻造温度、锻造设备以及模具运动方向等等，便于工作人员对整个模具成形过程进行了解[3]。除此之外，在锻造过程中，5t锤的终锻温度能够达到839℃，终锻模具为5.71mm，也正是由于材料温度大幅下滑，导致塑性能力越来越差，不能保证成形完整性，这也证明了5t的打击力量明显不足。反观8t终锻温度，明显比材料温度更高，为891℃，所展示出的终锻模具数值为0，证明8t锻造能力较强，具备足够的锻造能力，但由于套膜双耳部分金属无法处于完全重合状态，证明坯料上存在极大误差。从上述内容中能够看出，制坯和模具设计比较合理，金属在模具内部填充和流动并没有出现不均匀现象。

4 主体成形过程相关内容分析

根据上文中叙述的内容可以了解到，利用锻造工艺对作业参数进行修正处理时，面临着下料充足性较低的情况，对此也需要做好二次模拟作业，具体模拟结果如下：

4.1 成形中的温度及膜壁接触

借助火次来完成锻造作业时，在第一火应用时很容易和下模产生接触，此时的最低温度在838℃左右，而此时的坯料温度在1173℃左右。在第二火作业过程中，主体结构底部的温度也会降低至830℃，而主体结构与套膜之间的接触温度保持在860℃左右。在该温度下结构已经出现了较为明显的形变问题，随后温度也会继续调升，直到1180℃为止。在所有模拟实验结束后，也需要对上下模工作状态进行调整，使其处于紧靠状态，不会出现缝隙的情况，从而为实验结果的顺利验证创造条件。

4.2 成形中的金属流动速率和趋势

从后续应用实验可以了解到，在实验模拟过程中，相应的作业人员也可以对金属流动规律进行全面分析，并且金属坯料温度也会大幅提升，塑性强，而且金属流动速率很大，主要以向下流动为主。当第一次打击操作完成后，锤头会出现向上运动趋势，金属也开始回弹，此时，速率越来越小。对于第二火操作，变形位置开始转变到上模，此时，金属流动愈发强烈，开始挤向锻造主体双耳内侧。

4.3 成形中的应力应变分析

实际模拟成形操作时，第一火变形主要集中在锻件凹槽以及圆弧处，相比之下，该类部位变形难度低，应力形式主要以压应力为主。当凹槽被逐渐填满后，变形位置也会转移，以上模为主，金属在其压力作用下，会被逐渐挤进双耳内侧，此时，应力以拉应力为主。在第一火终锻操作过程中，主体等效应变中能够得出上述结论，整个凹槽位置的变形幅度最为明显[4]。

4.4 流线分布情况

相关研究表明，纤维组织很容易对力学性能和化学性质产生影响，最终改变其流向，强化锻造工艺中零件应用性能，如果工作人员将第一火终锻时流向和第二火终锻时流向进行对比，便可以得出以下结论：金属流线与外形接近，分布也比较连贯，可以在预成形模具设计中发挥出更大优势[5]。当部分透明模具成形之后，透明度缺陷也会表现出来，器具纹理越来越明显，这主要是由于拉力和应力变化所导致的。为了避免类似情况出现，人们可以通过消除气体以及其他杂质方式，保证塑料的干燥条件，之后再开展下模操作。或者也可以通过料温下降，提升模温，为后续成模操作创造有利条件，降低相关问题的出现几率。