一文讀懂金屬材料成型工藝CAE分析

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機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造與成型工藝密切相關(guān)，成型工藝的優(yōu)劣對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量的影響至關(guān)重要，合金材料常見的成型工藝主要包括軋制、鍛壓、沖壓、擠壓、旋壓、焊接、特種成形、粉末冶金、增材制造、機(jī)加工及熱處理等。

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隨著生產(chǎn)加工水平的提高，對(duì)產(chǎn)品的精度、成本要求也越來越高，過去的依靠經(jīng)驗(yàn)+試驗(yàn)的方法，進(jìn)行模具制造和加工控制已越來越不能滿足工程需要。以數(shù)字化仿真技術(shù)為代表的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)合金材料成型工藝提出了更高、更新的要求，隨著冶金企業(yè)數(shù)字化應(yīng)用的不斷深入，CAE的發(fā)展也逐漸占據(jù)了成型工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化的高端位置。

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引進(jìn)數(shù)字化模擬技術(shù)，利用CAE軟件分析和優(yōu)化生產(chǎn)制造工藝勢(shì)在必行。CAE計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)及相應(yīng)的成形工藝仿真平臺(tái)，無論是在提高生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量，還是在降低成本，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面，都有很大的優(yōu)越性。

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1.軋制工藝分析

金屬軋制工藝分析是一個(gè)典型的非線性問題，它需要考慮材料塑性、結(jié)構(gòu)大變形和接觸等所有非線性因素。CAE技術(shù)可以有效地模擬環(huán)軋、型軋、多道次軋制等軋制工藝，可以進(jìn)行板材、管材、線材、型材的軋制分析，以及考慮軋制過程中的彎輥力、軋輥橫向移動(dòng)、軋輥下壓量變化等各方面工藝參數(shù)的影響。有效預(yù)測(cè)軋制過程中出現(xiàn)的折疊、凹坑、蝶形、壁厚不均、壓扁、橢圓、錐度、塔型卷曲、流線紊亂等成型缺陷。

2.鍛造工藝分析

CAE技術(shù)可以模擬鍛造成型過程中的局部大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)，以及復(fù)雜的接觸算法，可以進(jìn)行多種鍛造工藝的模擬，包括自由鍛、模鍛、輾環(huán)、特殊鍛造（輥鍛、鍥橫軋、徑向鍛造、液態(tài)模鍛）等。通過仿真分析，能夠了解金屬塑性成形的全過程，包括金屬成形過程中各階段材料填充模具的情況、材料變形趨勢(shì)、材料內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率、成形載荷和速度矢量場(chǎng)等信息，進(jìn)而為鍛造工藝和鍛造模具的設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)。

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3.擠壓工藝分析

可以對(duì)擠壓過程進(jìn)行模擬，快速計(jì)算型腔內(nèi)的材料流動(dòng)，預(yù)測(cè)成形缺陷以及擠壓成形過程中的溫度場(chǎng)，應(yīng)力應(yīng)變及材料流速變化，評(píng)估擠壓模具設(shè)計(jì)。

4.旋壓工藝分析

CAE技術(shù)可模擬復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而對(duì)普通拉伸旋壓、強(qiáng)力旋壓、縮孔旋壓等多種旋壓工藝進(jìn)行仿真分析，精確預(yù)測(cè)成形件的形狀，應(yīng)力應(yīng)變分布，以及成形缺陷等，從而對(duì)工具旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)給深度、軋具尺寸等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

5.機(jī)加工工藝分析

可以對(duì)銑、刨、鉆、車削、剪切等多種機(jī)加工工藝進(jìn)行仿真分析，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)加工過程中的結(jié)構(gòu)-熱耦合分析，模擬切削屑的產(chǎn)生及流動(dòng)狀態(tài)以及獲得機(jī)加工件在卸載后的變形和殘余應(yīng)力分布情況，對(duì)刀具的應(yīng)力應(yīng)變、強(qiáng)度、磨損情況、疲勞壽命進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)刀具的結(jié)構(gòu)和加工工藝參數(shù)，如進(jìn)給量、切削角度、切削速度及深度等進(jìn)行優(yōu)化。

6.增材制造工藝分析

通過快速進(jìn)行整體逐層仿真，預(yù)測(cè)金屬零件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形，從而盡可能減少/避免變形，最大限度地降低殘余應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化堆積方向，優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)。除此之外，CAE技術(shù)還可以考察熱處理、基板和支撐結(jié)構(gòu)切除之后部件的狀態(tài)，幫助用戶一次就成功生產(chǎn)出增材制造部件。

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7.焊接工藝分析

可實(shí)現(xiàn)摩擦焊、電阻焊（點(diǎn)焊、縫焊）等，可計(jì)算焊縫溫度場(chǎng)，應(yīng)力應(yīng)變、扭曲變形等數(shù)據(jù)分析，評(píng)估焊接性能，進(jìn)而對(duì)焊接位置、焊接順序、壓力、電流、速度、時(shí)間等焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

8.鈑金沖壓工藝分析

沖壓在機(jī)械加工行業(yè)中占有非常重要的地位，其廣泛應(yīng)用于航空航天制造，汽車覆蓋件制造等行業(yè)，沖壓件產(chǎn)值在整個(gè)鈑金加工行業(yè)也占有相當(dāng)大的比例。以航空航天、汽車覆蓋件為例，該類鈑金沖壓模具型面復(fù)雜，模具設(shè)計(jì)和制造水平要求高，難度大，沖壓工藝也同樣繁雜，傳統(tǒng)的“試錯(cuò)”法在研發(fā)過程中造成模具報(bào)廢多、成本高、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，降低了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

利用CAE技術(shù)可以模擬鈑金沖壓成型工藝，并進(jìn)行回彈分析，模具的疲勞分析及磨損分析。預(yù)測(cè)成型過程中板料的裂紋、起皺、減薄、劃痕、回彈，評(píng)估板料的成型性能，從而為鈑金成型工藝參數(shù)優(yōu)化及模具設(shè)計(jì)提供幫助。

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9.特殊成型工藝分析

可以模擬一系列特殊成型工藝過程，如：蒙皮拉伸成型、超塑成型、橡皮囊成型和彎管成型等等。前者可以為特殊成型過程提供多種本構(gòu)模型，例如超塑性材料的成型，后者主要針對(duì)板材的各向異性性質(zhì)。模具的運(yùn)動(dòng)即可以用變形體也可以用剛體來模擬，各種摩擦模型和豐富的接觸算法可用來處理任意復(fù)雜的三維接觸面問題。

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10.熱處理工藝分析

可以模擬各種淬火、退火、回火等熱處理工藝過程，得到零件的溫度分布、變形量、硬度、殘余應(yīng)力等結(jié)果，快速直觀了解熱處理工藝參數(shù)對(duì)變形、殘余應(yīng)力的影響，預(yù)測(cè)熱處理過程中的缺陷，指導(dǎo)熱處理工藝優(yōu)化。通過準(zhǔn)確描述零件在高溫狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，對(duì)產(chǎn)品熱處理方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證及優(yōu)化，降低熱處理失效的風(fēng)險(xiǎn)。

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11.粉末冶金分析

可以進(jìn)行金屬粉末的模壓、粉末燒結(jié)、粉末鍛造成型工藝分析，可以預(yù)測(cè)壓實(shí)過程中，粉末密度變化、應(yīng)力應(yīng)變、溫度變化、體積變化、成型尺寸等結(jié)果。

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