一文讀懂金屬材料成型工藝CAE分析

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機械產品的設計、制造與成型工藝密切相關，成型工藝的優劣對產品的質量的影響至關重要，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、機加工及熱處理等。

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隨著生產加工水平的提高，對產品的精度、成本要求也越來越高，過去的依靠經驗+試驗的方法，進行模具制造和加工控制已越來越不能滿足工程需要。以數字化仿真技術為代表的現代科學技術對合金材料成型工藝提出了更高、更新的要求，隨著冶金企業數字化應用的不斷深入，CAE的發展也逐漸占據了成型工藝設計與優化的高端位置。

引進數字化模擬技術，利用CAE軟件分析和優化生產制造工藝勢在必行。CAE計算機模擬技術及相應的成形工藝仿真平臺，無論是在提高生產率、保證產品質量，還是在降低成本，減輕勞動強度等方面，都有很大的優越性。

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1.軋制工藝分析

金屬軋制工藝分析是一個典型的非線性問題，它需要考慮材料塑性、結構大變形和接觸等所有非線性因素。CAE技術可以有效地模擬環軋、型軋、多道次軋制等軋制工藝，可以進行板材、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、軋輥下壓量變化等各方面工藝參數的影響。有效預測軋制過程中出現的折疊、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。

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2.鍛造工藝分析

CAE技術可以模擬鍛造成型過程中的局部大位移、大轉動，以及復雜的接觸算法，可以進行多種鍛造工藝的模擬，包括自由鍛、模鍛、輾環、特殊鍛造（輥鍛、鍥橫軋、徑向鍛造、液態模鍛）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、材料內部的應力、應變、應變速率、成形載荷和速度矢量場等信息，進而為鍛造工藝和鍛造模具的設計提供科學指導。

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3.擠壓工藝分析

可以對擠壓過程進行模擬，快速計算型腔內的材料流動，預測成形缺陷以及擠壓成形過程中的溫度場，應力應變及材料流速變化，評估擠壓模具設計。

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4.旋壓工藝分析

CAE技術可模擬復雜的運動軌跡，從而對普通拉伸旋壓、強力旋壓、縮孔旋壓等多種旋壓工藝進行仿真分析，精確預測成形件的形狀，應力應變分布，以及成形缺陷等，從而對工具旋轉速度、進給深度、軋具尺寸等工藝參數進行優化。

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5.機加工工藝分析

可以對銑、刨、鉆、車削、剪切等多種機加工工藝進行仿真分析，可以實現機加工過程中的結構-熱耦合分析，模擬切削屑的產生及流動狀態以及獲得機加工件在卸載后的變形和殘余應力分布情況，對刀具的應力應變、強度、磨損情況、疲勞壽命進行分析，進而對刀具的結構和加工工藝參數，如進給量、切削角度、切削速度及深度等進行優化。

6.增材制造工藝分析

通過快速進行整體逐層仿真，預測金屬零件的結構應力和變形，從而盡可能減少/避免變形，最大限度地降低殘余應力，在此基礎上優化堆積方向，優化支撐結構。除此之外，CAE技術還可以考察熱處理、基板和支撐結構切除之后部件的狀態，幫助用戶一次就成功生產出增材制造部件。

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7.焊接工藝分析

可實現摩擦焊、電阻焊（點焊、縫焊）等，可計算焊縫溫度場，應力應變、扭曲變形等數據分析，評估焊接性能，進而對焊接位置、焊接順序、壓力、電流、速度、時間等焊接工藝參數進行優化。

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8.鈑金沖壓工藝分析

沖壓在機械加工行業中占有非常重要的地位，其廣泛應用于航空航天制造，汽車覆蓋件制造等行業，沖壓件產值在整個鈑金加工行業也占有相當大的比例。以航空航天、汽車覆蓋件為例，該類鈑金沖壓模具型面復雜，模具設計和制造水平要求高，難度大，沖壓工藝也同樣繁雜，傳統的“試錯”法在研發過程中造成模具報廢多、成本高、周期長等缺點，降低了企業的市場競爭力。

利用CAE技術可以模擬鈑金沖壓成型工藝，并進行回彈分析，模具的疲勞分析及磨損分析。預測成型過程中板料的裂紋、起皺、減薄、劃痕、回彈，評估板料的成型性能，從而為鈑金成型工藝參數優化及模具設計提供幫助。

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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模型，例如超塑性材料的成型，后者主要針對板材的各向異性性質。模具的運動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、殘余應力等結果，快速直觀了解熱處理工藝參數對變形、殘余應力的影響，預測熱處理過程中的缺陷，指導熱處理工藝優化。通過準確描述零件在高溫狀態下的應力應變關系，對產品熱處理方案進行仿真驗證及優化，降低熱處理失效的風險。

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11.粉末冶金分析

可以進行金屬粉末的模壓、粉末燒結、粉末鍛造成型工藝分析，可以預測壓實過程中，粉末密度變化、應力應變、溫度變化、體積變化、成型尺寸等結果。

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