CN104014633B - 一种基于有限元分析法的去除棒料芯部缺陷的模拟方法及基于该模拟方法的冲孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限元分析法的去除棒料芯部缺陷的模拟方法，包括如下步骤：a、采用有限元分析软件，应用CAD-UG建模系统创建冲孔数值模拟模型；b、在冲孔数值模拟模型中的模拟棒料中确定芯部缺陷区，并在芯部缺陷区选择若干测试点，模拟棒料冲孔过程，以追踪每个测试点的坐标变化；c、根据测试点在棒料冲压过程时的流动范围确定芯部缺陷区在冲压过程时的流动区域；d、以确定的芯部缺陷区的流动区域的数值范围确定与模拟棒料相对应的模拟冲头的尺寸；e、利用确定尺寸后的模拟冲头来冲切模拟棒料的芯部缺陷区。通过上述方式，本发明能够彻底去除棒料芯部缺陷，材料利用率高，且提高了生产效率，降低了产品成本。

Description

一种基于有限元分析法的去除棒料芯部缺陷的模拟方法及基于该模拟方法的冲孔方法

技术领域

本发明涉及机械加工领域，特别是涉及一种基于有限元分析去除棒料芯部缺陷的模拟方法及基于该模拟方法的去除棒料芯部缺陷的冲孔方法。

背景技术

锻件是金属被施加压力，通过塑性变形塑造要求的形状或合适的压缩力的物件。这种力量典型的通过使用铁锤或压力来实现。锻件过程建造了精致的颗粒结构，并改进了金属的物理属性。

按重量计算，飞机上有85%左右的构件是锻件。飞机发动机的涡轮盘、后轴颈（空心轴）、叶片、机翼的翼梁,机身的肋筋板、轮支架、起落架的内外筒体等都是涉及飞机安全的重要锻件。飞机锻件多用高强度耐磨、耐蚀的铝合金、钛合金、镍基合金等贵重材料制造。为了节约材料和节约能源，飞机用锻件大都采用模锻或多向模锻压力机来生产。

根据不完全的统计，在航空工业系统中，导致航空锻件报废的诸多原因中，由于原材料固有缺陷引起的约占一半左右。棒料芯部常见缺陷有：偏析、夹杂、疏松等，且随着棒料直径越大，棒料芯部缺陷愈严重。

现有的棒料去除芯料缺陷一般有棒料镦粗，冲头压高，翻面切边冲孔或机加工、线切割掏孔。现有的冲孔去除棒料芯料缺陷工艺虽然操作简便、效率高，但由于锻造过程中材料流动复杂，杂质随着棒料镦粗过程而位置发生变化，故只利用镦粗前的冲头去冲切镦粗后的棒料的芯部缺陷，不能够保证完全去除缺陷。而对于性能要求很高的航空发动机关键机件，这种残留的缺陷却是致命的。即，现有技术中的对棒料芯料的去除技术存在两个问题：1、不能保证芯料缺陷去除干净；2、过程复杂、材料利用率低、生产效率低，成本较高。

故对于棒料的芯部缺陷去除，应当充分了解棒料芯部缺陷性质、特征和分布规律，以便在锻造时制定合理的工艺。

DEFORM是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员：设计工模具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本。提高工模具设计效率，降低生产和材料成本。缩短新产品的研究开发周期。

发明内容

本发明主要目的是提供一种基于有限元分析法的去除棒料芯部缺陷的模拟方法，能够彻底去除棒料芯部缺陷，材料利用率高，且提高了生产效率，降低了产品成本。

为实现上述目的，本发明公开的技术方案是：

一种基于有限元分析法的去除棒料芯部缺陷的模拟方法，包括如下步骤：

a、采用有限元分析软件，应用CAD-UG建模系统创建冲孔数值模拟模型；

b、在冲孔数值模拟模型中的模拟棒料中确定芯部缺陷区，并在芯部缺陷区选择若干测试点，然后模拟棒料冲压过程，以追踪每个测试点的坐标变化；

c、根据测试点在棒料冲压过程时的流动范围确定芯部缺陷区在冲压过程时的流动区域；

d、以确定的芯部缺陷区的流动区域的数值范围确定与模拟棒料相对应的模拟冲头的尺寸；

e、利用确定尺寸后的模拟冲头来冲切模拟棒料的芯部缺陷。

优选的，所述芯部缺陷区是以偏离模拟棒料的中心点距离为半径r的柱形区域，所述r的尺寸大于零但小于模拟棒料的半径；所述半径r的数值是模拟棒料的芯部杂质的理论范围值。

优选的，在所述芯部缺陷区的边缘处，沿高度方向距离相等或相似地选取若干个测试点。

优选的，所述测试点设有4-15个。更优选的，所述测试点设有6-10个。

优选的，所述有限元分析软件为DEFORM。

本发明还公开了一种基于上述模拟方法去除棒料芯部缺陷的冲孔方法，包括如下步骤：a、取一待冲压棒料，采用有限元分析软件，应用CAD-UG系统创建所述棒料的冲孔数值模拟模型；

b、在所述棒料的冲孔数值模拟模型中确定芯部缺陷区，并在模拟的芯部缺陷区选择若干测试点，然后模拟棒料冲孔过程；

c、根据测试点在棒料冲压过程时的流动范围确定芯部缺陷区在冲压过程时的流动区域，记录芯部缺陷区的流动区域的直径范围值；

d、以确定的芯部缺陷区的流动区域的直径范围值确定与棒料相对应的冲头的尺寸L；

e、制作尺寸L的冲头，应用于冲床上，冲切所述棒料的芯部缺陷。

所述的去除棒料芯部缺陷的冲孔方法，优选的，步骤e中，冲切棒料的芯部时，采用双面冲切。所述的去除棒料芯部缺陷的冲孔方法中，棒料具有两个端面，分别是A端面、B端面；所述双面冲切是制作两个尺寸为L的冲头，分别是冲头一、冲头二，利用冲头一对棒料的A端面进行冲切，冲切完成后，将棒料倒置，利用冲头二对棒料的B端面进行冲切。

所述的去除棒料芯部缺陷的冲孔方法，优选的，包括如下步骤：

a、在工装桶内镦平棒料坯料至实际棒料高度；

b、将冲头一完全压入棒料的A端面；

c、将棒料倒置，将冲头二完全压入棒料的B端面；

d、取出冲头一和冲头二后用切边和脱模块彻底去除棒料的芯部缺陷。

在本发明一个较佳实施例中，所述冲头一和冲头二的尺寸均通过有限元分析软件模拟得出。

本发明采用有限元分析软件，结合CAD-UG系统创建冲孔数值模拟模型，并依据刚塑性有限元法的基本原理和方法，模拟冲孔过程中临界点金属流动的三维坐标变化特征确定棒料芯部缺陷的范围，进而再结合冲孔工艺，从而实现对棒料芯部缺陷的有效去除。

本发明中通过选取棒料芯部缺陷区的若干测试点来模拟棒料在冲压过程中产生形变时芯部杂质的流动区域，从而确定需要冲切掉的棒料的芯部区域，进而通过相应尺寸的冲头来保证能够将棒料芯部缺陷完全去除。该方法简单有效，能够保证将棒料的芯部缺陷全部去除。并且测试点的选取是在棒料的理论缺陷区的边界上，则镦粗过程中，测试点流动的区域的界限可以推知为是棒料缺陷区在镦粗过程中的最大界限，故将此区域切除，即意味着将棒料芯部的所有缺陷均切除。

本发明的冲孔工艺与现有技术中的单面冲孔不同，采用的是双面冲孔工艺，并且设计有配套的辅助工件；利用双面冲孔从而使得棒料芯部缺陷去除更彻底。

本发明的有益效果是：1、与常规冲孔、机加工、线切割掏孔技术相比，本发明采用双面冲孔工艺，使得棒料芯部缺陷去除更彻底，2、可以通过有限元分析软件模拟出任意尺寸棒料芯部缺陷的范围，从而选择合适的冲头，去除过程更简便、生产效率高，且提高了材料的利用率，降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明模拟方法中的测试点的选取示意图；

图2是本发明模拟方法中的镦压棒料时的示意图及测试点的流动示意图；

图3是本发明模拟方法中的镦压棒料时的测试点的流动示意图；

图4是本发明模拟方法中的采用冲头一冲切棒料的A端面的剖面示意图；

图5是本发明模拟方法中的采用冲头二冲切棒料的B端面的剖面示意图；

图6是本发明模拟方法中的切边和脱模块去除棒料芯部缺陷的剖面示意图；

图7是本发明冲孔方法的流程图；

图8是本发明冲孔方法的各步骤示意图；

图9是本发明冲孔方法中的冲头一的结构示意图；

图10是本发明冲孔方法中的冲头二的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1至图10，本发明实施例包括：

实施例1：一种基于有限元分析法的去除棒料芯部缺陷的模拟方法，包括如下步骤：a、采用有限元分析软件，应用CAD-UG建模系统创建冲孔数值模拟模型；

b、在冲孔数值模拟模型中的模拟棒料中确定芯部缺陷区，并在芯部缺陷区选择若干测试点，然后模拟棒料冲压过程，以追踪每个测试点的坐标变化；

c、根据测试点在棒料冲压过程时的流动范围确定芯部缺陷区在冲压过程时的流动区域；

d、以确定的芯部缺陷区的流动区域的数值范围确定与模拟棒料相对应的模拟冲头的尺寸；

e、利用确定尺寸后的模拟冲头来冲切模拟棒料的芯部缺陷。

本实施例中，所述芯部缺陷区是以偏离模拟棒料的中心点距离为半径r的柱形区域，所述r的尺寸大于零但小于模拟棒料的半径；所述半径r的数值是模拟棒料的芯部杂质的理论范围值。本实施例中，在所述芯部缺陷区的边缘处，沿高度方向距离相等或相似地选取4-15个测试点。更优选的，所述测试点设有6-10个。

实施例2：一种基于有限元分析法的去除棒料芯部缺陷的模拟方法，包括如下步骤：

步骤a、采用有限元分析软件，应用CAD-UG建模系统创建冲孔数值模拟模型；

步骤b、确定模拟棒料的芯部杂质的理论区域范围数据值是r，则以模拟棒料截面的中心点为圆心，做半径为r的圆，则该圆即是芯部缺陷区的横截面。在冲孔数值模拟模型中的模拟棒料中确定芯部缺陷区后，在芯部缺陷区选择测试点，然后模拟棒料冲压过程。

由于棒料在冲压过程中，形态会发生变化，如直径为b的棒料，冲压结束后，棒料的直径为达到b’；请参考附图1、图2及图3：附图1中的图a及图b是棒料的初始状态，直径为b，附图2中的图c是棒料冲压后的状态，直径为b’；附图2中的图a与图b表示的是棒料冲压过程中的变化形态及测试点的流动示意。

本实施例中在所述芯部缺陷区的边缘处选取7个测试点，7个测试点沿高度方向距离相等或相似；请参考附图1的图a与图b，图a中即是选取的7个测试点的示意图，图b中7个测试点均设有标记。

步骤c、根据测试点在棒料冲压过程时的流动范围确定芯部缺陷区在冲压过程时的流动区域；请参考图2及图3，则在棒料镦平的过程中，由于压机对棒料的施力，棒料形态发生变化，则在棒料发生形变的过程中，7个测试点的位置也随之发生变化，每个测试点均跟随所在区域的材料粒子的流动发生流动。选取其中一个测试点为例，请参考附图3，附图3中的图a表示初始状态时，测试点P1位于位置a处，测试点P1到圆心的距离是半径r，棒料的边缘到圆心的距离是R；在棒料镦平后，棒料的边缘到圆心的距离是R’，测试点P1从位置a处移动到位置a’处，位置a’到棒料的圆心的半径是r’。若P1是7个测试点中流动幅度最大的，则以棒料的中心点为圆心，以r’为半径做的圆即视为是芯部缺陷在棒料冲压过程时的流动区域的截面，即在这个范围内是芯部缺陷，冲压切割此区域即可。

当然，棒料冲压镦平的过程中，形态会发生变化，原本圆柱形的棒料冲压镦平后可能截面呈椭圆状，故附图3仅是起到解释说明作用，并不意味着棒料的形态变化状态。

步骤d、以确定的芯部缺陷区的流动区域的数值范围确定与模拟棒料相对应的模拟冲头的尺寸；请参考图9、图10，本实施例中，冲头一的长度L等于2倍的r’；冲头二的长度L等于2倍的r’。为了更进一步的保证冲头能够将棒料芯部缺陷完全有效去除，且保证棒料内的冲孔尽可能小，本发明中确定了冲头的倾斜角度，即附图9、10中的α角的角度是在90-95°之间，优选的，该α角的度数可以是92°、93°、94°。

步骤e、利用确定尺寸后的模拟冲头来冲切模拟棒料的芯部缺陷。请参考图4、图5、图6，即是模拟方法中模拟冲头冲切模拟棒料时测试点的流动示意图，图6中的图b则表示芯部缺陷完全去除。

本模拟方法中，所述的测试点的个数可以是6个、7个、8个、9个、10个，具体数量以棒料的高度及测试点之间的间距而定。

实施例3：一种去除棒料芯部缺陷的冲孔方法，包括如下步骤：包括如下步骤：

a、取一待冲压棒料，采用有限元分析软件，应用CAD-UG建模系统创建所述棒料的冲孔数值模拟模型；

b、在所述棒料的冲孔数值模拟模型中确定芯部缺陷区，并在模拟的芯部缺陷区选择若干测试点，然后模拟棒料冲压过程；

c、根据测试点在棒料冲压过程时的流动范围确定芯部缺陷区在冲压过程时的流动区域，记录芯部缺陷区的流动区域的直径范围值；

d、以确定的芯部缺陷区的流动区域的直径范围值确定与棒料相对应的冲头的尺寸L；

e、制作尺寸L的冲头，应用于冲床上，冲切棒料的芯部缺陷。

各步骤请参考附图7，附图7是冲切方法的流程示意图。

本实施例中冲切棒料的芯部缺陷时，采用双面冲切。请参考图8，棒料1具有两个端面，分别是A端面、B端面；所述双面冲切是制作两个尺寸为L的冲头，分别是冲头一4、冲头二5，利用冲头一4对棒料1的A端面进行冲切，冲切完成后，将棒料1倒置，利用冲头二5对棒料1的B端面进行冲切。

本实施例中，为了更有效的对棒料1进行冲切，设置有配套的辅助工件，

a、在工装桶2内用压机3镦平棒料坯料至实际棒料高度；

b、将冲头一4完全压入棒料1的A端面；

c、将棒料1倒置，将冲头二5完全压入棒料1的B端面；

d、取出冲头一4和冲头二5后用切边6和脱模块7彻底去除棒料1的芯部缺陷。

本发明中为了实现双面冲压，还设计了用于双面冲压的工装8，冲头一4完全压入棒料1的A端面后，A端面上留有冲孔，工装8上设有一个凸起，该凸起与A端面上的冲孔相匹配，则用于将棒料1倒置后能牢固放置在工装8上，详见附图8中的图b。

本发明中为了保证冲压效果，压机3、冲头一4、冲头二5冲压时的速度均在10-15mm/s之间，最佳的，选取冲压速度12mm/s。

区别于现有技术，与常规冲孔、机加工、线切割掏孔技术相比，本发明采用双面冲孔工艺，使得棒料芯部缺陷去除更彻底；另外，可以通过有限元分析软件模拟出任意尺寸棒料芯部缺陷的范围，从而选择合适的冲头，去除过程更简便、生产效率高，且提高了材料的利用率，降低了生产成本。

本发明为了去除棒料芯部缺陷，建立了一种模拟方法，利用该模拟方法来推算相应的棒料芯部缺陷在棒料镦平冲压过程中杂质的流动区域，并利用冲头冲切此流动区域，从而实现将棒料芯部缺陷完全去除的效果，方法简单有效，去除效果明显，并且依据该模拟方法，确定了一种能够有效去除棒料芯部缺陷的冲孔方法。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于有限元分析法的去除棒料芯部缺陷的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、采用有限元分析软件，应用CAD-UG建模系统创建冲孔数值模拟模型；

b、在冲孔数值模拟模型中的模拟棒料中确定芯部缺陷区，并在芯部缺陷区选择若干测试点，然后模拟棒料冲压过程，以追踪每个测试点的坐标变化；

c、根据测试点在棒料冲压过程时的流动范围确定芯部缺陷区在冲压过程时的流动区域；

d、以确定的芯部缺陷区的流动区域的数值范围确定与模拟棒料相对应的模拟冲头的尺寸；

e、利用确定尺寸后的模拟冲头来冲切模拟棒料的芯部缺陷。

2.根据权利要求1所述的去除棒料芯部缺陷的模拟方法，其特征在于，所述芯部缺陷区是以偏离模拟棒料的中心点距离为半径r的柱形区域，所述半径r的尺寸大于零但小于模拟棒料的半径；所述半径r的数值是模拟棒料的芯部杂质的理论范围值。

3.根据权利要求2所述的去除棒料芯部缺陷的模拟方法，其特征在于，在所述芯部缺陷区的边缘处，沿高度方向距离相等或相似地选取若干个测试点。

4.根据权利要求3所述的去除棒料芯部缺陷的模拟方法，其特征在于，所述测试点设有4-15个。

5.根据权利要求4所述的去除棒料芯部缺陷的模拟方法，其特征在于，所述测试点设有6-10个。

6.根据权利要求1-5中任一所述的去除棒料芯部缺陷的模拟方法，其特征在于，所述有限元分析软件为DEFORM。

7.一种去除棒料芯部缺陷的冲孔方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、取一待冲压棒料，采用有限元分析软件，应用CAD-UG建模系统创建所述棒料的冲孔数值模拟模型；

b、在所述棒料的冲孔数值模拟模型中确定芯部缺陷区，并在模拟的芯部缺陷区选择若干测试点，然后模拟棒料冲压过程；

c、根据测试点在棒料冲压过程时的流动范围确定芯部缺陷区在冲压过程时的流动区域，记录芯部缺陷区的流动区域的直径范围值；

d、以确定的芯部缺陷区的流动区域的直径范围值确定与棒料相对应的冲头的尺寸L；

e、制作尺寸L的冲头，应用于冲床上，冲切棒料的芯部缺陷。

8.根据权利要求7中所述的去除棒料芯部缺陷的冲孔方法，其特征在于，步骤e中，冲切所述棒料的芯部时，采用双面冲切。

9.根据权利要求8中所述的去除棒料芯部缺陷的冲孔方法，其特征在于，所述棒料具有两个端面，分别是A端面、B端面；所述双面冲切是制作两个尺寸为L的冲头，分别是冲头一、冲头二，利用冲头一对棒料的A端面进行冲切，冲切完成后，将棒料倒置，利用冲头二对棒料的B端面进行冲切。

10.根据权利要求9中所述的去除棒料芯部缺陷的冲孔方法，其特征在于，

a、在工装桶内镦平棒料的坯料至实际棒料高度；

b、将冲头一完全压入棒料的A端面；

c、将棒料倒置，将冲头二完全压入棒料的B端面；

d、取出冲头一和冲头二后用切边和脱模块彻底去除棒料的芯部缺陷。