CN109918704A - 一种基于有限元模拟的模锻模具寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于模锻工艺领域，涉及一种基于有限元模拟的模锻模具寿命预测方法，尤其涉及模锻加工中的有限元仿真及模具磨损修正模型的建立。本方法借助Deform软件对整个模锻加工过程进行有限元仿真分析，将关键性节点计算和模锻成型过程中的有限元仿真相联系，建立适用于模锻工艺的模具磨损修正模型，利用线性拟合法对仿真试验数据进行拟合处理，提出一种基于有限元模拟的模锻模具寿命预测方法，为解决实际生产中模具寿命问题提供理论依据，通过仿真试验来研究模具磨损量对模具寿命的影响，通过有限元模拟的方法对模具磨损和模具寿命之间的关系进行预测可以科学规划模具的检验周期，避免模具失效后继续使用，同时可以指导工厂规划模具更换周期，大幅提高锻造工厂的经济效应。
Description
技术领域
本发明属于模锻工艺领域，涉及一种基于有限元模拟的模锻模具寿命预测方法，尤其涉及模锻加工中的有限元仿真及模具磨损修正模型的建立。
背景技术
由于我国制造业的快速发展，模具行业逐渐从传统市场转型到新兴高端市场。在热模锻工艺中，高端市场也对模具制造提出了高精度、短周期、长寿命和低成本的要求,而模具寿命一直以来都是影响实际生产效率和企业经济效益的难题。在模锻加工过程中，模具寿命主要是由于模具失效造成的，模具失效的基本形式是：塑性变形、疲劳断裂、模具磨损。而模具磨损所造成的模具失效占所有失效形式的70％左右，因此影响模具寿命的主要因素就是模具磨损所导致的模具失效。所以如何通过模具磨损来预测模具寿命成为了模锻加工行业中的难题。目前进行模具的磨损主要采取人工测量的方式为主，需要在一定使用次数后由人工对模具的关键尺寸进行测量，并将测量尺寸与模具图纸进行分析对比，测量过程繁琐，耗时长，模具易出现在测量前已失效并进行部分产品加工，带来较大产品的浪费，因此开发一种模具事先预测的方法具有紧迫的需求及较大的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于有限元模拟的模锻模具寿命预测方法。通过利用有限元数值模拟方法来建立模锻工艺的模具磨损修正模型，根据模具上面的关键性节点的磨损情况，推导出一次模锻成型过程中模具的平均磨损量，根据每次的模具磨损量进行线性数据拟合，预测出整个生产过程中的模具寿命。
为实现上述目的，本发明通过Archard磨损理论建立模锻工艺的模具磨损修正模型，并结合有限元模拟软件的仿真实验，利用Deform仿真软件来模拟出模锻工艺中的模具磨损深度，对仿真实验结果进行数据处理，推导出模具的总磨损量和模锻次数之间的关系，最后结合实际生产标准来预测模具寿命。
其具体包括如下步骤：
步骤1：基于Archard磨损理论，建立适用于模锻工艺的模具磨损修正模型；
步骤1.1建立Archard磨损模型；
Archard理论模型的数学表达形式如下：
式中，V是磨损体积，K是磨损系数，P是模具受压，l是模具和坯料之间的切向相对滑移距离，H是模具硬度。d是微分符号，表示各个变量的变化率。则dV、dp、dl分别表示为磨损体积、模具受压、滑移距离的变化率。
步骤1.2建立基于有限元数值模拟的模具磨损量的修正模型；
建立体现温度影响的热模锻工艺的模具磨损的修正模型：
W(T)是磨损量关于温度的函数，K(T)是磨损系数关于温度的函数，P是模具受压，L是模具和坯料之间的相对滑移距离，H(T)是模具硬度关于温度的函数，将有限元模拟的方法引入公式2中，得到：
式中：△Wij为模具在第j时刻时i节点处的磨损深度；Pij为模具在第j时刻时i节点处的法向压力；Lij为模具在第j时刻时i节点处与坯料之间的相对滑移距离，通过Deform软件对整个模锻成型过程进行模拟，得到模具在任意一段时间内的i节点处的总磨损深度：
式中，Wij为模具在该时间段内i节点处的总磨损量，ij为模具在第j时刻位于i节点处的状态，n为模拟总步数，K(T)是磨损系数关于温度的函数，H(T)是模具硬度关于温度的函数,Pij为模具在第j时刻时i节点处的法向压力；Lij为模具在第j时刻时i节点处与坯料之间的相对滑移距离；
在一次模锻成型过程中，模具的平均磨损量为：
式中为模具的平均磨损量，n表示在有限元模拟时对模具所取的总节点数，wi为第i 个节点的模具磨损量。所以模具的平均磨损量即为基于有限元模拟的模具磨损修正模型。
步骤2：利用有限元模拟软件进行模锻工艺的仿真试验；
步骤2.1建立有限元仿真模型；
通过SolidWorks建模软件构造本次模锻成型过程中所需要的上模、下模和坯料模型，然后以STL的格式导入到有限元模拟软件Deform里面，得到所需要的有限元仿真模型；在 Deform中进行模锻工艺参数设置，单位制选择SI，坯料设置为塑性体，模具设置为刚性体，根据所选坯料设定可锻温度、模具温度、热摩擦系数及热传导系数；
步骤2.2有限元仿真实验结果；
用Deform软件依照设置好的工艺参数和构建好的模型进行有限元仿真分析，得到上模具和下模具的整体磨损量，分析上模和下模的磨损情况，从模具中选择磨损情况更为严重的上或下模具，在该模具的磨损表面上取不同位置的多个磨损量相对大的点作为关键性节点，将这些关键性节点的表面温度、表面压力、磨损深度进行数据统计，进而根据模锻工艺的模具磨损修正模型推导出本次模锻成型过程中的平均磨损量；
根据关键性节点的磨损量和模具磨损修正模型计算出本次模锻成型过程的平均磨损量，并且将这一次模锻结束后的模具状态作为下一次模锻开始时的模具初始状态，在条件不变的情况下，进行下一次模锻工艺仿真试验，按照上述步骤进行10组模锻成型过程的有限元仿真试验，并且计算出每一次仿真试验后模具的平均磨损量；
步骤3：对仿真试验结果进行数据处理来预测模具寿命
采用线性拟合法将每次模锻仿真试验所得到的累积磨损量进行线性拟合，使用MATLAB 软件推导出模锻工艺中模具的总磨损量和模锻次数之间的线性拟合数学公式。将该线性拟合公式和该模具所允许的最大精度误差相结合，得出模锻工艺中的模具寿命的预测。
预测结果可根据仿真结果获取的寿命预测数据，通过数据库进行分类存储，模具使用时，对模具的预测寿命进行提示。
所述坯料材料采用TI-8AL-1MO-1V。
所述模具的材料采用AISI-H-13。
本发明具有的优点和有益效果是：与现有模锻工艺相比，本方法借助Deform软件对整个模锻加工过程进行有限元仿真分析，将关键性节点计算和模锻成型过程中的有限元仿真相联系，建立适用于模锻工艺的模具磨损修正模型，利用线性拟合法对仿真试验数据进行拟合处理，提出一种基于有限元模拟的模锻模具寿命预测方法，为解决实际生产中模具寿命问题提供理论依据，通过仿真试验来研究模具磨损量对模具寿命的影响，通过有限元模拟的方法对模具磨损和模具寿命之间的关系进行预测可以科学规划模具的检验周期，避免模具失效后继续使用，同时可以指导工厂规划模具更换周期，大幅提高锻造工厂的经济效应。
附图说明：
图1为本发明方法的实施流程图。
图2为有限元模拟过程中的锻件成型图。
图3为上模的模具磨损情况。
图4为下模的模具磨损情况。
图5为模具上7个关键性节点的表面温度。
图6为模具上7个关键性节点的表面受压。
图7为模具上7个关键性节点的磨损深度。
图8为模具的总磨损量和模锻次数之间的线性拟合直线。
具体实施方式
如图1所示，本方法具体包括如下步骤：
步骤1：基于Archard磨损理论，建立适用于模锻工艺的模具磨损修正模型。
步骤1.1建立Archard磨损模型；
Archard理论模型的数学表达形式如下：
式中，V是磨损体积，K是磨损系数，P是模具受压，l是模具和坯料之间的切向相对滑移距离，H是模具硬度。d是微分符号，表示各个变量的变化率。则dV、dp、dl分别表示为磨损体积、模具受压、滑移距离的变化率。
步骤1.2建立基于有限元数值模拟的模具磨损量的修正模型；
建立体现温度影响的热模锻工艺的模具磨损的修正模型：
W(T)是磨损量关于温度的函数，K(T)是磨损系数关于温度的函数，P是模具受压，L是模具和坯料之间的相对滑移距离，H(T)是模具硬度关于温度的函数，将有限元模拟的方法引入公式2中，得到：
式中：△Wij为模具在第j时刻时i节点处的磨损深度；Pij为模具在第j时刻时i节点处的法向压力；Lij为模具在第j时刻时i节点处与坯料之间的相对滑移距离，通过Deform软件对整个模锻成型过程进行模拟，得到模具在任意一段时间内的i节点处的总磨损深度：
式中，Wij为模具在该时间段内i节点处的总磨损量，ij为模具在第j时刻位于i节点处的状态，n为模拟总步数，K(T)是磨损系数关于温度的函数，H(T)是模具硬度关于温度的函数,Pij为模具在第j时刻时i节点处的法向压力；Lij为模具在第j时刻时i节点处与坯料之间的相对滑移距离；
在一次模锻成型过程中，模具的平均磨损量为：
式中为模具的平均磨损量，n表示在有限元模拟时对模具所取的总节点数，wi为第i 个节点的模具磨损量。所以模具的平均磨损量即为基于有限元模拟的模具磨损修正模型。
步骤2：利用有限元模拟软件进行模锻工艺的仿真试验。
步骤2.1建立有限元仿真模型。
通过SolidWorks建模软件构造本次模锻成型过程中所需要的上模、下模和坯料模型，然后以STL的格式导入到有限元模拟软件Deform里面，得到所需要的有限元仿真模型。在Deform中进行模锻工艺参数设置。单位制选择SI(国际单位制)，坯料设置为塑性体，模具设置为刚性体。
步骤2.2有限元仿真实验结果。
用Deform软件依照设置好的工艺参数和构建好的模型进行有限元仿真分析，得到上模具和下模具的整体磨损量，分析上模和下模的磨损情况，从上、下模具中选择磨损情况更为严重的模具，在该模具的磨损表面上取不同位置的多个磨损量较大的点作为关键性节点，将这些关键性节点的表面温度、表面压力、磨损深度进行数据统计，进而根据模锻工艺的模具磨损修正模型推导出本次模锻成型过程中的平均磨损量。
如图2所示为本实验模锻加工后的锻件成型情况，如图3所示为上模的模具磨损情况，如图4所示为下模的模具磨损情况。对比本次模锻成型过程的仿真结果，发现上模的整体磨损情况要比下模严重很多，所以从上模表面抽取出7个磨损情况较为严重的关键性节点。
利用Deform仿真软件将7个关键性节点的表面温度、表面受压和磨损情况进行数据统计和数据处理，如图5～7所示分别为模具上7个关键性节点的表面温度、表面受压和磨损情况。
根据关键性节点的磨损量和模具磨损修正模型计算出本次模锻成型过程的平均磨损量，并且将这一次模锻结束后的模具状态作为下一次模锻开始时的模具初始状态，在其他条件不变的情况下，进行下一次模锻工艺仿真试验，按照上述方法一共进行10组模锻成型过程的有限元仿真试验，并且计算出每一次仿真试验后模具的平均磨损量。
步骤3：对仿真试验结果进行数据处理来预测模具寿命。
采用线性拟合法将每次模锻仿真试验所得到的累积磨损量进行线性拟合，推导出模锻工艺中模具的总磨损量和模锻次数之间的线性拟合数学公式。将该线性拟合公式和该模具所允许的最大精度误差相结合，可以对模锻工艺中的模具寿命进行较为精确的预测。
实施例过程如下所示：
步骤1：基于Archard磨损理论，建立适用于模锻工艺的模具磨损修正模型。
步骤1.1建立Archard磨损模型。
Archard理论模型的数学表达形式如下：
式中，V是磨损体积，K是磨损系数，P是模具受压，l是模具和坯料之间的切向相对滑移距离，H是模具硬度。d是微分符号，表示各个变量的变化率。则dV、dp、dl分别表示为磨损体积、模具受压、滑移距离的变化率。
步骤1.2建立基于有限元数值模拟的模具磨损量的修正模型。
建立体现温度影响的热模锻工艺的模具磨损的修正模型：
W(T)是磨损量关于温度的函数，K(T)是磨损系数关于温度的函数，P是模具受压，L是模具和坯料之间的相对滑移距离，H(T)是模具硬度关于温度的函数，将有限元模拟的方法引入公式2中，得到：
式中：△Wij为模具在第j时刻时i节点处的磨损深度；Pij为模具在第j时刻时i节点处的法向压力；Lij为模具在第j时刻时i节点处与坯料之间的相对滑移距离，通过Deform软件对整个模锻成型过程进行模拟，得到模具在任意一段时间内的i节点处的总磨损深度：
式中，Wij为模具在该时间段内i节点处的总磨损量，ij为模具在第j时刻位于i节点处的状态，n为模拟总步数，K(T)是磨损系数关于温度的函数，H(T)是模具硬度关于温度的函数,Pij为模具在第j时刻时i节点处的法向压力；Lij为模具在第j时刻时i节点处与坯料之间的相对滑移距离；
在一次模锻成型过程中，模具的平均磨损量为：
式中为模具的平均磨损量，n表示在有限元模拟时对模具所取的总节点数，wi为第i 个节点的模具磨损量。所以模具的平均磨损量即为基于有限元模拟的模具磨损修正模型。
步骤2：利用有限元模拟软件进行模锻工艺的仿真试验；
步骤2.1建立有限元仿真模型；
通过SolidWorks建模软件构造本次模锻成型过程中所需要的上模、下模和坯料模型，然后以STL的格式导入到有限元模拟软件Deform里面，得到所需要的有限元仿真模型。在 Deform中进行模锻工艺参数设置。单位制选择SI(国际单位制)，坯料设置为塑性体，模具设置为刚性体。坯料材料采用TI-8AL-1MO-1V，上模具和下模具的材料都采用AISI-H-13，坯料温度为900℃，模具温度为2，热摩擦系数设置为0.7，热传导系数设置为11。
步骤2.2有限元仿真实验结果；
用Deform软件依照设置好的工艺参数和构建好的模型进行有限元仿真分析，得到上模具和下模具的整体磨损量，对比观察上模和下模的磨损情况，发现上模具的整体磨损情况要更为严重一些，所以在上模具的磨损表面上抽取不同位置的7个磨损量较大的点作为关键性节点，再次利用Deform仿真软件的后处理功能对这7个关键性节点的表面温度、表面压力和磨损深度进行有限元模拟分析。如图2所示为本实验模锻加工后的锻件成型情况，如图3 所示为上模的模具磨损情况，如图4所示为下模的模具磨损情况。如图5～7所示分别为模具上7个关键性节点的表面温度、表面受压和磨损情况。
根据这7个关键性节点的磨损量和模具磨损修正模型计算出本次模锻成型过程的平均磨损量，并且将这一次模锻结束后的模具状态作为下一次模锻开始时的模具初始状态，在其他条件不变的情况下，进行下一次模锻工艺仿真试验，按照上述方法一共进行10组模锻成型过程的有限元仿真试验，并且计算出每一次仿真试验后模具的平均磨损量。
步骤3：对仿真试验结果进行数据处理来预测模具寿命
步骤3.1试验数据分析和处理
对这7个关键性节点的仿真试验数据进行数据统计和数据处理，进而根据模锻工艺的模具磨损修正模型推导出本次模锻成型过程中的平均磨损量。如表1所示为各个关键性节点的表面温度、表面受压和磨损深度的参数值。
表1各关键性节点的参数值
根据关键性节点的磨损量和模具磨损修正模型计算出本次模锻成型过程的平均磨损量，经过运算得出本次模锻的模具平均磨损量为0.0412mm。重复上面方法继续计算出后面9次模锻加工过程的模具平均磨损量，利用节点法计算出的模具平均磨损量即为每次模锻工艺中的模具累计磨损量，如表2所示为10次模锻成型仿真试验中模具的累积磨损量。
表2十次模锻仿真试验中模具累积磨损量
步骤3.2采用线性拟合法预测模具寿命
采用线性拟合法将每次模锻仿真试验所得到的累积磨损量进行线性拟合，推导出模锻工艺中模具的总磨损量和模锻次数之间的线性拟合数学公式。使用MATLAB软件对表2进行数据拟合，得到线性拟合数学公式：Y＝0.0017436X+0.03942，如图8所示为模具总磨损量和模锻次数之间的线性拟合结果。在实际生产中，该模具所允许的最大精度误差为0.05mm，将该线性拟合公式和该模具所允许的最大精度误差相结合，即Y＝0.5时，X＝264.15，所以通过本方法预测出该模具的使用寿命为264件。
本方法将模锻模具磨损修正模型与有限元模拟相结合，建立了一套预测模锻模具寿命的方法，该方法可以根据实际生产中不同模具允许的最大精度误差进行相应的调整，对模锻工艺中的模具寿命进行较为准确的预测。通过上面的描述并结合附图说明，本发明会更加清晰，附图说明用于解释本发明方法及实施过程。
Claims (4)
1.一种基于有限元模拟的模锻模具寿命预测方法，其具体包括如下步骤：
步骤1：基于Archard磨损理论，建立适用于模锻工艺的模具磨损修正模型；
步骤1.1建立Archard磨损模型；
Archard理论模型的数学表达形式如下：
式中，V是磨损体积，K是磨损系数，P是模具受压，l是模具和坯料之间的切向相对滑移距离，H是模具硬度，d是微分符号，表示各个变量的变化率，则dV、dp、dl分别表示为磨损体积、模具受压、滑移距离的变化率；
步骤1.2建立基于有限元数值模拟的模具磨损量的修正模型；
建立体现温度影响的热模锻工艺的模具磨损的修正模型：
W(T)是磨损量关于温度的函数，K(T)是磨损系数关于温度的函数，P是模具受压，L是模具和坯料之间的相对滑移距离，H(T)是模具硬度关于温度的函数，将有限元模拟的方法引入公式2中，得到：
式中：△Wij为模具在第j时刻时i节点处的磨损深度；Pij为模具在第j时刻时i节点处的法向压力；Lij为模具在第j时刻时i节点处与坯料之间的相对滑移距离，通过Deform软件对整个模锻成型过程进行模拟，得到模具在任意一段时间内的i节点处的总磨损深度：
式中，Wij为模具在该时间段内i节点处的总磨损量，ij为模具在第j时刻位于i节点处的状态，n为模拟总步数，K(T)是磨损系数关于温度的函数，H(T)是模具硬度关于温度的函数,Pij为模具在第j时刻时i节点处的法向压力；Lij为模具在第j时刻时i节点处与坯料之间的相对滑移距离；
在一次模锻成型过程中，模具的平均磨损量为：
式中为模具的平均磨损量，n表示在有限元模拟时对模具所取的总节点数，wi为第i个节点的模具磨损量，所以模具的平均磨损量即为基于有限元模拟的模具磨损修正模型；
步骤2：利用有限元模拟软件进行模锻工艺的仿真试验；
步骤2.1建立有限元仿真模型；
通过SolidWorks建模软件构造本次模锻成型过程中所需要的上模、下模和坯料模型，然后以STL的格式导入到有限元模拟软件Deform里面，得到所需要的有限元仿真模型；在Deform中进行模锻工艺参数设置，单位制选择SI，坯料设置为塑性体，模具设置为刚性体，根据所选坯料材料特性设定可锻温度、模具温度、热摩擦系数及热传导系数；
步骤2.2有限元仿真实验结果；
用Deform软件依照设置好的工艺参数和构建好的模型进行有限元仿真分析，得到上模具和下模具的整体磨损量，分析上模和下模的磨损情况，从模具中选择磨损情况更为严重的上或下模具，在该模具的磨损表面上取不同位置的多个磨损量相对大的点作为关键性节点，将这些关键性节点的表面温度、表面压力、磨损深度进行数据统计，进而根据模锻工艺的模具磨损修正模型推导出本次模锻成型过程中的平均磨损量；
根据关键性节点的磨损量和模具磨损修正模型计算出本次模锻成型过程的平均磨损量，并且将这一次模锻结束后的模具状态作为下一次模锻开始时的模具初始状态，在条件不变的情况下，进行下一次模锻工艺仿真试验，按照上述步骤进行10组模锻成型过程的有限元仿真试验，并且计算出每一次仿真试验后模具的平均磨损量；
步骤3：对仿真试验结果进行数据处理来预测模具寿命；
采用线性拟合法将每次模锻仿真试验所得到的累积磨损量进行线性拟合，利用MATLAB软件推导出模锻工艺中模具的总磨损量和模锻次数之间的线性拟合数学公式；将该线性拟合公式和该模具所允许的最大精度误差相结合，得出模锻工艺中的模具寿命的预测。
2.根据权利1所述的一种基于有限元模拟的模锻模具寿命预测方法，其特征是：预测结果可根据仿真结果获取的寿命预测数据，通过数据库进行分类存储，模具使用时，对模具的预测寿命进行提示。
3.根据权利1所述的一种基于有限元模拟的模锻模具寿命预测方法，其特征是：所述坯料材料采用TI-8AL-1MO-1V。
4.根据权利1所述的一种基于有限元模拟的模锻模具寿命预测方法，其特征是：所述模具的材料采用AISI-H-13。
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