基于刚塑性有限元的GFM精锻锻透性仿真

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1、第27卷第2期河南科技大学学报：自然科学版Vol.27No.22006年4月JournalofHenanUniversityofScienceandTechnology：NaturalScienceApr.2006════════════════════════════════════════════════════════════════文章编号：1672-6871（2006）02-0001-03基于刚塑性有限元的GFM精锻锻透性仿真周旭东1，戴晓珑2，王国宣3，高全德3，白振拴3，孟惠霞4（1.河南科技大学材料科学

2、与工程学院，河南洛阳471003；2.北京师范大学信息科技与技术学院，北京100083；3.河南中原特殊钢厂，河南济源454685；4.河南省济源职业技术学院，河南济源454686）摘要：采用商用软件DEFORM用刚塑性有限元理论对GFM精锻锻透性进行了仿真研究，确认了GFM锻不透的问题并指出锻透性最大只能达到约60%，且与摩擦条件的影响关系不大，进而得出了GFM锻透性FPE与压下率Δh/R的5次方回归关系式，为GFM精锻的工艺设计提供了参考。关键词：GFM精锻；锻透性；刚塑性有限元；工艺设计中图分类号：TG311；T

3、P391.9文献标识码：A0前言与普通锻造采用锻造比和挤压比不同，GFM精锻机进行锻造主要是对铸锻件进行表面锻造，其中如何确定锻透性是最关键的问题之一。所谓锻透性是指在坯料的整个厚度上锻造时所能达到的变形深［1-3］浅程度。锻透性与锻造设备吨位大小、上下砧块宽度、金属变形速度及锻坯材料等因素有关，一般来说，锻造设备吨位越大，变形速度越小，坯料在厚度方向的锻透性就越大，反之，锻透性就越小。当锻造设备的打击能力一定时，若平砧的宽度同坯料厚度之比为0.5时，可以得到满意的锻透性；二者之比小于0.5时，中心的粗大晶粒常得不到充

4、分的打碎，同时由于金属表面层变形大，内层变形小，易在中心引起拉伸应力，严重时能使坯料内部产生裂纹以及造成端面凹陷等缺陷；二者之比大于0.5时，虽然能得到最大的锻透性，但坯料的拔长速度较小。GFM精锻机锻透性最早是由德国人根据经典理论提出的，是以锤头与锻件接触长度为底边，作等腰直角三角形得出的深度。文献［4，5］采用云纹法基于实验来研究GFM锻造变形过程的理论，利用栅的变化来得到位移场和应变场，研究表明，随着锤头压下量的增加，工件的塑性变形区不断扩大，锻透深度不断增加，但心部几乎未变形。文献［6］采用滑移线场和矩阵理论对

5、GFM锻透性进行了较为系统的力学研究和试验验证。文献［7］采用流函数法对锻透性进行了解析，认为GFM精锻过程存在锻不透的问题。文献［4］利用不同变形程度下合金的微观组织来研究锻透性。文献［8］提供了GFM自由锻专用模块，为GFM锻透性的研究提供了强有力的工具。本文采用商用软件DEFORM的刚塑性法对GFM精锻进行数值模拟，并对数值模拟结果进行归纳，仿真研究得出了GFM锻透性FPE与压下率Δh/R的定量关系。1刚塑性有限元理论文献［9，10］采用拉格朗日乘子法构造刚塑性有限元新泛函，以求解速度场。新泛函的变分形式为—∸·

6、·δπ=∫σδεdV+λδεvdV+εδvλdV-FδiuidS=0（1）V∫V∫V∫SF采用ui表示第i节点速度，其变分用δui表示；j表示第j单元，由式（1）得∂π∂π=Σ（）（j）=0（2）∂uij∂ui式（2）为非线性方程，其线性化为基金项目：河南省自然科学基金项目（200410464013）；河南科技大学科学研究基金项目（20020007）作者简介：周旭东（1963-），男，辽宁锦县人，教授，博士，主要从事材料成形物理和数值模拟与智能优化研究.收稿日期：2005-09-08·2·河南科技大学学报：自然科学版2

7、006年2∂π∂π［］u=u+［］u=uΔuj=0（3）∂ui0∂u∂iuj0式（3）可以写成如下形式KΔu=f（4）式中K为刚度矩阵；f为外力。式（4）收敛的标准为⇀⇀‖Δu‖‖Δf‖⇀≤0.005和⇀≤0.05（5）‖u‖‖f‖式中Δu为叠代运算前后速度之差值；Δf为叠代运算前后力之差值。2刚塑性有限元模拟2.1基本假设及加工条件的设定（1）令整个模拟过程为恒温，不考虑温度效应。（2）视模具为刚体。（3）忽略材料的重力及惯性作用。（4）不考虑材料的缺陷及密度变化等问题。（5）工件视为完全刚塑性体，材料具有各向同性及

8、均匀性。在DEFORM模拟时，工件材料为35#钢横断面直径设为φ20mm（见图1），加工时温度为1025℃；工具（锤头）为14mm（宽）×3mm（高），速度为250mm/s；工具与工件之间的摩擦为恒剪摩擦，摩擦因子m分别为0、0.12、0.7。2.2有限元分析模式及分析结果2D模型采用DEFORM提供的前处理程序建模。图1为等效应