基于数值模拟的塑性成形过程能耗分析方法

摘要

一种基于数值模拟的塑性成形过程能耗分析方法，包括以下步骤：(1)分析制件的成形工艺，按体积成形、板料成形以及坯料是否需要加热分类，确定成形道次；(2)在三维造型软件上构建制件坯料和模具的几何模型，对热成形件计算坯料体积；(3)将制件的材料力学性能参数、边界条件与成形工艺参数输入数值模拟软件，模拟各道次的成形过程；(4)根据模拟结果计算各道次的成形能耗，包括塑性变形能耗和加热能耗；(5)将所有道次的成形能耗累加，得到塑性成形过程的总能耗；(6)改变输入参数并重复步骤(4)‑(5)，得到输入参数调整后的总能耗。利用本发明可以快速、准确地计算成形过程的能耗，同时分析不同因素对能耗的影响。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料的加工领域，尤其涉及一种基于数值模拟的塑性成形过程能耗分析方法。

背景技术

金属塑性成形是利用压力机等锻压加工设备或数控机床等机械加工设备，结合相应的模具、夹具等工装，将一定的外力施加在坯料上使其产生塑性变形，从而得到一定形状和尺寸并满足相应力学性能要求的制件的一种金属加工方法。根据坯料形式以及具体实现方式的不同，金属塑性成形包括体积成形(如锻造、挤压、拉拔等)和板料成形(如冲压、渐进成形以及胀形等)两大类型；按照成形时坯料是否预热，又分为不加热的冷成形(即室温下的成形)，和加热状态下的温成形(加热到室温与金属的再结晶温度之间)与热成形(加热到再结晶温度以上)等不同类型。金属塑性成形具有生产效率与材料利用率高、加工质量好、能大幅改善材料的组织性能等其他加工方法难以具备的综合优势，因而在制造领域的应用极其广泛。据不完全统计，汽车上多于60％零件，飞机上多于40％的零件要用到塑性成形的方法进行生产。

在全球能源短缺和环境污染不断加剧的情况下，既要保证经济的快速发展，又要满足节能减排的可持续发展战略要求，这已经是制造业的普遍共识。作为一种关系民生的基础工业技术，金属塑性成形也存在着能耗相对较高的缺点，要实现“低碳化”，塑性成形行业必须大大降低生产过程的能量消耗。迄今为止，对金属塑性成形的节能减排已有大量研究，从改进工艺、节约原料，采用净近成形的冷、温精锻技术，到加热与成形设备的节能改造，研发与推广新型低排放的节能设备，以及合理配置生产线辅助设施、从而发挥其最高效能等等，都是塑性成形从业者以及相关的成形设备制造商研究的课题。

对塑性成形产品而言，生产过程的能量消耗主要包括塑性成形阶段的能耗以及后续处理(如热处理、表面清理、切削加工等)的能耗。其中，塑性成形阶段的能耗是制件整个生产过程能耗的重要部分，它通常包括两大部分：(1)使坯料产生塑性变形的输入外力所做的机械功，以及(2)热成形时对坯料进行加热的能耗。由于塑性成形的具体工艺方法繁多，同一制件可以选择不同的成形方法、或者采用不同的工序组合进行生产，目前尚无能够对各种工艺方法的能耗进行快速准确分析的系统手段。迄今为止，虽然已经提出了许多针对各类塑性成形过程的变形力计算公式，但主要用于选择成形设备的规格(吨位)。 与此同时，数值模拟技术在塑性成形过程的应用已经十分成熟，但目前主要是用于分析材料成形过程的应力、应变等力学参量以及流动变形的状态，很少涉及成形过程能耗的计算与分析。

综上所述，为了能够计算出各类零件在具体塑性成形过程中的能耗，找出影响能耗的主要因素，从而为实现节能减排提供必要的参考，有必要建立一套可行、可信的塑性成形过程的能耗分析方法。

发明内容

本发明提供了一种基于数值模拟的塑性成形过程能耗分析方法，可以针对各种金属塑性成形制件的具体工艺过程，快速而准确地计算出成形阶段的总能量消耗。

为了实现上述目的，本发明包括以下步骤：

(1)分析待加工制件的塑性成形工艺，按照体积成形、板料成形，以及坯料是否需要加热进行分类，确定成形道次；

(2)在三维造型软件上构建制件坯料和塑性成形模具的几何模型，计算需要加热成形的制件的坯料体积V；

(3)将制件的材料力学性能参数、边界条件与成形工艺参数输入数值模拟软件，对各道次的塑性成形工序进行模拟；

(4)根据数值模拟结果，计算各道次塑性成形的能耗En，所述En包括塑性变形能耗An和热成形的加热能耗Qn两部分。

第n道次塑性成形的塑性变形能耗An采用如下公式计算：

An＝S*K₁

其中，S为第n道次塑性成形的材料塑性变形能，对于普通锻造和冲压成形，S等于数值模拟得到的载荷-行程曲线与横坐标所包围的面积；对于板料的渐进成形，S由数值模拟软件输出的外力所做的功确定；K₁为考虑塑性成形过程能量损失的修正系数。

对于不需要加热的冷成形，加热能耗Qn为零；对于加热条件下的温成形和热成形，第n道次塑性成形的加热能耗Qn为将坯料从室温加热到相应成形温度的能耗，采用如下公式计算：

Qn＝c*V*ρ*(T₁-T₀)*K₂

其中，c为材料的比热容，ρ为材料密度，T₁为坯料加热的最高温度，T₀为室温，K₂为考虑加热过程损耗的修正系数。

第n道次塑性成形的能耗En，等于该道次塑性成形的塑性变形能耗An与加热能耗 Qn之和：

En＝An+Qn

(5)将所有道次的塑性成形能耗En进行累加，得到制件整个塑性成形过程的总能耗E：

E＝ΣEn

(6)改变步骤(3)的输入参数，重复步骤(4)-(5)，得到调整输入参数后的总能耗E，比较不同输入参数下的总能耗E，找出对总能耗E影响较大的因素。

本发明具有以下有益效果：利用各类塑性成形制件成形过程的数值模拟结果，可以快速、准确地计算出整个成形过程的能量消耗，同时分析不同因素对能耗的影响程度。

附图说明

下面结合附图并分别以一个铝合金锻件的热锻成形和一个锥台壳体零件的渐进成形为例，对本发明进一步说明。

图1为本发明基于数值模拟的塑性成形过程能耗分析方法的流程图；

图2为热锻成形铝合金锻件的坯料示意图；

图3为利用DEFORM软件模拟得到的铝合金锻件热塑性成形过程的“载荷－行程”曲线；

图4为渐进成形的锥台壳体零件的示意图；

图5为锥台壳体渐进成形采用的等高线加工轨迹；

图6为锥台壳体采用等高线加工轨迹进行渐进成形时，利用Abaqus软件模拟得到的工具头在x、y、z三个方向的“作用力－时间”曲线；

图7为锥台壳体渐进成形采用的螺旋线加工轨迹；

图8为锥台壳体采用螺旋线加工轨迹进行渐进成形时，利用Abaqus软件模拟得到的工具头在x、y、z三个方向的“作用力－时间”曲线；

图9为利用Abaqus软件模拟得到的锥台壳体渐进成形过程的“能耗－时间”变化曲线，分别采用等高线和螺旋线两种加工轨迹。

具体实施方式

1、铝合金锻件的热锻成形

该铝合金锻件的材料为Al 7050，采用热锻成形。锻件坯料在水平面的外形尺寸(长*宽)为1200mm*300mm，属于特大型锻件。

(1)分析零件的塑性成形工艺，该锻件采用热模锻压力机上的模锻成形，属于体积成形范围且需要加热成形，成形道次为1次。

(2)在三维造型软件上构建锻件坯料和成形模具的几何模型，坯料体积V＝3.64X10⁷(mm³)；

(3)将材料力学性能参数、边界条件以及成形工艺参数输入体积塑性成形的数值模拟软件DEFORM，对铝合金锻件的热锻成形过程进行模拟；

(4)计算铝合金锻件热锻成形过程的塑性变形能耗An和加热能耗Qn

该铝合金锻件热锻成形道次为1，该道次塑性变形能耗A₁利用DEFORM数值模拟得到的“载荷－行程”曲线计算。具体做法是，将“载荷－行程”曲线导入Origin软件中，通过菜单栏中Analysis–mathematics-integrate求积分功能，得到“载荷－行程”曲线与横坐标所包围的面积，即为该道次塑性成形的材料塑性变形能S。对于该铝合金锻件，Origin计算出area＝8490171369.731，即S＝8490(KJ)。

该铝合金锻件的锻造采用热模锻压力机，根据现有资料，该类设备的能源利用率为20％左右，因此可确定塑性成形过程能量损耗的修正系数K₂＝5。于是，该铝合金锻件热锻成形的塑性变形能耗A₁为

A₁＝S*K₁＝8490*5＝42450(KJ)

7050铝合金的密度为2.81g/cm³，比热容c为860J/(kg*K)，始锻温度T₁＝400℃，室温T₀＝20℃。采用天然气炉加热，根据资料可确定考虑加热损耗的修正系数K₂＝10。于是加热能耗Q₁为：

Q₁＝c*V*ρ*(T₁-T₀)*K₂＝334264(KJ)

该铝合金锻件热锻成形的总能耗E，即为塑性变形能耗A₁与加热能耗Q₁之和：

E＝A+Q＝A₁+Q₁＝376714(KJ)

2、锥台壳体的渐进成形

该锥台壳体零件的小端直径80mm，大端直径160mm，高度40mm，壁厚1mm，材料为Al 6061。采用不同于传统冲压的渐进成形方式制造，该方法基于“分层制造”的思想，利用一个简单的柱状工具头在数控程序的控制下对板坯料进行逐渐的成形，直到完成整个制件的加工。工具头可以采用不同的加工路径轨迹，本实施例中，工具头分别采用等高线和螺旋线两种轨迹，进给量△Z＝2mm。

具体能耗分析步骤如下：

(1)分析零件的成形工艺，该零件为钣金件且采用渐进成形，坯料不需要加热，成形道次为1次；

(2)在三维造型软件上构建锥台壳体零件的坯料和成形模具的几何模型；

(3)将成形工艺参数、材料力学性能参数以及边界条件输入数值模拟软件Abaqus，对渐进成形过程进行模拟，工具头首先采用等高线轨迹；

(4)根据Abaqus对渐进成形过程的模拟结果，利用软件的History Output模块输出整个成形过程中外力所做的功，于是得到采用等高线轨迹时消耗的功S＝3.553KJ。考虑塑性成形过程能量损耗的修正系数K₁为5，则整个渐进成形过程塑性变形的能耗A₁为

A₁＝S*K₁＝17.765(KJ)

(5)将工具头的加工轨迹改变为螺旋线形式，其余输入参数不变，重复上述数值模拟步骤，得到采用螺旋线轨迹时所消耗的功为S＝3.566KJ，于是采用螺旋线轨迹时

A₁＝S*K₁＝17.83(KJ)

可见工具头加工轨迹对该锥台壳体零件渐进成形过程的能耗影响较小。