基于金属流动速度场的预锻件优化方法与流程

1.本发明涉及锻压加工技术领域，具体涉及一种基于金属流动速度场的预锻件优化方法。


背景技术：

2.在锻造加工中，根据目标零件设计的终锻件其几何形状复杂，难以由初始坯料一次锻造而成，故在成形过程中设计预锻件，通过一个或多个预锻件连续锻造加工成形。设计合理的预锻件可桥接初始坯料与终锻件，改善直接加工造成的质量问题，如填不满、变形严重及金属折叠等；还可改善终锻件时模具的受力情况，减少磨损，提高模具使用寿命。
3.预锻件在终锻模中局部充不满是预制坯设计的最常见问题，出现该问题会导致终锻件整体形状达不到要求，从而影响终锻件成形质量，最终使终锻件成形过程不满，无法满足零件加工，导致锻件报废，从而造成坯料浪费。因此，在设计预锻件时需要对预锻件的形状进行优化，对预锻件形状的优化方法局限于感性的经验式判断，无法从理性的角度根据充填结果定量的判断预锻件形状优化时应增质量位置及大小从而高效准确的解决充不满的问题。
4.不合理的预锻件形状及细节设计会导致终锻过程的失败，最终影响整个锻件质量，而基于经验式的预锻件优化方法会延长模具的设计周期，提高设计成本；因此，如何有效地优化预锻件，进而改善终锻件成形质量，是目前急需解决的问题。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于金属流向速度场的预锻件优化方法，该方法可有效地优化预锻件，进而改善终锻件成形质量，降低成本和加工时间。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于金属流动速度场的预锻件优化方法，包括如下步骤：
8.(1)根据目标零件的形状设计出初始预锻件和终锻件，对初始预锻件进行锻压成形过程模拟计算，并分析锻压成形过程中金属流动速度场；
9.(2)根据金属流动速度场将终锻件划分为多个区域；
10.(3)根据区域体积设计预锻件形状，计算每个区域预锻件的质量，并使预锻件中的对应区域质量与终锻件体积相匹配；
11.预锻件区域质量计算为：mi＝ρv
pi
+m
bi
，式中，mi为预锻件在第i个区域的质量；ρ为材料的密度；v
pi
为第i个区域终锻件的体积；m
bi
为第i个区域毛边的质量；
12.(4)根据计算的每个区域的预锻件质量优化预锻件，对优化后的预锻件模拟计算锻压形成过程，根据锻压成形过程中未充满或提前充满位置的所在区域进行对应的增加或减少质量，再次游湖预锻件后获得最终预锻件。
13.进一步地，所述金属流动速度场包括金属流动的流动方向和金属流动的流动速度；根据金属流动的流动方向和流动速度设置数条分割线，分割线的起始点是多个金属流
动的流动方向的交回点，分割线经过区域其金属流动的流动速度为0；数条分割线将终锻件划分为多个区域。
14.进一步地，根据锻压成形过程中未充满或提前充满的所在区域进行对应的增加或者减少质量具体为：未充满时，达到标准设定欠压值后继续进行锻压成形，得到实际充满欠压值；提前充满时，记录充满时刻欠压值即为实际充满欠压值；
15.应当增减或减少的质量为δm＝ρs+|l
r-ls|；其中，δm为增加或者减少的质量，ρ为材料的密度，s为对应区域面积，ls为标准设定欠压值，lr为实际充满欠压值；当(l
r-ls)为负时，未充满，对应区域应增加质量δm；当(l
r-ls)为正时，提前充满，对应区域应减少质量δm。
16.本发明利用实际锻压过程金属流动速度场优化预锻件的初始形状，定量计算各区域应有质量，并准确分析预锻件在终锻件中锻压成形填不满时，预锻件应增质量的位置及大小，以及预锻件在终锻件中锻压成形提前充满时，预锻件应减质量的位置及大小，避免了反复更改预锻件形状的试错过程，力求达到标准设计欠压量时预锻件整体充满终锻模腔的工艺标准，提高预锻件的设计效率，节约设计成本和加工时间。
附图说明
17.图1为本发明的方法流程示意图。
18.图2为本发明根据金属流动的速度场设置的分割线。
19.图3为本发明在终锻件上设置分割线示意图。
20.图4为本发明未充满的示意图。
21.图5为本发明计算面积的示意图。
具体实施方式
22.如图1所示，本实施例提供的一种基于金属流动速度场的预锻件优化方法，该方法通过对锻压成形过程中金属流动方向进行分析，划分金属流动分割线，以及根据充填情况计算预锻件质量的增/减及位置，可有效提高预锻件成形的设计效率；它包括如下步骤：
23.(1)根据目标零件的形状设计出初始预锻件和终锻件，对初始预锻件进行锻压成形过程模拟计算，并分析过程中金属流动速度场；具体采用数值模拟软件对锻压成形过程模拟计算，本实施例采用deform软件；利用软件中的数据处理模块可分析出金属流动速度场，金属流动速度场包括金属流动方向和金属流动的速度。
24.(2)根据金属流动的速度场将终锻件划分为多个区域；具体地根据金属流动的流动方向和流动速度设置数条分割线，分割线的起始点是多个金属流动的流动方向的交回点，分割线经过区域其金属流动的流动速度基本为0，根据要求流动方向和流动速度划分多条分割线。
25.(3)根据区域体积设计预锻件形状，计算每个区域预锻件的质量，并使预锻件中的对应区域质量与终锻件体积相匹配；
26.预锻件区域质量计算为：mi＝ρv
pi
+m
bi
，式中，mi为预锻件在第i个区域的质量；ρ为材料的密度；v
pi
为第i个区域终锻件的体积；m
bi
为第i个区域毛边的质量。
27.(4)根据计算的每个区域的预锻件质量优化预锻件，对优化后的预锻件模拟计算
锻压形成过程，根据锻压成形过程中未充满或提前充满的所在区域进行对应的增加或减少质量，再次优化预锻件后获得最终预锻件。
28.未充满时，达到标准设定欠压值后继续进行锻压成形，得到实际充满欠压值；提前充满时，记录充满时刻欠压值即为实际充满欠压值。
29.应当增减或减少的质量为δm＝ρs+|l
r-ls|；其中，δm为增加或者减少的质量，ρ为材料的密度，s为对应区域面积，ls为标准设定欠压值，lr为实际充满欠压值；当(l
r-ls)为负时，未充满，对应区域应增加质量δm；当(l
r-ls)为正时，提前充满，对应区域应减少质量δm。
30.结合以上所得预锻件应增质量位置及大小，可精确定量的得到其应增质量及位置，有效改善成形充填过程。
31.如图2～图5所示，以图3中所示零件模型为例实施本实施例，图2为对坯料在预制坯中进行成形模拟后对成形过程的金属流动进行分析及可视化结果；根据金属流动速度场设置4条分割线将终锻件模型划分8个区域，图2中标记1～8。
32.根据各区域大小对坯料进行形状优化，如区域2，该区域体积较大，可适当增大坯料在区域2的相应体积。
33.初步优化坯料形状后对坯料在预制坯中再进行一次锻压成形模拟时仍有可能出现充不满的情况，图4中位置9，位置9属于图2中区域2所在位置，因此将应增家质量添加至区域2的体积中。
34.预制坯在终锻件模型腔中标准欠压值ls时，图4位置9未充满，此时在数模模拟软件中继续让模具下压，直至位置9充填饱满，此时实际的欠压位置为lr，两者的差值为l
s-lr，利用图形软件分心区域2对应的面积s如图5所示，利用公式δm＝ρs+|l
r-ls|即可求出该部分需要添加的金属质量。
35.本实施例利用实际锻压过程金属流动速度场优化预锻件的初始形状，定量计算各区域应有质量，并准确分析预锻件在终锻件中锻压成形填不满时，预锻件应增质量的位置及大小，以及预锻件在终锻件中锻压成形提前充满时，预锻件应减质量的位置及大小，避免了反复更改预锻件形状的试错过程，力求达到标准设计欠压量时预锻件整体充满终锻模腔的工艺标准，提高预锻件的设计效率，节约设计成本和加工时间。
36.以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。