一种基于三维静电场模拟的预知胚设计新方法

一种基于三维静电场模拟的预知胚设计新方
法
相似与类似是自然界存在的两种基本特性，它们是模拟理论的客观基础，无论是力场、静电场、磁场还是热流场等，一般都可以用数学上的相同场方程来描述¨]。

因此，根据这一相似性原理，通过适当的构造，金属塑性成形过程中材料内质点运动的速度场等就可以与静电场具有相同的场方程，即可以用相似的静电场来描述材料的流动特性。

利用塑性变形过程中坯料的流动轨迹类似于静电场中的等势线分布这一规律，就可以从材料变形终了形态反推出成形件的初始形态（预制坯）。

预成形设计是锻造工艺设计中的重要内容之一，预制坯与终锻件形状关联性强，直接影响着金属的变形特征，从而影响到成形件的最终形状和成形质量[2.3】。

如何设计合理的预制坯形状是生产合格终锻件的关键，也是模具设计的难点之-[4]。

近年来，采用基于静电场模拟的预制坯外形设计方法开始在工程中得到应用。

Lee[5]首先将电场设计预制坯的方法应用于盘件设计，张仁鹏‘6’采用静电场模拟确定了粉末高温合金盘件的预锻模型腔基本形状，李超‘71采用类等势场反推法对TC4合金的板料胀形工艺进行了模拟，肖军等‘81对轴对称件超塑性气压胀形过程进行了电场模拟。

但现有基于静电场的预制坯设计方法均在二维条件下应用，难以模拟复杂形状锻件，极大地限制了该方法的工程应用。

笔者以某TC4合金叶片为例，提出了一种基于三维静电场模拟的预制坯设计新方法。

该方法可以直接反应三维坯料成形过程中的实际变形特征，并以此为依据设计预制坯，从而使坯料的成形过程更趋理想状态，并能降低成形载荷，节约原材料，提高终锻件性能。

1 三维静电场模拟
图1为某型叶片CAD实体图，叶片包含榫头、叶身和阻尼台。

叶片总长为200 mm，叶身宽度为54 mm，叶身厚度为10 mm，上下阻尼台垂直高度为46 mm，叶片尺寸变化大，结构复杂，其上下两面有非对称的阻尼台，榫头与叶身连接处有一斜肋，同时叶背连接榫头的部位有一方形凸起，在叶尖部分还有两个外形与阻尼台相似的凸起。

按照传统的设计方法在实际生产中极易出现充填不满及折叠等缺陷。

叶片锻件的原材料为a40 mm圆棒料，根据体积相等原则，计算出原始棒料的长度为150 mm。

现将终锻件沿分模面分成上下两部分，即叶盆和叶背，其中叶背占总体积的70%．叶盆占总体积的30%。

根据体积相等原则，将原始坯料按照7:3分成上下两块，为了能够更精确地分析坯料的变形特征，按照1:1比例建模。

将坯料与终锻件之间留出一定的空间，形成静电等势线。

坯料与终锻件之间的距离并不影响等势线的分布，只影响等势线之间的距离。

针
对同一个终锻件，坯料距离终锻件越远，形状也越简单，尺寸也越大。

因此，坯料与终锻件之间的距离应以终锻件形状的复杂程度为基准，以能够在坯料和终锻件之间产生合适的等势线为原则。

如距离过近，则坯料与终锻件所形成的空间就过小，产生等势线的间隔过密，就不利于等势线的选取；若距离过大，则等势线间隔过宽，也不利于等势线的选取。

笔者参照传统静电场预制坯设计规则‘6，8]，确定出的坯料与终锻件间的距离为阻尼台顶部至分模面距离的两倍。

此外，由于锻件本身带有较多圆弧过渡角，在设计中会造成网格过细与计算量过大。

因此，设计时，在不影响精度的情况下，将较小的圆弧过渡角简化，待设计出预制坯轮廓后再添加圆弧过度。

如图2所示，将终锻件边界及连接终锻件与坯料的外围轮廓赋以O V电压，坯料边界赋以1V电压，其中图2(a)为叶背部分，图2(b)为叶盆部分。

采用ANSYS有限元软件对该三维静电场进行模拟，并得到静电场分布。

2电场模拟分析2.1 坯料的流动特征分析
图3为沿长度方向的等势场分布图，其中图3(a)为叶背部分，图3(b)为叶盆部分。

依据等势线的分布可以将坯料的流动分为4个特征区域，即榫头、叶身、阻尼台和叶尖等部位。

其中叶身部位等势线分布最为集中，等势线形状变化最小，且与终锻件的形状类似，说明在厚度方向上坯料首先接触模具的叶身部位；榫头及阻尼台部位的等势线分布稀疏且等势线形状有较大的扭曲，表明榫头及阻尼台部位成形困难，并在叶身部分与模具接触后才开始变形，因此需要单独设计预制坯外形；同时，叶尖部分等势线也较为稀疏且形状变化也较大，其外形随电势值的降低而逐步贴近于终锻件轮廓，说明此处坯料主要沿长度方向向外延展，由于凸起部位尺寸较小，且与叶身垂直，因此坯料充填阻力远大于向外延伸充填毛边槽的阻力，所以预制坯长度不能过短，以保证叶尖部位凸起的成形。

鉴于叶盆比叶背形状复杂，故以叶盆为例来分析坯料叶片的变形充填情况。

图4为叶盆部位的叶身沿厚度方向的等势场分布，根据等势线形状的变化可以判断，坯料首先接触模具底面中间部位，然后向两侧充填。

图5为榫头部位的等势场分布，坯料首先充填其他部位后才向肋部充填，在肋部等势线出现较大扭曲，说明此处流动阻力较大，故预制坯设计时需保证榫头部位的宽度，以保证肋部充填。

同时，结合图4分析可知，成形过程中榫头部位坯料同时向宽度和厚度两个方向流动，而叶身部位的坯料主要沿宽度方向向两侧流动，所以在设计预制坯时，叶身与榫头部位的形状不尽相同，而应单独设计。

同时，在成形时，叶身与榫头的结合部位由于两侧坯料流动的不均匀易产生缺陷。

图5为叶盆部位榫头的等势场分布，由图可知，根据等势线的稀疏程度与形状变化，坯料首
先接触叶身部位，然后沿阻尼台边缘向内充填。

由于阻尼台与叶身间坯料的流动方向不一致，因而在阻尼台与叶身结合部位也容易产生缺陷，故阻尼台部位的外形也应单独设计。

2.2等势线的选取
由图3_图6可知，越靠近终锻件，等势线的形状越复杂，并越接近终锻件的形状；越靠近坯料，其形状越平缓，也越接近于坯料形状。

等势场电势值在0. 01 V以内，等势线的形状几乎与终锻件形状一致，如选取这些等势线作为预制坯的基本形状，则设计出的预制坯就与终锻件几乎一样，这显然失去了预制坯的作用。

若等势场电势值在0.1 V以外，即在远离终锻件的地方，等势线所代表的预制坯过于平缓，无法起到聚料的作用。

而预成形设计的目的是在坯料与终锻件之间找到一个合理的形状，使得坯料在终锻模型腔内合理地分配及流动，因此根据预成形设计的基本原则，选取等势场时过于接近或过于远离终锻件的等势线都不合适，预以剔除。

同时，叶片各部位等势场的选取应当以其复杂程度与流动特征为依据，对于形状较为简单的部位，可以选取较高电势值即形状较为平缓的等势线，而对于形状复杂且成形困难的部位，则应选取电压值较低即形状靠近终锻件的等势线作为预制坯的基本形状。

根据以上分析，并依据容易制坯，优化成形过程为原则，对于叶身叶背部位及无凸起的叶盆部位选取电势值为0．I V的等势线作为预制坯的基本形状，而对于叶盆部位有凸起的部分则选取0.05 V等势线作为预制坯轮廓，对于阻尼台部位采用0. 02 V等势线，对于榫头部位采用0. 04 V等势线。

2.3设计出的预制坯
图7为最终确定的TC4合金叶片预制坯实体图。

可以看出，预制坯由榫头、叶身及阻尼台3部分组成，叶身采用较为扁平的结构，叶背靠近榫头部位采用带凸起设计。

由以上分析可知，采用三维静电场进行预制坯设计时，可以由终锻件形状直接反推出预制坯的基本形状，从而避免了传统试错式预制坯设计方法的盲目性，具有直观、快捷和易于实现等特点，因此特别适合于形状复杂的体积成形工艺的锻件预制坯设计。

3 数值模拟结果验证3.1成形条件有限元法是塑性加工过程中进行数值模拟的主要方法，它可以全面地考虑变形过程中材料的动态特性、各种边界条件及初始条件的影响，模拟出真实的受力条件及金属成形过程中材料的流动规律，获得任意时刻成形件中的应变场、应力场、位移场和温度场等热学与力学参量，从而便于精确地进行锻造工艺过程的分析与设计。

笔者根据设计出的预制坯，对TC4合金叶片成形过程进行了模拟。

坯料为TC4合金，成形过程为等温成形，温度为920℃，成形速度为0.5 mm/s，摩擦因子取0.3。

同时，为了便于比较，对传统方法设计出的预制坯也进行了等温成形模拟。

图8为采用传统方法设计的预制坯CAD实体图，经计算，采用三维静电场设计的预制坯体积为传统预制坯体积的88. 7%。

为了便于描述，将图7的预制坯命名为
预制坯A，图8的预制坯命名为预制坯B。

数值模拟时，为了便于比较，先将预制坯B在平模上压扁后再作为数值模拟的预制坯形状。

3.2模拟结果分析3.2.1 叶片充填情况
图9为叶片终锻件图。

分析可知，采用预制坯A成形后的叶片型面清晰，成形完好，坯料已完全充填型腔，少量金属流人到毛边槽形成毛边，锻件轮廓清晰，未出现充填不满或折叠等锻造缺陷，充填效果十分理想。

采用预制坯B成形的叶片由于锻件形状复杂，坯料流动不均匀，导致榫头与叶身结合部位出现了明显的折叠和开裂现象，致使该处充填不满，且阻尼台部位充满后多余坯料并没有充填叶身部位，而是直接充填毛边槽并最终溢出毛边槽，而在阻尼台与叶身结合部位却出现了明显的材料流动不均匀，致使此处也出现了明显的折叠与开裂，模拟结果3.2.2应变分布
图10为叶片等效应变分布图。

由图可知，等效应变峰值主要集中在叶身边缘部位，预制坯A成形后的峰值应变为1. 379，最大应变与最小应变之差仅为0. 8241，而预制坯曰成形后最大等效应变值达2. 36。

说明基于三维静电场设计的坯料流动更趋合理，变形更加均匀。

3.2.3等效应力分布
图11为叶片终锻件的等效应力分布图。

由图可知，与预制坯B相比，预制坯A成形后锻件等效应力峰值要小，仅为99 MPa，而预制坯B成形后锻件的最大等效应力达到158 MPa，两者之差高达59MPa。

因而基于三维静电场设计的预制坯可以降低锻件出现裂纹等缺陷而导致报废的可能。

3.2.4载荷情况
图12为预制坯A和B成形载荷行程曲线。

由图可知，成形初期变形抗力较小，随着变形量的增加，载荷逐步上升，成形后期载荷急剧增大。

但采用预制坯A成形时的峰值载荷仅为预制坯B的71. 4%，因而可以大幅度地降低成形载荷，在较小吨位设备上完成终锻件的成形，并可改善模具的承载状况，延长模具使用寿命。

由模拟结果可知，基于三维静电场模拟设计的预制坯由于基于能量最小原理和阻力最小原理，因而坯料成形过程中流动更趋合理，变形更加均匀，能有效地减小材料流动阻力，降低成形载荷，并节约了昂贵的原材料，因而采用三维静电场设计方法特别适合于形状复杂及难变形材料的锻件预制坯设计。

4结论
(1)采用三维静电场设计预制坯的方法可以直接反应坯料成形过程中各部位的实际流动特征及各部位与模具的接触顺序，因而可以预先判断成形过程中可能出现缺陷的部位及类型，为合理地设计预制坯提供依据。

(2)采用三维静电场进行预制坯设计的方法可以由终锻件形状直接反推出预制坯的基本形
状，从而避免了传统试错式预制坯设计方法的盲目性，具有直观、快捷和便于实现等特点。

(3) TC4合金叶片等温成形过程的模拟表明：基于三维静电场设计的预制坯成形后的锻件型面清晰，充填效果良好，未出现充不满或折叠等锻造缺陷，而基于传统方法设计的预制坯则出现了明显的折叠与开裂现象。

表明采用三维静电场设计的预制坯坯料流动更趋合理，变形更均匀，成形载荷降低。

-全文完-。