simufact锻造及热处理解决方案

Simufact锻造及热处理解决方案书中仿新联（北京）科技有限公司
2010年8月6日
目录
1背景 (3)
2软件介绍 (3)
2.1适用领域 (3)
2.2产品特色 (4)
3锻造仿真应用 (7)
4热处理仿真应用 (10)
1背景
航空航天、汽车、船舶等行业许多重要的零部件都通过锻造加工生产出来。

传统锻造工艺和模具设计通常借助于反复的实物试验，周期长、成本高，而产品性能并不一定最佳。

相反，锻造过程的数值仿真技术的应用越来越显示其优越性。

锻件锻完后、一般需要经过热处理，如：感应淬火、退火、正火等工艺，使零件达到使用性能。

因而，热处理工艺装备的设计和热处理工艺参数不仅影响工件处理后的质量，也影响到热处理设备的使用寿命和使用效率。

传统的热处理工艺装备和工艺参数设计大多依靠经验数据，工量量大、周期长、效率低、费用高、缺少科学性和预见性。

随着计算机技术在热处理领域当中的广泛应用，对过程进行计算机模拟，可减少实验次数，提高效率，优化配置资源，使热处理工艺装备和工艺参数的设计由经验型向科学计算型转变，提高了热处理工艺装备设计的科学性和精确性。

2软件介绍
Simufact.forming是MSC.SuperForm和MSC.SuperForge的升级版本，由德国Simufact公司和美国MSC.Software公司达成协议，基于MSC.Superform和MSC.SuperForge的基础上开发的独立软件。

Simufact 软件采用纯Windows风格的图形交互界面，操作简单、方便。

求解器将全球领先的非线性有限元求解器和瞬态动力学求解器融合在一起，提供有限元法（FEM）和有限体积法（FVM）两种建模求解方法，具备快速、强健和高效的求解能力。

Simufact软件可以在计算机再现复杂的工艺制造过程，不仅满足一线工程师的仿真需求，同时也可满足专家在仿真灵活性和扩展性方面的需求。

2.1适用领域
l金属材料加工工艺仿真
辊锻、楔横轧、孔型斜轧、环件轧制、摆碾、径向锻造、开坯锻、剪切/强力旋压、挤压、镦锻、自由锻、温锻、锤锻、多向模锻、板管的液压胀形等工艺均可在Simufact软件上进行仿真
l模具应力仿真
过盈配合模具热压分析、耦合/非耦合模具应力分析、自动计算模具变形、模具变形分析、预应力模具分析
l热处理工艺仿真
正火、退火、淬火、回火、时效、感应加热、热变形等模拟分析
l微观组织演变仿真
热处理过程中材料的相变和微观组织演变、材料加工过程中微观组织转变、动态再结晶组分、静态再结晶组分、整体结晶组分、动态再结晶晶粒尺寸、静态再结晶晶粒尺寸、平均晶粒尺寸、残余应变等模拟分析
l焊接工艺仿真
电弧焊、钎焊、激光焊、电子束焊、多道焊等均可进行模拟分析
l机械加工
切削、冲孔、切边等
2.2产品特色
l界面直观易用
极易使用的标准Windows风格界面，采用专业化语言，便于专业人士使用。

采用鼠标拖拽快速建模，集成2D和3D模拟，集成数据库系统，分析自动化程度高，用户不需要输入很多的计算控制参数，高效的后处理界面。

工艺工程师和研发工程师均可用。

如需进行科学研究，可采用MSC.Mentat界面。

l模拟精度高
集成世界著名的非线性MSC.Marc有限元求解器和显式MSC.Dytran有限体积求解器。

且两种求解器可随时按需转换使用。

扬长避短，能够解决各种复杂的非线性问题，且具有极高计算精度。

l CAD软件接口
IGES、STEP、Pro/E、CATIA v5、VATIA v4、UG、Solidworks、Inventor、VDAFS、ACIS、Parasolid、CADDS 等格式文件可直接导入Simufact软件中，无需转换为中间格式。

l丰富的单元库
三角形单元、四边形单元、四面体单元、壳单元、六面体单元等。

l先进的网格划分和自适应技术
Simufact提供功能齐全、性能卓越的自动网格生成技术，可以自动对几何形状划分面网格或体网格。

具有专门的六面体网格生成器。

Simufact不但支持二维三角形和四边形网格的自动重化分，还支持三维
四面体网格的自动重化分。

对于高级用户可以设定控制单元重划分准则，及重划网格的目标单元尺度后，程序自动地控制何时划分、怎样划分。

l强大的二次开发功能
Simufact软件提供了300多个特定功能的开放程序公共块和100多个用户子程序接口。

用户可以不受限制的调用这些程序模块完成许多重要的仿真。

用户子程序接口覆盖了Simufact有限元分析的所有环节。

采用通用有限元程序开发语言Fortran进行开发，资料众多，易于学习开发。

l传热过程分析
Simufact软件具有功能强大的一维、二维、三维稳态/瞬态热传导分析能力；能够描述各向同性、各向异性、或正交各向异性的热物理参数。

Simufact软件提供四种热分析边界条件：温度、热流强度、表面对流、表面辐射。

对于强迫对流传热分析，还可以定义速度场。

l灵活的机构运动模块
Simufact软件中除集成常用设备外，还有环轧设备库、开坯锻设备库等运动方式复杂的设备库，用户还可以通过表格自定义工模具的运动方式，可以实现复杂的运动方式定义。

l局部坐标系极易定义主动/被动旋转
Simufact软件采用局部坐标系，通过鼠标点击便可轻松定义工模具的自转和公转。

且旋转和平动可以分开定义，支持速度控制和随动转动等。

运动方式及边界条件在GUI中均可视。

Simufact采用创新的技术，极大地方便了用户进行旋压、轧制、环轧、摆碾等旋转加工工艺模拟。

l极为灵活的开坯锻仿真模块
Simufact软集成灵活易用的开坯锻和径向锻造仿真模块，支持多个传热过程、多种开坯形状，通过表格控制坯料的自动旋转、机械手进给、锤头打击等，通过改变机械手可以实现前后锻造和单向锻造等多种开坯锻工艺。

径向锻造支持水压式和拔叉气动式。

机械手形状、机械手对数、锤头形状、坯料形状等几何形状由用户通过CAD系统导入，灵活性极强。

l集成数据库
Simufact提供极其丰富的材料库及材料模型，主要的材料模型有：线弹性材料模型、非线性弹性材料模型、理想塑形、弹塑性、超塑性、粘塑性、刚塑性等材料模型。

材料数据库中涵盖：钢铁、铝合金、高温合金、钛合金等常用材料近300种。

Simufact还提供摩擦和设备数据库，极大的方便了用户的建模仿真工作。

Simufact公司同时提供包含TTT曲线及微观组织演变数据的扩展材料数据库，利用这些数据，我们可以进行相变、微观组织演变、再结晶等组织模拟。

3锻造仿真应用
针对所需产品的图纸，根据零件的几何特性并考虑生产效率等问题在CAD软件中设计出模具，然后将模具和坯料的几何模型一并导入Simufact软件中。

定义材料、设备及相关加工参数后提交计算机进行计算。

计算完成后，通过分析结果，对模具或相关工艺参数进行优化调整后，再次进行仿真计算。

由于每一次的仿真就相当于实际的一次加工过程，通过计算机仿真便可以得到合理的工装和工艺设计，极大减少新产品的开发周期和研发费用。

图1为不同工艺下坯料成形后温度分布云图，图1(a)为没有对模具和坯料进行优化，完全按照以前的工艺进行建模仿真后的温度分布云图。

由图1(a)可以看出，加工后的零件温度分布为距离外侧飞边处温度较高，图中标记处温度最低。

由于加工过程中产品局部温度过低，导致局部材料流动不易，容易产生相关缺陷。

图1(b)为对模具和坯料进行优化仿真得到的温度分布云图，由图1(b)可知，将模具和坯料进行优化并建模仿真分析，在锻造完成时，较没有优化的坯料中温度分布均匀，材料的流动也更加均匀。

通过计算机仿真，可以有效的节约产品的研制和生产成本，并提高产品质量。

如图1所示，通过Simufact进行优化分析，消除了锻造缺陷、降低了废料率、锻件温度分布更加均匀、提高了生产效率。

经过4周的仿真计算便得到首次的工装设计，随后通过一次物理实验校正后便进行批量生产。

(a)优化前(b) 优化后
图1 坯料成形后温度分布云图
图2为实际加工出来的零件。

通过Simufact软件的计算仿真，使得单位废料率降低了18%，产量增加50%，极大的节约产品研制和生产成本。

我们还可以通过Simufact软件，对材料内部流线进行实时观测，预测材料的流动趋势。

(a)优化前(b) 优化后
图2 实际生产零件
Simufact独有的折叠预估功能，能真实的再现实际加工过程中材料的流动，预估折叠的产生，通过优化模具或者坯料形状消除折叠等缺陷。

图3为通过Simufact仿真计算预测出的折叠，图中箭头所指处为加工过程中出现的折叠。

图3 折叠的预估
图4为模锻过程仿真，由图可知锻造后工件中流线的分布，同时可以分析工件和模具间的热传导及模具受力情况。

优化工艺参数及模具寿命。

图4 模锻仿真
图5为采用Simufact.forming独有的对称面分析技术对齿轮锻造过程进行的仿真，减少仿真中的计算量，节约时间。

通过对齿轮成形的仿真，得出了最终的模具设计和优化的坯料形状及尺寸。

图5齿轮锻造仿真
传统的齿轮加工方式，存在生产效率低，能耗大等问题，通过仿真模拟，对齿轮冷闭式锻造工艺进行仿真优化。

最终得出优化的坯料形状和尺寸，提高了材料利用率，节约了能耗。

得出了合理的工艺参数及模具设计。

下图为齿轮锻造完成后，通过分析坯料和模具的接触，预测充不满等相关缺陷，图中红色区域为坯料和模具接触区域，而蓝色部分则表示坯料和模具没有接触。

通过分析可知，在齿轮上部齿根处及外层齿尖处有可能出现充不满等缺陷，应对相关工艺和设计做出优化。

右图为锻完后齿轮中等效应力分布云图，由图可知，锻完后齿轮中等效应力分布较为均匀。

最大应力为1055Mpa出现在齿尖处。

其余大约为820Mpa左右。

锻完后齿轮中最大应变出现在齿尖处，这点与最大应力也在齿尖处相符。

我们应该注意，在齿尖处容易发生破裂及裂纹等缺陷。

通过仿真，确定了模具形状及尺寸，优化了坯料形状和尺寸，相关工艺参数和设备也得到了合理的优化。

接触分析等效应力云图
等效应变云图材料流动
下图为设备载荷时间曲线，最大载荷为19.22吨，通过分析可知，由于本齿轮尺寸较小，采取小吨位的设备便可进行冷锻造成形。

通过仿真软件，很容易帮助用户确定设备规格。

冲头的时间-力曲线
通过Simufact软件对材料加工工艺进行仿真，可以帮助我们准确地确定材料的流动过程、确定模具的填充情况、确定成形后的形状、确定工件在变形各阶段的应力、应变和温度的情况、确定最佳的预锻件形状、帮助设计多级锻造过程、确定工件成形后的机械性能、确定工件局部的硬度、预测加工受损程度和缺陷、了解使用不同材料对工件的影响、确定加工中的最大载荷、确定模具在加工中的受力情况以此预测模具的磨损和疲劳情况、了解润滑的情况、优化设计模具的形状、合理选用加工设备和加工方法，最终达到帮助用户缩短设计时间、减少模具设计和生产的费用、提高产品性能和减少材料浪费等目的。

4热处理仿真应用
Simufact集成多种工艺仿真模块，可以在一个软件中实现对不同工艺的仿真，无需数据转换，极大的方便用户使用。

仿真数据可以根据用户设置自动转入下一步进行热处理仿真。

Simufact可对正火、退火、淬火、回火、时效、感应加热、热变形等进行模拟分析，结合simufact材料数据库，还可对热处理过程中材料的相变和微观组织演变、动态再结晶组分、静态再结晶组分、整体结晶组分、动态再结晶晶粒尺寸、静态再结晶晶粒尺寸、平均晶粒尺寸、残余应变等进行模拟分析。

齿轮在工作时,既要承受较大的冲击载荷,又要承受交变弯曲应力和接触应力。

因此，齿轮应具有较高的强度、冲击韧性和良好的抗疲劳性能。

当齿轮啮合时，由于接触点处的压强和摩擦系数均很大，使得接触区处产生严重磨损，因此，齿面必须有很好的耐磨性。

所以，齿轮在经过锻造、车削等加工后一般需要进行热处理，使其具有高强度、高可靠性。

而齿轮在热处理后所产生的变形、应力、硬度均和齿轮的质量息息相关。

通过simufct软件可以将锻造完后的齿轮直接来进行热处理仿真建模，分析齿轮热处理完成后的变形、应力和硬度。

对实际工艺有着很好的指导作用。

齿轮锻造完成后，将锻造完成后的坯料和应力、应变及温度等数据转入热处理模块进行热处理模拟分析，热处理工艺路线如下。

及保温过程影响，总体变形为膨胀，局部变形量大小不一。

通过提取齿轮不同部位的节点信息，我们可以详细分析齿轮不同部位的变形量大小。

如下图所示，我们分别截取齿轮不同部位处节点信息，通过simufact软件，我们得出了不同部位不同点在XYZ方向
的变形大小。

可以看出，齿轮不同部位的变形程度均不一样。

1535节点 413节点
646节点 1332节点
齿轮不同部位在XYZ 方向的变形大小
Simufact 热处理模块可以考虑不同形状尺寸感应线圈对热处理的影响。

用户可对各种工况进行详细设置，对现实进行虚拟仿真。

不同感应线圈加热对热处理的影响
钣金件冲压完成后，数据转到下一步进行热处理，无需转换。

热处理完成后，查看热处理变形，如需要局部的热变形数据，还可以对零件上某一点的变形数据进行提取。

冲压完成后和热处理完成后坯料中温度分布
下图为热处理完成后，原始坯料和变形后坯料的总体对比图。

我们通过截取坯料不同部分的节点，提取节点的位移数据，量化分析坯料的变形。

节点信息95号节点时间-位移曲线
Simufact材料数据库数据均依据实验得来。

支持TTT和CCT曲线进行相变仿真。

通过simufact软件对相变进行仿真，可以预测相变时间，为热处理工艺提供指导。

下图为热处理完成后坯料中贝氏体、马氏体、硬度及铁素体分布云图。

贝氏体马氏体
硬度铁素体。