摘 要

武器轻量化是当今军事装备发展的一个重要方向，而高强铝合金在满足强度的同时质量轻，因此得到广泛的应用。变形铝合金采用塑性工艺（如锻造、挤压）成形，产品组织致密，力学性能较好。随着计算机技术的快速发展，CAD/CAE技术不断应用到工程设计中，锻造模具的三维设计及有限元分析为锻造技术朝着优质轻量化、大型整体化、功能梯度化、精密净形化，高效低成本化和多科学复合化的方向发展作出巨大贡献。锻造过程有限元仿真技术能够通过预测不同工艺参数下坯料的成形过程，从而优化锻造过程，提高锻件质量，缩短开发周期。

本文依据某公司机匣产品进行锻造模具的三维设计。首先通过对机匣的外形进行工艺性分析，选择螺旋压力机上模锻工艺方式；然后通过分析机匣零件形状与计算设计锻件形状，包括锻件的分模面的位置，公差，模锻斜度和圆角半径等；再根据锻件形状确定模具模膛形状，通过查询手册与计算确定锻模飞边槽设计和锻模锁扣设计，并使用CATIA软件建立三维模型；接下来借助锻造CAE软件Deform对锻造过程进行有限元模拟仿真，通过设定不同锻造温度和上模具下压速度进行多次仿真，再通过比较多次仿真结果得出最佳的工艺参数（上模具下压速度150mm/s，锻造温度470），以供实际生产过程借鉴与参考。

关键词：锻造模具、模具设计、三维模型、有限元仿真

Abstract

The light weight of weapon is an important direction in the development of military equipment today, while the high strength aluminum alloy has been widely used for its low quality and low quality. The deformation aluminum alloy adopts plastic technology (such as forging, extrusion) forming, the product organization is dense, the mechanical property is better. With the rapid development of computer technology, CAD/CAE technology is applied to engineering design, continuously forging mould 3 d design and finite element analysis for forging technology towards lightweight, large-scale integration, functional gradient, net shape precision, high efficiency and low cost more to make a huge contribution to the development of science and points out direction. The finite element simulation technology of forging process can optimize the forging process, improve the forging quality and shorten the development cycle by predicting the forming process of billets under different process parameters.

In this paper, the 3d design of forging die is carried out according to a company's casing product. Firstly, through the process analysis of the shape of the casing, the method of die forging on the screw press was selected. Then the shape of the box part and the shape of the forgings are analyzed, including the position of the parting surface of the forgings, the tolerance, the Angle of die forging, the radius of the circle, etc. According to the shape of the forging mould, the shape of the mold is determined, and the design of the forging die and die lock is determined through the query manual and calculation, and the 3d model is built by using CATIA software. Next with the aid of forging CAE software Deform to simulate the forging process of the finite element simulation, by setting different forging temperature and the upper mold press speed many times simulation, and then by comparing the simulation results obtained many times the best process parameters (mold press speed 150 mm/s, forging temperature, 470), to provide reference for the actual production process with reference.

Key Words: Forging die； mold design； 3d model； finite element simulation.

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.1.1金属塑性加工 1

1.1.2模具 1

1.1.3铝合金锻件 1

1.1.4锻造加工过程有限元仿真模拟的意义 2

1.2国内外研究现状 2

1.2.1锻造的发展现状与趋势 2

1.2.2锻造有限元仿真的发展现状与趋势 3

1.3课题研究内容与目标 3

第2章 某机匣产品锻造模具设计 5

2.1零件工艺性分析 5

2.2锻件图设计 5

2.2.1确定分模面位置和形状 5

2.2.2确定锻件公差和机械加工余量 6

2.2.3确定模锻斜度 7

2.2.4确定锻件的圆角半径 8

2.3锻造模具的设计 8

2.3.1终锻型槽的设计 8

2.3.2螺旋压力机吨位的选择 9

2.3.3飞边槽的设计 10

2.3.4锁扣的设计 11

第3章 锻造过程有限元仿真的基础与理论 12

3.1锻造过程有限元数值分析法 12

3.2锻造过程有限元仿真原理 12

3.2.1刚塑性有限元法基本假设 12

3.2.2刚塑性变分原理 13

3.3刚塑性有限元模拟的实质 13

第4章 某机匣产品锻造过程的有限元仿真 15

4.1 Deform软件介绍 15

4.2 Deform模拟分析 15

4.2.1模拟方案设计 15

4.2.2模拟过程 16

4.3模拟结果分析 22

4.3.1上模具下压速度的影响 22

4.3.2锻造温度的影响 24

第5章 总结与展望 27

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.1.1金属塑性加工

金属的塑性加工是利用外力产生塑性变形的金属来获得具有一定形状和尺寸的工件。金属塑性加工是一种主要的金属加工方式，其原材料耗损少、出产效率高、产品质量不变等长处，同时也能进步金属的微观布局和机能，而且还可以有效改善金属的组织性能，因此金属塑性加工广泛应用在工业制造行业中，据统计，全世界有75%的钢材是经过塑性加工成材，在交通运输，化工，建材，汽车，仪器仪表和航空航天中都有占有相当比重^[1]。

基本的塑性加工方法有锻造，轧制，挤压等几类，其中锻造分为自由锻，模锻和特种锻造，其中模锻是在模锻锤或压力机作用下用锻模将金属疲劳锻压加工的过程，其有着生产效率高，劳动强度低，操作简单，可生产形状复杂产品，易于实现机械化等优点，加工出来的产品也有着尺寸精度，加工余量小等优点，所以模锻技术受到广泛应用。我国在过去几十年里模锻设备无论是数量，吨位，种类还是性能都居世界前列，但仍然存在着一些问题，生产周期较长，成本高等不利因素仍然约束我国模锻技术的发展^[2]，所以仍然需要不断改进技术，采用新工艺，新技术，进一步提高模锻技术，提高锻件质量，使之在竞争中处于优势地位。

1.1.2模具

模具是制造业的基础工艺装备之一，在汽车、电子、航空航天、兵器、仪表和通信等产品生产都有广泛应用，其中有超过60%的零部件都是通过模具生产而得的^[3]，用模具生产制造的零件较其他加工方法加工出来的零件有着精度高、复杂度高、一致性高和生产效率高等优点，用模具可以生产比其自身价值更高的产品，实现了模具更大的价值。如今全世界都大力发展模具加工产业，部分发达国家模具工业产值以及超过机床工业产值，模具产业已经成为国际上公认的关键工业，制造业的生存和发展离不开模具产业，模具生产技术水平已经成为评价一个国家生产水平的重要准则。

1.1.3铝合金锻件

铝合金锻件较钢锻件等其他金属有着很多有优点。铝合金的密度较小，只有钢锻件的34%^[4]，但它的强度和刚度却比钢锻件要高，对于既要求轻量化又要求力学性能好的零件，其是个不错的选择。同时铝锻件内部组织细密，均匀，缺陷较少，和铝铸件或者压铸件，；铝锻件的可靠性都远高于它们。而且现在锻件正朝着高精密化方向发展，这要求金属塑性要好，而铝合金正好符合这一特点。再有由于铝合金锻件具有耐腐蚀，非磁性，便面光亮等优点，其得到广泛应用，主要应用在汽车，船舶，机械，航天航空，军事设备等多个领域^[5]。

1.1.4锻造加工过程有限元仿真模拟的意义

随着科技的进步和工艺的发展，采用传统的基于经验的“试模法”设计方法已经不能满足现代化市场快速反应与产品短周期开发的实际需要^[6]。为了改善锻件产品质量，提高材料利用率，延长模具寿命，减少锤击次数，节约能源，缩短产品开发周期，引入以模拟技术为主要手段的现代设计方法已受到广泛关注。锻造过程的模拟以刚塑性有限元法，宏微观耦合分析，热力耦合等理论为依据，通过参数的设定来模拟锻造的过程和现象。

锻造过程的有限元数值模拟，可以获得金属变形的详细规律，包括网格变形、速度场、应力应变场分布、载荷与行程的关系曲线。通过对模拟结果的可视化分析，可以在现有的模具设计中预测金属的流动规律，包括缺陷的产生。根据模具结构分析的受力边界条件，根据试验结果，改进模具设计，提高模具设计的合理性，提高模具的使用寿命，降低模具试验次数，降低生产成本。

1.2国内外研究现状

1.2.1锻造的发展现状与趋势

目前，我国锻造行业虽然有一定程度的发展，但却并没有掌握锻造的高端核心竞争技术^[7]。过去几十年里，我国锻造企业的数量不断攀升，出口量也不断增多，导致在国际上我国已经成为锻造大国，但却不是锻造强国。高端的模锻产品由于研发生产的落后，其主要依赖于进口，例如航空航天和汽车上核心锻件。再有，我国由于锻造设备供应的滞后，主要还是依赖于摩擦压力机，高端锻造设备的缺乏也是限制我国锻造行业发展的一个重要因素。总的来说，我国锻造行业市场巨大，但精密锻造成形等高端核心技术应用薄弱，锻造产品品质不高，仍然有很大的发展潜力^[8]。