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前言 塑性成形既是材料制备的主要手段，又是装备制造的重要环节，在现代机械制造业中占有十分重要的地位，被广泛应用于航空航天、汽车工业、工程机械、交通运输、国防军事、日用工业等国民经济的重要部门和关键领域。金属材料塑性变形后，不仅能够获得所需零件的宏观外形，其组织性能还能得到改善和提高。虽然塑性成形过程十分复杂，且塑性成形方法多种多样并各具特点，但金属发生塑性变形时在金属学、力学和技术原理等方面具有共同的基础和规律。近年来，随着计算机硬件和信息技术的快速发展，有限元模拟仿真技术已成为对金属塑性成形过程进行科学预测、精确控制和优化设计的一种有效方法，也是塑性成形领域工程技术人员所必须要掌握的重要工具。运用塑性成形专业理论知识和CAE软件分析解决复杂工程问题的能力。 理论与实践并重，强调综合分析，突出工程应用，主要内容分为两部分：第一部分，主要介绍金属塑性成形的物理基础、力学基础、技术基础以及有限元模拟基础等：第二部分为CAE工程应用部分，以大型商业有限元分析软件DEFORM3D为平台，主要介绍体积金属成形有限元模拟、大塑性变形有限元模拟、典型零部件CAE分析、模具应力分析以及品粒演变有限元模拟等。配套CAE工程实例的电子学习资源，运用塑性成形专业理论知识和CAE软件分析解决复杂工程问题的能力。 塑性成形又称为塑性加工或压力加工，是指利用金属的塑性使坯料在外力作用下发生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸、精度和力学性能的毛坯、零件或原材料的加工方法。 精密塑性成形是先进制造技术的重要组成部分，也是汽车工业和工程机械行业中应用广泛的制造工艺方法。它不仅可以节约材料和能源，减少加工工序和设备，降低生产成本，而且可以提高生产效率和产品质量，大幅提升产品的市场竞争力。20世纪90年代以来，塑性成形以新材料、新能源、人工智能和控制技术等为依托，正在以更快的速度、更大的灵活性、更加突出“精、省、净”的特点持续、快速地发展，以适应未来多样化及个性化的市场需求和发展趋势，提高企业对市场变化的快速响应能力。其中，数值模拟技术是金属塑性成形从经验化走向科学化的重大转折，使得现代汽车制造业实现了从简单形状零件到车身覆盖件等复杂形状零件成形的跨越式发展，近年来已逐渐真正进入实用阶段。 一塑性成形的优点 与传统铸造成形、切削加工和焊接等加工技术相比，塑性成形具有以下优点： 1 力学性能好 塑性成形能够有效焊合和消除金属液态成形过程中形成的气孔、缩孔和树枝晶等缺陷，从而得到完整、致密的金属组织。金属经塑性变形和再结品后，粗大晶粒将发生显著破碎和细化，材料内部金属流线分布更加合理，力学性能得到明显改善和提高。 因此，金属经塑性成形获得的零件力学性能通常优于铸件，一些承受冲击载荷或交变应力的重要零件（如机床主轴、齿轮、曲轴、连杆等），都应采用锻件毛坯进行加工。 2材料利用率高 塑性成形过程中，由于金属主要依靠形状变化和体积转移来实现材料重新分配，不产生切削，即材料体积在变形前后基本保持不变，因此，与传统切削加工相比，可有效减少零件制造中的金属消耗，材料利用率较高。 3生产效率高 塑性成形一般利用压力机和模具进行加工，生产效率高，易于实现机械化和自动化。例如，在双动拉深压力机上成形一个汽车覆盖件仅需短短几秒时间：采用多工位冷镦工艺加工内六角螺钉，比采用棒料切削加工效率约提高400倍。 4尺寸精度和表面质量较高 随着先进塑性成形技术和设备的发展及应用，可实现毛坯或零件少切削甚至无切削加工。例如，采用精密锻造技术生产伞齿轮，其齿形部分可不经切削加工直接使用： 采用精密锻造技术加工复杂曲面形状的叶片，产品只需磨削便可达到所需精度。由于具有上述优点，近年来塑性成形在机械制造、汽车电子、航空航天、国防军工仪器仪表和日用五金等方面得到了广泛的应用，成为当今装备制造领域的重要发展方向。 塑性成形的缺点 塑性成形在发展过程中也逐渐凸显出一些缺点，主要表现为： 1不能加工脆性材料 塑性成形主要依靠金属质点的塑性流动来实现，因此，所加工的坯料必须具有一定的塑性，脆性材料（如铸铁等）不能用于塑性成形。 2产品形状（特别是内腔结构）不能太复杂 与传统铸造成形相比，塑性成形过程中金属质点的流动性较差，形状特别复杂的工件，特别是内腔结构复杂的工件，常常会因金属充填困难而难以成形加工。 3设备和模具投资费用高 受加工设备和模具的限制，塑性成形难以加工体积特别大的毛坯或零件，且生产费用较高。因此，塑性成形多用于毛坯或零件的大批量生产。 塑性成形的分类 根据加工时金属受力和变形特点分类， 塑性成形按照加工时金属受力和变形特点不同，可分为体积成形和板料成形两大类。 其中，体积成形是指在高温或室温下对金属块料、棒料或厚板进行成形加工的方法，主要包括锻造、轧制、挤压和拉拔等。 板料成形又称板料冲压，是指利用成形设备通过模具对金属板料施加压力，使其产生塑性变形，进而获得所需形状、尺寸和性能的毛坯或零件的加工方法。由于板料成形通常在室温条件下进行，故又称为冷冲压。 根据加工时金属变形温度分类 塑性成形按照加工时金属变形温度的不同（通常以再结品温度为界），可分为冷变形和热变形两大类。 1冷变形 冷变形是指金属在其再结品温度以下发生的塑性变形。冷变形过程中，金属无再结晶现象而只有加工硬化，因此需要很大的变形力，材料变形程度不宜过大，以免缩短模具寿命或使工件发生破裂。利用冷变形强化提高金属产品性能，使其获得较高的强度、硬度及表面质量，一般无须再进行切削即可作为零件使用。金属的冷冲压、冷弯、冷挤、冷镦、冷轧和冷拔均属于冷变形。 2热变形 热变形是指金属在其再结晶温度以上发生的塑性变形。热变形过程中，金属加工硬化与回复和再结晶动态软化过程同时进行。因此，热变形后金属消除了冷变形强化的痕迹，具有均匀而细小的再结晶等轴晶粒组织。这种在塑性变形过程中发生的，而不是变形停止后发生的回复或再结晶称为动态回复或动态再结晶。 DEFORM有限元工艺仿真系统是一套基于有限元分析的专业工艺仿真系统，拥有强大的有限元引擎和网格生成器，具有功能强大、界面友好、稳定性好、操作简单、易于使用等特点。它在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行仿真分析，为实际工程生产提供极有价值的工艺分析数据，如材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生与发展情况等。DEFORM-3D软件适用于刚性、塑性以及弹性金属材料，粉末烧结材料，玻璃及聚合物材料等体积成形过程，是一个面向工程、面向用户、与CAD软件无缝对接的商业化有限元软件。 几十年来的工业实践证明，DEFORM有限元工艺仿真系统有着卓越的准确性和稳定性，模拟引擎在大变形、行程载荷和产品缺陷预测等方面同实际生产相符，被国际成形模拟领域公认为处于同类型模拟软件的领先地位，具有十分广阔的应用和发展前景。 热变形条件下，由于金属保持了较小的变形抗力和良好的塑性，能够实现较大程度的塑性变形，因此可加工出尺寸较大和形状较为复杂的工件，同时还可以改善材料组织，提高力学性能。然而，热变形在高温条件下进行，劳动条件较差，生产效率也较低，且金属在加热过程中表面容易氧化和烧损，会影响产品尺寸精度和表面质量。金属的自由锻、模锻、热挤压和热轧成形等均属于热变形。 金属塑性成形技术基础及CAE工程应用是材料成型及控制工程重要基础课。 对金属塑性成形过程中的物理现象、基本规律以及各种塑性成形技术的基本原理和工艺特点等问题加以阐述，在此基础上，通过工程实例介绍有限元数值模拟技术在塑性成形领域中的应用，详细剖析典型工程机械零部件产品CAE分析步骤及工艺设置过程，并对模拟过程中容易出现的一些问题进行分析，旨在培养学生运用专业理论知识进行塑性成形工艺优化设计以及解决复杂工程问题的能力。 |
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