利用模拟技术经济地设计成形加工模具

在许多企业中，成形加工模拟技术已经是生产加工模具研发和设计工作中不可或缺的可靠技术。在生产已经过优化的模具过程中，模拟技术也得到了成功的使用，并在企业的设计部门中占据了一席之地。

利用模拟技术能够帮助使用者更深入地了解成形加工的生产过程，并从中获得更多的技术知识，及时地找出成形加工模具设计中的弱点。这里涉及到一个连续性地学习和认识过程：利用可视化地测试模拟记录学习、掌握模具专业知识。
可以通过各种（模拟）技术的不同成形形式来测定成形加工的过程，保证生产过程的可靠性。

利用模拟技术经济地实现模具优化

除了能够对设计的模具进行模拟之外，还可以在没有真实模具和不产生试验费用的前提下审核所设计的模具。模具设计中的错误和潜在问题都可以通过模拟技术及时地识别出来。根据模拟结果，还可以与用户一起讨论设计所需的修改，以便使设计的模具更加符合生产加工的需要，更加经济合理。按照模拟得出的结果（图1）应在模具设计的整体方案中加以贯彻落实，例如在图2所示的模具中落实。

图1 典型冷锻件成形过程的模拟

符合模具专业技术要求的模具设计能够发掘出很大的节约潜力。模具的费用由模块的生产制造费用和模具磨损所影响的使用寿命来决定。每个模具的制造费用主要受模具技术要求的影响。模具的使用次数有双倍的节约潜力：模具制造费用的直接节约、使用寿命的提高、减少模具更换时的停机损失等情况带来的间接节约。由于锻造模具对锻件的质量和锻造生产的可靠性有着重要的影响，因此常常有一些相互矛盾的要求。模具的使用寿命受到下列因素的影响：机械性磨损（表面磨损、表面挤压碎裂、疲劳磨损、断裂）；热磨损（塑性变性、退火）；磨蚀性磨损；粘附性磨损；摩擦化学的反应；合适的加固设计带来的负面影响。

图2 两种材料多级冲压过程的典型模具设计方案

锻造模具会因为很高的载荷（压力）带来的塑性变形而做出反应。当外部载荷减小或者去掉外部载荷之后，模具会在弹性回复力的作用下恢复到其设计时的几何形状和尺寸，不会产生永久性的塑性变形。

当模具所承受的是交变载荷时，当外部施加的载荷过高时，会出现永久性的变形（塑性变形），从而失去设计的几何尺寸和形状。

这种情况是人们所不希望的，也是无论如何要避免的。在冷成形加工设备中，成形加工的压力非常高，可达2400N/mm2，甚至更高。这时，不仅是应力的大小，应力的分布也对模具有着重要的影响。在整个成形加工过程中，随时可以出现临界的总负荷。这就要求在模具的整个工作过程中对模具的承载情况进行仔细地考察和分析。

模拟技术可用于磨损分析

在成形加工工艺过程优化的框架内，利用模拟技术不仅可以减少模具设计时的要求，而且可以通过模拟分析减少模具的磨损。

机械性磨损，例如模具表面的挤压碎裂、疲劳和模具的断裂等都可能是模具成形加工中机械负荷的结果。这些都可以通过静止模具的内应力模拟试验和摩擦应力模拟试验排除。还可以对模具进行更加精确地模拟分析，例如对模具受到的应力，也就是模具的应力状态进行计算。这就可以确定加固时产生的应力、应力集中和其他类似的影响因素了。在进行应力状态分析时，模具材料在交变载荷时的（持久）疲劳极限是必须考虑的。有两种方法可以计算模具的这种应力状态：非耦合性模拟和耦合性模拟。

在采用加固设计的模具中，两种方法都可用于模具环形零件过盈配合应力的检测。预应力增加了应力集中处所受到的负载，甚至超过了模具的承受能力。因此应注意到：不要过分地加固，因为过分地加固实际上意味着模具的预先损坏。

图3 利用模拟优化过的模具生产出来的钣形零件

非耦合性或耦合性的模拟

在非耦合性模具应力模拟计算中，首先是按照常规的静态方法进行模具的变形模拟。第二步是将变形模拟得到的内受力数值传递到模具上，计算其内应力。非耦合性的模拟具有速度快、可靠性好等优点，在模拟时无需重新计算就能计算出除模具与零件的接触面之外所受到的应力（图3、图4）。

图4 典型的钣形零件模具负载情况模拟

对整个模具设计方案进行模拟分析

内应力和摩擦应力的承受情况可以按比例放大，从而能够对设计的模具进行重要特性的分析。例如能够在模拟时把承受的摩擦应力设定为零，从而能够对最大的摩擦优化潜力做出估算。当然，参数也要考虑到模具的回程运动：例如对回程时作用在挺杆和模具压头作用在模具上的应力进行分析计算。这样，就有可能对模具在整个成形加工过程中的设计方案进行分析和评估，对模具进行一次全面的审核。

在耦合性模拟模具应力计算中，对模具的变形和弹性变形进行了综合性的分析评估；并考虑了模具机械和热变形的相互作用。在耦合性模具模拟过程中，每一个成形加工过程和模具运动的变化都要全部重新进行计算分析。典型的耦合性模拟需要制作复杂的高精度模型，有着很大的计算工作量。当模具的弹性回复对模具成形加工过程产生重要影响时必须进行耦合性模拟分析和计算。通过新的对照比较计算方法，今天已经能够经济地实现3D耦合性模拟了。

使模具设计方案更加清晰

根据上述两种模拟方法可以清楚地知道模具成形加工过程中交变载荷的作用情况。当模具中的应力数值达到临界值时会产生裂纹，这是必须避免的。而硬度较高的钢材这种临界应力值一般都较低，更容易在承受压力的范围内产生裂纹。模具钢则不同，一般都能承受很高的拉应力。模拟可以向我们提供何时出现临界压力、最高临界压力是多少以及最高临界压力出现在什么部位等信息。这样就可以采取有针对性的措施，例如模具是部分加固还是整个加固，使模具的压力分布更加合理，有目的的减少局部的压应力等。

模具的热磨损，也就是塑化和退火，是在模具成形加工过程中产生的热量在模具中分布而产生的热负荷所引起的。热负荷在确定模具压力的计算和评估时有着重要的作用和意义：因为模具的机械性能和强度都与模具的温度有关。热负荷计算在薄片冲头（压头）的温度负荷计算时是非常重要的，因为这种薄片冲头（压头）的几何尺寸和形状决定了它们在大多数工作场合中都承受着很高的载荷。

温度是模具热磨损的一个标志

在模拟过程中可以得知工件向模具传导热量的情况。模具的温度也会因这种热传导而改变自己的温度。设计好模具的最高温度可以避免这种热磨损。

挤压磨损模拟分析计算是建立在Archard磨损理论基础之上的，并描述了垂直于模具表面减小磨损的条件。磨损量的大小与模具受到的内应力和相对滑动距离成正比。这里，与工件材料和润滑状况有关的摩擦系数是一个关键性的因素。工件材料越容易磨蚀，润滑状况越糟，摩擦系数就越大。模具的硬度可以通过另一个与温度有关的参数来设置。当温度过高时，模具的强度会下降。模拟可以清楚地告诉我们这种热磨损的位置和分布。通过合理地改变和优化模具的几何尺寸和形状可以减少这种热磨损，从而显著提高模具的加工能力。