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塑性裂紋的位置，判斷是否會(huì)出現(xiàn)裂紋。塑性有限元方法很容易求出損傷準(zhǔn)則中需要用到的場(chǎng)量，且其求解方法是在每一個(gè)時(shí)間增量步上迭代求解，容易計(jì)算損傷積累值，因此，有限元法已成為預(yù)測(cè)塑性斷裂缺陷的有力工具。

對(duì)于塑性斷裂問題，很多學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究工作。該問題的研究目前還處于探索階段，各研究者采用的塑性損傷斷裂理論和實(shí)驗(yàn)手段各不相同，得出了不同的結(jié)論。Clift等學(xué)者認(rèn)為只有基于變形體單位體積內(nèi)的塑性變形功的塑性損傷斷裂準(zhǔn)則是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符且較為通用的塑性損傷準(zhǔn)則，而Sowerby等認(rèn)為最大剪應(yīng)力塑性損傷準(zhǔn)則更為合理［8］。變形體內(nèi)某一部位的塑性損傷是該部位的材料在變形過程各個(gè)階段的應(yīng)變速率及各個(gè)階段的應(yīng)力狀態(tài)累加的結(jié)果。變形材料在變形過程各個(gè)階段的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料的塑性損傷起著重要的作用，對(duì)于相同的應(yīng)變值，不同的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料的塑性損傷程度不一樣�；�于變形體單位體積內(nèi)的塑性變形功的塑性損傷斷裂準(zhǔn)則沒有體現(xiàn)變形過程應(yīng)力狀態(tài)的積累；而僅考慮變形體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)的塑性損傷準(zhǔn)則沒有計(jì)入應(yīng)變對(duì)損傷的作用。要準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)變形體內(nèi)的塑性裂紋，需建立這樣一種塑性損傷模型，既要體現(xiàn)應(yīng)變的積累對(duì)塑性損傷值的作用，又要包含應(yīng)力狀態(tài)的積累對(duì)損傷值的作用，即具有式(1)基本形式：

式中σmax——變形質(zhì)點(diǎn)的最大拉應(yīng)力
σH——靜水壓力

把這樣一種模型引入有限元模擬過程，可望能預(yù)測(cè)不同成形條件下的塑性斷裂缺陷，且預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際成形情況相符。

塑性有限元的模擬結(jié)果能直觀地體現(xiàn)溫鍛變形過程各時(shí)刻變形體速度場(chǎng)分布及模具型腔的填充情況，因而易于預(yù)測(cè)折疊缺陷，并可根據(jù)模擬結(jié)果改進(jìn)模具參數(shù)，消除折疊缺陷。

三、溫鍛精密成形過程的研究技術(shù)路線

上海交通大學(xué)塑性成形工程系和上海汽車公司鍛造總廠合作承擔(dān)了上海汽車總公司科學(xué)發(fā)展基金資助的“汽車零件冷、溫鍛精密成形工藝與模具研究”項(xiàng)目。在該項(xiàng)目中，將對(duì)汽車工業(yè)中的典型零件(如圖1所示)冷、溫鍛成形過程進(jìn)行研究，從理論和實(shí)踐中總結(jié)出切合實(shí)際生產(chǎn)流程的工藝方案及模具設(shè)計(jì)最佳方案，并將逐步投入實(shí)際生產(chǎn)。

圖1汽車工業(yè)中的典型溫鍛件
(a)內(nèi)星輪(b)外套(c)軸徑(d)極爪

本課題組采用試驗(yàn)研究和有限元模擬技術(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)溫鍛精密成形技術(shù)的變形理論進(jìn)行系統(tǒng)研究，由于塑性有限元理論本身已比較成熟，本課題重點(diǎn)探索溫鍛溫度范圍內(nèi)有別于冷鍛和熱鍛工藝的金屬變形規(guī)律，研究溫鍛成形中可能出現(xiàn)的成形缺陷種類及預(yù)測(cè)和消除缺陷的方法，并利用前述基金項(xiàng)目中列出的幾類典型溫鍛精密成形零件驗(yàn)證溫鍛成形理論。本研究采用圖2所示的技術(shù)路線。

圖2 溫鍛精密成形過程的研究技術(shù)路線

四、典型汽車零件溫鍛精密成形過程的有限元模擬

以汽車中的極爪零件(材料為08F鋼)為例，用三維有限元模擬其溫鍛成形工步，得出了變形過程中材料的流動(dòng)情況、變形載荷及模具的受力分布，模擬結(jié)果可以為模具結(jié)構(gòu)及其尺寸的選擇提供依據(jù)。

成形極爪零件的爪部展開零件是生產(chǎn)該零件的關(guān)鍵工步，圖3給出了兩種不同溫鍛工藝方案(徑向擠壓和鐓擠)的變形網(wǎng)格圖，圖4給出了這兩種工藝方案的載荷—行程曲線，從圖中曲線可以看出，徑向擠壓時(shí)的最大載荷約為鐓擠時(shí)的1/2。本研究中改變這兩種工藝的模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)溫鍛過程進(jìn)行模擬，分析得出了兩種方案各自的優(yōu)越性及限制條件，選擇了較合適的模具結(jié)構(gòu)參數(shù)。模擬結(jié)果很好地指導(dǎo)了該零件的物理模擬試驗(yàn)。研究結(jié)果提高了該零件實(shí)際生產(chǎn)時(shí)工藝選擇和模具設(shè)計(jì)的可靠程度。

圖3極爪零件溫鍛成形工步的有限元網(wǎng)格
(a)徑向擠壓(b)鐓擠

圖4極爪零件不同溫鍛工藝的載荷—行程曲線

本研究中耦合了模具的彈性變形進(jìn)行分析，得出了模具工作部分及凹模預(yù)應(yīng)力圈的受力情況，選擇了合適的凸模、凹模及預(yù)應(yīng)力圈材料，并確定了合適的預(yù)應(yīng)力圈層數(shù)、尺寸及預(yù)緊量。

五、結(jié)束語(yǔ)

與熱鍛及單純的冷鍛成形相比，溫鍛成形在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益上具有顯著的優(yōu)越性。采用溫鍛或“溫鍛+冷鍛”精密成形工藝生產(chǎn)汽車中大量使用的軸徑、內(nèi)星輪、外套、齒輪、極爪、聯(lián)軸器等零件是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。基于DEFORM-3D的溫鍛精密成形三維塑性有限元模擬系統(tǒng)可以直觀地分析坯料的變形和模具的受力情況，是優(yōu)化溫鍛成形工藝及模具設(shè)計(jì)的強(qiáng)有力工具。

上海汽車工業(yè)總公司科學(xué)發(fā)展基金資助項(xiàng)目
肖紅生，男，28歲，博士研究生
肖紅生（上海交通大學(xué)模具CAD/CAM國(guó)家工程研究中心 200030）
林新波（上海交通大學(xué)模具CAD/CAM國(guó)家工程研究中心 200030）
張質(zhì)良（上海交通大學(xué)模具CAD/CAM國(guó)家工程研究中心 200030）
吳希林（上海汽車公司鍛造總廠） (end)

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