1 绪论
1.1 高速钢
1.1.1 高速钢简介
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高速钢又被称为风钢或锋钢，意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。高速钢是适应高速切削而发展起来的刃具钢。当车削速由10～20m/min增加到50～80m/min时刃具刃部的温度由200～300℃增至500～800℃。碳素刃具钢和低合金刃具钢，200～300℃即开始软化，而高速钢在500～600℃，仍能保持较高的硬度（60HRC左右），因此高速切削刀具一般都采用高速钢制造。高速钢发明至今已近百年主要用作各类机床切削工具。在高速钢之后相继有硬质合金、陶瓷和聚晶金刚石等切削材料间世但高速钢在切削材料领域中始终保持着特殊的领先地位。表1.1是各类重要工具使用高速钢、硬质合金、和陶瓷材料情况的统计表,是由世界最大高速生产厂家一奥地利伯乐百特种钢公司统计的。从表中可见,除车刀外,其它各种刀具主要都是用高速钢制造的,尤其是螺纹刀具、齿状刀具和拉刀等精密复杂刀具。根据刀具专家的分析图,在可预见的将来,高速钢在刀具材料中的特殊地位不可能被其它刀具材料所取代[1]。
表1.1 主要加工刀具应用的材料销售金额比例，%
刀具名称 应用的刀具材料占刀具材料总售金额的比例 陶瓷 车刀 麻花钻 攻丝刀具 刀头与铣刀 齿状刀具 铰刀 拉刀 25 23 20 12 5.7 5.4 4.8 2 0 0 0 0 0 0 高速钢 17 96 100 60 98 60 100 硬质合金 81 4 0 40 2 40 0 每种刀具材料所占销售金额比例
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1.1.2 高速钢钢种
目前的高速钢五大类：
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(1)通用型高速钢是指世界各国生产量较大用途较广且价格低廉的一类高速钢，代表钢种有W18Cr4V（美国T1）、W6Mo5Cr4V2等。T1是使用最早的钨系高速钢，直到50年代，此类高速钢仍为世界各国广泛应用。50年代后期，由于世界范围的钨元素紧缺导致 T1价格不断上涨，与此同时，钼矿资源不断被开发，因而促进了钼系、钨-钼系高速钢的研发。M2就是当时研制成功的典型钨-钼系高速钢。目前欧美较多国家已用钨-钼系高速钢部分或全部取代了T1。
(2)高生产率高速钢又称超硬高速钢，它是在一般的通用型高速钢中加入一些Co、V、Si、Al等合金元素以提高高速钢的红硬性和耐磨性，主要用来制造切削难加工材料的刀具，比通用型高速钢刀具具有更高的切削速度和耐用度。超硬高速钢的类型较多，目前应用较多的有钴高速钢、高碳高钒高速钢及铝、硅高速钢等。
(3)低碳型高速钢是在通用型高速钢的基础上将碳含量降至0.6%～0.7%左右，而其他合金元素基本不变，已用于生产的有日本的SKH2R、SKH3R及我国的6W6Mo5Cr4V等。
(4)粉末冶金高速钢是较先进的高速钢生产方法。用冶炼-铸锭-锻造工艺生产的高速钢，不可避免地存在着碳化物的偏析，粉末冶金高速钢从根本上解决了高速钢中碳化物分布不均及碳化物级别均为1级，其尺寸大约为2～5µm；而熔炼的高速钢中的碳化物尺寸为12～30µm，由于组织均匀碳化物细小，使粉末冶金高速钢的硬度和韧性大幅度提高，而且耐磨性比熔炼型高速钢优良。目前，粉末冶金高速钢除用于制造切削刀具外，还用于制造精密模具，此外，象冷轧辊、冷锻工具及切割机刀片等均可应用粉末冶金高速钢，而且取得了良好的效果[2]。 1.1.3 国内外发展现状
高速钢生产1898年从年开始,已走过了100年的发展历程。世界每年生产高速钢近30万吨,钢材在20万吨以上。世界上生产高速钢的著名企业有瑞典的ASSAB公司、法国的ERASTEEL公司、日本的HITACHI公司、德国的THYSSEN公司、美国的CRUCIBLE公司等,这些企业基本上都是专业化生产[3]。近儿年来,我国年产高速钢约3万吨,钢材约2.5万吨。约占世界高速钢产量的1/10。大连钢铁集团公
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司和河北冶金科技公司是原冶金部布点的重点高速钢生产企业,其产量、品种、质量一直处在领先地位,为我国工具行业提供了大量优质的高速钢,为国家的经济发展作出了巨大的贡献。一些重点特钢企业如上海五钢集团公司、抚顺特殊钢有限公司、大冶特殊钢有限公司也积极生产开发高速钢,长城特殊钢公司、贵阳钢厂、西宁特殊钢有限公司、本钢特钢公司等企业也生产少量高速钢。改革开放以来,特别是近几年来在高速钢生产市场的格局上发生了很大的变化。一批地方企业、研究院所和乡镇企业异军突起,瞄准高附加值的高速钢产品,建设生产线。这些企业发展的速度很快,有的已形成了规模化生产,成为高速钢生产的新生力量,已占全国高速钢生产的。目前已形成规模的企业有江苏夭工实业公司、江苏飞达集团和河北冶金科技等单位。大连地区、重庆地区及江苏扬中、江阴等地区也生产一定量的高速钢。目前生产高速钢的企业已多达10余家[4]。
1.2 高速钢的生产
1.2.1 高速钢冶炼
高速钢多用电弧炉冶炼,用精锻机或汽锤锻。现在国外一些厂家还采用了炉外精炼,这对于一些特殊品种的高速钢来说非常必要,例如双金属带锯用高速钢材,要求钢很纯净,气体含量很低。连铸能大幅度提高高速钢的成材率,但难度很大。德国和奥地利一些厂家曾进行了大量的试验研究,但仅奥地利BREITENFELD厂(勃来登弗勒德厂有试验成功的报道〕,并已正常生产。采用电渣重熔和快锻机加精锻机的锻造方法生产高速钢大断面材,取得了良好的效果。我国特殊钢厂也多是用电弧炉冶炼高速钢,生产大断面材采用电渣重熔。一些中、小型钢厂采用了感应炉加电渣炉的方法生产高速钢,每年产量约数千吨。这种方法使用了较多的返回废钢,降低了成本。
70年代初，由于气体雾化制粉盒热等静压技术的进步，诞生了粉末高速钢。它是快速凝固技术在工业上成功应用的首例冶金材料。粉末高速钢具有以下优点：(1)碳化物颗粒尺寸细小（最大约3µm），分布均匀；(2)可磨削性好；(3)韧性好；(4)热处理时淬硬速度快，在整个截面上硬度分布均匀；(5)热处理后变形小而均匀，保持截面圆度好；(6)能生产出常规铸锻工艺不能生产的更高合金含量的高速钢。气体雾化粉末高速钢的生产工艺主要包括两个步骤：(1)雾化制粉。钢在熔炼之后,于高压气体雾化制取预合金高速钢粉末,每一个粉末颗粒实质上就是一个微小的钢
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锭。由于凝固的速度很快,使结晶组织很细.(2)粉末成型。美国增祸公司粉末成型的工艺是将粉末装入钢包套,脱气密封之后,直接装入热等静压机加温加压使之致密成粉末高速钢。然后剥掉钢包套,可以锻或轧成材。瑞典公司则采取了不同的生产工艺。为提高生产效率,该公司把理论密度的装粉包套先冷等静压至理论密度,以提高其导热率。然后,经600℃和1150℃二段预热,热装机进行热等静压,产品密度可达理论密度。还有一种喷射沉积技术可用于生产高速钢。该技术由英国Osprey金属公司首创,所以又Osprey工艺[5]。其原理也是利用气体喷吹液态金属使其雾化并直接沉积在一定形状的收集器上,从而形成高密度预形坯。该工艺省去了粉末高速钢的制粉和成型等许多工序,节省能耗,降低成本。用喷射沉积技术生产的高速钢碳化物分布均匀,颗粒细小（约6～10µm）,虽略粗于粉末高速钢,但显著优于常规铸锻工艺生产的高速钢[6]。 1.2.2 高速钢锻造
高速钢属于高碳、高合金特殊钢，在退火状态甚至在淬火状态仍有大量碳化物，因此其具有与众不同的使用性能和良好的热加工工艺性能。但碳化物的不均匀性却给热加工工艺性能与使用性能带来严重损害。严重的碳化物不均匀性使锻造时金属塑性降低，应力集中易产生开裂，综合力学性能与耐磨性差，从而降低了刀具使用寿命。用锻造提高高速钢的碳化物均匀度，能为热处理创造有利条件，提高刀具使用寿命，在工具生产中具有重大作用。当锻件无碳化物均匀度要求，或原材料已达到要求级别时，大体可以直接采用原材料或简单锻造成形。但生产实践表明，当锻造不当，特别是镦粗成形时，碳化物不均匀度可能升级。当简单成形不能满足碳化物均匀性要求时，就必须采用特殊锻造方法，来改善碳化物均匀性与钢材纤维方向，以提高工具综合力学性能。生产中通常有以下几种特殊的锻造方法:
(1)不变方向反复镦拔。 (2)单十字镦拔。 (3)双十字镦拔。 (4)对角线反复镦拔等。
上述方法各有其特点与优越性，可以根据工具使用特点与操作掌握程度具体分析选用。但大多数工厂通常采用的工艺是不变方向反复镦拔，基本上能满足要
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求，而且操作比较简单，产生裂纹等缺陷较少[7]。
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锻造技术由自由锻造发展到径向锻造，其使用的锻造工具有了很大变化。自由锻造一般使用上下平砧进行锻造，通过砧子单方向运动使锭料或坯料受压而产生变形如图1.1所示。由于锭料或坯料在自由锻造的情况下展宽和轴向延伸不受工具的限制，变形阻力小，根据金属塑性变形最小阻力定律，自由锻的锭料或坯料将产生两个方向的塑性变形。而径向锻造一般采用四个锤头，四个锤头在同一平面内分成两组，锭料或坯料在两个方向上受压，其宽展塑性变形受到工具的限制，金属的塑性变形一轴向延伸为主如图1.2所示，极大地提高了金属的锻造效率[8]。
1 2
图 1.1 自由锻（1 锤头 2 坯料）
图 1.2 径向锻造（1坯料 2锤头）
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径向锻造变形技术发展到现在，已由最初的机械式发展到现在的液压式，锤头的打击频次已达到240次/min，打击次数大大超过了自由锻造（快锻机打击次数仅为80次/min左右），打击频次的提高不仅可以抵偿金属变形过程的温降，而且还将导致金属变形后温度的升高，这已被实践所证实。例如液压式径向锻造机锻造难变形的高温合金GH4169，由220mm方坯锻到直径140的棒料，从第3道次开始，表面温度升高40～50℃，为了控制终锻温度，需要停留一段时间进行最后道次的变形。正因为径向锻造存在温升的现象，始锻温度与终锻温度差很小。
高合金钢，尤其是高速工具钢（W6Mo5Cr4V2）、高合金冷作模具钢（Cr12Mo1V1）等，因含有大量的合金元素，造成较为严重的成分偏析，加之碳含量较高，碳化物偏析严重，恶化了热加工性能，其热加工只能在较窄的温度区间进行。如果加热温度过高，容易造成钢锭偏析区大量的低熔点碳化物产生过热和过烧现象；若终锻温度过低，则表面塑性变差，容易产生表面开裂现象[9]。该类钢若采用自由锻造，锭到才需开中间坯，需多火次才能完成。例如将430mm～430mm的钢锭锻到直径140的圆棒，至少需6火次，而且还需要开中间坯。采用径向锻造，则只需一火次即可完成全部变形过程，始锻温度与终锻温度差仅为40～50K。这样的结果是自由锻无法做到的。因此径向锻造变形温降小的特点尤其适合高速工具钢、高合金冷作模具钢、不锈钢及高温合金、钛合金等南变形材料的锻造。
高速钢锻后从高温空冷也会转变马氏体组织，组织应力大而塑性低，很易开裂。高速钢锻件锻后应缓冷，可以在炉中冷却或置于炉口外装料板上缓冷至室温后，及时作退火处理。 1.2.3 高速钢热处理
高速钢的热处理工艺较为复杂，必须经过退火、淬火、回火等一系列过程。退火的目的是消除应力，降低硬度，使显微组织均匀，便于淬火。退火温度一般为860～880℃。淬火时由于它的导热性差一般分两阶段进行。先在800～850℃预热(以免引起大的热应力)，然后迅速加 热到淬火温度1190～1290℃（不同牌号实际使用时温度有区别），后油冷或空冷或充气体冷却。工厂均采用盐炉加热，现真空炉使用也相当广泛。淬火后因内部组织还保留一部分(约30%)残余奥氏体没有转变成马氏体，影响了高速钢的性能。为使残余奥氏体转变，进一步提高硬度和耐
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1.3 计算机模拟技术
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磨性，一般要进行2～3次回火，回火温度560℃，每次保温1小时[10]。
计算机模拟技术不仅是计算机应用的一个十分重要而又广阔的领域，而且也是迅速发展的一门综合性很强的新兴科学，是工程分析、研究和设计的重要工具。许多工程分析问题，都可归结为在给定边界条件夏秋季起控制方程(常微分方程或偏微分方程的问题。但只有方程比较简单、几何边界想到规则的少数问题能用解析分法求出精确的解析解。对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状比较复杂或者问题的某些特性是非线性的，则很少有解析解。对于这类问题其解决办法通常有:一是引入简化假设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题，得到其在简化状态下的解，这种方法在某些情况下是可行的，但简化过多又可能导致不正确的甚至是错误的解。因此，在利用现代数学、力学理论的基础上，借助于计算机计算来获得满足工程要求的数值解，这就是数值模拟技术，也就是计算机仿真技术。一般来说，仿真技术包括物理仿真和模型仿真。模型仿真，即用数学模型代替实际系统进行分析、研究或实验。由于计算机仿真技术能够非常方便地将世纪工程提供的模型进行各种实验分析，例如:分析研究材料加工过程的各种力能参数，为选择最佳加工方法而改变工艺参数;为获得最佳设计对各种方案进行比较;对一些新产品的方案进行验证等，广泛应用于航天、冶金、通信、建筑、化工等各个工程领域，在实际应用中取得显著效果。
计算机模拟与优化在高速钢锻造生产中起着越来越重要的作用。利用计算机，一方面可以在设备制造前或者在高速钢生产之前模拟锻造过程的变形和力能参数，从而优化设备设计或工艺参数，以代替物理模拟实验和现场锻造，减小物理模拟实验的经费投入和现场锻造的损失;另一方面可以模高速钢在锻造过程中的显微组织变化，并预报轧后钢的性能，从而优化工艺参数，代替大量金相实验和工艺参数研究，保证钢材所要求的组织和性能[11]。
1.4 本课题研究内容
综上所述，本文的研究以精锻机结构与高速钢生产工艺相结合，主要通过DOFORM软件对H-13高速钢锻造过程变形的有限元仿真分析，得到坯料在锻造变形中的应力、应变分布，来分析棒料芯部的变形，进而分析该锻造工艺是否能
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将坯料锻透。
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2 精锻机设备特点及结构介绍
2.1 精锻机的特点
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精锻机是一种快速精密锻压设备，由2~8个对称锤头对金属坯料进行高频率锻打的短冲程压力机。锤头有两种运动：(1)由电动机传动偏心轴带动连杆使锤头往复运动，进行锻打；(2)调节机构通过偏心套调节连杆的位置，改变锤头的开口尺寸，以获得不同的锻压尺寸。锻压时坯料由操作机的夹头送入锻压箱进行往复锻压。这类机器多用程序控制、数字控制或微处理控制系统自动操作，生產效率高，用以建立热锻火车轴等自动生产线和冷锻枪管来复线等。锻件的精度：热锻的外径±0.5 mm，内径±0.1 mm；冷锻的外径±0.1mm，内径±0.01 mm。加工实心或空心长轴类零件锻造时，分布在棒料圆周方向的锤头(2～8个)对工件快速和同步锻打。如工件为圆截面，则一面低速旋转，一面轴向进给移动；如工件为非圆截面，则只轴向进给而不旋转，将钢锭直接锻成方钢、扁钢等。径向锻造的特点是不需要专用模具，能按预定程序锻出精密的轴类零件。径向锻造每次压缩量小，每分钟锻打次数高，这种方法可用于热锻或冷锻[12]。
精锻机每分钟锤击次数比快锻液压机高一倍，由于锤击次数高，坯料形变产生的热量可抵偿坯料散失到环境中的热量，因此加工过程中温度变化较小。这对加工温度范围窄的高合金钢、钛合金或难变形合金的生产非常合适，保证了产品质量。在一次加热中坯料总变形率的增加，也就提高了生产率和成材率。数控锻压能保证产品有更高的精度,尺寸公差达±0.1mm，减少了后续工序的加工余量。世界上有许多国家在冶金、机械制造、国防工业上采用了精锻机来生产合金结构钢、高强度合金钢、钛合金和难变形合金的产品。用不同型号的精锻机分别将钢锭或钢坯锻成圆形、方形、矩形截面的棒材或锻成旋转对称轴、实心轴和空心阶梯轴、锥度轴、厚壁管、炮管等。此外，径向锻造机自动化程度高，生产的锻件精度高，表面粗糙度小。但也有不足之处，因为锻造时，工件表面变形大于中心部位变形，如果锻比控制不当会出现心部锻不透的现象。另外，由于打击频率高，产生变形热，使锻件局部温度上升，导致合金显微组织不均匀，影响性能。
奥地利GFM是世界知名的径向锻机生产公司，可生产3种类型的精锻机：(1)机械传动的SX型：(2)液压传动的PX型；(3)连续式SD型。吨位从80～2500T,最大吨
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位的SX-85径向锻机，锤头最大锻打力为29420 kN，打击次数125次/min。此外，德国Eumuco公司生产精锻机，以液压传动为主，如SMX-18型，最大打击力2697 kN，打击次数180--320次/min[13]。从 20世纪80年代中期至今，我国已从奥地利引进了400T,500T,800T,1000T和1400T,主要用于锻制特种钢、工具钢和锻件，使用效果比较理想。河北冶金科技公司2004年引进的SX55型即为SX类型，如图2.1所示。
图2.1 GFM公司生产的SX55型精锻机
2.2 精锻机的类型
在国内外精锻机产品中，按主机传动方式分机械式和全液压两种形式,并且随着液压技术的快速发展,与控制系统良好的接口技术,全液压精锻机的优势更加明显。按照控制系统精锻机可分为三种类型：一种是以继电器为主控单元的传统型精锻机；一种是采用可编程控制器控制的精锻机；第三种是应用高级微处理(或工业控制计算机)的高性能精锻机。三种类型功能各有差异，应用范围也不尽相同。但总的发展趋势是高速化、智能化[14]。
(1)继电器控制方式是延续了几十年的传统控制方式，其电路结构简单，技术要求不高，成本较低，相应控制功能简单，适应性不强。继电器控制方式适用于
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单机工作、加工产品精度要求不高的大批量生产，也可组成简单的生产线，但由于电路的限制，稳定性、柔性差。现在，国内早期引进许多精锻机是以这种机型为主。近几年多进行了技术改造和升级。
(2)可编程控制器是在继电器控制和计算机控制发展的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术，计算机技术，通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。目前已被广泛地用于各种生产机械及自动化生产过程种。随着技术的不断发展，可编程控制器的功能更加丰富。早期的可编程控制器在功能上只能进行简单的逻辑控制，后来开始采用微电子处理器作为可编程控制器的中央处理单元(CPU)，从而扩大了控制器的功能，使其不仅可以进行逻辑控制，而且还可以对模拟量进行控制。因此，可编程控制器控制方式是介于继电器方式和工业控制计算机控制方式之间的一种控制方式。可编程控制器具有较高的稳定性和灵活性，但在功能方面与工业控制计算机相比有一定的差异
(3)工业控制机控制方式是在计算机控制技术发展成熟的基础上采用的一种高技含量的控制方式。这种控制方式以工业控制机作为主控单元，以CNC控制技术直接应用数字阀实现对液压系统的控制、同时利用各种传感器组成闭合回路的控制系统，达到精确控制的目的，这种控制方式主要有如下特点：①具有友好的人机交互性，操作简单。②控制精度高。数字控制的行程长度及工作行程与传统的机械的行程开关控制相比，精度有极大的提高，一般控制精度可达到0.05mm。③可顺利实现对工作参数(压力、速度、行程等)的单独调整。④预存工作模式，可对不同工件的工艺过程、工艺参数预先存储和重复调用，缩短调整时间。⑤对高速下的换向冲击可利用软件来消除，以降低噪声，提高系统的稳定性。 ⑥在安全方面，可利用软件进行故障预诊断，并自动修复故障和显示错误。⑦易实现生产线的集散控制，组成柔性生产线以及与上位机进行通信和实现调度控制。精锻机由手动、半自动发展到自动控制，70年代又发展到用计算机控制。从工艺组成上与其他设备的联合也有了大幅提高，采用液压锻压机和精锻机联合作业，在高速钢和钛合金生产中较为普遍，也有采用大小精锻机联合作业的。70年代以来,精锻工艺又发展为精锻-轧制工艺，并创造了精锻-轧机组,它由一台多锤头的连续式精锻机后带若干架轧机组成，主要用在合金钢厂生产小型棒材。
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2.3 精锻机发展趋势
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(1)高速、高效、低能耗。提高精锻机的工作效率，降低生产成本。
(2)机电液一体化。充分合理地利用机械和电子方面的先进技术促进整个液压系统的完善。
(3)自动化、智能化。 微电子技术的高速发展为精锻机的自动化和智能化提供了充分的条件。自动化不仅仅体现在加工，还体现在自动实现对系统的诊断和调整，具有故障预处理功能。
(4)液压元件的集成化，标准化。 集成的液压系统减少了管路连接，有效地防止了泄露和污染。标准化的元件为机器的维修带来方便。
(5)精锻机的宜人化。随着精锻机的高速和自动化，限制噪声和震动、防止环境污染、消除人身事故、保证精锻机安全可靠地进行自动化生产就显得非常重要了[15-16]。
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3 基于DEFORM的有限元分析
3.1 DEFORM简介
3.1.1 EFORM的发展
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DEFORM是ALPID研发的一款商品化分析软件，由SFTC公司推广应用。DEFORM-2D 2002年发布7.2版，1998年退出了三维系统DEFORM-3D，2002年发布4.0版。它是一套基于有限元仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。通过在计算机上模拟整个加工过程,帮助工程师和设计人员:①设计工具和产品工艺流程,减少昂贵的现场试验成本;②提高工模具设计效率,降低生产和材料成本;③缩短新产品的研究开发周期。 3.1.2 DEFORM系统结构
DEFORM不同于一般的有限元程序,它是专为金属成形而设计的。它具有非常友好的图形用户界面,可帮助用户很方便地进行准备数据和成形分析。这样,工程师们便可把精力主要集中在工艺分析上,而不是去学习烦琐的计算机系统。DEFORM专为大变形问题设计了一个全自动的、优化的网格再划分系统。
DEFORM是一个高度模块化、集成化的有限元模拟系统,它主要包括前处理器、模拟器、后处理器三大模块。前处理器处理模具和坯料的材料信息及几何信息的输入、成形条件的输入,建立边界条件,它还包括有限元网格自动生成器;模拟器是集弹性、弹塑性、刚(粘)塑性、热传导于一体的有限元求解器;后处理器是将模拟结果可视化,支持OPGL图形模式,并输出用户所需的模拟数据[17]。 3.1.3 DEFORM的功能
(1)成形分析：①冷、温、热锻的成形和热传导偶合分析,提供材料流动、模具充填、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成和韧性破裂等信息；②丰富的材料数据库,包括各种钢、铝合金、钛合金等,用户还可自行输入材料数据；③刚性、弹性和热粘塑性材料模型,特别适用于大变形成形分析,弹塑性材料模型适用于分析残余应力和回弹问题,烧结体材料模型适用于分析粉末冶金成形；④完整的成形设备模型可以分析液压成形、锤上成形、螺旋压力成形和机械压力成形；⑤温度、应力、应变、损伤及其他场变量等值线的绘制使后处理简单明了。
(2)热处理：①模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程;②预测硬度、晶粒
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组织成分、扭曲和含碳量；③可以输入顶端淬火数据来预测最终产品的硬度分布；④可以分析各种材料晶相,每种晶相都有自己的弹性、塑性、热和硬度属性。混合材料的特性取决于热处理模拟中每步各种金属的百分比。
DEFORM用来分析变形、传热、热处理、相变和扩散之间复杂的相互作用,各种现象之间相互耦合。拥有相应的模块之后这些耦合将包括由于塑性变形引起的升温、加热软化、相变控制温度、相变内能、相变塑性、相变应变、应力对相变的影响以及含碳量对各种材料属性产生的影响等[18]。
3.2 刚塑性有限元法
塑性成型一般为大变形问题，此时材料的弹性变形量相对于塑性变形量可以忽略不计，因而可视为刚塑性材料。针对这种刚塑性材料建立的有限元法就称为刚塑性有限元法，它是小林史郎（Shiro Kobayshi）和李（Lee.C.H）于1973年提出的，二十年来已得到很大的发展，广泛应用于分析各种塑性加工问题。
人们常采用拉格朗日乘子法、罚有限元法和杂交有限元。 3.2.1 拉格朗日乘子法
它所用的变分原理是基于最小势能原理的混合变分原理，将不可压缩约束条件用乘子 λL 相乘代入势能中来修正势能。利用修正的势能原理可以得出位移与拉氏乘子 λL为基本未知数的控制方程。其主要特点是同时以节点位移和静水压力为基本未知量进行联立求解。尽管混合变分公式的具体形式不同，但最终的离散方程皆有如下形式：
其中[K ]，[E ] 为单刚中非零矩阵，上标T 表示转置；Δu 为位移增量；Δp 为 静水压力增量；R为单元等效外力；F 为单元内力；I 为不可压缩修正项。 该方 法的优点是直观，且不必对零体积膨胀约束进行特殊处理；缺点是增加了自由度 数目，即拉氏乘子λL的数目，λL的出现会增加最后切向刚度方程的带宽，使运 算效率降低，另外导致了离散矩阵的非定性，难用一般方法求解。吕和祥采用了 子结构法解决了该问题，但较繁，不易于推广，范家齐等也对受内压的橡胶圆柱 进行了研究。
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3.2.2 罚有限元法
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将罚函数的概念引入有限元中，把应变能分解成偏应力和体应力产生的应变的 叠加形式，通过选择适当的惩罚函数，利用罚因子放松不可压缩的约束条件，最 终得到只含位移未知量的离散方程。为了避免数值上的困难，插值函数和求单元 刚度阵的数值积分是分开进行的。对刚度矩阵中体变部分用低于其他项积分阶段 的简化积分法，由于是有选择的不同积分阶段，所以也称选择积分法。用静力凝 聚法消去压力自由度，最后只剩下节点位移为自由度，因而方程阶数未增加，效 率高于拉氏乘子法。
优点是由于乘法函数的引入，使得刚度矩阵对角线上的零元素消失，变得对 称正定，可以通用的解法进行求解；缺点是为了确保迭代过程的收敛，要适当的选择惩罚因子。 3.2.3 杂交有限元
杂交应力元由卞学簧于1964年首次提出，其后杂交元理论不断发展，其应用对象从二维，平板发展到三维和壳体，在橡胶类材料的小变形中得到了应用。 杂交应力元采用的是基于最小余能原理的Reissner变分原理，以节点位移和应力作为基本未知量，对于不可压缩橡胶类材料又引入静水应力作为基本未知量。其应力可用单元的应力参数插值来表示：
其中[p]是应力函数矩阵，{β}是应力参数列向量，这样首先对应力进行变分，使 得应力未知量在单元范围内凝聚掉，最后得到的单元刚度方程，与混合法（拉氏 乘子法）基本相同，但有本质区别。 杂交应力元在单元内放松了对位移的约束， 使单元有比较适中的刚度，一般能给出比较准确的位移解，由于直接假定了单元 内的应力模式，没有求导引起的精度损失，而且可以根据具体问题选择最优的应 力模式，使得单元内应力值及其分布规律更为合理。特别是在板壳类问题中，避 免了单元间难以协调的困难[19]。
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4 高速钢精锻过程建模
4.1 Pro/Engineer简介
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Pro/Engineer是世界上最成功的CAD/CAM软件之一，它是美国PTC公司的产品。该公司1985年成立于波士顿，现已发展为全球CAD/CAM/CAE领域最具代表性的著名公司，其软件产品的总体设计思想体现了MDA(Mechanical Design Automation)软件的新发展，所采用的新技术比其他MDA软件具有更多优越性
Pro/Engineer的功能非常强大，为工业产品设计提供完整的解决方案，广泛用于造型设计、机械设计、模具设计、加工制造、机构设计、有限元分析及关系库管理等各个领域。它的产品功能模块包括：基本模块、曲面造型、特征定义、装配设计、组件设计、工程制图、图表设计、电缆制造、模具设计、钣金设计、有限元网格等
Pro/Engineer软件具有强大的实体造型功能。它完全集成了表面和实体建模技术，是一个领先的造型软件。Pro/Engineer能完成任何工业设计，而且任何设计思想都能得到体现。本课题之所以采用Pro/Engineer来建模是因为在有限元软件中建模相对比较困难而Pro/Engineer与其它建模软件相比，具有明显的优点，主要表现在：
(1)实体造型。设计人员可在计算机上直接进行三维设计，在屏幕上能够见到产品的真实三维模型，这是工程设计方法上的一个重大的突破。产品的形状和结构越复杂，更改越频繁，则采用三维实体软件进行设计的优越性越突出。
(2)参数化设计。可使产品的设计随着某些结构尺寸修改和使用环境的变化而自动修改图形。
(3)特征设计。它具有很突出的优点，在设计阶段就可以把很多后续环节要使用的有关信息存放到数据库中。这样便于实现并行工程，使得设计绘图、计算分析、工艺审查等后续工作都顺利的完成。
(4)采用自顶向下的设计方法，这种设计过程能充分利用计算机的优良性能，最大限度地发挥设计人员的设计潜力，最大限度地减少设计实施阶段不必要的重复工作。
(5)具有与其它有限元分析软件无缝接口功能。
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(6)具有强大的数控加工能力。
(7)能进行二次开发，完成用户的特殊要求[20]。
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4.2 锻造过程建模
精锻机在锻造过程中使坯料变形的直接原因是锤头的压下和坯料的进给，因此在进行模拟建模时，只需将锤头、坯料和夹持器建出。
锤头以前视基准面，坐标原点为锤头下便面中心点建立。坯料及夹持器选右视基准面，以坐标原点为中心点建立。将建好的所有模型，保存为STL格式文件图4.1为精锻机锤头模型，具体尺寸见附表1。
图4.1 锤头模型
坯料模型如图4.2所示，由于模拟目的是研究坯料芯部能否锻透，所以无需将整个棒料进行锻造，故建模时取坯料长度为800mm，直径315mm。将建好的模型，保存为STL格式文件。
图4.3为夹持器模型。夹持器是用来夹紧棒料，带动棒料送进和旋转的机械手臂。实际中为四爪结构，如图4.4，为了简化该部件，造型时设计为长350mm直径400mm的封底圆筒，中心孔直径与坯料相等为315mm深300mm。将建好的模型，保存为STL格式文件。
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图4.2 坯料模型
图4.3夹持器模型
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图4.4 夹持器
4.3 模型导入
4.3.1 各部分位置的确定
进入DEFORM-3D前处理界面，在DEFORM SIMULATION下添加坯料和模具。精锻机共有四个锤头和夹持器，故添加5个模具。添加时将Bottom Die删去，因为系统默认该模具不动。将建好的锤头、坯料及夹持器模型导入到DEFORM-3D中。将模型导入到DEFORM-3D时，由于建模时不在一起，导入时位置还需调整。目的是使各锤头同轴同心，以保证在锻造过程中每个锤头的作用效果相同，尽量与实际生产接近。具体调整方法如下：
(1)在Object positioning中调整锤头。将导入后的锤头以X轴旋转90°沿Y轴正向移动404.5mm即为Top Die;将导入的锤头旋转-90，沿Y轴负方向移动404.5mm为Object 4;将导入的锤头旋转180，沿Z轴正向移动404.5mm为Object 5；将导入的锤头直接沿Z轴负方向移动404.5mm为Object 6。
(2)将坯料沿X轴正向移动240mm，即位于变形带的起始位置。
(3)将导入的夹持器即Object 8沿Z轴旋转180，再沿X正向移动1050mm 为了保证夹持器内底与坯料接触，在Interference中设定Object 8 与workpiece在X负方向接触。
设定完成后点击Apply然后点OK，到此为止，工件、锤头及夹持器间的位置关系
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就已确定，如图4.5所示。
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图4.5导入后的模型
4.3.2 参数设定
精锻机及坯料参数 (1)精锻机
锻打频率：200次/min; 压下量：10mm/道次 角速度：13.3°/s; 进给量：15mm/s (2)坯料
坯料直径:φ315mm; 坯料长度：1000mm; 始锻温度：1040℃; 终锻温度：960℃ 基本假设：
(1)整个过程为恒温，不考虑温度效应。
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(2)视模具为刚体。
(3)不考虑材料的缺陷及密度变化等问题。 (4)忽略材料的重力及惯性作用。
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在Inter-object下设定各部分之间的摩擦因素：锤头与坯料间摩擦因素为0.3，夹持器与坯料间的摩擦因素要使的夹持器与坯料不能发生滑动，故取摩擦因素为100。在Mesh下划分坯料网格，由于工件比较大，为保证模拟更加精确，网格取30000个。最小单元格的边长约为12mm，其1/3约为4mm，为了使模拟结果更加准确，设定锤头每步的压下量为2.5mm。模拟两个道次，第1个道次设定锤头压下10mm后回退40mm，以保证在坯料在旋转式不与工件接触，第2道次单边压下量10mm后回退40mm。由于坯料只要通过锤头整形带便达到要求尺寸，故模拟时无需全部锻造，经计算在第1道次中夹持器送进10次时，坯料在整形带的长度大于65mm。在第2道次中夹持器送进9次，坯料到达整形带。载荷施加和位移约束的设定模拟采用位移来控制变形量,锤头位移约束的设定由速度-时间图来控制其在径向方向的锻打,而操纵器的位移约束的设定由拉打速度-时间图来控制其在轴向的送进。
第1道次个部分运动的时间-速度如图4.6根据锤头运动步数在Simulation Controls下设定模拟步数为370步，每两步保存一次。时间增量为1秒。
第2道次个部分运动的速度-时间如图4.7，模拟步数为560步，每两步保存一次，时间增量为1秒。
全部参数设定完成后，点击Database generation检查参数是否完整。无误后退出前处理操作界面，点击RUN开始模拟过程。
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（a）锤头压下量
(b) 夹持器送进
(c) 夹持器旋转
图4.6 第1道次速度-时间图
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（a）锤头压下量
（b）夹持器送进
（c）夹持器旋转
图4.7 第2道次速度-时间图
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5 模拟结果及分析
5.1 锻透性
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根据上一章的前处理的参数，，对该锻造工艺进行了模拟，并从锻造后工件的破坏因子、等效应变及等效应力三个方面进行分析，以此分析工件锻造后的破坏状况及锻透性。所谓锻透性，是指在坯料的整个半径上锻造时所能达到的塑性变形深度,为了定量研究锻透性,给出锻透性定义如下：当心部的等效应变值大于0.2时,认为坯料被锻透,即此时锻透性（FPE）为100%。在等效应变场中,根据其值为0.2的等值线距锻件表面的深度与坯料原始半径的比值来判断塑性变形深度,进而定量确定锻透性的大小。
5.2 破坏分析
在第1道次所选截面上取三个点P1，P2，P3,三点的坐标见表5.1,三点位置图如图5.1(a)所示。利用DEFORM点追踪功能，获取了破坏因子的云图及随时间的变换关系曲线图5.1。
表5.1 第1道次三点标
位置点
X
Y
Z
P1 P2 P3
80 80 80
0 0 0
0 50 80
在第2道次所选截面上取三个点P1，P2，P3，三点的坐标坐标见表5.2，三点的位置如图5.2(a)所示，利用点追踪得到破坏因子的云图及随时间的变换曲线关系图5.2
表5.2 第2道次三点坐标
位置点 P1 P2 P3
X 80 80 80
Y 0 0 0
Z 0 50 80
如图5.1所示，坯料在第1道次的破坏等值线及三点的破坏变化曲线坯料在第2道次的破坏等值线及三点的破坏变化曲线如图5.2所示。从图5.1(a)和图5.2(a)可以看出坯料在第2个道次破坏程度比第一道次大，表层金属破坏主要集中在锤头与坯料压实后的
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两侧，这是由于锤头下压过程中将金属挤出，金属流动时与锤头发生摩擦导致。而变形越大，金属就流动越多。由图5.1(b)和图5.2(b)可以看出，随着压下量的增大，破坏增大，而且越是接近表面，金属的破坏程度越大。破坏程度的大小是由金属应变大小决定的，所以从破坏的模拟结果来看，坯料在锻造的过程中，表层和内部金属发生流动，且内部流动不如表层剧烈，间接地反映出坯料的应变。
(a) 第1道次破坏等值线
(b) 第1道次P1、P2、P3破坏曲线
图 5.1 第1道次破坏
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(a) 第2道次破坏等值线图
(b) 第2道次P1、P2、P3破坏变化曲线
图5.2 第2道次破坏
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5.3 应力分析
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选取与图5.1中相同位置的三点，提取了该三点的等效应力场在应力分析中与破坏分析中每个道次取同样的三个点，坐标值不变，见表5.1，表5.2。第1道次所取截面应力等值曲线及点的应力变化曲线见图5.3。
(a) 第1道次应力等值线
（d）第1 道次P1、P2、P3应力曲线
图5.3 第1道次应力
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图16为第2道次应力等值线图及P1，P2，P3的应力变化曲线。
（a）第2道次应力等值线
（b）第2 道次P1、P2、P3应力曲线
图5.4 第2道次应力
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应力反映了坯料在锻造过程中的首例状况，当坯料受到的应力超过材料的强度极限
时就会发生起皱或开裂的缺陷。
从图5.3(a)和图5.4(a)可以看出锻造时的应力由内向外逐渐增大，第1道次的最大应力为192Mp而第2道次的最大应力为320Mp，所以应力是随压下量变化的，压下量越大坯料受到的应力也越大。坯料芯部受到轴向的应力，在相邻两个锤头间的鼓形区和棱
角处受到较大的拉应力。
从图5.3(b)和图5.4(b)波浪形的曲线不难看出，坯料在受到锤头锻压时才产生应力，当锤头不与坯料表面接触时应力消失或变得很小，剩余的应力便是残余应力。在坯料送进的开始阶段，由于送进量和压下量都较小，三点的应力值相差不大，但随着送进量的增加，三点的应力增大且越靠近坯料表层受到的应力越大。
5.4 应变分析
坯料受到的应变直接反映了其在锻造过程中的变形情况。合理的变形量，可以起到锻合内部缺陷，破碎碳化物，改善组织的效果。
由图5.5(a)可以看出在第1道次的变形中由于压下量较少，坯料整体的应变都比较小，变形量最大处主要集中早锤头与坯料作用的周围。由图5.5(b)可以看到芯部变形量很小，只有0.0117，离等值线B=0.195还很远，距锻透假设的最小的0.2相差更多。根据锻透性的定义，坯料在第1道次的锻透性约为1/3。坯料的变形量由内到外逐渐增大，且在锻造时，由于锤头的变形带为斜面，所以，当锤头的压下量一定时，坯料的变形是随送进量的增多而逐渐增大到10mm。因此坯料的应变曲线是呈阶梯状增大，如图5.5(b)和5.6(b)所示。
从图5.6(a)第2道次的应变等值线可以明显的看出等值线的间距变小，一直到达芯部，表层的应变量较芯部依旧很大，呈内向外逐渐增大的趋势，芯部的应变值介于C和D两条等值线之间。结合图5.6(b)，可以看到在锻造结束时芯部的应变值达到了0.595，远远大于锻透的0.2。所以，坯料在第2道次中，芯部被锻透。即，GFM精锻机在锻打Φ315mm至Φ160mm的H-13高速钢棒料时是可以锻透的。
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(a) 第1道次应变等值线
（b）第1 道次P1、P2、P3应变曲线
图5.5 第1道次应变
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(a) 第2道次应变等值线
（b）第2道次P1、P2、P3应变曲线
图5.6 第2道次应变
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5.5 小结
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综合上述的破坏、应力应变分析可以看出，坯料在锤头单边压下量为20mm的时候被锻透，锻造结束时坯料芯部的应变为0.595，远大于锻透要求的最小值0.2。所以针对H-13高速钢的锻造工艺是可以将芯部锻透的。
实际生产中大钢锭的断面尺寸大，疏松、孔隙等缺陷多集中于钢锭的中心区域，在
锻造过程中，可以改变钢锭的铸态组织，大的变形量，可以将这些缺陷减小或锻合。同时，对于高速钢来说，其内部含有大量的碳化物，这些碳化物有的呈粗大的鱼骨状，有的呈网状包围在晶粒的周围，当坯料行不变形较大时，即锻透时，可以使这些碳化物打碎，并均匀分布，从而改善金属的各项性能。
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结 论
通过数值模拟的应力应变分析可以的到以下结论：
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(1)锻造过程中，坯料表层受到较大的破坏和应力应变，而芯部的破坏和应力应变较小，且受到的破坏和应力应变随压下量的增大而增大。
(2)GFM精锻机在锻造H-13高速钢φ315mm的坯料至φ160mm时，第一道次没有锻透，芯部的等效应变值只有0.0117远远小于0.2的应变量，第二道次及后续道次都已锻透。
(3)锻透性随压下量的增加而变大。
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致 谢
衷心感谢我的导师韩鹏彪教授。本课题的研究工作是在韩老师的悉心指导下完成的，从论文的选题、研究计划的制定、技术路线的选择到系统的开发研制，各个方面都离不开韩老师热情耐心的帮助和教导。在课题研究阶段，韩老师认真的工作态度，诚信宽厚的为人处世态度，都给我留下了难以磨灭的印象，也为我今后的工作树立了优秀的榜样。
三个月的学习和研究，不仅使我的知识结构和科研能力上了一个新台阶，更重要的是，各方面的素质得到了提高。而这一切，都要归功于韩老师的深切教诲与热情鼓励。值此论文顺利完成之际，我首先要向我尊敬的导师韩老师表达深深的敬意和无以言表的感谢。同时感谢刘玉忠老师、闫华军老师、代学蕊老师和鲁素玲老师在我学习期间给予的帮助。
感谢河北冶金科技的领导，在课题研究上给予的大力支持与帮助。特别是郑伟工程师，在他的帮助下我才顺利的完成了该课题的研究。
感谢在我困惑时无私给予我帮助的刘坡硕士和张健学长。刘坡学长灵活考虑问题的方式，严谨的解决问题的态度;扎实的专业知识功底，认真的科研态度都给我留下了深刻的印象。
感谢我们课题组的吴海利、吴海暘，和他们一起度过了这段美好时光是难以忘记的。
最后，向所有关心我的亲人、师长和朋友们表示深深的谢意。
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参 考 文 献
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