外文翻译计算机辅助材料加工实验室的研究活动Word格式.docx

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研究限制/影响：

了解材料在各种加工条件和摩擦、温度适当的边界条件下的特性和组织形态，并对加工条件认真界定。

处理复杂的几何形状和这种几何计算效率应该提高。

三维设计系统的进一步发展应该是必要的。

实践意义：

在新的制造产品和工艺设计阶段，模拟工具和与人工智能的帮助自动设计系统接口，这些工具的正确使用将非常有用。

此外，真确认识变形力学对妥善利用这种数控工具非常重要。

创作/价值：

方案的发展及其使用所涉及的各个方面限制问题得到确认，并在一些重要的工业应用中得到证明。

关键词：

数控技术计算机材料科学和机械学塑料成型热处理

1.介绍

最近国际市场对具有改进的力学性能，光滑的表面光洁度，高尺寸精度，节省材料，环保友好，网状或近网状机械零件的要求取决于零件的使用要求。

在实践中，制造业、模具和工具的设计行业，将初步简单的钢坯以较低的制造成本转变为更复杂的几何产品，而不会引起产品任何缺陷，这因材料、零件几何形状、工艺流程的不同而异。

因为工艺流程和产品设计水平的决定对模具和工具设计、制造、维修、机械性能和刀具寿命周期具有巨大影响，大量的调查正在进行，以减少在行业经验为基础的工艺开发。

据最近计算机技术的显着进步，电脑在制造业中的应用已日益在计算机辅助设计/计算机辅助制造，计算机辅助工程，计算机辅助工艺规划面积和快速原型设计领域迅速增长和独立，以帮助设计和当今工业生产活动。

众所周知，形成工艺分析是不容易实现，因为这个问题的复杂性，尤其是边界条件确定。

与常规切片法、上下边界技术、滑移线理论相比较，有限元（FE）技术因为其解决方案的准确性，自20世纪70年代被广泛接受。

因此，在电脑辅助有限元模拟成形加工材料的国家研究实验室的研究活动将在这个文件进行审查。

在目前的研究实验室，由于数控模拟工具已经独立开发，研究工作从一开始就集中在产品制造和工艺开发设计系统。

因此，有一个过渡性的设计系统，和验证这些工具实际使用所开发的系统是必要的。

图.1作为一个目标导向的设计过程是这个概念的最佳描述。

在此图中，有限元分析程序加上基于知识或人工智能技术为基础的专家系统支持的设计系统，来确定更好的产品和工艺设计。

图1.目标导向流程设计概述

作为这些活动的工业应用之一，电脑辅助设计系统是为了帮助对紧固件或轴的多级冷成形、三维齿轮挤压工艺制造、孔型轧制棒材和外形设计、平面模热挤压工艺制定进行有限元分析而制定的。

由于保证模拟结果的关键在于适当边界条件的确定，摩擦条件和界面传热系数分别通过尖端测试和环试验测定的。

关于摩擦在平等角挤压过程中的影响进行了仔细的调查。

以及介绍了一个为获得较好的力学性能的多道轧辊设计系统。

在金属成型产业，刀具寿命预测是另一个重要研究领域。

为了研究成型模具的刀具寿命，弹性分析与刚性热粘塑性变形模拟是同时进行的。

结果，在材料特性及刀具寿命之间获得了一个简单的关系。

分析变形期间的微观结构演变和变形后的相变组织，以便有效地控制变形后在热处理过程中钢坯的机械性能。

一些模拟结果与实验结果相比较，这些结论是可以引用的。

最后，迄今为止在实验室进行的其他研究工作将简要的介绍。

2.有限元法

在刚性热粘塑性有限元方法的拟议是Lee和Kobayashi[1]提出的，并且在金属成形分析领域已得到广泛应用。

这种方法实质上是一个解决交错方法在能量平衡方程的耦合过程，在这种交错方法中，刚性热粘塑性本构模型符合冯米塞斯屈服准则，但忽略了身体和惯性力。

其中，

，

和

分别代表应力张量，偏应力张量和有效应力。

是张量变形率、有效应变率和有效应变。

分别代表速度和牵引力边界条件。

界面摩擦条件作为牵引边界条件的一部分，在平衡方程中的

、T、k、

得到了应用。

（2）方程中温度，电导率，密度，以及材料比热。

是产热率，它依赖于工件变形和工件与模具之间摩擦产生的热量。

温度和热通量边界条件分别在

范围规定的。

代表工件和模具之间的热通量，n表示界面向外的法线方向。

而且热性能依赖于在模拟程序中的温度变化。

图2.（a）图片显示的是尖端径向距离d的变化和（b）图片显示了不同材料和润滑油[11]下获得的最大成形载荷L和尖端径向距离d的关系

图3.L/1000对d/吨确定材料特性曲线[11]]

平衡方程对定剪摩擦模型常数进行了描述。

方程（11）应用在工件和模具界面间的摩擦力计算：

其中

代表材料的剪摩擦系数和剪切屈服强度，

是工件和模具之间的相对速度。

在本研究中，Ψ=0.05被用于模拟。

为完成非等温模拟，工件和模具之间的界面传热系数应予确定。

为此，Burte，etal.[2]和Im[3]将环试验应用于工作中。

为了模拟在室温和高温粉末冶金中的孔隙度分布，在IM和小林[4-6]的研究工作中引入了具有压缩性效应的屈服函数。

Oh和Im[7]曾调查了在纯铁粉烧结试样冷挤压过程中的残余孔隙度分布。

3.提示摩擦计量测试

众所周知，有限元模拟的可靠性取决于精确的材料特性及摩擦条件，而摩擦条件决定材料流动，成形载荷，模具寿命等。

由于这些原因，Im,etal.[8-10]和Kang，etal.[11]提出了“尖端测试”，在这个测试中，通过挤压工件获得径

向尖端，以便简易测量材料的摩擦系数和材料特性。

图2（a）所示的径向尖端距离d取决于合金中的铝，铜和碳钢实验所用

的润滑剂。

科学验证，如图2（b）所示，最大成形载荷L和在8.0mm行程测量的径向尖端距离d之间线性关系，无论研究何种材料，仍保持一致。

从有限元模拟获得的这一线性关系与实验相比，还发现，在MFP幅度打孔界面的摩擦值始终高于在模具接触面的摩擦值，并且随材料在室温下的应变硬化，剪切摩擦因素比率以对数形式增加。

根据下面的无量纲方程，可以很容易地确定它的值：

（12）

其中，t代表工件变形挤出部分的的厚度。

最后，材料特性测量与摩擦效应脱钩，可通过把无量纲L/1000和从实验中获得d/t值代入到用刀尖测试校准的图中，如图3所示。

4.有限元网格程序开发

为了处理复杂的模具结构与立体构成的分析，对复杂模具曲面进行几何造型，并在模具和工件的接触处用algorithm处理是非常重要的。

因此，Kim和Im[12,13]已经用了弗格森的曲面造型法和雅克比的反演译与线面相交的算法对曲面片的接触处进行处理。

他们研发了多级碳素钢（CAMProll）滚动在非稳态和稳态非等温条件下的和CAMPform-3D模拟程序。

图4.格前、后不同阶段的变形网格调整变形[15]

图5.四面体（a）对腰椎，（b）曲轴网发电及（c）插槽

图6.从获得变形形状锥齿轮锻造模拟和实验比较使用碳不锈钢AISI1010

在金属塑性成形模拟使用有限元方法的突出特点之一是不断变化的轨迹变形工件的形状。

然而，这导致了计算误差的元素在变形阶段和在极端情况下可以禁止严重扭曲正在继续进一步分析造成的。

因此，自适应网格生成可能需要完成的三维经济性分析。

图4由Kwak,etal.[14,15]发明的六面体网格由三维网状发生生成系统演示了基准测试模拟。

即使六面体网格系统提供准确的解决方案，与同尖角复域六面体单元网格生成也没那么容易。

因此Choi,etal.[16,17]和Son和Im[18]开发了一个四面体网格，以及复杂的几何形状和测试，如图5所示。

图7.（a）L型的初始配置为四孔和各种工件形状：

（b）0.56毫米（c）0.84毫米和（d）1.16毫米[20]

图8.（a）连续和（b）为斜板有效的应变分布并行锻造仿真结果

5．锥齿轮锻件数值模拟应用

通过采用六面体和四面体网格发电机（CAMPmesh）对锥齿轮锻件数值模拟应用而形成的有限元程序开发的金属性能（CAMPform-3D）进行了调查。

图6显示的变形过程，是从模拟和实验中获得的。

该图显示出两种变形后变形结果非常相似，所生成的网格质量非常好。

平模挤压过程是在高温下把一初始坯件放在一个压缩容器中产生恒定横截面的压榨过程。

Lee,etal.[19]和Lee和Im[20]通过模拟平板模具在非稳态热挤压过程来研究轴承长度的工件的变形效应。

图7是显示带有四个孔的L型的初始配置和多种情况下变形形状的平模热挤压变形的例子。

该图清楚地表明了在设计支撑长度时无需太多变形设计就能退出模具。

在三维有限元分析的锻造工艺中，需要大量的元素来改进解决方案的准确性。

这将导致计算时间和存储空间需求的增加，这仍是三维金属成形分析的有效利用率的主要问题之一。

因此，Kim和Im[21]和Cheon,etal.[22]应用在刚粘塑性有限元方法的并行计算算法以提高计算效率。

图8显示了工件的有效应变顺序和子域采用的并行解决方案的分布。

图9.模拟和试验获得的CP-钛级-1变形形状比较和数值模拟预测的有效应变分布

图10.从负荷对比试验和不同摩擦条件模拟得到行程曲线[24]

通道角挤压（ECAE）工艺是一种通过平等截面通道产生剧烈塑性变形的有效方法。

因此，多通道操作可方便地应用于改善材料的力学性能。

李，等[23]通过数值模拟，如模具边角角，路线（A和C），剪切摩擦系数，并在平面应变变形温度条件下，对ECAE过程工艺参数的影响进行了研究。

如图9所示。

因为在两维平面应变条件下不可能找到B线的根本原因。

[24，25]在圆形横截面上CP钛级-1进行了立体的分析。

由此产生的模拟变形与实验得到的形状进行了比较，见图10。

有人还发现，在这个图表中显示出当模拟剪摩擦系数为0.13时的负荷与使用二硫化钼润滑剂的实验结果是非常吻合的。

这种模拟结果清楚地表明了ECAE过程中摩擦产生的影响。

Zhang,etal.[26]同时还研究了多道等通道角挤压的CP钛的塑性变形中热介质工作温度和Son,etal.[27]在相同的过程中反压变形的影响。

Dudra和Im[28]和Kim,etal.[29].研究了铝合金的最初成型过程中各自的开模锻造和韧性断裂的无效关闭过程。

图11.固体齿轮挤压工艺中弹性变形和有效应力分布

图.12.通过模具的锥齿轮的弹性分析和照片中锻造过程中的锥齿轮

发生断裂时模具承受到的正常压力的分析中得到有效应力和环向应力分布，对模具的磨损量，模具的弹性变形和刀具寿命有显著影响。

这也直接关系到最终产品的准确性。

因此，Lee和Im[30]计算了模具的磨损和轴对称挤压模具的弹性变形量。

Song和Im[31]通过发展三维有限元弹性方案来预测在传送带/锥齿轮牙齿的挤压和锻造中的弹性变形，这是由于收缩应力的配合和随后由Ahn和Im[32]提出的应力环的使用。

图11显示了放大50倍后的模具变形形状和齿轮挤压过程的有效应力分布。

这个数字表明，在尖角处实施大的应力会产生裂缝。

图12显示了由SKD制造的模具在封闭模锻过程中有效应力和环向应力分布。

从该图中可以看出，因为有效的环向应力在牙齿根附近非常高，在实验中断裂就发生在牙齿根。

在冷挤压工艺设计中，表面疲劳破坏引起的失效是灾难性的。

因此，在模具开始使用直到产生疲劳裂纹的过程中模具生命周期的预测对工业都是非常重要的。

因此，在锥齿轮和六角螺栓锻造的生命周期中局部应力方法已被使用。

模具的成型材料是SKD-11。

图13.粗糙的高循环疲劳寿命估算材料性能数据

图14.形状和变形的实验和有限元模拟得到各点蛛网膜颗粒分布比较锻造的锥齿轮箱[35]

虽然有应力存在，模具的失效只是在实验室里处理的如图12所示。

因此，Saroosh,etal.[33]试图通过刀具寿命来工确定件材料性能，如图13所示，在这个图的基础中，刀具寿命可粗略估计确定只是很容易被检查材料的K和n值。

力学性能可以有变形后的显微组织演变而定。

因此，他们进行了分析，以便有效地控制钢坯及变形后的力学性能及热处理。

要做到这一点,Kwon,etal.[34,35]综合CAMProll演化模型的AGS与文献进行了分析。

由此产生的蛛网膜颗粒预测是与获得了一个很好的实验的结果如图14示。

Lee,etal.[36]通过派生生长模型为AISI4135为方形，菱形钢的组织工作，通过热演化模型将棒材在轧制试验基础上的扭转。

Kwon和Im[37]用这来确定过程的顺序设计，使其成为热棒材轧制过程中获取和完善的组织更均匀的模拟工具。

图15.淬火获得温度和马氏体相分布在（a）3.0，（b）4.0和（c）30.0秒后进行有限元分析[38]

低碳钢制造的机械零件常用的电力传动部件，因此需要有高强度，硬度，耐磨性/抗疲劳性。

为此，淬火在此类机械零件的制造工艺中已被普遍采用。

淬火工艺对材料的的力学性能有强烈影响，为了预测该过程中各个阶段的分布，Kang和Im[38,39]将Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov的转型的扩散扩散方程和Koistinen与Marburger的处理非扩散转变的方程应用于热处理的有限元析。

图15显示的是淬火过程中变形后锥齿轮在成形阶段温度和相应的马氏体分布。

根据这个数据，角落和边缘地区迅速冷却下来，从而在马氏体相在这些地区第一次产生。

随时间的延长，温度的降低，马氏体相扩大到锥齿轮的内表面。

虽然30秒后温度很低，然而，马氏体相不再向中心线方向扩大。

最近，在Kang和Im[40]为研究温度变化及相变对尺寸变化和应力分布的影响，进行在处理时，这项工作就已经和热诱导密切结合了，如图16。

图16.变形形状和轴的马氏体相锁孔分布在不同的时间变化淬火后[40]

图17.计算机辅助设计系统的齿轮冷正挤压

6．计算机辅助设计系统

在金属成形领域Chu,etal.[41]已着手喷嘴轴对称的部分序列设计过程。

基于工艺设计规则或知识基础系统Kim和Im[42-44]，Song和Im[45]，一直在积极开发一轴对称几何。

然而，设计复杂的三维成型的系统仍处于发展阶段。

在这方面，Song和Im[46,47]研究的三种立体齿轮挤压工艺计算机辅助设计系统，Lee和Im[20]研究的平模热挤压工艺，Kim和Im[48]研究的孔型/棒料弯曲实验，以及Kwon和Im[49]推出的滚动设计，到目前为止，都将推动在实验室水平发展。

对于根据该图形用户界面环境开发了冷挤压齿轮计算机辅助设计系统中可一从图17空看出。

如总齿，转位系数，以及由三维有限元程序研究了变形力学模块的影响齿轮几何CAMPform-3D的完全形成了齿轮齿和成形载荷的地位。

基于三维有限元分析和文献调查，必要的模板，包括在交叉根节限制挤压比和挤压比之间的增编和齿根的比例限制在[31]建立。

所开发的设计系统可以提供给定的数据的齿轮和几何小齿轮，满足如接触比，弯曲强度所需产品。

因此，设计工程师可以轻松地选择更好的产品设计，对产品的优先级不同，减少前置时间及成本在齿轮挤压初步设计阶段所需。

图18.（a）开发的电脑辅助平模热挤压工艺设计系统，并与工件变形的形状和（b）长度为5mm不断轴承和轴承系统设计长度

图19.孔型/个人资料的电脑辅助设计系统

图18显示了平模热挤压工艺计算机辅助设计系统。

在这个系统中，在平板模具出口轴承长度分布的板可以通过生成使用出口速度分布的取得，截面厚度和距离的考虑从模具出口截面模具中心，从有限元模拟。

正如在这个数字可以看出，从工件的形状与设计的轴承挤出平模头的长度比从具有固定的长度，因为所设计的轴承支承超过长度工件给出的长度，而出口速度均匀挤出平模。

最后，电脑辅助设计系统如图19示已发展到支持孔型/棒材连轧，在诸如简单的圆形棒料和方形轮廓形状的设计制作。

在棒材轧制工艺设计，材料流动，必须进行准确地预测，以减少在形成产品时出现缺陷，然后整理工程数据，如滚筒分离力和所需的电机功率必须在设计阶段就考虑。

根据不同的设计方法，进行了适当的孔型序列测定组成的粗加工，加工结束，整理数据。

因此，在开发的系统，为传播预测与工程计算公式，许多这样的设计和实施提供数据以表格的形式和图形显示的用户。

然后，工艺设计，可以修改和重新设计优化交互过程设计。

一个地方的自动卷筒槽的设计计划的实施是很容易找到滚槽的几何形状，这将保证在每个传递面积减少的比例。

滚动速度设置考虑前滑和近似温度预报模型，还实施考虑到某一设施安排必要的轧制条件。

所有的设计数据可以存储为数据库和下一步程序模板设计过程，以尽量减少设计成本和查找的时间。

Jung和Im[50-54]已经推出了有限元模拟在冷轧板形控制和模糊的轧辊辊速度对分离力和张力变化热轧，是基于数控技术的基础上发展出来的。

7．其他的调查研究工作

除了金属成形领域，还有如铸造和压缩成型的复合材料以及注塑模多处理技术。

由于过去在美国俄亥俄州立大学的研究中心的经验，有限元模拟方案的研究关于凝固过程和收缩的预测由Tszeng，etal.[55]和Chen,etal.[56-59]完成。

Yoon,etal.[60,61]将半固态锻造模的拟面积扩大了。

压缩成型广泛用于制造热固性复合材料用于车身外板和家庭室内应用。

因此，物质流动，包括固化由于聚合纤维取向分布和Fan,etal.、Lee,etal.、Kim,etal.、Jeong,etal.、Kim,etal.、Kwak,etal.、Cheon,etal.和Lee,etal.[62-72]等研究的压缩模塑料成型。

Han和Im[73-76]对包括注塑成型纤维取向分布没有或短纤维在内的填充，冷却，填充后，纤维取向分析进行了进行研究。

Choi和Im[77]对收缩和翘曲进行了预测，在注塑成型零件的残余应力。

Kang,etal.[78]调查了平板拉伸载荷作用下的热塑性塑料的接头强度和玻璃纤维的玻璃垫生产出了质量分数的关系。

近日，Choi,etal.[79,80]通过引入边缘元素重建的方法对微通道流分析了研究。

8结论

成形模拟及工业应用研究课题涉及的各个方面进行审查结论在这张纸中提出。

虽然各种仿真工具出现在市场上，重要的是理解和确定其为工业用途的仿真工具的应用范围。

至今所进行的研究工作，重点是在确定充分利用模拟工具边界条件和材料特性。

规模效应，应小心在为微成形模拟中的应用。

三年的网格生成发展和计算时间三维结构分析，至今重要问题尚未得到解决。

此外，设计系统的进一步发展和立体工业的应用也是必要的。

指导教师评语

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