一文读懂金属材料成型工艺CAE分析

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机械产品的设计、制造与成型工艺密切相关，成型工艺的优劣对产品的质量的影响至关重要，合金材料常见的成型工艺主要包括轧制、锻压、冲压、挤压、旋压、焊接、特种成形、粉末冶金、增材制造、机加工及热处理等。

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随着生产加工水平的提高，对产品的精度、成本要求也越来越高，过去的依靠经验+试验的方法，进行模具制造和加工控制已越来越不能满足工程需要。以数字化仿真技术为代表的现代科学技术对合金材料成型工艺提出了更高、更新的要求，随着冶金企业数字化应用的不断深入，CAE的发展也逐渐占据了成型工艺设计与优化的高端位置。

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引进数字化模拟技术，利用CAE软件分析和优化生产制造工艺势在必行。CAE计算机模拟技术及相应的成形工艺仿真平台，无论是在提高生产率、保证产品质量，还是在降低成本，减轻劳动强度等方面，都有很大的优越性。

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1.轧制工艺分析

金属轧制工艺分析是一个典型的非线性问题，它需要考虑材料塑性、结构大变形和接触等所有非线性因素。CAE技术可以有效地模拟环轧、型轧、多道次轧制等轧制工艺，可以进行板材、管材、线材、型材的轧制分析，以及考虑轧制过程中的弯辊力、轧辊横向移动、轧辊下压量变化等各方面工艺参数的影响。有效预测轧制过程中出现的折叠、凹坑、蝶形、壁厚不均、压扁、椭圆、锥度、塔型卷曲、流线紊乱等成型缺陷。

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2.锻造工艺分析

CAE技术可以模拟锻造成型过程中的局部大位移、大转动，以及复杂的接触算法，可以进行多种锻造工艺的模拟，包括自由锻、模锻、辗环、特殊锻造（辊锻、锲横轧、径向锻造、液态模锻）等。通过仿真分析，能够了解金属塑性成形的全过程，包括金属成形过程中各阶段材料填充模具的情况、材料变形趋势、材料内部的应力、应变、应变速率、成形载荷和速度矢量场等信息，进而为锻造工艺和锻造模具的设计提供科学指导。

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3.挤压工艺分析

可以对挤压过程进行模拟，快速计算型腔内的材料流动，预测成形缺陷以及挤压成形过程中的温度场，应力应变及材料流速变化，评估挤压模具设计。

4.旋压工艺分析

CAE技术可模拟复杂的运动轨迹，从而对普通拉伸旋压、强力旋压、缩孔旋压等多种旋压工艺进行仿真分析，精确预测成形件的形状，应力应变分布，以及成形缺陷等，从而对工具旋转速度、进给深度、轧具尺寸等工艺参数进行优化。

5.机加工工艺分析

可以对铣、刨、钻、车削、剪切等多种机加工工艺进行仿真分析，可以实现机加工过程中的结构-热耦合分析，模拟切削屑的产生及流动状态以及获得机加工件在卸载后的变形和残余应力分布情况，对刀具的应力应变、强度、磨损情况、疲劳寿命进行分析，进而对刀具的结构和加工工艺参数，如进给量、切削角度、切削速度及深度等进行优化。

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6.增材制造工艺分析

通过快速进行整体逐层仿真，预测金属零件的结构应力和变形，从而尽可能减少/避免变形，最大限度地降低残余应力，在此基础上优化堆积方向，优化支撑结构。除此之外，CAE技术还可以考察热处理、基板和支撑结构切除之后部件的状态，帮助用户一次就成功生产出增材制造部件。

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7.焊接工艺分析

可实现摩擦焊、电阻焊（点焊、缝焊）等，可计算焊缝温度场，应力应变、扭曲变形等数据分析，评估焊接性能，进而对焊接位置、焊接顺序、压力、电流、速度、时间等焊接工艺参数进行优化。

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8.钣金冲压工艺分析

冲压在机械加工行业中占有非常重要的地位，其广泛应用于航空航天制造，汽车覆盖件制造等行业，冲压件产值在整个钣金加工行业也占有相当大的比例。以航空航天、汽车覆盖件为例，该类钣金冲压模具型面复杂，模具设计和制造水平要求高，难度大，冲压工艺也同样繁杂，传统的“试错”法在研发过程中造成模具报废多、成本高、周期长等缺点，降低了企业的市场竞争力。

利用CAE技术可以模拟钣金冲压成型工艺，并进行回弹分析，模具的疲劳分析及磨损分析。预测成型过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成型性能，从而为钣金成型工艺参数优化及模具设计提供帮助。

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9.特殊成型工艺分析

可以模拟一系列特殊成型工艺过程，如：蒙皮拉伸成型、超塑成型、橡皮囊成型和弯管成型等等。前者可以为特殊成型过程提供多种本构模型，例如超塑性材料的成型，后者主要针对板材的各向异性性质。模具的运动即可以用变形体也可以用刚体来模拟，各种摩擦模型和丰富的接触算法可用来处理任意复杂的三维接触面问题。

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10.热处理工艺分析

可以模拟各种淬火、退火、回火等热处理工艺过程，得到零件的温度分布、变形量、硬度、残余应力等结果，快速直观了解热处理工艺参数对变形、残余应力的影响，预测热处理过程中的缺陷，指导热处理工艺优化。通过准确描述零件在高温状态下的应力应变关系，对产品热处理方案进行仿真验证及优化，降低热处理失效的风险。

11.粉末冶金分析

可以进行金属粉末的模压、粉末烧结、粉末锻造成型工艺分析，可以预测压实过程中，粉末密度变化、应力应变、温度变化、体积变化、成型尺寸等结果。

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