塑性裂纹的位置，判断是否会出现裂纹。塑性有限元方法很容易求出损伤准则中需要用到的场量，且其求解方法是在每一个时间增量步上迭代求解，容易计算损伤积累值，因此，有限元法已成为预测塑性断裂缺陷的有力工具。

对于塑性断裂问题，很多学者进行了这方面的研究工作。该问题的研究目前还处于探索阶段，各研究者采用的塑性损伤断裂理论和实验手段各不相同，得出了不同的结论。Clift等学者认为只有基于变形体单位体积内的塑性变形功的塑性损伤断裂准则是与实验结果相符且较为通用的塑性损伤准则，而Sowerby等认为最大剪应力塑性损伤准则更为合理［8］。变形体内某一部位的塑性损伤是该部位的材料在变形过程各个阶段的应变速率及各个阶段的应力状态累加的结果。变形材料在变形过程各个阶段的应力状态对材料的塑性损伤起着重要的作用，对于相同的应变值，不同的应力状态对材料的塑性损伤程度不一样。基于变形体单位体积内的塑性变形功的塑性损伤断裂准则没有体现变形过程应力状态的积累；而仅考虑变形体内的应力状态的塑性损伤准则没有计入应变对损伤的作用。要准确地预测变形体内的塑性裂纹，需建立这样一种塑性损伤模型，既要体现应变的积累对塑性损伤值的作用，又要包含应力状态的积累对损伤值的作用，即具有式(1)基本形式：

式中σmax——变形质点的最大拉应力
σH——静水压力

把这样一种模型引入有限元模拟过程，可望能预测不同成形条件下的塑性断裂缺陷，且预测结果和实际成形情况相符。

塑性有限元的模拟结果能直观地体现温锻变形过程各时刻变形体速度场分布及模具型腔的填充情况，因而易于预测折叠缺陷，并可根据模拟结果改进模具参数，消除折叠缺陷。

三、温锻精密成形过程的研究技术路线

上海交通大学塑性成形工程系和上海汽车公司锻造总厂合作承担了上海汽车总公司科学发展基金资助的“汽车零件冷、温锻精密成形工艺与模具研究”项目。在该项目中，将对汽车工业中的典型零件(如图1所示)冷、温锻成形过程进行研究，从理论和实践中总结出切合实际生产流程的工艺方案及模具设计最佳方案，并将逐步投入实际生产。

图1汽车工业中的典型温锻件
(a)内星轮(b)外套(c)轴径(d)极爪

本课题组采用试验研究和有限元模拟技术相结合的方法，对温锻精密成形技术的变形理论进行系统研究，由于塑性有限元理论本身已比较成熟，本课题重点探索温锻温度范围内有别于冷锻和热锻工艺的金属变形规律，研究温锻成形中可能出现的成形缺陷种类及预测和消除缺陷的方法，并利用前述基金项目中列出的几类典型温锻精密成形零件验证温锻成形理论。本研究采用图2所示的技术路线。

图2 温锻精密成形过程的研究技术路线

四、典型汽车零件温锻精密成形过程的有限元模拟

以汽车中的极爪零件(材料为08F钢)为例，用三维有限元模拟其温锻成形工步，得出了变形过程中材料的流动情况、变形载荷及模具的受力分布，模拟结果可以为模具结构及其尺寸的选择提供依据。

成形极爪零件的爪部展开零件是生产该零件的关键工步，图3给出了两种不同温锻工艺方案(径向挤压和镦挤)的变形网格图，图4给出了这两种工艺方案的载荷—行程曲线，从图中曲线可以看出，径向挤压时的最大载荷约为镦挤时的1/2。本研究中改变这两种工艺的模具结构参数对温锻过程进行模拟，分析得出了两种方案各自的优越性及限制条件，选择了较合适的模具结构参数。模拟结果很好地指导了该零件的物理模拟试验。研究结果提高了该零件实际生产时工艺选择和模具设计的可靠程度。

图3极爪零件温锻成形工步的有限元网格
(a)径向挤压(b)镦挤

图4极爪零件不同温锻工艺的载荷—行程曲线

本研究中耦合了模具的弹性变形进行分析，得出了模具工作部分及凹模预应力圈的受力情况，选择了合适的凸模、凹模及预应力圈材料，并确定了合适的预应力圈层数、尺寸及预紧量。

五、结束语

与热锻及单纯的冷锻成形相比，温锻成形在技术和经济效益上具有显著的优越性。采用温锻或“温锻+冷锻”精密成形工艺生产汽车中大量使用的轴径、内星轮、外套、齿轮、极爪、联轴器等零件是汽车工业发展的必然趋势。基于DEFORM-3D的温锻精密成形三维塑性有限元模拟系统可以直观地分析坯料的变形和模具的受力情况，是优化温锻成形工艺及模具设计的强有力工具。

上海汽车工业总公司科学发展基金资助项目
肖红生，男，28岁，博士研究生
肖红生（上海交通大学模具CAD/CAM国家工程研究中心 200030）
林新波（上海交通大学模具CAD/CAM国家工程研究中心 200030）
张质良（上海交通大学模具CAD/CAM国家工程研究中心 200030）
吴希林（上海汽车公司锻造总厂） (end)

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