金屬塑性成形工藝是一種重要的金屬材料加工方法。在汽車制造、軌道交通、航空航天、船舶

重工、國防軍工、能源電力、

冶金建材等行業應用非常廣泛。

本書是材料加工專業應用圖書。對金屬塑性體積成形有限元模擬QForm軟件做到了論述全面、客觀，是一本極具參考價值且能輔助相關教學的書籍。

金屬塑性成形工藝是一種重要的金屬材料加工方法。金屬材料經過塑性加工成形工藝過程后，既能獲得所需零件宏觀外形，又能改善金屬微觀組

織性能，在汽車制造、軌道交通、航空航天、船舶重工、國防軍工、能源電力、冶金建材等行業應用非常廣泛。

近年來，國家對裝備制造行業的發展非常重視，提出了提高基礎工藝、基礎材料、基礎元器件研發水平

和系統集成水平等具體要求，并寫入國家五年發展計劃中。金屬塑性成形作為基礎工藝，其水平的提高具有重要的戰略意義。金屬塑性成形的數值模擬始于20世紀60年代，有限元法于20世紀80年代中后期得到突飛猛進的

發展。進入21世紀后，隨著計算機硬件的快速發展，有限元模擬技術已經成為金屬塑性成形模擬的核心方法，目前已經成為從事金屬塑性成形工藝設計人員的重要工具。

QForm是由俄羅斯的QuantorForm公司于1991年

開發的一款金屬塑性體積成形工藝的有限元模擬軟件，可以用于分析金屬成形過程，模具受力及磨損，熱處理及微觀組織變化，已經銷售到全球35個國家和地區，被眾多企業、大學和研究機構使用。

本書包括四個部

分，共19章。第1章介紹了金屬塑性成形的金屬學原理，包括金屬的晶體結構、單晶體的塑性變形方式、多晶體的塑性變形方式等；第2章介紹了金屬塑性成形的力學原理，包括應力分析、應變分析、屈服準則、真實應力

應變關系、摩擦和潤滑等；第3章介紹了金屬塑性成形典型工藝，包括自由鍛、模鍛、回轉成形和特種成形工藝；第4章介紹了金屬塑性成形有限元理論基礎，包括彈塑性有限元理論、剛塑性有限元理論、粘塑性有限元理

論，以及鍛造過程中的熱力耦合分析，摩擦分析；第5章介紹了QForm功能；第6章介紹了QForm軟件界面及基本操作；第7章介紹了二維軸對稱模型的模擬方法；第8章介紹了多工序問題的二維三維無縫集成模擬方法及耦合

模具分析；第9～11章分別介紹了發動機曲軸、汽車鋁合金三角臂及鐵路貨車鉤尾框框體等典型鍛件的鍛造成形過程的有限元分析；第12～19章分別介紹了其他應用實例的分析過程，包括自由鍛、軋制、輥鍛、擺碾、型

材擠壓、熱處理、微觀組織等的分析。

本書由北京機電研究所的蔣鵬、宋彤、賀小毛和北京創聯智軟科技有限公司的劉寒龍、崔啟玉編寫。其中第1～4章由蔣鵬、賀小毛編寫，第5～8章由劉寒龍編寫，第9～11章由

宋彤編寫，第12～19章由劉寒龍、崔啟玉編寫。

在本書編寫過程中，北京機電研究所的曹飛研究員參與了許多工作，楊勇工程師、韋韡博士提供了典型案例模擬的有關素材，燕山大學的劉鑫剛副教授、祁榮勝老師、

王玲研究生對本書第二、第四部分內容做了校正工作，在此一并表示衷心的感謝。

由于編者水平有限，書中難免存在疏漏之處，懇請廣大讀者朋友批評指正。

編者

2015年4月

第一部
分 金屬塑性成形技術基礎

第1章 金屬塑性成形的金屬學原理 2
1.1 概述 2
1.2 金屬的晶體結構和變形機理 3
1.2.1 金屬的晶體結構 3
1.2.2 單晶體的塑性變形
5
1.2.3 多晶體的塑性變形 6
1.3 金屬的塑性及其影響因素 7
1.3.1 金屬的塑性及塑性指標 7
1.3.2 影響金屬塑性的因素 8
1.4 加工硬化、回復和再結晶 13
1.4.1 加工硬化 13
1.4.2 冷變形金屬的靜態回復和靜態
再結晶 13
1.4.3 動態回復和動態再結晶 14
1.4.4 熱加工后的靜態回復和靜態再結晶 15
第2章 金屬塑性成
形的力學原理 16
2.1 應力分析 16
2.1.1 三維坐標系的應力分量和應力張量 16
2.1.2 任意斜面上的應力 18
2.1.3 主應力和應力不變量 19
2.1.4 主切應力和最大切應力
21
2.1.5 應力球張量和應力偏張量 22
2.1.6 八面體應力和等效應力 24
2.1.7 應力平衡微分方程 26
2.1.8 平面應力狀態 27
2.2 應變分析 29
2.2.1 質點的應變
狀態 29
2.2.2 小變形幾何方程 34
2.2.3 應變連續方程 34
2.2.4 應變增量和應變速率張量 35
2.2.5 平面應變和軸對稱應變 36
2.3 屈服準則 38
2.3.1 屈
雷斯加（H.Tresca）屈服準則 38
2.3.2 米塞斯（Von.Mises）屈服準則 39
2.4 應力應變關系（本構方程） 40
2.4.1 彈性應力應變關系 40
2.4.2 塑性應力應變關系的特點
41
2.4.3 塑性變形的增量理論 41
2.4.4 塑性變形的全量理論 44
2.4.5 真實應力—應變曲線的近似表達式 45
2.5 金屬塑性成形中的摩擦與潤滑 45
2.5.1 金屬塑性成形中摩擦的特點與
分類 46
2.5.2 金屬塑性成形中的摩擦機理 46
2.5.3 摩擦系數及其影響因素 47
2.5.4 不同塑性加工方法的摩擦系數 49
2.5.5 金屬塑性成形中的潤滑 50
第3章 金屬塑性成
形典型工藝 54
3.1 概述 54
3.2 自由鍛 55
3.2.1 自由鍛工藝特點及鍛件類型 55
3.2.2 自由鍛造工藝過程 56
3.2.3 液壓機上大型自由鍛造工藝特點 57
3.3 模鍛
58
3.3.1 模鍛的特點和分類 58
3.3.2 熱模鍛 59
3.3.3 冷鍛 61
3.3.4 溫鍛 62
3.4 回轉成形與特種成形工藝 63
3.4.1 輥鍛 63
3.4.2 楔橫軋
67
3.4.3 輾環 68
3.4.4 擺動輾壓 69
3.4.5 等溫與超塑性鍛造 72
3.4.6 半固態成形 73
3.4.7 液態模鍛 75
3.4.8 粉末鍛造 76
3.5 復合塑性成形技術 77
3.5.1 熱鍛冷鍛復合成形 77
3.5.2 鑄鍛復合成形 78
第4章 金屬塑性成形有限元分析 82
4.1 概述 82
4.2 變分法的基礎知識 83
4.2.1 預備知識 83
4.2.2 變
分原理和里茲法 86
4.3 彈塑性有限元理論 87
4.3.1 彈性力學基本方程 87
4.3.2 虛功原理 89
4.3.3 彈性問題有限單元法 93
4.4 彈塑性有限元法 98
4.4.1 彈塑性有限
元法的本構方程 98
4.4.2 彈塑性有限元的解法簡介 100
4.5 剛塑性有限理論 102
4.5.1 不完全廣義變分原理 102
4.5.2 剛塑性有限元的解法簡介 103
4.5.3 剛塑性有限
法計算過程中的
幾個問題 109
4.6 粘塑性有限元理論 113
4.6.1 粘塑性體的Markov變分原理 113
4.6.2 粘彈塑性本構關系 114
4.6.3 彈粘塑性本構方程 114
4.6.4 剛粘塑性本
構方程 114
4.7 鍛造過程中的熱力耦合分析基礎 115
4.7.1 熱傳導中的基本方程 115
4.7.2 熱傳導中的變分應用 116
4.7.3 塑性變形和傳熱過程的耦合 116
4.8 疏松
材料的本構關系 117

第二部分 QForm軟件介紹及基本操作

第5章 QForm軟件功能介紹 119
5.1 QForm發展概述 119
5.2 QForm功能介紹 119
5.2.1 金屬成形 119
5.2.2 模具模擬 120
5.2.3 熱處理及微觀組織 120
5.3 QForm軟件的特點 120
5.3.1 前處理特點 120
5.3.2 求解器特點 121
5.3.3 后處理特點 121
第6章 QForm軟件界面及基本操作 122
6.1 軟件界面 122
6.2 基本操作 123
6.2.1 前處理 123
6.2.2 QDraft：2D幾何編輯器 124
6.2.3 QShape：3D幾何編輯器 132
6.2.4 后處理 150
6.2.5 數據庫 155
6.2.6 二次開發 155
第7章 QForm的二維軸對稱模鍛分析 162
7.1 問題描述 162
7.2 前處理設置 163
7.2.1 添加新工序
163
7.2.2 幾何 164
7.2.3 工件參數 164
7.2.4 模具參數 166
7.2.5 停止條件 168
7.2.6 邊界條件 168
7.2.7 鍛打及模擬參數 168
7.3 模擬和后處理 169
第8章 多工序問題的二維三維無縫集成
模擬方法及耦合模具分析 170
8.1 問題描述 170
8.2 2D鐓粗工序設置 172
8.2.1 添加新工序 172
8.2.2 幾何 172
8.2.3 工件參數 173
8.2.4 模具參數 173
8.2.5 停止條件 175
8.2.6 邊界條件 176
8.2.7 鍛打及模擬參數 177
8.2.8 模擬和后處理 177
8.3 3D終鍛工序設置
178
8.3.1 添加連續工序 178
8.3.2 幾何 178
8.3.3 工件參數 179
8.3.4 模具參數 179
8.3.5 停止條件 179
8.3.6 邊界條件 179
8.3.7 鍛打及模擬參數 180
8.3.8 模擬和后處理 180

第三部分 典型鍛件工藝過程有限元分析

第9章 發動機曲軸鍛造工藝分析 183
9.1 曲軸鍛造工藝 183
9.1.1 曲軸鍛造特點 183
9.1.2 工
藝過程 183
9.2 預成形設置 183
9.2.1 添加新工序 183
9.2.2 幾何 184
9.2.3 工件參數 186
9.2.4 模具參數 186
9.2.5 停止條件 188
9.2.6 邊界條件 189
9.2.7 鍛打及模擬參數 190
9.2.8 模擬和后處理 191
9.3 后續工序設置 192
9.3.1 預鍛設置 193
9.3.2 終鍛設置 197
9.4 模擬和后處理 198
第10章
汽車鋁合金三角臂鍛造工藝分析 200
10.1 三角臂鍛造工藝 200
10.1.1 三角臂鍛造特點 200
10.1.2 工藝過程 200
10.2 預成形設置 200
10.2.1 添加新工序 200
10.2.2
幾何 200
10.2.3 工件參數 201
10.2.4 模具參數 202
10.2.5 停止條件 203
10.2.6 邊界條件 203
10.2.7 鍛打及模擬參數 204
10.3 后續工序設置 210
10.3.1 預鍛設置
210
10.3.2 終鍛設置 212
10.4 模擬和后處理 213
第11章 鐵路貨車鉤尾框框體鍛造工藝分析 215
11.1 鉤尾框框體鍛造工藝 215
11.1.1 鉤尾框框體鍛造特點 215
11.1.2
工藝過程 215
11.2 預成形設置 215
11.2.1 添加新工序 215
11.2.2 其他參數 216
11.3 后續工序設置 221
11.4 模擬和后處理 224

第四部分 QForm其他
應用實例分析

第12章 自由鍛分析 228
12.1 問題描述 228
12.2 前處理設置 229
12.3 模擬和后處理 232
第13章 軋制分析 234
13.1 問題描述 234
13.2 前處理設置
235
13.3 模擬和后處理 237
第14章 輥鍛分析 239
14.1 問題描述 239
14.2 前處理設置 241
14.3 模擬和后處理 244
第15章 擺碾分析 246
15.1 問題描述 246
15.2 前處理設置 248
15.3 模擬和后處理 251
第16章 型材擠壓分析 254
16.1 問題描述 254
16.2 前處理設置 255
16.3 模擬和后處理 259
第17章 熱處理分
析 261
17.1 問題描述 261
17.2 前處理設置 264
17.3 模擬和后處理 267
第18章 微觀組織分析 269
18.1 問題描述 269
18.2 前處理設置 270
18.3 模擬和后處
理 271
第19章 環軋分析 273
19.1 問題描述 273
19.2 前處理設置 273
19.3 模擬和后處理 277
參考文獻 279

1. 輸水管線工程風險管理 [張勇 黨亥生 著]
2. 民用航空飛機標準線路施工 [主編　王志敏　陳明]
3. 不息的水脈—大運河講談錄 [趙珩　著]
4. 實用運籌學 [主編　邢育紅　于晉臣]
5. 三峽梯級電站水資源決策支持系統研究與開發 [姚華明 潘紅忠 湯正]
6. 海南黎族民俗文化鑒賞 [龐國華　著]
7. 石墨烯在太赫茲及中紅外頻段電磁器件設計中的應用 [李艷秀 莊華偉 著]
8. 電子技術（第二版） [主編 覃愛娜 李飛]
9. 辦公自動化高級應用 [陳萍 朱曉玉]
10. 信息處理技術員考試32小時通關 [薛大龍]
11. 電子產品設計案例教程（微課版）—基于嘉立創EDA（專業版） [王靜 莫志宏 陳學昌 丁紅]
12. C程序設計實踐教程 [劉衛國]
13. C程序設計（慕課版） [劉衛國]
14. Web技術開發教程（基于.NET開源MVC框架） [王合闖 韓紅玲 王青正 陳海蕊]
15. 商務英語翻譯教程（筆譯）（第四版） [主編 王軍平]
16. 智慧零售技術與應用 [洪旭 著]
17. 建設工程法規實務 [主編 余瀅]
18. 商務秘書理論與實務（第三版） [主編 張同欽]
19. 程序設計基礎實踐教程（C/C++語言版） [張桂芬 葛麗娜]
20. C++案例項目精講 [主編 楊國興]
21. 勞動爭議處理實務 [主編 王秀卿 羅靜]
22. 工程數學 [主編 郭立娟 王海]
23. 語音識別理論與實踐 [主編　莫宏偉]
24. 信息系統項目管理師章節習題與考點特訓（第二版） [主編 薛大龍]
25. 武術基礎教程 [主編 李代勇 謝志民]
26. 計算機網絡實訓教程 [主編 張浩軍 趙玉娟]
27. 畫法幾何與機械制圖習題集（多學時） [主編 趙軍]
28. HCIA-Datacom認證題庫分類精講 [主 編 韓立剛]
29. SwiftUI完全開發 [李智威 著]
30. 網絡規劃設計師備考一本通 [夏杰 編著]