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柴油机连杆锻造成形工艺的数值模拟.pdf

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柴油机连杆锻造成形工艺的数值模拟.pdf

金属铸锻焊技术CastingForgingWeldingHotWorkingTechnology2008,Vol.37,No.232008年12月锻造成形是一个复杂的过程,坯料的变形程度、模具承受的压应力及最大损伤值,工序的载荷峰值、润滑等都是工艺评估与优化过程不可忽略的因素。如果采用传统的数学近似公式来计算各个影响因素,不仅工作量大,而且精度低,很难保证工艺方案的最佳合理性。随着有限元理论的不断完善以及计算效率的日益提高,使得数值模拟技术在锻造工艺设计中得到广泛应用,并已成为评估工艺成形性的重要手段。数值模拟方法能够比较精确地模拟金属塑性变形的整个流动过程,而且能够精确地给出载荷行程曲线和应力场、应变场、温度场等场量的定量值,还能预测填充不满等缺陷。数值模拟技术的飞速发展及其在锻造生产中的广泛应用,可以通过对制造工艺过程进行数值模拟及仿真,使得上述目标得以实现。产品制造成本的高低、质量的优劣、开发周期长短是决定生产者能否在竞争中取胜的关键,这一趋势要求锻造生产在工艺设计阶段就应兼顾成本、质量及开发周期,优化生产过程中涉及的各项工艺参数。锻造工艺的工序、工步较多,在工艺设计过程中往往存在多种可供选择的工艺方案,每一工序、工步较优不能说明整体工艺就优。优化是一个相对概念,人们往往说他们对工艺进行了优化,其实质是对某一工序或工步的改进,整体工艺并一定达到优化。目前,锻造工艺还没有一个量化的评优指标,因此,为了获取最佳的工艺方案,建立一个准则来评价锻造工艺是否优化十分必要。同时,用计算机等高新技术来改造制造传统产业是国内外科学技术发展的共同趋势,是锻造领域的学科前沿,也是锻造工艺由经验设计走向科学指导的重要途径,具有重大的实际意义。1连杆锻造成形工艺优化方案1.1连杆锻造成形工艺优化方案以连杆为研究对象,采用多指标体系,建立连杆锻件锻造工艺优化设计准则。先选择分指标的较优范围,然后进行总体评价,确定工艺的总体优化值。1.2工艺优化流程框图2工艺优化设计准则2.1连杆锻件工艺设计主要内容收稿日期20081103作者简介王建国(1968),男,陕西武功人,海军驻大同地区军事代表室总代表,长期从事柴油机质量技术监督与产品验收工作电话13709109162Emailyp868sina.com柴油机连杆锻造成形工艺的数值模拟王建国1,冯州鹏2,黄引平3,赵孟舟3(1.海军驻大同地区军事代表室,山西大同0370362.海军驻兴平地区军事代表室,陕西兴平7131023.中国船舶重工集团公司第十二研究所,陕西兴平713102)摘要叙述了某军用柴油机连杆工艺优化设计的思路和方法,运用数值模拟技术进行工艺优化,预测锻造缺陷,实现了锻造工艺设计校核再设计优化设计的全过程调整。关键词连杆数值模拟锻造工艺优化CAE中图分类号TG316文献标识码A文章编号10013814200823007003NumericalSimulationofForgingTechnologyforDieselEgineRodWANGJianguo1,FENGZhoupeng2,HUANGYinping3,ZHAOMengzhou31.NavymilitaryaffairscommissaryOfficeinDatong,Datong037036,China2.NavymilitaryaffairscommissaryOfficeinXingping,Xingping713102,China3.CSICNo.12ResearchInstitute,Xingping713102,ChinaAbstractThethoughtsandmethodstooptimizethetechnologydesignofdieselenginerodwererecited.Thenumericalsimulationwasusedtodesignandoptimizetheprocess,estimatethedefectsinforging,whichrealizedtheadjustmentofthewholecoursetheprocessdesigning,checking,regulatingandoptimizinginseries.KeywordsrodnumericalsimulationforgingtechnologyoptimizingCAE70热加工工艺2008年第37卷第23期金属铸锻焊技术CastingForgingWelding上半月出版锻件工艺综合参数锻件成本周期锻坯模具设备润滑图2层次结构图Fig.2Pictureforhiberarchystructure连杆锻件工艺设计主要包括以下内容1①锻件图设计②加热工艺制定③锻造设备选取④毛边槽结构形式和参数设计⑤模具设计⑥工步设计⑦毛坯设计⑧润滑剂及润滑方式的制定⑨锻造过程控制及后续工序等。2.2传统工艺设计传统的工艺设计主要手段是查手册、找数据、凭经验来确定工艺参数,各参数之间,各工步之间独立选取,造成了整体工艺不能最优。2.3优化工艺设计准则和方法锻件工艺优化是一个系统地过程优化,目标是最终达到整体优化。工步间要达到协调匹配,不一定是每个工步独自达到最优。在锻件优质(流线合理,无折叠、裂纹等缺陷,综合力学性能满足要求,其他技术条件符合规定)的前提下,毛坯要轻,毛边均匀,锻件棱角充满。整体较优,是指毛坯、模具、工艺参数各自在一定范围内的组合较优。毛坯较优是Md/1-δMpa,0.98≥a>0.85时,较优(Md为锻件质量Mp为毛坯质量δ为烧损率)模具较优是CfαCo,α≥0.92时较优,模具材料因素和其他非正常损坏因素除外(Cf为模具一次修模寿命,Co为模具预期寿命)。FdβFe,β=0.85~0.95时为较优(Fe为选用设备的公称压力,Fd为锻件实际变形压力)润滑等定性评价,优良取0.95,良好取0.90,一般取0.85。由于锻造工程的复杂性,各部分参数又相互影响,所以应建立尽量准确的指标体系,以全面地、数字化地衡量工程的优化。为此采用层次分析法确定评价权重值。层次分析法是一种定性分析和定量分析相结合的评价与决策方法。它将评价主体对评价对象进行评价的思维过程数学化,为选择最优设计方案提供依据。基本做法是建立评价系统的层次结构(见图2),建立判断矩阵,确定各层要素的权重Wi。判断尺度(见表1)对同一层次的要素,以上一层次要素Hs为准则,进行两两比较,以判定各要素的相对重要程度。建立判断矩阵后,可求得各部分指标权重值(见表1)。K∑WiEjW1E1W2E2W3E3W4E4K为综合指标值W1、E1W2、E2W3、E3W4、E4分别为毛坯优化、模具优化、设备选用、润滑等参数的权重值和独立优化选择值。当K=0.87~0.98时,工艺综合性较优。3某型连杆毛坯工艺优化3.1连杆锻件工艺优化设计过程按照计算毛坯截面图,结合经验,初步确定毛坯尺寸,然后进行工程上的优化模拟2。优化前毛坯总长度1090mm,重187.6kg,在80MN螺旋压力机上锻3火。由于毛坯不合理,第一火锻后,毛坯桥部厚,无法用切边模切边,只能用气割切除,非常费时,因而锻造效率低。原毛坯在80MN螺旋压力机上一般锻3火,少量锻4火。图3为锻前毛坯的放置位置,毛坯太长,两头直接放在了桥部,这会增大打击能量。第一、二锤消耗能量70,很明显在长度方向上料锻件设计模具设计设备选定加热工艺制定锻造工艺设计计算机工艺仿真仿真结果分析优化工艺图1工艺优化流程框图Fig.1Flowingcourseforoptimizingtechnology指标毛坯优化模具优化设备选用润滑等权重Wi0.490.330.100.08表1各指标权重值Tab.1Vauleforeveryindexofweight图3锻前毛坯的放置位置Fig.3Placeofroughcastbeforeforging71金属铸锻焊技术CastingForgingWeldingHotWorkingTechnology2008,Vol.37,No.232008年12月上接第69页n值对齿轮成形载荷的影响即凹模振动周期对齿轮成形载荷的影响,在其他参数条件相同情况下,分别取n为0、1、3、4、7、9、15、19进行模拟,得到成形载荷随n值的变化曲线如图5所示。可以看出,随着n值的增大即最佳周期T的减小,成形载荷的变化幅度很小,且成形载荷的数值都很低,因此n值不会影响齿轮成形载荷数值。3结论1凹模振动时的周期对齿轮成形载荷有着明显的影响,并存在着可以更大程度上降低载荷的最佳周期。通过理论分析得出最佳周期的计算公式为Ttn1n0,1,2,3,并通过模拟验证其具有普遍性。2对最佳周期公式Ttn1中的n值进行分析。结果表明,n值不会影响齿轮成形载荷的大小。参考文献1OsakasaK,WangX,HanamiS.PrecisionforgingprocesswithaxiallydrivencontainerJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology,1997,71105112.2方泉水,辛选荣,刘汀,等.直齿圆柱齿轮浮动凹模冷闭式镦挤成形数值模拟分析J.锻压技术,2007,232121125.3贾德伟,李源,谢谈.挤压模体可轴向振动挤压新技术发展概况J.锻压技术,2000,368.4胡子非.可轴向振动挤压模体精锻过程中振幅影响的数值模拟J.热加工工艺,2007,36137881.5王清瑞.模具结构对高凸台直齿轮精锻成形影响研究D.合肥合肥工业大学硕士学位论文,2007.6江雄心,万平荣.齿轮精锻的数值模拟与实验研究J.塑性工程学报,2002,916265.图5载荷随n值的变化曲线Fig.5Theloadcurveatdifferentnvalues131211100134791519成形载荷/kNn值多。模拟的情况和实际相符。3.2优化后的效果毛坯质量优化前为193kg(实际质量),优化后的质量为177kg,每件节约材料16kg,这对大量生产无疑是可观的。采用优化后的毛坯,不用气割,第1火锻完后热切边即可装炉加热,况且从原来的3火锻造减为两火锻造,提高效率38,节约能源32,经济效益大大提高。按优化设计准则判断,Md/1-δMpa,0.85>a≥0.98时为较优。某型连杆Md153kg,Mp177kg,δ取3.75,则a0.898,落在较优区。(1)设备选用。设备用现有的80MN螺旋压力机,它是一个可以调节能量大小的设备,设备实际使用为打击能量的70,约56MN。锻件实际所需变形力曲线如图4所示。(2)润滑和加热工艺。润滑均匀、良好。加热采用煤气炉,加热均匀、热透。因此,该项总体为良好,取0.90。(3)模具优化。终锻型腔设计以热锻件图为依据,设计好后,进行计算机仿真,根据充填情况,确定拔模斜度、圆角、工艺余量是否合理根据手册初步查出毛边形状和尺寸,经计算机多次模拟,确定毛边槽结构和尺寸。3.3某型连杆工艺优化的C值C∑WiEj=0.490.8980.330.950.100.900.080.980.9224验证结论评价工艺优化的C值,当C=0.87~0.98时,整体工艺较优。所以,以上制定的该型连杆模锻工艺整体上为较优工艺。经该型连杆的实际应用证明,评价指标C值符合实际情况。参考文献1俞汉清,陈金德.金属塑性成形原理M.北京机械工业出版社,2001.2李传民,王向丽,闫华军.DEFORM5.03金属成形有限元分析实例指导教程M.北京机械工业出版社,2007.时间/102s载荷/MN图4变形力曲线Fig.4Curveofdistortionforce65552439313126202.953.003.043.093.143.1972

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