（机械制造及其自动化专业论文）6061铝合金连杆闭塞锻造成形过程的数值分析与实验研究.pdf

重庆人学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着我国通用机械、农用机械工业的飞跃发展及汽车“减重”的技术要求日 益受到重视，通用机械、农用机械、微型轿车零部件市场对铝合金锻件的需求正 呈现出急剧增长的趋势，特别是对形状复杂的铝合金锻件的需求更为突出。由于 复杂形状的铝合金锻件，只用传统的镦粗及挤压变形的简单方式成形将会造成材 料利用率低、生产率低、生产成本高的状况，因而在市场竞争中缺乏竞争力，所 以对高强度铝合金连杆锻件进行精密锻造成形技术研究和开发，以提高其加工质 量和机械性能指标，满足小型汽油发动机的生产技术要求，是十分必要的。 本文综述了铝合金连杆在国内外的发展状况，并对铝及铝合金的特点、分类 以及应用进行了介绍；针对连杆的形状结构特点以及a l 6 0 6 l 高强度铝合金的成形 加工特性，借助d e f o m 一3 d 数值模拟软件对6 0 6 l 铝合金连杆闭塞锻造成形过程进 行了仿真分析，包括： 根据铝合金连杆锻件形状对6 0 6 l 铝合金连杆进行了模具设计； 对a l 6 0 6 l 铝合金连杆成形工艺过程的进行了模拟分析； 对锻件进行了压力行程曲线分析、坯料的流动特性分析、坯料变形速度分 析、应力应变及应变率分析及点的跟踪与缺陷分析。 最后，通过实验，验证了以上针对6 0 6 1 铝合会连杆闭塞锻造成形过程的数值 分析方法及过程的j 下确性、合理性，以及对实际生产和研究工作的指导性。 关键词：铝合金连杆，闭塞锻造成形，数值模拟，工艺优化 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fg e n e r a lm a c h i n e r y ，a 鲥c u l t u r a lm a c h i n e r yi n d u s t r y a n da 萨o w i n ge l t l p h a s i so nt l l et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t so fa u t o m o b i l e sw e ig l l t r e d u c t i o n ，t h ea l 啪i n u ma j 】o yf o 毽i n g s r e q u i r e m e n t so fg e n e r a lm a c l l i n e r y ，a g r i c u l m r a l m a 出n e 巧a i l dm em 砌( e to fc o m p o n e n t so fm i c r o c a ra r es h o w i n gat r e n do fr a p i d g m w m e s p e c i a l l y ；t h en e e d so ft h ec o m p l e xa l u m i n u ma 1 1 0 yf o i i 酉n g sa r em o r e p r o m i n e n t t h ep a t t e mo ft r a d i t i o n a lu p s e t t i n ga n ds i m p l es q u e e z ed e f i o n n a t i o nw i l ll e a d t ot h es i t u a t i o no fa1 0 wu t i l i z a t i o nr a t eo ft h em a t 酬a l ，l o wp r o d u c t i v i 吼h i 曲c o s to f p r o d u c t l o nt ot h ec o m p l e xs h a p eo ft h ea l u m i n u ma l l o yf 0 哂n g s ，a n dt h u s1 a c k i n go f c o m p e t l t l v e n e s smt h em a r k e tc 0 m p e t i t i o n c o n s e q u e n t l y ，i no r d e rt oi m p r o v et h e q u a l l t yo f 。l t sp r o c e s sa n dm e c h a i l i c a lp r o p e n i e si n d e xa j l dm e e tt 1 1 en e e d so fs m a l l g a s o l i n ee n g i n e st e c l l i l i c a lr e q u i r e m e n t sa n dp r o d u c t i o nr e q u i 溯n e n t s ，i ti sn e c e s s a r vt o r e s e a r c ha i l d d e v e l o p a c c u r a t e f o 哂n gd e f o 加a t i o nt e c l l i l o l o g yo fh i g l l s t r e n 劬 a l u m i n 啪a l l o yc o n i l e c t i n gr o df 0 哂n g i 1 1 i sd l s s e r t a t i o n r o u n d u p sm es t a t u so fd e v e l o p m e n to ft h ea l 啪i n u ma l l o y c o l u l e c t l n gr o da th o m ea n da b o r da n di n t r o d u c e l ec h a r a c t e r i s t i c s ，c l a s s i f i c a t i o na n d a p p l i c a t i o n so fa l u m i n 啪a n dl 啪i n 啪a 1 1 0 y 1 1 1c o i m e c t i o n w i t hm es h a p e 锄d s t n j c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o 肌e “n gr o da 1 1 d f o m i n gc h a r a c t e s t i c so fh i 曲 s t r e n 舀ha l 6 0 6 la l u m i n u ma l l o y ，w ec a nc o n d u c ts i m u l a t i o na n a l y s i so fc l o s e d d i e f o 画n g sf o n n i n gp r o c e s so f6 0 6la l u m i n 啪a l l o yc o n n e c t i n gr o dw i t hd e f o m 3 d m l m 谢c a ls i m u l a t i o ns o 脚a r e ，i n c l u d i n g ： ( 1 ) m 0 1 dd e s i g no f6 0 6 1a l u m i n u m a l 啪i n u ma l l o yc o r u l e c t i n gr o d ； a 1 1 0 yf o r g i n g sa c c o r d i n gt ot h es h 印eo f ( 2 ) t h es i m u l a t i o na n a l y s i so fa l 6 0 61a 1 啪i n 啪a l l o yc o n n e c t i n gr o d sf o r m i n g p r o c e s s ； ( 3 ) a n a l y s i so fp r e s s u r et r i pc u r v e ，b l a n k sf l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，b l a n k sd e f o m a t i o n v e l o c i t y ，s t r e s s s t r a i n ，s t r a i nr a t ea sw e l la sp o i n t s d e f e c ta n dt r a c k i n g f i n a l l y w ev e r i f i e dt h a tt h em e m o d sa 1 1 dp r o c e s so fn m n e r i c a la n a l y s i sa b o u t c l o s e d d i ef o 唱i n g sf o 肌i n gp r o c e s so f6 0 6 1 a l 岫i n 啪a l l o yc o n n e c t i n gr o da r e c o r r e c ta i l dr e a s o n a b l e ，a sw e l la st l l ed i r e c t i v e 向n c t i o no fm ea c t u a lp r o d u c t i o na 1 1 d r e s e a r c h 衄o u 曲t h ee x p 舐m e n t s k e yw o r d s ：a l 啪i n 啪a l l o yc o m l e c t i n gr o d ，d e f o 加a t i o no ft h ec 1 0 s e d d i ef o 四n 吕 i l 重庆大学硕十学位论文英文摘要 n u l n e r i c a ls i m u l a t i o n ，1 e c h n i c so p t i m i z a t i o n l i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈 交 的诬士 学位论文 红罐毪参矧袖涛稔垮戳督驱斑境期烨是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 学位论文作者签名： 曼心签字日期：少叼多 导师签名： 签字日期：沙1 参v 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的凄士学位论文趣监战箍翰雌劾豁趔闭黜值、朝瑚砚砩 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 r 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名：堡剑导师签 备注：审核通过的涉密论文不得签署搿授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书! 逝装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕+ 学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出及研究的意义 随着我国汽车工业的飞跃发展及汽车“减重”的技术要求同益受到重视、通 用机械和农用机械的大力发展，微型轿车零部件市场、通用汽油发动机市场对铝 合金锻件的需求正呈现出急剧增长的趋势；特别是对形状复杂的铝合金锻件的需 要更为突出。 在我国，小型汽油发动机的连杆、摇臂、各类传动轴、拨叉等零部件绝大部 分都是采用高强度铝合金制造。这些零部件是小型汽油发动机内的关重件，它们 不仅形状复杂、尺寸精度要求高、耐磨性好，而且要求其内部和表面不得有任何 裂纹、夹杂、气孔等缺陷；采用常规的金属切削加工工艺虽然能够达到零件的设 计要求，但是其生产效率极低、材料利用率低，无法进行大批量的工业生产。目 前国内普遍采用压力铸造和后续机械加工的方法进行批量加工，这种加工方法可 以得到合格的铝合金零件；但由于压铸的铝合金零件表面光洁度差、零件内部始 终存在着气孔和夹杂等铸造缺陷，使铝合金零件的机械性能大大降低，难以达到 铝合金零件的使用性能要求；同时由于气孔、夹杂等铸造缺陷的存在，使后续加 工的产品合格率低，仅能达到7 0 8 0 的合格率；因此这种加工方法的材料利用 率极低、生产效率较低、能源消耗大、环境卫生差以及制造成本很高，难于同国 际同行竞争。 鉴于以上原因，对高强度铝合金连杆类锻件如连杆、摇臂、各类传动轴、拨 叉等进行精密锻造成形技术研究和开发，以提高其加工质量和机械性能指标，满 足小型汽油发动机的技术要求和生产要求，具有重要的理论和实际意义。 本文研究课题是“6 0 6 1 铝合金连杆闭塞锻造成形过程的数值分析与实验研 究”。针对6 0 6 1 铝合金连杆成形技术仿真研究，以确定合理的工艺路线，通过对 锻件进行压力行程曲线分析；坯料的流动特性分析；坯料变形速度分析；应力应 变及应变率分析及点的跟踪以防止缺陷的产生从而提高其加工质量和力学性能指 标，满足小型汽油发动机的技术要求和生产要求，这是我们的目的。 完成本课题研究的意义： 本课题在结合传统连杆加工工艺的情况下，利用闭塞锻造的优越性，生产 出精度高的零件，对于应用和推广闭塞锻造具有一定的现实意义。 本课题利用有限元模拟技术对6 0 6 l 铝合金连杆成形进行模拟，并实现6 0 6 l 铝合金连杆成形过程的全程仿真，得到应力分布、材料流动状况、锻件变形特征、 轧制力等重要信息，进一步揭示锻件内部金属的流动规律、成型机理。 重庆大学硕十学位论文l 绪论 采用有限元模拟技术，通过对模拟结果的分析，对工艺参数和零件毛坯进 行优化，可以缩短模具设计周期，避免人力、物力的浪费，从而大大提高生产效 率。 提高我国高强度铝合金连杆类锻件的整体生产技术水平、大幅度提高铝合 金连杆类锻件的材料利用率与生产率、大大降低铝合金连杆类锻件的生产成本， 解决长期制约我国铝合金连杆类锻件在工业大批量生产中存在的“制造成本高”、 “废品率高”等难题。 1 2 铝合金的性能特点及闭塞锻造工艺简介 1 2 1 铝及铝合金的性能特点【l 卅 铝的特点 1 ) 密度小，仅为2 7 0 锄3( 属轻金属) ，约为钢的l 3 。奥迪公司采用铝 材制造的a 8 型汽车车架，比钢质车架约轻2 0 0 蚝，重量降低了3 5 。 2 ) 导电、导热性好。 3 ) 由于表面易氧化形成致密而稳定的a 1 2 0 3 氧化膜，所以耐蚀性好。 4 ) 有较好的铸造性，由于铝的熔化温度低，流动性好，易于制造各种复杂形 状的零件。 5 ) 向铝中加入某种或某几种元素后即构成铝合金。铝合金相对于纯铝可以提 高强度、硬度，除固溶强化外，有些铝合金可经热处理强化，以至有些铝合金的 抗拉强度可超过6 0 0 m p a ，与低碳钢相当，比强度( 强度与密度之比) 则胜过某些 合金钢。 6 ) 按铝合金的成分、加工特点和性能可以将铝合金分为形变铝合金和铸造铝 合金两大类，其中形变铝合金又分为防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝四类。 6 0 6 l 铝合金的特点 6 0 6 1 铝合金是一种典型的可变形热处理铝合金，具有良好的综合性能，其成 形方式主要为锻造成形，其锻件被广泛地应用于汽车、摩托车和游艇上。 6 0 6 l 是一种a 1 一m g s i 系铝合金，其主要合金元素为m g 和s i ，其主要化学成 分如表1 1 所示： 表1 16 0 6 1 铝合金的化学成分 t a b 1 1c h e n l i c a lc o m p o s i t i o no f6 0 6la l u m i n u ma l l o y 2 重庆人学硕士学位论文l 绪论 6 0 6 1 铝合会典型机械和物理性能如下表1 2 所示： 表1 26 0 6 1 铝合金典型机械和物理性能 1 a b 1 2 聊i c a lm e c h a n i c a l p h y s i c a lp r o p e n i e so f6 0 6 1a l u m i n u ma l l o y 焊接性切削性耐蚀性 电篙三冒6 踟( 2 0 蒜袭m 3 ) 很好 一般较好 4 0 一5 0 2 7 0 抗拉强度 屈服强度( 2 5 0 c 硬度延伸率 最大剪应力 ( 2 5 。cm p a )m p a ) 5 0 0 k g 力1 0 m m 球1 6 m m ( 1 1 6 i n ) 厚度 m p a 3 1 02 7 69 51 22 0 5 1 2 2 闭塞锻造工艺简介 闭塞锻造是一种经过驱动复数个冲头或模腔，让材料主要进行侧向挤压变形 流动，进入设置在侧面的模具空间，生产出径向带凸出部的锻件的锻造方法。闭 塞锻造是一种无飞边模锻，让材料主要进行侧向挤压变形流动，进入设置在侧面 的模具空间，生产出径向带凸出部的锻件的锻造方法。该锻造方法以提高材料利 用率和减少工艺过程为目的，应用在冷锻和温锻中。闭塞锻造可以通过重量控制， 保证了剪切的重量误差在士0 5 以内【6 1 。为避免体积变化而产生填充不良，同时超 负荷引起模具损伤，所以必须想办法对材料施加合理的压力，向合适的位置挤出 多余材料成形过程为毛坯先定位，在一定的压力下凹模闭合，然后凸模加压成形。 在整个锻造过程中，可控制上下模动作的先后及其速度，达到闭式模锻的最佳效 梨6 | 。闭塞锻造工艺又称复动成形技术，它采用复动式凸模在一个方向或多个方向 施加不同的压力，使毛坯产生多向流动【8 】，从而可在一道变形工序中获得较大的变 形量和复杂的型面，完成复杂零件塑性成形。 闭塞锻造所使用的模具分成模腔( 2 和4 ) 和冲头( 1 和5 ) 。闭塞锻造成形过 程( 见图1 1 ) 如下：首先将模腔( 2 和4 ) 合拢形成模具空间，放入毛坯3 ，利用 冲头( 1 和5 ) 从上下方向挤压材料两端面进行锻造( 见图1 1 b ) 。材料被上下冲 头挤压流动，在上下流向互相碰撞接触的面变换方向开始径向流动，得到所需要 的锻件( 见图1 1 c ) ，从而经一道变形工序将齿轮零件冷精密塑性成形。利用侧向 挤压变形，控制驱动复数的冲头和模腔的时机、方向及分量，从而控制材料流动， 可以说闭塞锻造法是一种全新的锻造方法。 然而，闭塞锻造成形过程复杂、控制参量多，使得复杂零件冷闭塞锻造工艺 参数优化选择、复杂模具设计与加工更重要也更困难，传统的依赖于经验与试错 的成形工艺与模具设计方法，难以满足成形件复杂、精密、高质量的要求。因此 采用数值技术进行闭塞锻造过程模拟、工艺分析、优化设计十分必要。 重庆人学硕十学位论文l 绪论 ( a ) 2 4 譬 0 _ 殇笏 二7 ， i vo 图1 1 闭塞锻造略斟6 】 f i g 1 1s i m p l i f i e dd i a g r a mo fc l o s e d d i ef o r g i n g ( c ) 1 3 国内外相关研究现状 1 3 1 铝合金锻造技术的发展状况 批量铝合会锻件的广泛开发与应用，是与汽车工业的飞速发展密切相关的。 铝合金锻件需求的迫切性主要是由于汽车“减重”这一大趋势推动的结果。作为 汽车生产大国的美国、日本、德国、意大利等发达国家，自然成为铝合金锻件研 发与应用的领先者。 铝的密度为2 8 0 c i i l ，约为钢的1 3 。在满足相同机械性能要求的条件下，铝 件比钢件减重6 0 ；在撞车试验中，铝件能比钢件多吸收5 0 的能量【7 1 。因此， 铝及其铝合会锻件的这一优良性能自然为汽车界所关注。美国首先将铝合金锻件 用在跑车上。1 9 6 4 年开发出铝合舍车轮锻件，然后陆续在轿车上推广应用。目前 已有铝合金连杆在跑车发动机上得到应用，新型高性能跑车的前轴铝合金锻件己 试制成功【l 】。 德国与意大利的轿车也已丌始大量应用铝合金锻件，如车轮与各种支架。在 重型汽车上，欧、美也应用了铝合会锻件如摇臂，目前已有相关机构和厂商正在 研究转向节铝合金的锻造工艺。应用高强度铝合金7 0 7 5 代替传统的合会结构钢锻 造重型汽车主轴等大锻件的工艺正在开发过程中。日本在汽车上主要应用压铸铝 合会结构件，目前正在开发性能比压铸件优良的铝合金锻件，从而提高汽车的运 动性能。综观发达国家铝合金锻件在汽车上应用的发展过程，可总结出如下几个 特点： 应用于由价格昂贵的、对性能要求高的跑车向价格相对低廉的、性能要求 普通的车辆发展； 由载乘用车向载货用车扩展； 由一般零件向承载件扩展。 4 重庆大学硕士学位论文l 绪论 在锻造技术上，也有明显的特点：即由简单的单工位镦粗和挤压成形向多工 步、多种成形方法、复合成形方向发展，锻件也由简单向复杂方向发展。 随着铝合金锻件的需求量的不断增加，而且与钢锻件相比，铝合金锻件的附 加值要高出2 4 倍，因此铝合金锻造业成为发达国家锻造行业中发展较快的一支 力量。对于这一新兴技术，发达国家普遍采取了技术严格保密的措施，我国派出 的几十个锻造代表团均未在德国、意大利、日本看到铝合金锻造生产现场。关于 铝合金锻造工艺及材料流动性能方面的实用资料也极难找到。 进入2 l 世纪后，能源和环境问题仍然严峻，继续推进汽车轻量化以降低油耗， 依然是汽车工业发展的主要趋势【l 】。铝合金具有密度小、导电导热性好、塑性和加 工性能好等一系列优点，同时在成本、制造技术、力学性能、可持续发展等方面 也具有其它轻量化材料无可比拟的优越性，因此铝合金将成为汽车工业中的首选 轻量化材料。 铝合金可以在锻锤、机械压力机、液压机、顶锻机、扩孔机等各种锻造设备 上锻造，可以自由锻、模锻、顶锻、辊锻和扩孔。一般来说，尺寸小、形状简单、 尺寸偏差要求不严的铝合金锻件，可以容易采用锻锤锻造出来，但是对于规格大、 要求剧烈变形的铝合金锻件，则宜选用水( 液) 压机来锻造。铝合金具有良好的 挤压特性，特别适合于挤压加工，可以通过多种挤压工艺和多种模具结构进行加 工。在挤压过程中被挤压金属在变形区能获得比轧制锻造更强的、更均匀的三向 压缩应力状态，可充分发挥被加工金属的塑性优良的特点。轧制是锭坯依靠摩擦 力被拉进旋转的轧辊问，借助于轧辊施加的压力，使其横断面减小，形状改变， 厚度变薄而长度增加的一种塑性变形过程。铝合金超塑性属于细晶超塑性，晶粒 细化及细晶粒的热稳定性对超塑性铝合金十分重要。超细晶粒是铝合会获得高应 变速率超塑性的重要组织条件。常规的铝合金如果要有超塑性，一般要求晶粒尺 寸在1 0 p m 左右【3 1 。 车用发动机j 下在向高速化、轻量化方向发展。发动机是汽车的心脏，而发动 机连杆则是承受强烈冲击和动态应力最高的动力学负荷部件，它的负荷与质量成 比例。因此连杆的轻量化对发动机具有更重要的意义。若连杆的质量减轻，必然 导致所有摆动物体质量的减轻，从而可以降低发动机的主要运动部件的运转噪声， 减少燃料消耗及发动机零件的机械应力。连杆轻量化的主要途径是制造工艺和材 料的改进，也即采用新工艺和新材料，均能有效减轻连杆质量。 由于轻金属铝基材料密度比钢铁材料小，它的比强度高，耐腐蚀以及具有优 良的表面处理性能，价格相对比其它轻金属( 如镁、钛等) 低，故采用铝合金制 造连杆能取得较好的技术和经济效果。 铝合金连杆可用各种方法制造，诸如纤维强化铸造，传统的锻造，和粉末冶 5 重庆人学硕十学位论文绪论 金铝台会锻造等口】。德国一所大学几年前曾采用碳纤维增强工程塑料制造发动机连 杆，其质量仅为锻钢连杆的4 8 但价格是锻钢连杆的6 7 倍。几本丰丌1 汽车公 司采用体积率为4 0 的氧化爿弓长纤维增强锚基复合材料生产发动机连打，质量比 锻钢连杆减轻了3 5 口】。h 本本阳公司采用不锈钢纤维增强铝基复合材料乍j “兑轿 车发动机连杆，已有5 月件这种连杆被采用。以上几种连杆加工方式在质量减轻 方而比较理想，但由于生产成本过高，还是很难被当今的汽车工业接受。 用常规铝台金生产车用发动机连杆是当前研究的另一方向，人们希望采用这 种技术制造的连杆比锻钢连杆减轻质罱5 0 ，价格能够控制在锻钢连杆的1 5 倍以 内，但由于难以达到1 5 0 时的高温疲劳强度和低膨胀系数要求，目前使用的仍是 高硅的铝合金材料。但高硅铝合会材料如采用常规工艺生产，会产生粗大的晶粒 造成其强度和韧性等力学性能下降。现已研究出将熔融的铝合会熔液进行。t 雾化 以1 0 0 s 以上的冷却速度快速冷凝为高硅铝合会粉末经粉末热挤压一锻造法制 得高硅铝含金材料的新技术。采用这种技术制得的高硅铝合金，显微组织细小而 均匀致密，具有低热膨胀、高耐磨、高强度特性。 颗粒增强铝基复合材料采用价格低廉的陶瓷颗粒作增强相，是金属基复合材 料中价格唯一为汽车行业所接受的类别。目前采用压力浸渗工艺生产的5 0 s i c d 增强铝基复合材料已达到弹性模量2 1 0 5 n ，m m 2 、弯曲强度8 0 0 n n m 2 、弯曲疲劳 强度2 0 0 n ，衄2 的性能指标。 针对通用机械、农用机械、微型轿车等行业广泛使用的小型汽油发动机中的 高比强度铝台金连杆的精密锻造，以工艺和模具技术为核心，研究开发楔形横轧 制坯、精密锻造成形的复合成形技术，采用楔横轧制坯精密锻造社制造出形状复 杂、精度要求高、横截面面积变化较大的高强度铝台金连杆制造的铝合金连杆 适用于小型汽油发动机。能满足其内孔的尺寸精度和表面粗糙度要求高( 通常要求 达到r 柚8 - 16 】且零件不允许有砂眼、气孔、折叠等缺陷存在等性能的要求【9 】。 唆髫，、歹毒 ；少；衫 圈l2 某通j l 汽汕发动机的锅台金连杆 f 培l2 扎u o y c 蝴c c t i n g f o d o f 彻e 蛐i o m o b i l cc n 画惦 重庆人学硕士学位论文1 绪论 对于这种具有形状复杂、高精度、高表面光洁度要求的铝合金杆类零件，目 前国内普遍采用压力铸造或低压铸造以后再机械加工的方法来生产。该工艺虽然 可以加工出合格的产品，但和模锻相比仍存在如下不足之处： 压力铸造或低压铸造毛坯的表面质量差。 材料利用率低：由于压力铸造或低压铸造的毛坯内始终存在着气孔、夹杂 等铸造缺陷，使后续加工的产品合格率低，仅能达到7 0 8 0 的合格率。 生产效率极低：由于压铸毛坯内的气孔、夹杂等铸造缺陷只能在后续的机 械加工过程中或最终检验时发现，从而使后续机械加工的生产率大大降低。 生产成本高。 不能进行大批量生产，难以满足通用机械、农用机械和微型轿车等行业的 生产需要。 铝合金精密锻造成形技术涉及到材料性能、成形工艺、模具技术、成形设备 与生产线成套设备、前后配套工序等多方面内容，综合技术集成性高，是当前金 属精密成形领域的前沿技术，也是国际上塑性加工技术关注的热点课题。纤维增 强塑料连杆虽然质量最轻，但由于制造技术及价格的原因，近期内难以大量生产 与应用。如今人们已越来越多地将目光投向采用铝基材料制造车用发动机连杆， 该种连杆在目前金属连杆中质量较轻，价格也基本为汽车工业接受。 我国铝合金的整体锻造水平较发达国家落后1 0 2 0 年，目前仍处于用单工位 的简单镦粗与挤压方式生产形状相对简单的锻件的阶段【l0 1 。上世纪六十年代，我 国开始研究铝活塞的挤压工艺，并得到广泛应用。在复杂形状铝合金锻造上丌始 研发单位较少，特别是在大批量生产上先进实用的工艺技术还鲜有人开发研究； 用自由锻造方法生产单件或小批量生产飞机上的铝合金锻件，由于材料利用率低、 成本高，无法在大批量生产上应用。 随着我国汽车工业，特别是轿车工业的发展，国内用简单工艺就可生产出来 的支架等铝合金锻件的生产近年来也有所发展；但复杂铝合金锻件的生产技术发 展缓慢，无法满足生产需要，仍然需要进口。 1 3 2 有限元法在金属锻造成形过程中的应用现况 近几十年来，随着计算机技术的迅速发展和有限元技术的不断完善，数值模 拟技术在塑性成形过程中的应用得到了蓬勃发展，应用范围越来越广。从板料成 形到体积成形，从正向模拟对成形结果的预测到反向模拟对预成形件的设计，从 同时考虑变形和热传导的热力祸合分析到对工件微观组织及缺陷的预测，到处都 显示出了有限元数值模拟技术在塑性加工领域中的重要作用。塑性有限元法已走 出单纯为理论分析而进行模拟的探索阶段，广泛地应用于工业生产中。 锻造属于金属体积成形范畴。锻造过程中，金属产生较大的塑性变形，弹性 7 重庆人学硕十学位论文1 绪论 变形相对较少，可忽略不计。因此，在模拟分析金属锻造成形问题时通常采用刚 塑性和刚粘塑性有限元法。国外的许多专家学者对这种分析方法进行了大量的研 究和实践，例如：c c c h e i l 和s k o b a y a s h i 首先采用刚塑性有限元法对轴对称闭式 模锻过程进行了数值模拟，并与试验结果进行了比较，二者吻合较好【】；j j p 破 和s k o b a y a s l l i 用三维刚塑性有限元法分析了块体的徽粗问题【亿】；j h y o n 和 d y y 锄采用模块化的网格重划方法，在考虑工模具间摩擦的基础上用三维刚粘塑 性有限元法分析了伞齿轮的模锻过程，并且对发动机叶片的锻造过程进行了数值 模拟【1 3 】【1 4 】；t c o u p e z 等采用三维刚粘塑性有限元法和连续网格重划技术对三叉轴 的锻造过程进行了模拟分析。v s z e n t m i h a l i 等对螺旋齿轮的冷锻过程进行了三维有 限元模拟【1 5 】；i p i l i n g e r 对铝连杆的锻造过程进行了三维数值模拟【1 6 】。 近年来，国内也有不少学者采用三维刚塑性刚粘塑性有限元法对金属锻造过 程进行了较为系统的研究。比如：赵国群【l7 】等人也在锻造过程的二维刚塑性刚粘 塑性有限元数值模拟方面做了大量系统的研究工作；蒋浩引1 8 】采用基于映射法的 六面体网格划分技术和基于边界构形的网格重划技术，对未经简化的铝合金支座 轴超塑性模锻过程进行了三维有限元模拟，计算结果与试验吻合较好；王广春和 刘钢分别对环形件和圆柱体的摆动辗压过程进行了三维刚塑性有限元分析，揭示 了摆动碾压的变形机理，并与实验进行了对比分析；刘芳【l9 】运用三维刚粘塑性有 限元原理，利用商业软件d e f o r m 对压气机转子叶片精密成形过程进行了数值模 拟，并建立了2 a 7 0 铝合金晶粒尺寸的人工神经网络预测模型，将其与有限元模 拟相结合，对叶片的微观组织进行了预测。 采用有限元法不仅可以研究金属成形过程中的流动规律及组织与性能的演变 过程，而且可以获得任意时刻成形件的位移场、速度场、应变场、温度场及应力 场等热学与力学参量，从而可以模拟材料的整个模锻过程。随着有限元技术的发 展，在国外已有不少塑性有限元商品软件推出，并在许多国家的研究部门和生产 企业中的到应用，如美国的d e f o r m ，a b a q u s ，m a r c 和法国的f o r g e 等。 自2 0 世纪8 0 年代以来，我国有许多高校和科研院所也开始了该方面的软件研究， 目前也有少数在企业中应用，但整体来说，我国与国外相比在软件技术水平和应 用程度方面尚有明显差距。 l - 3 3 国内外相关研究现状总结 纵观铝合金锻造技术在国内外的发展状况及有限元法在金属锻造成形过程中 的应用现况国外在这方面已经取得了领先的优势，尽管我国不少学者铝合金锻造 技术和有限元法在金属锻造成形过程中的应用进行了较为系统的研究，但与国外 仍有较大的差距。 重庆人学硕十学位论文l 绪论 1 4 课题来源及研究目的 本课题来源于重庆市科技攻关项目“小型汽油发动机用高强度铝合金连杆类 零件的精密锻造成形成套技术开发及应用示范”，本课题是“小型汽油发动机用高 强度铝合金连杆类零件的精密锻造成形成套技术开发及应用示范”的重要组成部 分。 本课题研究的目的： 针对通用机械、农用机械、微型轿车等行业广泛适用的小型汽油发动机高强 度铝合金莲杆类零件的精密制造，以工艺和模具技术为核心，研究丌发精密锻造 成形的复合成形技术的成套技术，建立以通用汽油机连杆等铝合金杆类零部件的 精密成形加工生产工艺，扩大铝合金材料在通用机械、农用机械和微型轿车等工 业中的应用范围，促使我国铝合金连杆类零部件的生产能力和制造技术的提高， 从而解决我国在汽车、通用动力机械、农用机械等行业铝合金杆类零部件制造加 工过程中存在的废品率高、材料利用率低下、生产效率低下、制造成本较高的生 产“技术瓶颈”问题，对提高我国的汽车、通用动力机械、农用机械等行业的制 造技术水平有积极的作用。 1 5 本课题研究的主要内容和技术路线 本课题研究内容： 对6 0 6 1 铝合金连杆进行模具结构化设计，并进行数值化建模。 对6 0 6 1 铝合金连杆闭塞锻造成形进行工艺设计。 对6 0 6 l 铝合会连杆锻造过程进行的d e f o 彻一3 d 数值模拟分析。 实验验证模拟分析的工艺及方法。 本课题的技术路线： 本项目采用数值模拟分析、成形工艺试验的方法来进行。 进行铝合金连杆闭塞锻造成形过程模拟分析。 坯料形状及尺寸的合理确定。 确定成形工艺参数如铝合金的加热温度、成形压力和成形速度等。 确定适宜的模具、工装结构和尺寸，选择合适的模具材料。 成形工艺试验。 1 6 本章小结 在激烈的市场竞争推动下，采用闭塞锻造工艺方法对连杆进行加工是一种必 然的发展趋势，闭塞锻造方法可以解决我国在汽车、通用动力机械、农用机械等 9 重庆大学硕士学位论文l 绪论 行业铝合金杆类零部件制造加工过程中存在的废品率高、材料利用率低下、生产 效率低下、制造成本较高的生产“技术瓶颈”问题。本章还介绍了本课题的研究 背景及铝合金锻造技术在国内外的发展状况、本课题研究的主要内容、目的和意 义及闭塞锻造的相关知识。 1 0 重庆大学硕士学位论文 26 0 6 l 铝合金迮杆闭塞锻造成形t 艺分析与模具设计 26 0 6 1 铝合金连杆闭塞锻造成形工艺分析与模具设计 2 16 0 6 1 铝合金连杆的结构特点及工作情况 2 2 16 0 61 铝合金连杆结构特点 连杆由连杆大头、杆身和连杆小头三部分组成。连杆大头是分开的，一半为 连杆盖，另一半与杆身为一体，通过连杆螺栓连起来。由于连杆体与连杆盖的接 合面是与大小头孔的中心联线垂直，故称为自剖式连杆。有些连杆大头结构粗大， 为了使连杆在装卸时能从气缸孔内通过，采用斜剖式结构，即接合面与大、小头 孔轴线形成一定的角度【9 】。本次课题就是采用的这种结构的连杆如图2 1 ，不同的 是本次制坯的连杆是没有连杆盖的，连杆盖采用其它方式制得。由连杆的尺寸形 状及塑性变形特性分析可知，它具有三大特点： 锻件的长度与宽度、高度的尺寸相差较大； 锻件沿长度方向的横截面变化较大； 杆部呈工字形断面。 因此，在拟订模具设计方案时，必须考虑这些因素。 图2 1 连杆零件图 f i g 2 1t h ef i g u r eo f c o n n e c t i n gr o d sp 乏i r t s 2 2 26 0 6 1 铝合金连杆工作情况 连杆是发动机中重要的部件之一，对力学性能、尺寸精度和重量公差都有较 高的要求。连杆在内燃机中与汽缸、活塞、曲轴以及主轴承组成曲柄连杆机构。 r _ 重庆大学硕士学位论文 26 0 6 1 铝合金连杆闭塞锻造成形工艺分析与模具设计 把作用于活塞顶部的膨胀气体的压力传给曲轴，又受曲轴的驱动而带动活塞汽缸 中的气体，将活塞的往复直线运动转化为曲轴的回转运动。使汽缸燃烧所产生的 热能转化为曲轴输出的机械能。连杆小头随活塞一起做往复运动，连杆大头随曲 轴一起做回转运动，连杆杆身在大小头运动的合成下摆动。所以，连杆除承受周 期性变化的气体冲击外，还要承受较大的惯性力。这就要求连杆耐疲劳，抗冲击， 并具备足够的强度，刚度及较好的韧性。 连杆不能单靠大的尺寸来提高其承载能力，必须从材料、构型、设计、热处 理及表面强化等几方面来解决连杆尺寸、重量、强度、刚度之间的矛盾。在连杆 设计中，应广泛采用实验应力分析，针对连杆的应力分布决定连杆构型，使材料 能够被合理利用，满足连杆既轻巧又耐用的要求。连杆应有以下要求： 结构简单，尺寸紧凑，可靠耐用； 保证具有足够强度和刚度的前提下，尽可能减轻重量，以降低惯性力； 尽量减小长度以减小发动机总体尺寸和重量； 大小头轴承工作可靠性高、耐磨性好； 连杆螺栓疲劳强度高，连接可靠； 易于制造，成本低。 2 26 0 6 1 铝合金连杆预制件形状尺寸和原始坯料尺寸确定 金属塑性变形有一条很重要的基本规律，即：体积不变定理( 又叫质量恒定定 理) 。实际上金属在塑性变形中，体积总有微小变化，但是这些变化对比整个金属 坯件事相当微小的，可以忽略不计【2 们。因此在每一工序中，坯料一个方向尺寸减 少，必然在其它方向有所增加。因此可用该定理来计算连杆预制件尺寸和确定原 始坯料尺寸。采用逆向思维经以下流程：连杆零件体积一模锻件三维造型_ 模锻 件体积( 尺寸) 一预制件毛坯体积( 尺寸) 。 所以，先采用u g 软件对连杆零件三维造型( 见图2 2 ) ，然后再确定加工余 量( 包括机加工余量及飞边) ，再对锻件三维造型( 见图2 3 ) 。 1 2 重庆人学顶士学位论文 26 0 6 l 铝台金连杆闭塞锻造成形工艺分析与模具设计 h23 吐仆瓣蚓 f 1 9 23 m6 9 眦o f 加e n 吨r o d s f o 喀i n g p a | t s 制坯过程要能够保证准确分配材料，使坯料均匀充满模具型腔。根据经验和 根据连杆形状特点可把连杆分为三个部分：小头部分，杆部，大头部分，再利 用u g 对锻件进行体积分割，通过计算锻件每一部分的体积如图2 4 。 重庆大学硕士学位论文 26 0 6 1 锅台金莲杆闭塞锻造成形i 一艺分析与模具设计 一 一弋 图2 4 连杆的体积计算 f 罾2 4 、b l u 眦c 咖n n g0 fc t i n gr o d 由于我们拟采用的工艺是多向闭塞精密模锻，在确定预锻件的尺寸及形状时 既要保证预锻件的体积和终锻件一致，还要考虑锻制时余属的流动合理，同时还 需保证设制的预锻件能够顺利的放进终锻模膛里面并进行良好的定位。在兼顾以 上几个方面的基础上，利用u g 软件的造型功能，同时结合模拟的结果最终确 定预锻件的形状和尺寸。同样的方法也顺利确定了预轧制件的尺寸及形状如图 25 。 g 习 旺 3 田25 连杆楔横轧轧制件凹 h 9 25 仆e6 9 m t o f 咖e d t n gr o d s c d g e m l h g p a r 【s 2 36 0 6 1 铝台金连杆闭塞锻造成形工艺分析 连杆是发动机上的重要零件它要承受气缸内爆破气体的冲击压力和曲轴转 动的惯性拉力。每个循环中拉力和压力交替两次，当汽车发动机转速为3 0 0 0 5 0 0 0 岫时，其受力频率是很高的。由于连杆在这种转动的疲劳载荷下工作，故 对其强度有较高的要求。为了保持高速运转下的曲轴始终处于相对平衡状态还 要求连杆重量公差限制在一定范围内，因此连杆是一种较难锻造和加工的零件， 国内外对连丰下的材料和制造工艺均在不断地探讨和革新，其目的是在满足发动机 技术性能和使用要求的前提下，进一步降低生产成本。 6 0 6 1 铝合金连杆成形可以分为两种工艺方案：一种是连杆大头与小头秆身同 噌一 重庆大学硕+ 学位论文 26 0 6 l 铝合金连杆闭塞锻造成形t 艺分析与模具设计 时成形，另一种是先是连杆大头成形，然后进行连杆小头及杆身成形。 经过多次仿真分析6 0 6 1 铝合金连杆成形工艺采用第二种方案较为合理。 2 46 0 6 1 铝合金连杆闭塞锻造成形模具设计 锻件图设计 模锻件图是用做设计和制造锻模、计算坯料以及检验锻件尺寸的依据，对模 锻件的生产质量有很大关系。根据零件图( 图2 6 ) 绘制模锻件图时，应考虑以下 几个问题： 图2 66 0 6 铝合金连杆零件图 f i g 2 6 t h ef i g u r eo f 6 0 6 1a i u m i n u ma l l o yc o n n e c t i n gr o d sp a r t s p a r td 1 a 、i n g 1 ) 分模面的选择【2 1 】【2 2 】 锻件分模位置的选择直接关系到锻件成形、锻件出模、材料利用率等问题， 确定分模面的原则是既保证锻件形状尽可能与零件形状相同，又保证锻件能容易 地从锻模型槽中取出，此外，还应争取获得镦粗充填成形。为此，锻件分模面应 选择在具有最大的水平投影尺寸的位置上。所以，选择连杆体锻件侧面的中部对 称平面作为分模面即可。 2 ) 连杆加工余量与锻件公差的确斟2 1 】【2 2 】 估算锻件质量约为g d = 6 1 6 1 3 2 7 1 = 1 6 7 9 ( 6 1 6 1 3 m m 3 是利用u g 软件测得的 锻件体积，连杆的材料为6 0 6 1 铝合金，其密度是2 7 1 锄3 ) 。该零件的表面粗糙 度为r a _ 3 2 ，即加工精度为f l ，由国家标准g b t1 2 3 6 3 2 0 0 3 的锻件内外表面 加工余量表查得：高度及水平尺寸的单边余量均为1 8 2 2 m m ，取2 m m 。 由于本项研究的目的是面向大批量生产，连杆锻件在机械加工时用大小头端 面定位，要求大小头端面在同一平面上的精度要高，1 0 0 m m 内为o 6 m m ，而模锻 1 5 重庆人学砸1 学位论文 26 0 6 l 锅舟金琏杆闭塞锻造成形i 艺分析与模具设计 后的高度公差值较大，不能满足上述要求，故锻件在热处理、清理后要增加一道 平面冷精压工序。锻件精脏后，机械加工余量可大大减少，取07 5 m 巾，冷精雎后 的锻件高度公差取02 i l l n l 。 3 1 锻件的模锻斜度阎 由于本设计是多向精密模锻，精度高，又有顶出装黄，故不设计模锻斜度。 4 1 锻件的圆角半径2 。l 口2 1 锻件高度余量为( 07 5 + o4 】i n i n _ 1 _ 1 5 m m ， 则需倒角的差内