（材料加工工程专业论文）前轴精辊成形过程的三维有限元数值模拟.pdf

中文摘要 苌s 2 宣它7 中文摘要 辊锻是金属塑性成形中的重要加工方法之一。随着计算机技术的飞速发展， 对辊锻工艺的全过程进行数值模拟不但成为可能，而且对于控制辊锻件质量、 优化模具设计和揭示辊锻过程中一些微观和宏观形变机理具有重要的意义。 前轴精密辊锻工艺难度大，模具设计主要是靠查手册，用经验公式来确定 的模具参数。这种设计方法往往与实际情况相差较大，造成现场调试时间长、 模具修改次数多等实际生产问题。而借助于计算机和有限元技术对前轴辊锻采 用三维有限元数值模拟，褐示辊锻过程中金属流动的实际规律，通过调整模具 参数和工艺参数、可以得到理想的应力场和应变场，对指导模具设计，提高成 形精度，减少试模成本，节约试模时间具有实际意义。 衍轴辊锻模的建摸不同与其它数值模拟建模，它属于典型复杂盛面建模， 在建模过程中常常出现非参数化的情况，导致布尔运算失败，针对这种问题采 用功能强大的u g 进行参数化建模，提出了理想的建模手段。 基于d e f o r m 平台，进行辊锻过程的模具参数优化，分析辊锻件有无约束、 模具参数变化等对辊锻结果的影响，得到一些有价值的规律，可用来指导数值模 拟和生产过程。 具体处理了接触问题、模型的参数化、初始参数的合理设定、对辊锻件韵 约束等一系列技术阁题，并系统地研究了第道、第二道应力、应变场变化趋 势和辊锻过程变形区的影响范围，得至u 了工程应用中相关重要参数与辊锻应力 应变场之例舶关系；对第三道、第四道着重进行载薪和扭矩分析，在余属体积 成形过程中，掌握在三个方向上j j 载荷和扭砸交化崩律，这对选择设备、指导 生产具有重要的实际意义，能够解决在现场调试时间长这一突出的现实问题。 关键词：前轴精密成形辊锻 三维有限元数值模拟d e f o r m a b s t r g c t r o l l i n gf o r g i n gi sa ni m p o r t a n t m e a n si nm e t a l f o r m i n gm e t h o d n o w a d a y s ，i ti s p o s s i b l e t od oc o m p l e xr o l l i n g f o r g i n gs i m u l a t i o n w i t ha d v a n c e dc o m p u t e r t h e r e s e a r c ho n f u l l s c a l e r o l l i n g f o r g i n g p r o c e s s b y n u m e r i c a ! s i m u i a l i o n c a n h e l p u g t o c o n t m 、 t h e p r o d u c t i o n q u a i l t ya n d t o u n d e 埘a n dt h e l r u e p h y s i c a l m e c h a n i g n i ti sd i 蕊c u l tt op r o d u c et h ea u t o m o b i l ef r o n ta x l ew i 抽p r e c i s i o nf o r m i t l gr o i l i n g f o r g i n gt e c h n o l o g y f u r t h e r m o r e ，t h ed e s i g np a r a m e t e ro fr o l l i n gf o r g i n gd i ei s a c q u i r e d f r o mm e c h a n i c a j d e s i g n h a n d b o o k sa n d e x p e r i e n t i a l f o r m u l a s ot h e m e o r e t i c a ld e s i g nm e t h o di sd i f i e r e n tf r o mp r a c t i c a lc o n d i l 【t o n t h e s eb r i n gs o t t i e p r o b l e m si n m a n u f a c t u r ea n dm a k eu ss p e n dm u c ht i m et o a d j u s tt h ed i e sa n d m o d i f yi tm o r et i m e s u s i n gt h ec o m p u t e r sa n dt h er i g i d - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，w es i m u l a t et h er o l l i n gf o r g i n go fa u t o m o b i l ef r o ma x l e s 3 - df e mt o u n d e r s t a n dt h er u l e so ft h em e t a lf l o wi nr o l l i n gf o r g i n g w ea r ea b l et oa c h i e v et h e i d e a ls t r e s sa n ds t r a i nf i e l d sb y a d l u s t i n gt h ep a r a m e t e r so f t h em a n u f a c t u r et e c h n i c s a n dp r o d u c td i e s t h o s ea r e i m p o r t a n tt o d i r e c tt h ed e s i g no ft h er o l l i n g f o r g i n g d i e s t h em o d e l i n go ft h e r o l l i n gf o r g i n gd i e si sd i f f e r e n tf r o mt h a to ft h eo t h e r n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i tb e l o n g st ot h et y p i c a l l yf r e ef o r mf a c em o d e l i n g i te a s y g i v e b i r t ht ou n p a r a m e t e r si nm o d e l i n g ，w h i c hm a k e sb o o l eo p e r a t i o nf a i l s ow em o d e l t h e r o i l i n gf o r g i n gd i e sw i t hp o w e r - f u n c t i o nu ga n db r i n gf o r w a r dt h ei d e a l m o d e l i n gm e t h o d s i ti sm o r e m r p o r t a n tt ok n o w h o wt oa d j u s tt h er o l l i n gf o r g i n gp a r a m e t e ri n ：o r d e r t o g e tag o o dr o l l i n gf o r g i n gq u a l i t y i nt h i st h e s i s ，s o m eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa r e c o n c l u d e d b yd e f o r ms i m u l a t i o n ，a n d t h ei n f l u e n c eo ft h e s e p a r a m e t e r s i s e v a l u a t e d s o m ev a l u a b l er e s u l t sc a n g u i d et h ef u l u r es i m u l a t i o na n dp r o d u c t i o n ， i nt h i st h e s i s ，w es o l v e ds o m et e c h n o l o g y p r o b l e m s ，f o re x a m p l et h ec h o i c eo f t h e d i e p a r a m e t e r ，r e s t r i c t i o na n dc o n t a c t i o n ，a n d s y s t e m i c a l l y r e s e a r c ht h e c h a r a c t e r i s t i co ft h es t r e s sa n ds i r a i nf i e l d 赫t h ef i r s ta n ds e c o n d w o r k i n gp r o c e d u r e i ti sm o r e n n p o r t a n tt og a i ns o m ev i t a lp a r a m e t e r so ft h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n d r e l a t i o n sb e t w e e nt h es t r e s sf i e l da n dt h es t r a i nf i e l di n r o l l i n gf o r g i n g t h et h e s i s a l s op u te m p h a s i so na n a l y s i n gt h er u l e so ft h el o a da n d t o r q u ed e v e l o p m e n ti nt h e t h i r da n df o u r t hw o r k i n g p r o c e d u r ei no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e l o a da n d t o r q u ei nx ，y ，2a x i s 、a l lo f w h i c hh e l pv st os o l v es o g n e p r a c t i c a lp r a g i e m 5i r t w o r k s h o p k e y w o r d s ：f r o n t a x l e ，p r e c i s i o nf o r m i n gr o l l i n gf o r g i n g ，3 d f e m ，n u m e r i c a ls i r e u l a t i o n ， d e f o r m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 金属体积成形是金属塑性加工中一类十分重要的成形方法，它包括锻造、 辊锻、轧制、挤压和拉拔等工艺。其成形过程的数值模拟一直是金属塑性有限 元的研究重点。有限元模拟技术和模具c a d c a m 技术相结合“，为这一传统的金 属塑性成形方法注入了新的活力。 塑性成形工艺和模具设计缺乏系统的、精确的理论分析手段，而是主要的 依据在工程应用中工程师长期积累的经验。对于复杂的成形工艺和模具，设计 质量难以保证；一些关键性的设计参数要在模具制造出来之后，通过反复的调 试、修改才能确定。这样就浪费了大量的人力、物力和时间。而借助于数值模 拟方法，则能使人们获得对塑性成形呈规律性的认识，以较小的代价、在较短 的时间内找到最优的或可行的设计方粟。 1 2 数值模拟的概念、特点及数值模拟与物理模拟的区别 模拟一就是针对某个现象或过程原型，建立一个与该现象或过程的具有相 似性丽又便于人们进行观测和控制的模型，通过研究模型在各种条件下的响应 来推测原型在相应条件下的响应，从而获得对原型规律性的认识。 物理模拟一采用物理模型进行试验模拟。要使得物理模拟的结果能正确地 推广到原型，就应该在模拟中使模型与原型之间满足相似条件。物理模拟看到 的只是结果，而看不到金属流动的实际过程。 数值模拟一采用一组数值方程( 一般是微分方程) 和定解条件将实际过程 抽象成理论模型，采用电子计算机求得该理论模型在不同条件下的数值解，以 此推测在相应条件下所发生的实际过程。 数值模拟有以下优点： 1 ) 它不需要建造物理模型，因而节省了大量物力、人力和时阊，并使得在 设计阶段即可对不同的设计方案及时进行评价，筛选出合理的或最优的方案。 2 ) 数值模拟能提供工件和模具中各物理量( 应力、应变、温度等) 分布的 详尽数据，使人们获得对于实际过程的深入、全面的了解。 3 ) 数值模拟有极大的灵活性，能用于模拟在目前尚不能提供的虚拟条件下 第一章绪论 模型的性态，从而为探索性的研究提供了手段。 数值模拟方法是建立在塑性成形力学分析的基础之上的。分析金属成形的 目的在于：( 1 ) 预测工件的几何形状是否满足产品的精度要求，是否会产生表面 缺陷：( 2 ) 预测工件的内部质量，是否会发生破裂等；( 3 ) 预淤模具鹳受力秘噻损： ( 4 ) 具此选择适当的材料和工艺及模具参数。1 。 金属成形过程的分析方法主要可分为两大类。一类是近似的解析计算法， 其中包括主应力法、滑移线法、界限法( 包括上限法和下限法) 、功平衡法等。 这类方法一般用来计算成形过程所需的力和能。其优点是简便易行并能得到问 题的解析解，但只适宜于简单的成形问题。另一类是数值计算方法其中包括有 限差分法、有限元法和边界元法这类方法能用于获得金属塑性成形过程中应 力、应变和温度分布成形缺陷等详尽的数值解，能用于分析十分复杂的成形 过程“。 1 3 成形辊锻过程的研究在国内外的发展概况 金属塑性成形技术迄今已有几千年历史，早期的生产主要依靠工人的技术 和经验，从2 0 世纪5 0 年代开始逐步发展了数学解析法、圭应力法、撂移线场法、 极限分析法。直观塑性法、密栅云纹法和塑性有限元法等理论性分析方法以及 各种物理模拟等。但因塑性成形过程影响因素复杂而又是菲线性，这些方法都 各有其优点和局限性。随着计算机的兴起和应用以及7 0 年代塑性有限元法的发 展，很多塑性成形技术中的难题都迎刃而解，塑性成形科学取得了突破性的进 展，有限元数值模拟成为一颈高科技技术“。目前，塑性成形的有腺元数值模 拟，既能直观地描述塑性成形工步的变形流动状态，又能定量地计算出塑性变 形区的应力、应变和温度分振状态，为制订和优化工艺三c 及开发新工艺，设计 模具型腔和结构，分析产品质量问题，缩短生产周期，提高经济效益，提供了 科学的理论依据”7 。因此，数值模拟技术在国内外得到了广泛的匮用。 辊锻工艺虽然在国外已得到广泛的应用，但是，成形辊锻则应用甚少。近 十几年来成形辊锻在我国得到一定程度的发展积应用，但象前轴这样大而复杂 的锻件采用成型辊锻工艺只有北京机电研究所，湖北谷城车桥有限公司和吉林 工业大学三个单位。前轴属于典型的延伸型长轴类锻件，采用成形辊锻在工艺 第一章绪论 和技术上存在着很多难点，只有通过有限元数值模拟，掌握金属流动的实际规 律，才能在工艺和模具设计上、送料方式和送料机上，采用有效的技术措施来 加以解决。 由于对锻件产品质量要求的不断提高，促进了辊锻理论的研究和深入，推 动了辊锻技术的进步。二维辊锻理论( 平面变形理论) 已不能适应现代辊锻技 术发展的需耍，使得三维辊锻理论的研究正在成为当前和今后相当一段时期肉 的具有较高难度和重要应用价值的研究课题，成为解决辊锻工艺用于复杂锻件 制坯或成形的关键技术。目前在国内塑性加工学界，前轴成形辊锻过程的三维 有限元数值模拟尚无先例。 1 3 1 前轴辊锻在国外发展的现状 国外在5o 年代后，前轴锻件大部分是采用园坯或方坯在模锻锤或对击锤上 模锻成形( 需用辊锻机或其它锻压设备粗制坯) ，如德国汉锡尔厂3 5 0 k j 对击锤 生产线生产1 6 0 k g 的双层公共汽车前轴，意大平r j s i t 厂的4 0 0 k 5 对击锤生产多种前 轴。5 0 年代末在国外开始采用周期轧制形材，取代一般园坯或方坯锻造前轴， 周期轧制型材切断加热后在模锻锤或热模锻压力机上弯啦后终锻成形。如前苏 联斯大林汽车厂等开始采用周期轧制型材生产前轴锻件，这种方法可以提高生 产效率1 5 2 倍，节约金属l o 。前提是周甥轧制型齑才的批量耍大，轧锅厂= _ 6 。 能接受定货。 早在1 9 2 0 年，在美国一些工厂就开始试验莳轴周期轧制型材，在普通轧机的 开式孔型内多道次轧制成型。工字粱部分精轧成型，达到锻件尺寸。出于型 材轧后产生毛边需要清除，使生产过程复杂化。4 0 年代美国试验轧制无毛边的 等宽周期型材获得成功，但由于增加了轧制道次，限制了周期轧制型材的普及 应用。6 0 年代末7 0 年代初，大型热模锻压力机的问世为整体模锻前轴创造了条 件，在德国、前苏联和我国都建成了前轴、曲轴自动化锻造生产线。对于8 t 以 上卡车的前轴锻件，需采用1 6 0 0 0 0 k n 热模锻压力机模锻，如瑞典v o l v o 汽车制造 公司的前轴锻造生产线。大型热模锻压力枫的开发和发展以德国为领先，奥姆 柯公司和莱茵斯塔尔公司领先开发成功的5 t 6 t 卡车前轴锻造生产线，采用 1 2 0 0 0 0 k n 热模锻压力机，该生产线为全自动化操作，生产节拍为4 5 6 0 5 件， 第一章绪论 为国际领先水平。在欧洲由于万吨级热模锻压力机，电动及液压螺旋压力机和 电液锤等重型锻压设备和锻造自动线技术领先，故其前轴锻造大多采用普通辊 锻制坯+ 重型锻压设备模锻的生产工艺，虽然重型模锻生产线投资极大， 但锻件质量稳定，生产效率高，适合于大批量生产。 1 3 2 国内前轴锻件的典型生产工艺婶1 1 3 2 1 锤上模锻工艺 a 模锻锤掉头锻工艺 我国自2 0 世纪5 0 年代开始采用在5 t 蒸一空模锻锤上掉头模锻前轴工艺，该 工艺产品质量和劳动条件都较差，锻件长度难以控制，锻造完成后需在专用机 床上整形以满足图纸要求。对于多品种、小批量的前轴生产来说，锤上模锻比 较灵活，故该工艺至今还有厂家使用。 b 模锻锤整体模锻工艺 国内一些厂家采用l o t 、1 6 t 模锻锤整体模锻中、重型汽车前轴，采用自由 锻锤制坯，需加热两火，生产效率较低。 目前锤锻前轴的设备基本都是普通型蒸一空模锻锤，可用于生产前轴的l o t 蒸一空模锻锤机组1 2 个、1 6 t 蒸一空模锻锤机组5 个。模锻锤锻造前轴加热火次 多，锻件质量不高，废品率较高，模具寿命低，工入劳动条件较差。但由于该 工艺适用于多品种，而且锤上模锻可多次打击成形，因此在生产中还有应用。 对于1 2 0 k g 以上的重型前轴锻件，有一定的优势。 1 3 2 2 热模锻压力机模锻工艺 2 0 世纪7 0 年代，和当时世界最先进工艺同步，第二汽车制造厂( 稠为东j 文1 汽 车公司) 锻造厂从德国e u m u c o 公司引进了全套1 2 0 m n 热模锻压力机前轴、曲轴锻 造生产线，其主要工艺流程为中频感应加热 制坯辊锻( 中9 3 0 m m 辊锻机两 道次辊锻) 卜弯曲+ 预锻斗终锻一切边热校正。 该工艺的特点是自动化程度高( 生产节拍为5 4 6 0 s 件) ，锻件质量好。全线 装备了与加热炉、辊锻机、压力机配套的6 台机器人和多条传送带，全部由毒几器 人操作，实现了从加热、辊锻制坯、预( 终) 锻成形、切边、扭转、校正的全过 程自动化。模锻工艺见图卜1 所示 4 丝二童丝堡一 f 料曩冒曩囊嗣圈g l 娶 第】道辊锻蕾暖啊 第2 道辊锻豳墨_ 冒囊 弯曲翩鼬一 预锻 终锻 切边、热铰正囊毡融墨豳_ 鬯宙巴盘2 篁盛墨爹曩 图l l 热模锻压力机模锻前轴工艺 2 0 世纪8 0 年代末第一汽车制造厂按基本相同的配置也建造了一条前 轴、曲轴锻造线。主机为1 2 5 m n 楔式热模锻压力机，由第二重型机器厂按 引进e u m u c o 全套图纸和技术标准生产。生产线全长约6 0 m ，由3 0 0 0 k t 、ik h z 的中频感应加热装置和包括压力为1 2 5 m n 楔式锻压机在内的5 台锻压设备、 6 台机械手和4 条传送带组成。全线工作过程由计算机自动控制。该线主要 用于前轴、曲轴锻件的生产，目前生产5 种前轴，质量5 7 5 1 2 2 k g ，长 1 6 8 3 1 9 0 0 m m ，年生产能力为l5 l 8 万件。 2 0 世纪9 0 年代前期，湖北锻造厂从前苏联引进l 条主机为1 2 5 m n 双曲柄 热模锻压力机的锻造自动化生产线，用于锻造汽车前轴和拙轴。 般认为按图l 所示典型热模锻压力机模锻前轴工艺，1 2 0 m n 级的锻造 线可生产1 2 0 k g 以下的前轴，锻件材料利用率一般为7 0 7 5 。 和锤上模锻相比，热模锻压力机模锻前轴锻件具有加工余量小、尺寸 精度高、模锻斜度小、锻件质量稳定等优点，适合在机加工自动线上加工， 一般设计成自动线。因此，工人劳动强度低，生产效率高，废气、废液、 振动和噪声等指标更符合环保要求。但热模锻压力机前轴锻造线投资巨 大，【条锻造自动线投资达l 5 亿元。建设周期需3 年以上。 第一章绪论 1 3 2 3 前轴成形辊锻工艺 2 0 世纪8 0 年代湖北谷城车桥厂开发了前轴成形辊锻工艺，主要设备为 中1 0 0 0 m m 辊锻机和摩擦压力机，工艺流程为中频感应加热一一掉头辊锻3 道次一一掉头模锻整形一一掉头切除飞边弯曲整形。以生产e q l 4 0 自i f 轴锻件为例，其工艺过程如下。 a ) 下料。采用弓锯( 或带锯) ，原始坯料为中1 4 0 m m 圆钢，下料长度 5 2 0 + 2 m m 。 b ) 加热。采用1 0 0 0 k w 中频感应加热炉，加热温度1 2 0 0 2 0 。c 。 c ) 成形辊锻。采用中1 0 0 0 m m 辊锻机，经制坯辊锻、预成形辊锻及终成 形辊锻3 道次完成，制坯辊锻后锻坯翻转9 0 。进入预成形型槽，预成形后 锻坯掉转1 8 0 。进入终成形型槽。 d ) 局部整形。采用6 3 m n 摩擦压力机分别对两端进行局部整形，从而 达到工艺要求的几何形状。 e ) 切边。采用4 m n 摩擦压力机迸行两次半体切边。 f ) 弯形。采用5 m n 或1 0 m n 油压机对直坯前轴辊锻件弯曲定长成形，以 达到锻件图要求。 g ) 整体热校正。采用2 0 m n 液压机进行整体热校正，进一步提高尺寸精 度。 成形辊锻工艺的优点是设备投资少、模具费用低、适合多品种生产、锻件 成本较低。但生产的锻件长度误差较大，锻件局部充不满较多，补焊率较高。 另外，该工艺全部采用手工操作，劳动条件较差，生产效率低下。 1 3 2 4其他前轴锻造工艺 除上述3 种工艺以外，我国也有厂家采用3 2 0 k jf ：g 液对击锤生产前轴。但该 种工艺应用较少，目前国内只有l 条年产i o 万根曲轴莳轴的电液锤生产线。另外， 还有进v 1 8 0 m n 电动螺旋压力机模锻前轴曲轴生产线l 条，年生产能力1 0 万件。 1 3 2 5 前轴精辊模锻工艺 2 0 世纪9 0 年代初北京机电研究所开发出前轴精辊一模锻成形工艺， 第一章 绪论 中部工字梁区段和两个弹簧前座由辊锻成形至锻件最终尺寸，其余两端部 位由模锻成形。由于模锻成形部位仅占整个前轴投影面积的2 0 3 0 ， 且形状简单。因此可以减小模锻打击力2 3 以上。主要工艺流程为中频感 应加热一4 道次精辊叫弯曲、模锻叶切边一热校正， 如图i 一2 所示。 图卜2前轴精辊一模锻工艺 精辊一模锻成形工艺的主要技术经济指标如下：锻件精度达到部颁标准， 长度误差为1 5 m m ：材料利用率为8 0 8 5 ；生产节拍为2 2 5 m i n 件 ( 1 5 2 5 t 车前轴) 或2 3 m i n 件( 5 t 以上车前轴) 。对中、轻型前轴，使用 精辊模锻工艺建立的锻造生产线年生产能力可达l o 万件。 北京机电研究所已在国内建成5 条采用精辊一模锻工艺生产前轴的专用生 产线。安装在谷城车桥厂的l 条生产线具有先进性和典型性，其生产线工艺流程 和设备为带锯下料卜中频感应加热( 7 5 0 k w 中频感应加热炉2 台) 4 道 次整体精密成形辊锻( 巾1 0 0 0 m m 自动辊锻机组) - 整体弯曲、模锻( 2 5 m n 高 能螺旋压力机) 由2 号机器人( j s 型机器人) 操作+ 3 号机嚣人( j s 型机器人) 传送整体切边( i o m n 高能螺旋压力机) 自动传送小车+ 整体 校正( 1 6 m n 摩擦压力孝几) 由4 号机器人( x j s 型机器人) 完成上、下料和锻件输出。 第一章绪论 该生产线的生产节拍为1 5 m i n 件，全自动化生产，是我国吸收国外先进技术、 自行设计开发现代锻造生产线的一个成功事例。 综上所述，前轴精辊一模锻工艺。是我国自主开发的前轴成形技术，具有 新颖往、独御性，其关键技术就在于对前轴总长度6 0 8 d 的工字梁难成形 部位采用成形辊锻，从而显著降低了模锻成形力，使国外需在1 2 0 0 0 t 1 6 0 0 0 t 锻压机上生产的重型前轴，我国只需在2 5 0 0 t 4 0 0 0 t 锻压机生产。与万吨级热 模锻压力机模锻工艺相比锻件表面质量、尺寸精度相当，设备投资仅为后者 的l 6 左右。选用该工艺建立前轴锻造生产线符合国内大、中型企业投资少、见 效快的普遍要求。但是前轴精密辊锻的工艺难度很大需要丰富的辊锻工艺经验 和较长的模具调试周期。因此，在生产应用中急需掌握前轴成形辊锻的成形机 理以及辊锻模具参数的调整规律，从而解决前轴戍形辊锻工艺主要依赖于经验 设计，模具需反复修改、调试周期较长的不足之处。三维有限元数值模拟正是 可以解决上述问题的有效方法。 i 4 刚塑性有跟元模拟在金属塑性加工中的应用 金属成形过程既存在材料非线性( 应力与应变之间的非线性) 又有几何非线 性( 应变与位移之问的非线性) ，变形机制十分复杂。关子金属塑性成形理论 的研究，世界各国学者都在不断探索，至今已建立了多种方法来描述和解析金 属塑性成形过程，其中包括切块法、滑移线法、极限分析弦和有限元法等。下 面将上述方法作一下简单比较。 切块法较早用于研究工具表面应力分布及总变形力，该方法假设变形区有许 多规则切块组成，这些切块变形均匀，这与实际的变形情况不相符。切块法分 析中假设了主应力方向，得到的平衡微分方程中的变量是唯的，在给定边界 条件后可以直接求出压力分布，但解的精度取决于对问题的假设程度。因此， 该方法较适用于薄件的分析。 淆移线法可以求得金属变形对平萄上的各点应力状态及流动趋势已经在挤 压、拉拔、轧制等塑性加工领域得了广泛的应用。滑移线法在处理平面应变问 题上较其他传统力学方法具有理论完整、精度较高韵倪点，对于变形体内的应 第章绪论 力分析是一种很优越的方法“”3 。但是对于滑移线场未知的复杂变形问题以及考 虑材料硬化、应变速率影响、变形温度引起的热应力等问题，滑移线法刚难以 施展。 极限分析法包括上限法和下限法两种。其目的是在动可容速度场中确定最小 上限解和在静可容速度场中确定最大上限解。在塑性加工中较简单的问题上， 上限法应用最多。 上限单元技术( u b e t ) 是2 0 世纪6 0 年代初在上限法的基础上发展起来的它 解决了复杂速度场构造问题，可以分析各类稳态和非稳态、二维或三维成形过 程，得到了广泛的应用“”1 。它具有计算量较小及处理方法麓单的优点，既可用 于正向模拟，又可进行工件坯料的反向模拟，但对于复杂边界的模拟精度较差， 且无法求得较为精确的应力分布m “。 有限元法是随着计算机技术而迅速发展起来的一种比较新颖和有效的数值模 拟方法。它起源于航空工程中飞机结构的矩阵分析，1 9 6 0 年被r w c l o u g h 首次 用来求解弹性力学的平面应力问题j 后来又成功的用于动力学、固体力学、流 体力学、热和电磁场等许多领域中，对自然科学的进步起到了重要作用。在金 属塑性成形领域中，有限元法比其他研究方法具有以下优点： ( 1 ) 使用范围广。从理论上讲，各种金属材料的各类塑性成形过程都可以用有 限元法进行模拟； ( 2 ) 模型更真实。能考虑多种外界因素对变形的影响，如温度、摩擦和模具形 状等初值、边界条件，对复杂边界有较高的拟合精度； ( 3 ) 给出信息多。能够在计算机上模拟成形工艺全过程，并获得成形过程的多 方面信息，如成形力、应力应变分布以及金属的流动方向预测，甚至微观组织 结构的预测等。 由于有限元法具有以上优点，目前已受到世界塑性加工界的普遍重视，几 乎在塑性加工领域都得n t 不同程度的应用对世界加工业的迸步起到了重要 的作用”。 c h l e e 和s n o b a y a s h i 等较早应用弹塑性有限元法分析了平板冲孔问题 9 第一章绪论 ”，后来还分析了张拉成形、半园冲头的拉深、镦粗、静液涨形、挤压等： h i r a k a w a 、y a r i t a 和g r o b e r 等在分析轧翎等成形过程中改进了弹塑性有限元法； h a r t l e y 和p i l i i n g e r 等在工具与金属之间引入摩擦元反映了摩擦的作用，并将 之用于塑性加工过程的模拟。采用弹塑性有限元法分析金属成形闯题，不仅能 按照变形路径得到塑性区的发展情况、工件中的应力应变分布规律及大小以及 几何形状的变化，而且还能有效地处理卸载问题、计算残余应力和残余应变， 从而可以分析产品的缺陷，找出防止，办法。但是，从分析金属成形过程的计算 角度来看，弹塑性有限元法的不足之处就是计算工作量大，由于该方法处理的 是弹塑性材料。需要采用增量加载，在每一步中必须作出弹性诗算来判断原 来处于弹性区的单元是否已进入屈服，对进入屈服后的单元就要采用弹塑性本 构关系，从而改变了单元剐度矩阵。为了提高计算精度，不希望在一次增量船 载中有过多的单元屈服，所以增量步长不能太大；另外从弹塑性本质来看，用 增量本构理论时，也不允许使用大的变形增量。因此，采用弹塑性有限元法的 计舅效率鞍低。 对于一股的体积成形过程，弹性变形量远小于塑性变形量，因而可以忽略 其弹性变形建立西i j 塑性或刚粘塑性材料模型，采用刚塑性或刚粘塑性有限元 法进行分析，从而使有限元列式和计算过程得到简化，计算效率也大大提高。 屠前，刚塑性或刚粘塑性有限元法己广泛应用于模锻、按压和轧制等体积成形 工艺，以及胀形、冲孔、方盒拉延等板料成形过程的数值模拟中“”1 。 8 0 年代初，美国b a t t e l l e 实验室开发成功了二维讴1 3 塑性嚼糕塑性有碾元程 序a l p i d ，后来w t w u 等将热力耦合计算编入通用程序a l p i d ，继而开发出 d e f o r m 2 d 并在工业中得到成功的应用”1 ，其应用涉及挤压、拉深、车占性压力成 形、切削、复合挤压、冲裁、模锻以及铝合金半固态塑性加工等多种工艺：随 着商性能计算机的出现和对三维工艺精确模拟的需要，商业软件d e f o r m 3 d 、 f o t c e 3 、a u t o f o r g e 等也被开发出来。o e f o r m 2 d 、o e f o r m 3 d 在体积威形过程彷真 分析方面取得了较大的进展，该软件既能够进行刚塑性刚粘塑性模拟，又可进 行弹塑性模拟，已被甩于多种塑性加工工艺的仿真分析。采用有限元模拟方法 1 0 第一章绪论 实现了在“计算机上成形”，可以大大缩短工艺设计时间，优化工艺方案，设 计与选择合适设备，因而成为成形工艺设计的方向。 总之，近十几年来，有限元模拟方法在塑性加工中的应用越来越广泛，有 限元法不但有助于完善塑性加工理论，还可以用来在实际成形前对塑性加工的 结果作出准确的预测，以便采取相应措施来保证得到高质量高精度的零件。利 用这一有力工具进行塑性变形机理的研究，会起到重要作用。 1 5 课题来源及背景 课题来源于北京机电研究所科技开发基金项目。汽车前轴是汽车传动系统 的重要零件之，也是汽车上最大最重的锻件。汽车前轴形状复杂，承受冲击 性负荷，尤其是在汽车下坡急刹车时，前轴将承受汽车负荷的2 3 ，因此对其强 度、剐度及疲劳寿命要求很高。一般轻型车、载重卡车和大型客车的前轴都必 须采用模锻成型的锻件，以保证材质的强度和疲劳寿命指标。 近几年来，由于我国高速公路的发展和西部开发等基础建设因素，载重汽 车产量迅速增长，2 0 0 2 年重型、中型载货汽车产量达至4 l _ 7 万辆，再加上轻型 卡车，市场对前轴的需求超过1 0 0 万根年。北京机电研究所近几年来已陆续为 企业建成5 条汽车前轴精辊模锻生产线，在一定程度上缓解了中重型汽车前 轴锻件供不应求的局面。前轴精辊模锻工艺的技术关键在于精密成形辊锻， 在工程应用中遇到的一个共同的问题是前轴辊锻模具修改次数多，修改量较大， 造成现场工艺调试时间较长( 一般需要三个月以上) 。 针对这一共性问题，我所将前轴精辊戍形过程的三维有限元数值模拟研究 列为所内科研基金课题予以支持，以期通过计算机模拟与实验研究以及工程实 例相结合，总结出前轴精辊成形工艺的规律，从而完善我所开发的前轴精密辊 锻工艺。 辊锻成形过程是一个受多因素影响的复杂过程，材料的性能、模具形状、 毛坯形状、工艺参数、温度等对成形过程都有影响。”。传统的工艺和模具设计 是根据经验、手册、图表等进行的，这种基于经验的设计方法并不是尽善尽美。 随着数值模拟技术的应用，传统的经验设计方法迅速地被更有效的基于模拟的 第一章绪论 设计方法代替。所谓模拟设计就是对成形过程中的金属流动行为进行追踪描述， 并在计算机上反复演示成形过程，获得瞬时应力、应变及温度。以解释金属流 动的实际规律和研究各种因素对成形过程的作用及影响，这样设计人员可在计 算机上分析工艺参数与材料流动之间的关系，观察成形过程，确定是否产生内 部及宏观缺陷，预测成形载荷产品的组织性能。从而可在计算机上进行工艺参 数和模具形状的优化。近年来基于刚塑性、刚粘塑性和热刚粘塑性有限元的模 拟技术已被成功的用于分析各种金属塑性成形问题，该技术适用于广泛类型的 边界条件，对工件的几何形状几乎没有限制，可以获得变形体在成形过程中任 意时刻的流动信息和热力学信息。一些适用于模拟金属塑性成形过程的计算机 软件的开发成功，大大地方便和推动了有限元模拟技术在金属成形领域中的应 用，本文利用u g 软件对前轴典型件精辊成形参数化建模，用d f 侧软件平台 对金属成形规律进行研究，优化前轴辊锻工艺方案及模具设计。 1 6 本课题的意义和主要研究内容 1 6 1 本课题的意义 辊锻工艺通常多用于制坯，辊锻件形状较为简单。对于汽车前轴这样的大型 复杂零件采用精密成形辊锻则由于辊锻过程的影响因素很多( 如前滑、不均 匀变形、展宽、孔型结构) ，现有的辊锻理论无法准确分析变形趋势，成形 辊锻工艺及模具设计很大程度上依赖于设计者的经验，往往造成设计结果与实 际要求相差甚远，需要反复修改模具，反复调试才能正常生产应用。 本研究课题首次将三维有限元数值模拟技术应用于汽车前轴的精密成形辊 锻，对成形辊锻过程进行模拟，获得全过程的材料流动信息和热力学信息，准 确预测分析变形趋势优化工艺参数与模具结构。通过本课题研究，可以大大 提高成形辊锻工艺与模具设计的准确程度，减少试模次数，缩短开发周期，从 而显著节省模具开发费用，降低生产成本。 1 6 2 主要研究内容 前轴辊锻过程比较复杂，属于塑性加工中的大变形问题。刚塑性有限元法 虽然是基于小应变的位移关系。但忽略了塑性变形中的弹性变形，而考虑了材 第一章绪论 料在塑性变形时体积不变条件；刚塑性有限元法的计算步长可以取大些，而且 计算每一步的应力时不是靠应力叠加得到的，下一步计算是在材料以箭累加变 形的几何形状和硬化基础上进行的。它的计算模型比较简单，能用较短的时间 计算较大的变形。刚塑性有限元是d e f o t 谰的核心算法。基于以上原因，本文选 用剐塑性有限元法计算。 前轴辊锻模结构比较复杂，准确确立孔型和选择相关数据是本模拟结果能 否与实际变形情况相吻合的技术关键。辊锻型槽纵向长度的确定直接影响到辊 锻件长度尺寸，所以选择合理的孔型和型槽的纵向长度是本次模拟验证的重点。 出于前轴辊锻建模和模拟的工作量都很大，7 兄且模拟的目的是检验模具参 数和工艺参数是否合理，这就意味着在模拟过程中，需要不断的修改模具，为 节省时问，对辊锻模进行参数化建模是必要的。但是由于辊锻模型腔是典型钓 复杂曲面，两曲面间的过渡倒角成为建模的难点。在参数化建模的过程中经常 出现布尔运算失败，而不能达到参数化建模的目的，这就需要熟练掌握u g 这一 功能强大的软件。 本文在模拟过程中主要是验证设计好的辊锻模具( 第一道、第二道、第三 道和第四道) 是否能辊出理想的锻件并修改模具参数使之达到锻件尺寸要求。 系统地研究第道、第二道应力、应变场变化趋势和辊锻过程变形区的影响范 围，得到工程应用中相关重要参数与辊锻应力应变场之间的关系，并从中掌握 一些有价值的规律；对第三道、第四道着重进行载荷和扭矩分析，在金属体积 成形过程中，掌握在三个方向上的裁荷和扭矩变化观律，这对选择设搔、指导 生产具有重要的实际意义，能够解决在现场调试时间长这一突出的现实问题。 第二章前轴辊锻过程的三维刚塑性刚粘塑性有限元基础 第二章前轴辊锻过程的三维刚塑性刚粘塑性有限元基础 2 1 引言 在金属塑性加工有限元方法中，根据被模拟对象的塑性变形特点，建立合理 的理论模型，选择适宜的求解方法是模拟真实与否的关键。由于影响金属塑性 成形的因素比较复杂，其成形过程又是一个具有物理非线性和几何非线性的塑 性大变形过程，对其进行理论分析一般是比较困难的。因此，对复杂三维金属 体积成形过程数值模拟，一般采用适应性强，计算时间短，应力计算无积累误 差的刚塑性有限单元法。 本章阐明了刚塑性有限元的基本原理，并据此建立起三维尉塑性有限单元法 的求解列式。 2 2 刚塑性流动理论的基本假设和方程 2 2 1 基本假设 金属塑性成形过程中，材料的弹性变形远远小于其塑性变形。因此，忽略 弹性变形，将材料看作剐塑性或刚糕塑性材料是合理的。基于这神假设所建立 的有限元求解列式称为流动列式( f l o wf o r m u l a t i o n ) 刚塑性刚粘塑性有限元求解列式基于下列假设“。“1 i 忽略材料的弹性变形，不计质量力和惯性力； 2 材料均质，且各向同性； 3 。材料体积不变； 4 材料服从m i s e s 屈服准则，且等向强化； 5 刚塑性材料仅发生应变强化，而纯q 粘塑性材料同时存在应变强化和应变速 率强化。 2 2 2 塑性力学基本方程 刚塑性刚粘塑性材料在塑性变形区内满足下列塑性力学基本方程； 1 静力平衡方程 皿。= 0 ( 2 一1 ) 第二章前轴辊锻过程的三维刚塑性刚粘塑性有限元基础 2 。m - s e s 屈服准则 孑：手；- ：了= 孑( 孑，t ) ( 刚塑侄材料) ( 2 2 ) 式中，盯为材料的等效应力。 r = 孑= j 言( ) = 孑( ；，；，t ) ( 刚粘塑性材料)( 2 3 ) 3 本构关系( l e v y m i s e s 方程) ： f ，j = 矗盯， ( 2 4 ) 式中 五= 吾孝 4 ，几何方程( 变形协调条件) ( 2 5 ) ( 刚塑性材料)( 2 6 ) s ，：去 。+ “。) ( 2 - 7 ) 5 体积不变条件： 晶，5 ，= 0 6 边界条件 ( 2 8 ) 在力面s 一上的应力边界条件： q ，月，= 鼻 ( 2 9 ) 在速度面s 。上速度比较条件：“，= “， ( 2 一i o ) 2 2 3 刚塑性冈4 粘塑性有限元的变分原理 为了确定塑性2 n _ t _ 过程的力能参数、变形参数以及应力私应变在工件内的分 布，必须在一定的初始和边界条件下求解有关的方程组，也就是解塑性加工力 学的边值问题。m a r k o v 变分原理是求解塑性力学边值问题的基础可表达为： 第二章前轴辊锻过程的三维刚塑性刚粘塑性有限元基础 设变形体的体积为v ，表面积为s ，在力面上s ，上给定面力f ，在速度面s 。上给 定速度“，则在满足边界条件、协调方程和体积不可压缩条件的许可速度场中。 真实解必然使泛函 万2 j 甜d 矿一j 巧“。搬( 刚塑性材料)( 21 1 ) s f 或 i f 2 je ( g o ) d v j 曩“i d ，( 刚粘塑性材料) ( 2 - 1 2 ) y s f 取驻值，式( 2 1 2 ) 中e ( ) 为功函数，其表达式为： e 魄) = fd f 如f = f 初；( 2 - t 3 _ ) 当泛涵取驻值对，其一阶变分为零。对式( 2 一j i ) 取变分可得j 新= p ；d 矿一fe 缸。嬲= 0 ( 2 - 1 4 ) v s ： 由塑性力学的基本方程可知，对金属的塑性变形问题，其解必须满足边界条 件和体积条不变条侔。然而在实际求解过程中要找到同时满足这两个约束条件 的速度场是很困难的。因此在采用变分原理求解金属塑性加工问题时，常通过 某种方法将体积不变条件弓 入到泛函表达式中，作为对体积变化的一个约束项， 同时得一个新泛函。 体积不变条件处理方法的不同，引入到泛函中的约束项就不相同。得出的刚 塑性刚秸塑性有跟元求解方法和求解列式也不相同，其中主要有l a g r a n g e 莱子 法、材料体积可压缩法和罚函