（材料加工工程专业论文）汽车轮毂轴承单元精锻成形工艺分析及有限元模拟.pdf

摘要 轮毂轴承是汽车上一个非常重要的零部件，其主要作用是承受汽车的重量 及为轮毂的传动提供精确引导。随着前轮驱动汽车的广泛普及，轴承和其它零 部件的一一体化技术得到了飞速发展。为了满足减轻重量、减小体积和安装方便 的要求，轮毂轴承逐渐发展成为轮毂轴承单元。本课题的研究正是基于此，对 新型轮毂轴承单元的成形新工艺进行探索和研究，提出了精密闭式锻造成形新 工艺，可有效提高材料利用率，降低生产成本。 本文通过对第三代轮毂轴承单元结构形状的分析，结合热模锻成形的相关 理论，设计了合理的轮毂轴承单元精密锻造工艺设计流程，制定了不同的锻造 成形工艺方案。对型号为d o e 3 1 1 5 2 的轮毂轴承单元外圈进行了三维实体造型 及预锻件设计，制定了模拟优化设计流程。利用有限元模拟软件d e f o r m 对其 预锻、终锻成形过程进行了有限元模拟。通过数值模拟分析，优化了预制坯的 尺寸、预锻件的连皮厚度及模具结构，研究了模具预热温度、润滑条件对成形 载荷的影响，达到了优化成形工艺参数、模具结构及消除成形缺陷的目的。全 面分析了轮毂轴承单元锻造成形过程中金属的流动规律，等效应力、应变和温 度场的分布情况以及行程一载荷曲线。 通过本课题的研究，将热模锻工艺、有限元理论、数值模拟仿真技术及模 具c a d 技术结合起来，达到了缩短产品开发周期、提高材料利用率及模具寿命、 降低生产成本等目的。本课题的研究成果对同类复杂形状的轮毂轴承单元的生 产以及相关的模具设计提供了理论和实践依据，对实际生产具有指导意义。 关键词：轮毂轴承单元；精锻成形；数值模拟；d e f o r m a b s t r a c t t h e h u bb e a r i n gi sak e yp a r ti nc a r s i t s m a i nf u n c t i o ni st os u s t a i nt h ew e i g h t o ft h ec a r sa n dt oo f f e rp r e c i s i o ng u i d i n gf o rh u bd r i v i n g w i t ht h ep o p u l a r i t yo ft h e f r o n t w h e e ld r i v ev e h i c l e s ，t h eb e a t i n g sa n do t h e rc o m p o n e n t so ft h ei n t e g r a t e d t e c h n o l o g yh a sb e e nr a p i d l yd e v e l o p e d i no r d e rt om e e tt h en e e d st or e d u c ew e i g h t ， d e c r e a s et h es i z ea n di n s t a l l a t i o nr e q u i r e m e n t s ，i ti sg r a d u a l l yr e p l a c e db yh u bb e a r i n g u n i t s t h et h e m ei sb a s e do nt h i ss i t u a t i o n i no r d e rt oc o m eu pw i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fh u bb e a r i n g ，w ep u tf o r w a r dap r e c i s i o nc l o s e d d i ef o r g i n gn e w t e c h n o l o g yt h a tc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v em a t e r i a lu t i l i z a t i o na n dp r o d u c t i o nc o s t s b a s e do nt h eh o td i ef o r g i n gt h e o r y , w ea n a l y z et h es t r u c t u r eo ft h et h i r dh u b b e a r i n gu n i t s ，a n dt h e nd e s i g nar e a s o n a b l ep r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s sa n dm a k e d if f e r e n t f o r g i n gp r o je c t t h e nw ed e s i g n t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h e d o e 一3115 2h u bb e a t i n gu n i t sa n do p t i m i z et h ed e s i g np r o c e s s i nt h i sp a p e r , t h r o u g h a d o p t i n gr i g i d v i s c op l a s t i c f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n du s i n ga m e r i c a n a d v a n c e ds o f t w a r ed e f o r m t h r o u g hf e ms i m u l a t i o n ，t h ew e dt h i c k n e s so f p r e f o r g i n gp i e c e s ，t h es t r u c t u r eo fd i ea n dt h es i z eo fb i l l e ta r eo p t i m i z e d ，w es t u d i e d t h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dl u b r i c a t i o nc o n d i t i o n so nf o r m i n gl o a da n da t t a i n e d t h ea i mo fo p t i m i z et e c h n o l o g yp a r a m e t e r ，t h es t r u c t u r eo fd i ea n da v o i dd e f e c t s o t h er u l eo fm e t a lf l o wa n dt h ed i s t r i b u t i o no fe f f e c t i v es t r e s s ，s t r a i na n dt e m p e r a t u r e f i e l dc a nb eo b t a i n e d a sw e l la st h es t r o k e 1 0 a dc u r v e t h et e c h n o l o g yo ff o r g i n g ，f e ms i m u l a t i o na n dm o u l dc a da r ei n t e g r a t e d t h r o u g ht h i sr e s e a r c h i th e l p st os h o r t e nd e v e l o p i n gp e r i o d ，i m p r o v el i f eo fd i e ，a n d c u td o w nt h ec o s t ，e t c t h ea c h i e v e m e n t so ft h er e s e a r c hc a np r o v i d ea c c o r d a n c ef o r o t h e rh u bb e a t i n g s p r o d u c i n ga n db eu s e dt og u i d ep r o d u c i n gd i r e c t l y k e y w o r d ：h u bb e a t i n g ；p r e c i s i o n c l o s e d d i e f o r g i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； d e f o r m i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武 汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 研究生签名：壹他曰期牡 关于论文使i l l 授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布沦文的全部内容，可以采月j 影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 始丛翌翱始雄日期掣 武汉理1 ：大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 近年来，汽车制造业得到了飞速发展，汽车性能不断提高。锻造成形工艺 作为机械制造技术的手段之一，对汽车工业具有重要作用，是生产受力零部件 的重要工艺。随着汽车工业的不断发展，汽车零部件中对高精度、形状复杂锻 件的需求量越来越大，传统的加工工艺己经不能满足汽车零部件产品的生产需 求。对于汽车制造行业来说，未来的竞争核心将是新产品的竞争，如何实现低 成本、短周期、高质量的汽车零部件的开发，是赢得汽车市场的关键。在这种 情况下，锻造新工艺、省材节能新工艺等的丌发对于新型汽车零部件的生产尤 为重要，而先进工艺模具设计方法将对提高汽车零件设计水平、缩短零件研制 周期和降低生产成本起着举足轻重的作用。 目前，以净成形和近净成形为目标的材料塑性成形加工技术，已经在欧美 等西方发达国家得到迅速发展并发挥着重要作用。精锻成形技术已在较大程度 上实现了近净成形，即制造接近零件形状的工件毛坯，较传统成形技术减少了 后续的机加工工序，从而降低了材料、能源的消耗。其发展趋势是实现净成形， 即直接成形制造符合形状要求的工件。精密塑性成形已成为提高产品性能与质 量，提高市场竞争力的关键技术和重要途径。精密塑性成形不但可以节材、节 能、缩短产品生产周期，降低生产成本，而且可以使金属流线沿零件轮廓合理 分布，获得更好的材料组织性能与结构l l 之j 。 轮毂轴承的作用主要是作为承重件和为轮毂的传动提供精确引导，它既承 受径向载荷又承受轴向载荷，是一个非常重要的零部件。传统的汽车车轮用轴 承是由两套圆锥滚子轴承或角接触球轴承组合而成的，轴承的预紧、密封以及 游隙调整等工序都是在汽车生产线上进行的。这种结构装配困难、成本过高、 可靠性差，难以适应市场的竞争。轮毂轴承单元是在标准圆锥滚子轴承和角接 触球轴承的基础上发展起来的，它将两套轴承合为一体，具有组装性能好、可 省略游隙调整、重量轻、结构紧凑、载荷容量大及免于维修等一系列优点，已 武汉理t 大学硕十学位论文 广泛用于轿车中，在载重汽车中也有逐步扩大应用的趋判3 1 。 各种高新技术的不断发展和应用，使传统塑性加工技术得以不断发展、升 级和提高。为了降低轮毂轴承单元的生产成本和提高其力学性能，本文在模锻 理论基础上，针对轮毂轴承单元自身的特点，提出采用热锻一温精整的成形新 工艺。 在此工艺的基础上，对轮毂轴承套圈成形过程进行了数值模拟，分析了成 形过程中金属流动的速度场、等效应力应变场和温度场，研究了此工艺的普遍 规律，确定了合理的成形工艺参数，为其在实际生产中的应用提供理论依据， 提高我国汽车轮毂轴承单元的生产水平。同时也为类似复杂锻件的实际生产提 供了借鉴。 1 2 国内、外研究现状 1 2 1 汽车精密成形技术的发展现状 精密塑斟：成形技术是先进制造技术的重要组成部分，也是汽车工业、工程 机械行业中应用广泛的制造工艺方法。汽车精密成形技术是指汽车零件成形后， 仅需少量加 ：或不再加工( 近净成形技术或净成形技术) 就可用作机械构件的一 种成形技术。它是建立在新材料、新能源、信息技术、自动化技术等多学科高 新技术成果的基础上，改造了传统的毛坯成形技术，使之由半h 糙成形变为优质、 高效、高精度、轻量化低成本、无公害的成形技术。精密塑性成形技术具有以 下特点： ( 1 ) 高效率、低消耗、低成本，可缩短产品制造周期、降低生产成本。 ( 2 ) 可生产复杂结构零件，为新产品开发提供有力技术支持。 ( 3 ) 使金属流线沿零件轮廓合理分布，获得更好的材料组织结构与性能，从 而可以减轻制件的质量，提高产品的安全性、可靠性和使用寿命。 ( 4 ) 同传统成形工艺相比，可改善生产条件并减少对环境的污染，成为一种 清洁生产技术，为可持续发展创造有利条件。 目前发达国家在汽车精密成形技术方面发展很快，轿车零部件制造中已广 泛采用近净成型技术获得精化毛坯乃至成品零件，美国三大汽车公司目前共拥 有6 0 余条冲臣生产线和1 3 8 条大型多工位压力机组成的自动化冲压线，可保证 2 武汉理j ：人学硕十学佗论文 产品及时换型和中小批量生产的要求。在精锻成形方面，同本和德国走在世界 前列。德国和r 本轿车的输入、输出轴大都采用冷挤压制坯，日本轿车上冷挤 压成形零件平均质量已超过4 0 k g ，其丌发出的换档传动齿轮结合齿整体热锻加 冷精整成形技术，属世界汽车制造业变速箱齿轮锻造先进工艺，可节材3 0 ， 材料平均利用率达6 0 。美国和法国采用缩径一扩胀技术制造出整体桥壳，整 体桥壳具有强度高、投资小、换型快及不需要焊接等优剧4 1 。 国内“九五”期间将“精密成形与加工研究开发和应用示范”列为重点科 技攻关项目。通过该项目的实施，围绕汽车等重大产品以及跟踪国际精密成形 技术的前沿，在汽车薄壁球铁件金属型铸造、铝合金精密冲压、汽车大型覆盖 件冲压成形、精密锻件、快速原型制造等方面取得了一批具有国际先进水平的 科技成果，部分获得了实际生产经济效益。重点发展了热锻技术、冷挤压技术、 成型轧制技术、精冲技术和超塑成形技术。尽管我国的精密成形技术在某些方 面取得了显著进步，但大多数铸造、锻造、冲j 匿、焊接件工艺装备落后，导致 产品毛坯的精度和生产效率还很难适应汽车( 尤其是轿车) 零件制造的要求1 5 j 。江 苏太平洋精密锻造公司引进同本小松、瑞典施密特公司的冷锻、冷摆辗压力机 和先进的模具加工设备，是中国目前冷锻设备条件最好的企业。一汽技术中心 开发出了轻型车半轴冷挤工艺和半轴花键整体凹模正挤工艺，该项目已获得国 家专利。北京机电所开发了阻尼式挤压法和冷挤压分中压联合成形法，用于汽 车安全气囊的生产获得成功i oj 。 1 2 2 轮毂轴承单元的发展过程 轮毂轴承的主要作用是承重和为轮毂的转动提供精确引导，它既承受轴向 载荷又承受径向载倚，是一个非常重要的零部件。近年来，随着前置前驱动轿 车的飞速发展，轮毂轴承逐渐发展成为轮毂轴承单元，尤其是国外知名的汽车 生产厂家与轴承制造商联合研发，新型轮毂轴承单元不断涌现，目前已发展到 第四代。 1 ) 第一一代轮毂轴承 第一代轮毂轴承( 图l 一1 ) 是外圈整体型双列角接触球轴承或圆锥滚子轴承。 它由一个外圈和两个内圈组成。这种结构的主要优点是可靠、有效载荷问距短、 易安装、无需调整、结构紧凑等。为了确保轴承的预紧力，要求沟心距有很高 3 武汉理工大学硕士学位论文 的精度。因此，砂轮用一个具有高尺寸精度的旋转成形修形器来进行修形。外 圈滚道进行同步磨削可以达到理想的高加工精度。内圈滚道也必须有一个非常 精确的定位，应用与外圈一样的成形旋转修形器，通过多角度磨削可以实现高 精密的加工。这种轴承已经相当实用化，我国引进车型大多采用此类轴承【”。 a ) b ) 酗i - i 第一代轮数轴承 a ) 球轴承；b ) 恻锥滚子轴承 2 ) 第二代轮毂轴承单元 第玳轮毂轴承单元( 图i - 2 ) 是将，轴承相配合的零件即轮毂或转向节与 轴承套圈制成一体的结构形式，第二代轮毂轴承单元外圈带有法兰盘，可通过 螺栓连接到悬架上，或安装到钢圈和刹车盘l 。与第一代相比，第二代轮毂轴 承单元装配零件数较少，重量更轻，减少了汽车的燃料消耗安装更为方便。 第一代产品的淬火是分批完成的，而第二代则采用在线高频加热的方式进 行淬火。在回火工艺中也使用了感应加热系统阻节省空间并缩短生产周期”1 。 圈i - 2 第二二代轮教轴承单元 a ) 球轴承；b ) 圆锥滚子轴承 b 武汉理人学硕十学位论文 3 ) 第三代轮毂轴承单元 第二二代轮毂轴承单元( 罔1 3 ) | i 带法兰盘的内圈和外圈组合而成带沾兰 甜的外嘲( 通常为不规则的二二角形或者四方形) 连接在悬架上，带法兰盘的内 圈( 通常为规则的盼i 形) 造接到刹车盘和钢圈l 。与第二：代轮毅轴承单元桐比 第三代轮毂轴承单元的一个显著特点就是集成了a b s 干感器，这种结构在一定 程度卜降低了生产成奉，提高了汽车的安全性能口j 。 耋囊 茅 图1 0 第三代轮毂轴承单元 a ) 驱动轮球轴承：b ) 作驱动轮球轴雁 n s k 铆，k 成彤第- 代轮毂轴承 在传统的第三代轮毂轴承单元的设计中，两个内圈是用锁紧螺母牢同地连 接在起的，而n s kf r 】= 发的新结构是通过轴端的旋压成形，轴向力使带凸缘的 内圈产生塑性变形，与小内圈压紧。去掉螺母有助r 减小轮毂单元的重量和尺 寸，提高可靠性。采用铆j e 成形技术，可靠性将得以提高，即使连接螺母松动 轴承自身也可以提供预载保证。 传统的模锻使整个工件压缩产生塑性变形。因此，加i 大尺寸工件时，需 要很大的压力，而凡当运用于轴承上时，变形往往超h 中心区域。在这种巨夫 n 力作川f ，球与滚道受到挤压在加工过程巾轴承很町能损坏，而铆接上艺 只往局部产生变形并且只用很小的压力。通过控制加载的压力，这种加工用于 轴承的装配十分适合。根据各项试验的结果，n s k 新丌发的旋压成形内嘲自锁 第三代轮毂轴承单元优1 带锁紧螺母的传统型轮毂轴承单元。在保证高可靠性 的| j 订提f ，蓖犀和尺寸减小，满足了当时的市场需求降低了芈辆燃料消耗【7 i 。 s k f 带有a b s 传感器的第三代轮教轴承单元 由s k f 提出的整体环状传感器是基于感应原理的被动a b s 传感器。一个带 武汉理i ：人学硕十学位论文 有2 9 齿的脉冲环经过一个外部有线圈的永久磁场铁旋转。当车轮转动时，线圈 产生一个感应电信号，电信号的频率及大小与车辆转速有关。s k f 的这种结构 在技术上有以下几点优势：防锈性能提高、节省重量和空间、信号强、寿命更 长等，这意味着汽车的安全性能得到进一步提高【刀。 a b s ( 制动防抱死系统) 对车辆安全性做出了巨大贡献。据报道，从2 0 0 0 年起，欧洲所有的轿车及轻型商用车都要将a b s 作为标准配置安装。把a b s 传 感器安装到轮毂轴承单元中有许多优点，其中汽车制造商最关心的足降低成本。 4 1 第四代轮毂轴承单元 第四代轮毂轴承单元是未来轮毂轴承单元的发展方向，它是将轮毂轴承单 元内圈与等速万向节的外套集成为一个整体，进一步减轻重量。这种结构的特 点是废除轮毂花键轴，集成化程度更高，安装更加合理。汽车轮毂轴承已从传 统的分离式轴承发展到轴承单元。轮毂轴承正逐步成为与车轮连为一体的内部 部件，第四代轮毂轴承单元还处在研发和测试阶段，距离实用化已经不再遥远【7j 。 轮毂轴承单元化技术是汽车轴承的研究重点之一，目前如何使轮毂轴承单 元各模块集成为结构更合理，工作更可靠，重量和制造成本更低的轮毂轴承单 元将成为今后研究的重点。 轮毂轴承单元属于技术含量较高的产品，对其设计和生产均有较高的要求， 目自订田内市场上尤其是维修市场上的轮毂轴承单元良莠不齐，产品质量高低不 一，我国于2 0 0 1 年1 0 月1 号起开始正式实施j b t 1 0 2 3 8 2 0 0 l 汽车轮毂轴承 单元标准，来规范和指导轮毂轴承单元的生产，以保证产品质量和安全使用 性能的要求，这套标准是在参考日本k o y o 轴承公司( 光洋精工株式会社) 产品 标准的基础上制定出来的【引。 1 2 3 轮毂轴承单元的研究现状 当前世界上新型中高级汽车车轮轴承全面采用了轮毂轴承单元技术。轮毂 轴承单元作为一种轴承新品种，在国内外市场需求量都较大。相对其他类轴承 而言，轮毂轴承的套圈毛坯的外圈具有壁厚薄、宽度大、内圈大小头尺寸相差 较大的特点，结构复杂不对称，异型多样化，故而其套圈毛坯锻造加工难度较 大。目前世界上还没有一套成熟的轮毂轴承单元精密锻造成形理论及专用锻压 设备。 6 武汉理工人学硕十学位论文 在欧美等发达国家大多采用多工位高速镦锻压力机进行轴承套圈毛坯的热 锻生产，采用中频感应炉加热和塔锻工艺，塔锻工艺是将单件辗扩工艺生产改 为毛坯塔锻工艺生产线，两个锻件一个料芯，即毛坯经过镦粗，然后经过塔形， 继而经过分离成外圈和内圈，外圈( 平高) 辗扩、内圈冲孔。也有部分企业采 用冷、温挤压工艺。 采用高速镦锻工艺具有如下优点：生产率高，平均班产达到2 万件以上； 锻件尺寸精度高，表面粗糙度好，减少了加工余量和公差，提高了材料利用 率；锻造变形属于反挤压成形，金属流线分布好，晶粒细化，改善了金属的 内部组织；自动化程度高，改善了劳动环境等【9 1 。 目前国外生产汽车轮毂轴承单元比较先进的生产工艺路线是使用全自动多 工位热模锻压力机，采用传统的开式热模锻工艺，高速镦锻成形，生产效益高， 产品质量比较稳定，但材料利用率较低( 6 0 7 5 ) ，生产成本较高。国外知名轴 承公司纷纷投入了大量人力物力研究丌发新型轮毂轴承单元，并取得了较大的 进步。如瑞典的s k f ( 斯凯孚) 公司和闩本n s k ( 恩斯克) 公司生产的轮毂轴承 单元产品，走在世界前列。 国内轴承锻造企业出于生产成本的考虑，大多采用劳动密集型的压力机联 线生产，主要工艺方法有单件挤压成形工艺和挤压辗扩成形工艺。这些工艺普 遍存在以下问题：一是普通型的辗扩机辗扩比较困难，辗扩过程不稳定，外圈 轴向毛刺大，并且容易折断辗扩芯辊；二是挤压成形锻造的套圈毛坯质量差， 废品率高，尤其是内圈内径靠上端而处有较深的折叠凹坑；三是生产效率低， 材料利用率低l l 引。此种工艺路线不符合汽车轮毂轴承单元高质量的要求。另外 普通热模锻机生产路线，尺寸精度等级差，生产效率低，质量不稳定，虽然投 资少，但此工艺路线生命周期短，完全不能满足国内外高档汽车轮毂轴承单元 的技术发展需要，不适应未来市场需要，在国内只能做中低档市场。 目前，生产轮毂轴承单元的高速多工位镦锻成形设备，主要以瑞士哈特贝 尔( h a t e b u r ) 公司的a m p 系列，该系列高速镦锻机是5 0 年代开始为热镦螺栓 而制造的，6 0 年代初与德国f a g 轴承公司合作，丌始用于轴承毛坯生产，很快 成为全世界轴承行业毛坯生产的主要设备；以及日本阪村机械株式会社 ( s a k a m u r a ) 的h b p 、h p f 、b p 系列为代表，另外还有俄罗斯梁赞重型锻压机械 公司，意大利s a c i 雌公司的产品等【1 1j 。 7 武汉理一r = 入学硕十学位论文 国内洛阳轴承厂、重庆长江轴承股份有限公司和韶关铸锻厂，先后于上世 纪9 0 年代引进了国外高速镦锻设备，在轴承研制生产方面取得了较大的发展。 同时国内新兴的轴承企业不断发展，如上海温格乐汽车零部件有限公司、杭州 大铭轴承有限公司等成为新的行业看点。 1 3 有限元模拟在金属塑性成形中的应用 1 3 1 有限元模拟在锻造成型中的研究与应用 常用锻造成形的研究方法主要有理论解析法、物理试验法和数值模拟法。 理论解析法的优点是求解直接，能给出力学量与参数问的函数全局关系，对揭 示变形的力学本质和指导实践有重要意义，但是这种方法只能求解简单的或经 过简化的问题，对于复杂问题，求解难度大。当理论解析法不能完全解决问题 时，物理试验法就是一种不可或缺的手段，它可作为理论解析和数值模拟的对 比或验证数据，但是对于复杂成形过程的研究有时试验手段与试验方法无法进 行试验或难以达到要求，而且物理试验法耗资大、周期长和工作量大。数值模 拟法可以克服上述困难，近年来得到快速发展【l ”】。 1 9 6 0 年，r w c l o u g h 最先引入“有限元”这一术语，并用这种方法首次求 解了弹性力学的二维平面应力问题。1 9 6 7 年，e v m a r c a l 和i p k i n g 首先提出了 弹塑性有限元法，开始在塑性加工领域应用。1 9 7 2 年，0 c z i e n k i e w i c z 提出粘 塑性有限元法；1 9 7 3 年，c c l e e 和s k o b a y a s h i 提出了刚塑性有限元法，用 l a g r a n g e 法解除体积不可压缩条件；1 9 7 9 年，o c z i e n k i e w i c z 等给出了用罚函 数法解除体积不可压缩条件的刚塑性有限元法。随着有限元模拟的一些关键技 术趋于成熟和计算机硬件水平的提高，有限元模拟得到广泛的应用【l 昏2 1 1 。德国 b a b e j r e m s 和f s c h a e f e r 借助有限元技术分析热锻中模具工作时的磨损量并以 此预测模具寿命，通过与实验结果相比较，得到模拟结果是可信的【2 2 1 。韩国 j h s o n g 等人通过有限元模拟对伞齿轮闭塞成形工艺参数进行分析，确定较优的 工艺参数，并通过实验与之对比【2 3 1 。德国h g r a s s 等人通过三维热力祸合模拟技 术对连杆成形过程进行分析，并与实验对比，发现实验结果与模拟分析是一致 的【2 4 1 。s k c h o i 等人采用刚塑性有限元法模拟管状锻件的开式锻造工艺，详细 分析了在开式锻造中进给速度和旋转角度对最终锻件圆整度的影响，并确定获 8 武汉理r 大学硕士学位论文 得具有最佳圆整度锻件时的成形工艺参数【2 5 1 。除此之外，国外已经成功开发出 多种商业化有限元模拟软件如a n s y s 、m a r c 、a b a q u s 、d y n a f o r m 和 d e f o r m 等。 从上世纪8 0 年代起，国内学者在将有限元模拟技术应用于锻造成形方面做 了大量工作。哈尔滨工业大学的蒋鹏和清华大学的方刚等人采用刚塑性有限元 法对前轴精密辊锻成形过程进行数值模拟，分析辊锻成形过程中会属变形规律 并研究模具参数对成形质量的影响以及辊锻力矩的变化规律，最终根据模拟结 果来改进辊锻工艺【2b i 。华中科技大学的王华军等人对从动螺旋伞齿轮的精锻过 程进行三维刚塑性有限元模拟，得到了螺旋伞齿轮精锻过程的金属流动规律、 齿形充填模式和变形力参数特征f 2 7 】。东南大学魏志刚和汤文成等人利用有限元 模拟技术，采用弹塑性热力耦合分析行星套冷挤压过程，通过模拟结果指导行 星套成形工艺设计【28 | 。王志诚等人丌发了二维非稳念刚粘塑性有限元软件 r v p f e m ，分析了火车车轮锻造中预锻和终锻两个工步的成形过程，优化了工艺 参数和模具结构，研究出火车车轮成形的最佳工艺流程1 2 。洛阳轴承研究所的 孙j 也明等人采用a n s y s 软件对桑塔纳轿车的轮毂轴承进行有限元分析，确定了 合理的凸度形式及滚子与滚道的最佳凸度匹配关系，给出了滚子、内圈滚道最 佳凸度控制方程【3 0 1 。万向轴承集团技术中心的李永庆等人采用有限元分析软件 a n s y s 对某汽车上的第三代轮毂轴承单元进行了结构强度分析，为产品设计和 开发提供了依据p 。在有限元模拟软件开发方面，国内也取得较大的进展，如 北京机电研究所开发的m a f a p 和s f 3 d 2 d 等。 1 3 2 国内外c a e 技术应用现状 计算机辅助工程技术最初是应用于汽车工程领域的产品丌发中。目前，汽 车工程也是c a e 技术应用最多的领域之一。如通用汽车公司( g e n e r a lm o t o r c o m p a n y ) 和福特汽车公司( f o r dm o t o rc o m p a n y ) 均建立了相应的工程分析部 门，采用数值计算和模拟方法提高产品开发能力。c a e 技术在国外己经广泛应 用于不同领域的科学研究，并普遍应用于实际工程问题，在解决许多复杂的工 程分析方面发挥了重要作用。c a e 技术的广泛应用己经证实其具有支撑产品发 展关键领域的工程价值，并从根本上改变传统产品丌发与设计的方法和模式。 美国于19 9 8 年成立了工程计算机模拟和仿真学会( c o m p u t e rm o d e l i n ga n d 9 武汉理一t = 人学硕士学何论文 s i m u l a t i o ni ne n g i n e e r i n g ) ，其它国家也成立了类似的学术组织。各国都在投入 大量的人力和物力，加快人才的培养。j 下是各行业中大批掌握c a e 技术的科技 队伍推动了c a e 技术的研究和工业化应用。 就c a e 技术的工业化应用而言，西方发达国家目前已经达到了实用化阶段。 通过c a e 与c a d 、c a m 等技术的结合，使企业能对现代市场产品的多样性、 复杂性、可靠性、经济性等做出迅速反应，增强了企业的市场竞争能力。在许 多行业中，计算机辅助分析己经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强 制性的工艺规范加以实施。以国外某大汽车公司为例，绝大多数的汽车零部件 设计都必须经过多方面的计算机仿真分析，否则根本通不过设计审查，更谈不 上试制和投入生产。现在计算机数值模拟已不仅仅作为科学研究的一种手段， 在生产实践中己作为必备工具普遍应用。 通过多年的不懈努力，我因在c a e 仿真分析方面也取得了长足进步，建立 了自己的计算机辅助工程科技队伍，在许多领域开展了c a e 技术的研究和应用。 f h 目自，j 我们的c a e 技术与发达国家相比仍存在一定的差距，特别是在具有自主 识产权的大型通用分析软件的，r 发和c a e 技术的工业化应用方面，这种差距还 相当明显。从行业和地区分布方面来看，发展也还很不平衡。 目前，a b a q u s 、a n s y s 、n a s t r a n 、d e f o r m 等大型有限元分析软件 己经被引进我国，在汽车、航空、机械、材料等许多行业得到了应用，而且我 们在某些领域的应用水平并不低。不少大型工程项目也采用了这类软件进行分 析。我国已经拥有大量科技人员在从事c a e 技术的研究和应用，取得了不少研 究成果和应用经验，使我们在c a e 技术方面紧跟现代科学技术的发展。但是这 些研究和应用的领域以及分布的行业和地区还很有限，现在还主要局限于少数 具有较强经济实力的大型企业、部分大学和研究机构【3 2 1 。 我国的工业界在c a e 技术的应用方面与发达国家相比水平还比较低。大多 数的工业企业对c a e 技术还处于初步的认同阶段，c a e 技术的工业化应用还有 相当的难度。这是因为，一方面我们缺少自己丌发的具有自主知识产权的计算 机分析软件，另一方面大量缺乏掌握c a e 技术的科技人员。对于计算机分析软 件问题，目前虽然可以通过技术引进以解燃眉之急，但是国外的这类分析软件 的价格一般都相当昂贵，国内不可能有很多企业购买这类软件来使用。而人才 的培养则需要一个长期的过程，这将是对我国c a e 技术的推广应用产生严重影 响的一个制约因素。 1 0 武汉理j ：人学硕十学位论文 随着计算机技术向更高速和更小型化的发展和分析软件的不断丌发和完善 c a e 技术的应用将愈来愈广泛并成为衡量一个国家科学技术水平和工业现代化 程度的重要标志。大力推进我国计算机辅助工程技术的科学研究和工业化应用 刻不容缓。 1 4 课题来源及主要研究内容 本课题来源于湖北省科技攻关重点项目“汽车轮毂轴承单元精密锻造工艺 研究开发”。 通过本课题的研究，探索出一条适合汽车轮毂轴承单元实际生产的节能、 低成本的成形新工艺。在此工艺基础上利用c a d 软件及有限元模拟软件进行模 具的设计和成形过程模拟仿真。分析轮毂轴承单元锻件在成形过程中的金属流 动、等效应力、应变和成形载荷的分布规律，提出影响轮毂轴承译元成形的各 工艺参数，分析研究一些主要： 艺因素对锻造成形过程的影响规律，优化并获 得能够锻出合格锻件的工艺及模具参数。为设计人员提供更先进的设计手段， 从而提高劳动效率，降低成本，创造经济效益。 本文以型号为d o e 3 1 1 5 2 的轮毂轴承单元为研究对象，对轮毂轴承单元精 密模锻成形的几个关键技术，即锻造工艺分析、工艺方案优化、成形过程变形 规律分析以及各种参数对轮毂轴承精锻成形的影响等问题进行了研究。本课题 在给定了零件几何形状尺寸，材料参数和加工设备的条件下，运用p r o e 三维造 型软件进行模具经验性设计，利用有限元模拟软件d e f o r m 对轮毂轴承单元精 锻成形过程进行数值模拟。达到减少成形缺陷，提高材料利用率的目的。具体 研究内容如下： 1 ) 研究分析国内外相关资料，吸取其宝贵经验。根据热模锻成形相关理论 知识，结合轮毂轴承单元自身特点，分析制定了其工艺设计流程及精锻成形工 艺方案； 2 ) 在三维造型软件p r o e 的c a d 平台下，进行轮毂轴承单元锻件的锻造工 艺分析及模具设计；构建用于数值模拟的三维模型； 3 ) 根据刚粘塑性有限元法的基本原理，利用有限元模拟软件d e f o r m 对汽 车轮毂轴承单元的锻造成形过程进行数值模拟，对预锻件尺寸形状和模具结构 武汉理_ j 大学硕士学位论文 进行优化模拟。通过数值模拟预测成形中可能出现的工艺缺陷，达到优化工艺 参数，消除成形缺陷，提高材料利用率的目的。 4 ) 根据模拟结果，分析锻件的金属塑性成形过程，得出关键因素对轮毂轴 承单元精锻成形的影响规律，金属流动规律等，获得能够锻出合格锻件的工艺 及参数。 1 5 本章小结 本章概述了课题的工程背景，简单介绍了汽车精密成形技术的发展现状、 轮毂轴承单元的发展过程及研究现状，并对有限元模拟在金属塑性成形中的应 用进行了阐述。最后说明了本课题的来源及主要研究内容。 1 2 武汉理j ：人学硕十学位论文 2 1 引言 第2 章刚粘塑性有限元理论及方法 有限元法也叫有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ，是随着计算机技术的发 展而出现的一种有效的离散数值计算方法。最初用于固体力学的数值计算，目 前已在很多领域得到了广泛应用，发展到电磁学、热传导、流体力学和材料科 学等领域。有限单元法的应用也从线性问题扩展到非线性问题，分析的对象从 弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料，从连续体扩展到非连续体。 金属塑性加工是材料成形的一种主要工艺方法，根据变形特点分为两人类， 即体积成肜工艺和板料成形工艺。通常，体积成形工艺中，金属材料产生较大 的塑性变形，弹性变形相对较小，可忽略不计；板料成形工艺中，金属材料变 形既有弹性变形又有塑性变形，且弹性变形对成形工艺有很大影响。正因为如 此，形成了两种典型的材料模型，即刚塑性材料模型和弹塑性材料模型。由于 金属材料的弹性与塑性本构关系差别较大，其对应问题的描述乃至求解都有明 显不同。因此，与之相对应塑性有限元法也分为刚塑性有限元法和弹塑性有限 元法。 刚塑性有限元法就是针对体积成形类问题的特点而提出的。1 9 7 1 年，l u n g 在马可夫( m a r k o v ) 变分原理基础上，把体积不可压缩条件用拉格朗同( l a g r a n g e ) 乘子法引入泛函中，建立了刚塑性有限元公式。1 9 7 3 年，l e e 和k o b a y a s h i 提出 刚塑性分析的矩阵法，而后z i e n k i e w i c z 等人又用罚函数法把体积不可压缩条件 列入马尔可夫变分原理，得到相应的刚塑性有限元法。 刚塑性有限元法不计弹性变形，采用m i s e s 屈服准则和l e v y m i s e s 方程， 求解未知量为节点速度。它通过在离散空间对速度的积分来解决几何非线性问 题，因而解法相对简单并且求解效率高，求解精度可满足工程要求。体积成形 中金属材料可分为刚塑性硬化材料和刚粘塑性材料，因此模拟与分析过程所采 用的有限元法也有所不同。刚塑性硬化材料所对应的有限元法是刚塑性有限元 法，适用于冷、温态体积成形问题；刚粘塑性材料对应的则是刚粘塑性有限元 1 3 武汉理r = 大学硕士学位论文 法，适用于热念体积成形问题。目前有限元法己成为对金属塑性成形过程进行 数值模拟的重要手段 3 3 】。 2 2 刚粘塑性有限元基本方程 2 2 1 刚粘塑性有限元法的基本假设 金属塑性成形过程中，材料的变形十分复杂，在对其进行有限元数值模拟 时，有必要做出一些基本的假设和近似，以便于数学上进行处理。本文采用刚 粘塑性有限元法模拟轮毂轴承精锻成形过程时，基于下列基本假设： 1 ) 不考虑材料的弹性变形； 2 ) 忽略体积力( 重力、惯性力等) 的影响； 3 ) 材料均质且各向同性： 4 ) 材料不可压缩，体积保持不变； 5 ) 材料变形服从l e v y m is e s 流动法则； 6 ) 模具假设为刚性。 2 2 2 塑性力学基本方程 刚粘塑性材料发生塑性变形时应满足以下基本方程1 3 3 1 ： 1 ) 平衡微分方程( 运动方程) o 。j = 0 2 )速度一应变速率关系方程( 几何方程，协调方程) 叠盯= 吉( u ，。，+ u ，) 3 ) l e v y m i s e s 方程( 本构关系) 3 于 n2 面o q 式中，嘭为应力偏量；手为等效应变速率，厅为等效应力； 1 4 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 武汉理- 大学硕十学位论文 一般的，厅= 万( 享，万，丁) ，即金属材料的流动应力是等效应变速率、等效应变 和温度的函数。 式中，七为屈服剪应力，是与材料加工硬化性质有关的参数，k ：旱； 、3 5 ) 体积不可压缩条件 叠，= 岛嘞= 0 ( 2 5 ) 6 ) 边界条件边界条件包括力学边界和速度边界条件 力学边界条件：在力面品上 刀= i ( 2 6 ) 速度边界条件：在速度面品上 u i = h i ( 2 7 ) 式中，玎：表示s r 表面上任意点处单位外法线矢量的分量。 2 3 刚粘塑性有限元的变分原理 2 3 1 理想刚塑性材料的变分原理 理想刚塑性材料的变分原理又称为马可夫变分原理( m a r k o vp r i n c i p l e ) ，其 表述如下：对于刚塑性边值问题，在满足变形几何方程、体积不可压缩条件和边 界速度条件的一切运动容许速度场“? 中，使泛函 兀= 磊d v j i p 刖沁 ( 2 _ 8 ) 取驻值( 即一节变分万兀= 0 ) 的u j 为本问题的精确解。 1 5 尼 = 嗒，一” 盯 一2 i u呵n准已月屈 seslm、，4 武汉理t 大学硕士学位论文 2 3 2 刚塑性材料不完全广义变分原理 一般来说，在利用马可夫变分原理，选取满足速度边界条件和几何方程的 容许速度场比较容易，而要同时满足体积不可压缩条件非常困难。，因此在求解 金属塑性成形问题时，一般对体积不可压缩条件进行约束处理。典型的约束处 理方法有拉格朗日乘子法和罚函数法。 1 拉格朗同乘子法 拉格朗同乘子法是建立在刚塑性材料不完全广义变分原理的基础上，它把 体积不可压缩条件用拉格朗同乘子五引入能率泛函中，得到如下的新泛函： 兀= 工磊d 矿+ 1 2 亡v d v 一艄舔 ( 2 9 ) 同理，对于一切满足几何方程和速度边界条件的容许速度场，其精确解使 式( 2 - 9 ) 取极值，即满足 万兀，= f 蔬d 矿+ 工鸽呜d y + 工觑岛气d v 一工。p i 6 u ，d s = 0 ( 2 1 0 ) 2 罚函数法 罚函数法的基本思想是用一个足够大的f 数口( 如口= 1 0 6 ) 把体积不可压 缩条件引入泛函式( 2 - 8 ) ，构造出一个新泛函，即 兀2 一- - 工翻y + 竺2 胁d y 一只u i d s = 0 ( 2 1 1 ) 则对于一切满足几何方程和位移速度边界条件的容许速度场，其真实解使 式( 2 - 11 ) 取极值，即满足 们：= 翮矿+ 口胁晚d v - p ，万“，嬲= o ( 2 1 2 ) 这里的罚函数源于最优化原理中的罚函数法，具有数值解的特征。其中口取 值应适宜，通常口= 1 0 5 1 0 7 较好。 2 3 3 刚粘塑性材料的变分原理 刚粘塑性边值问题可叙述如下：设在准静态变形的某一阶段，变形体的形 状、内部温度及材料参数等的瞬时值已确定；设该变形体体积为y ，表面为s ，s 分为和鄙和瓯两部分，并且& 和上分别给定应力边界和速度边界条件，此时， 变形体处于粘塑性状态。 1 6 武汉理t 大学硕+ 学位论文 刚粘塑性边值问题的场方程和边界条件与刚塑性问题相同，即式( 2 - 1 ) 一 ( 2 7 ) 。应注意的是材料模型，此处为y = f ( g ，言，t ) 。因此，可认为刚塑性是刚 粘塑性问题的特例。 对于刚粘塑性边值问题，在满足几何方程、体积不可压缩条件的一切容许 速度场中，其真实解使下列泛函 1 - i2 工e ( 岛) d y j i 。p f 西f 嬲 ( 2 1 3 ) 取驻值，即一阶变分为零 8 1 - i2 工万e ( 岛) 呜d 矿一正p f 万西f 嬲= o ( 2 1 4 ) 式中，e ( 南) 表示塑性变形功率函数，是凸函数。实际求解推导公式时，它与材 料模型公式密切相关。 设刚粘塑性材料模型公式为 y = 厂( 万，万，t ) ( 2 1 5 ) 则对应的功率函数可以表示为 e 媾j 、) = 安。张i = 毫艿d 考 心1 6 ) 所以，当给定刚粘塑性模型时，就可由式( 3 1 6 )