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轻卡汽车转向节锻造成形工艺的研究 摘要 随着汽车工业的发展，汽车零部件中对高精度、形状复杂锻件的需求量越 来越大，传统的加工工艺已经不能满足汽车零件产品需求。在这种情况下，锻 造新工艺、省材节能工艺等的开发对于新型汽车零件的生产尤为重要，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成本 起着举足轻重的作用，从而大大提高汽车市场的竞争力。 本文根据热锻成形理论，以6 7 0 0 轻卡汽车转向节为研究对象，做了以下工 作： ( 1 ) 以摩擦压力机为锻造成形设备，设计了一火成形锻造工艺，即下料 _ 中频加热_ 制坯_ 预锻一终锻。 ( 2 ) 利用有限元模拟软件，对制坯、预锻和终锻工序建立了三维热力耦 合有限元模型并进行了有限元模拟分析。通过模拟优化了制坯的毛坯形状和尺 寸，得到制坯、预锻、终锻时金属流动过程、金属在锻模型腔中的充填情况以 及变形体的等效应变分布情况和预、终锻成形载荷一行程曲线的分布情况，为 模具设计提供了依据，优化了模具结构。 ( 3 ) 以预、终锻模具为研究对象，通过有限元计算得到模具的适时磨损 量、总的磨损量以及温度分布、金属滑移速度的分布情况，预测了模具的磨损 寿命。 本文对上述工艺进行了物理实验研究，物理实验结果与模拟结果相吻合， 验证了数值模拟结果的正确性和新工艺方案的可行性，实现了轻卡汽车转向节 在摩擦压力机上实现一火成形，简化了零件成形的生产工艺，降低了生产成本， 达到了节能环保的要求，为同类型锻件生产工艺的制定提供了借鉴。 关键词：汽车转向节一火成形有限元模拟模具磨损 a s t u d yo ff o r g i n gf o r m i n g p r o c e s sf o rs t e e r i n g k n u c k l eo fl i g h tt r u c k a b s t r a c t w i t ht h eh ig hd e v e l o p m e n to ft h em o t o ri n d u s t r y , m o t o rp e r f o r m a n c e l s a d v a n c e d c o n t i n u a l l y ，t h e r ei sag r e a td e m a n d f o rp r e c i s ea n dc o m p l e xa u t op a r t s t r a d i t i o n a lp r o c e s s e sc a n tm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h em o t o rp a r t s i ns u c hc a s e s ， n e wf o r g i n gp r o c e s s e s ，m a t e r i a la n de n e r g ys a v i n gp r o c e s s e sa r ev e r yi m p o r t a n tt o t h ep r o d u c t i o no fn e wt y p eo fa u t op a r t s a n dt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo fd i e d e s i g nw i l lp l a y a ni m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n ga u t op a r t sd e s i g n ，s h o r t e n i n g d e v e l o p m e n tp e r i o da n dl o w i n gp r o d u c t i o nc o s t b a s e do nt h et h e o r yo ft h eh o t f o r g i n gf o r m i n g ，t h ew o r ki si n t r o d u c e di nt h e r e s e a r c ho nt h e6 7 0 0s t e e r i n gk n u c k l eo fl i g h tt r u c ka sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h ef r i c t i o np r e s sf o rf o r m i n ge q u i p m e n t ，d e s i g n i n g af o r g i n g p r o c e s so fo n e h e a t i n gf o r m i n g ，i e b l a n k i n g - * h e a tu pi n t h em i d d l ef r e q u e n c y f u r n a c e - - p r e - f o r m i n g - - - * p r e - f o r g i n g - * f i n i s h - f o r g i n g ( 2 ) u s i n gt h ef e ms o f t w a r e ，t h et h r e e d i m e n s i o n a l t h e r m a lc o u p l i n gf e m m o d e lf o rp r e f o r m i n g ，p r e - f o r g i n ga n df i n i s h - f o r g i n gp r o c e s si ss i m u l a t e da n d a n a l y z e d t h es h a p ea n ds i z eo ft h eb l a n ki sg o tt h r o u g hi t e r a t i v es i m u l a t i n ga n d o p t i m i z i n g t h em e t a lf l o wp r o c e s s ，d i s t r i b u t i o no fm e t a li nt h ep r e - f o r g i n ga n d f i n i s h f o r g i n gd i e s ，d i s t r i b u t i o no fe q u i v a l e n ts t r a i na n dc u r v eo f t h ef o r m i n gl o a d a g a i n s ts t r o k e o ft h ef o r g i n ga r eg o t ，w h i c hp r o v i d e st h er e f e r e n c ef o rm o l d d e s i g n i n ga n do p t i m i z i n gt h em o l ds t r u c t u r e ( 3 ) i nt h er e s e a r c ho nt h em o l do ft h ep r e - f o r g i n ga n df i n i s h f o r g i n g ，t h e c u r r e n ta n dt o t a lw e a rv a l u eo fd i e s ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r ea n dm e t a l s l i d i n gv e l o c i t ya r eg o t ，m e a n w h i l e ，t h ed i e ss e r v i c el i r ei sf o r e c a s t e d t h e p r o c e s sm e n t i o n e da b o v e i ss t u d i e dt h r o u g hp h y s i c a le x p e r i m e n t ，t h er e s u l t i n o s c u l a “j st h en u m e r i c a lr e s u l t w h i c hv a l i d a t e st h ec o r r e c t i o no ft h en u m e r i c a l r e s u l ta n df e a s i b i l i t yo ft h en e wp r o c e s s ，r e a l i z i n go n e h e a t i n gf o r m i n go fs t e e r i n g k n u c k l eo fa u t o m o b i l eb yf r i c t i o np r e s s ，s a m p l i n gp r o c e s so fp a r t 。f o r m i n g ， r e d u c i n gt h ep r o d u c t i o nc o s ta n dm e e tt h er e q u i r e m e n t o fe n e r g ys a v i n ga n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i ta l s op r o v i d e sr e f e r e n c e sf o rt h ef o r m i n go ft h es i m i l a r p a r t s k e y w o r d s ：s t e e r i n gk n u c k l e ；o n e - h e a t i n gf o r m i n g ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；d i e w e a r 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 10 图3 11 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 10 图4 1l 图4 12 图4 13 图4 14 图4 15 图4 16 图4 17 图4 18 图4 19 图4 2 0 图4 21 图4 22 插图清单 刚( 粘) 塑性有限元分析系统程序框架9 汽车转向节分类图l 2 6 7 0 0 轻卡汽车转向节锻件图l3 6 7 0 0 轻卡汽车转向节三维模型图13 胎模结构图14 预锻件三维模型l5 改进前数值模拟结果1 6 改进后数值模拟结果l6 不对称式劈料台l6 预锻模具三维模型l7 飞边槽结构图18 终锻模具三维模型18 d e f o r m o m 系统结构示意图2 0 预锻模型2 1 终锻模型2 1 简化后的预锻模具网格图2 2 简化后的终锻模具网格图2 2 a i s i 514 0 流动应力应变图2 5 a i s i h13 钢流动应为应变图2 5 坯料镦粗前的形状2 6 坯料镦粗后的形状2 6 杆部拔长后的形状2 6 整体压扁后的形状2 7 预锻变形过程2 8 预锻工步中材料在模腔中的充填28 预锻载荷一行程曲线2 9 预锻件的等效应变分布2 9 终锻成形过程30 终锻工步中材料在模腔中的充填情况30 终锻载荷一行程曲线31 终锻件等效应变分布31 预锻模温度分布图3 2 金属滑移速度分布图32 预锻模磨损分布图32 图4 23 图4 2 4 图4 25 图4 26 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 终锻模温度分布图33 金属滑移速度分布图3 3 终锻模磨损分布图3 4 磨损速率与时间的关系曲线3 4 预锻模具实体图36 终锻模具实体图3 6 16 0 0 t 摩擦压力机37 预锻件照片37 终锻件照片37 6 70 0 轻卡汽车转向节照片37 表格清单 表3 1圆角半径增大值1 5 表4 1预锻结束后选取点的磨损值3 5 表4 2终锻结束后选取点的磨损值3 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：粜卜；妥签字日期： 4 月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月曼王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金月巴王些太 三l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：象扎襄 签字日期：) 叼年午月召日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 锄。鼬昏 p p 岁日 致谢 本文是在导师陈文琳老师的悉心指导下完成的。两年半的学习和科研工作 饱含了导师对我给予的辛勤培养和不倦的教诲，她在生活上也给予了我无微不 至的关怀。导师诚信待人的高尚品格、渊博的专业知识、严谨求实的治学态度 和严于律已的拼搏精神，使我深受熏陶，并将受益终身。正是导师的严格要求、 大力支持和无私帮助，才使我的研究工作得以顺利进行，论文如期完成。值此 论文完成之际，谨向表示导师最衷心的感谢和崇高的敬意! 特别感谢材料学院刘全坤教授，陈忠家老师，在我的研究生学习生涯中， 他们给予了我学习上的启迪和生活上的关怀。 感谢王世东、李伟、朱玉生、詹斌师兄和韩晓玲师姐的帮助，感谢王荐、 曹俊、邹文超、吴大鹏、夏正宝、张文超和程颖同学对我的关心和支持。 衷心感谢在百忙中抽出时间审阅本文的专家和教授，感谢答辩委员会的各 位老师和专家对论文提出的宝贵建议。 最后，深深地感谢我的父母、家人以及所有未在此一一提及的师长、同学 和朋友对我的关爱与支持! 作者：朱小兵 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1前言 近年来，汽车制造业得到了迅猛发展，汽车性能不断提高。锻造工艺作为 机械制造技术之一，对汽车工业具有重要作用，是生产受力部件成形的重要手 段。随着汽车工业的发展，汽车零部件中对高精度、形状复杂锻件的需求量越 来越大，传统的加工工艺已经不能满足汽车零件产品需求。在这种情况下，锻 造新工艺的开发对于新型汽车零件的生产尤为重要，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成本起着举足轻重的作 用，从而大大提高汽车市场的竞争力e l 】。 塑性成形是材料加工的主要方法之一，它是利用金属塑性使金属在外力作 用下成形的一种加工方法。塑性成形在工业生产中得到广泛的应用，据统计， 在汽车生产中7 0 以上的零部件都是利用金属塑性加工而成【2 】。随着国内汽车 制造业的迅速发展，汽车性能不断提高，汽车零部件中对高精度、形状复杂的 锻件需求量越来越大，塑性加工行业迎来一个前所未有的发展机会，也面临着 新的挑战【3 4 j 。 汽车转向节是汽车前轴与前轮之间的关键零件，工作时不但要承载前轴给 它的压力和地面给它的反作用力，还受到控制行使方向的扭力，其服役条件对 零件的尺寸精度、表面质量和金属纤维流向都有很高的要求。国内生产此类锻 件仍然存在加工余量大、成形不易充满及模具设计困难等问题，探索该类锻件 的合理锻造方法对我国汽车产业发展具有重要意义p ，o j 。 目前汽车转向节锻件主要依靠设计人员的经验不断试模、修模来保证质量， 即使经验丰富的设计人员也很难保证一次成形出合格的终锻件，反复的试模、 修模不仅浪费大量时间、人力和物力，而且增加生产成本，降低企业在市场中 的竞争力。近年来，随着计算机软硬件技术、金属塑性流动理论和计算机图形 学等交叉学科的迅猛发展，有限元数值模拟技术得到了快速发展，以数值模拟 等先进方法解决工业生产中的实际问题已成为金属成形技术的发展方向。采用 有限元数值模拟方法，可实现体积成形过程的模拟分析，获得零件的成形规律、 以较小的代价，在较短的时间内找到最优的和可行的设计方案，为同类零件成 形工艺的研究开发和应用提供技术依据和理论指导弗j 1 2国内、外研究现状 1 2 1有限元模拟在锻造成形中的研究与应用 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间的函数全局关系，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缺少的手段，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【9 叫制。 采用有限元法对金属成形过程进行数值模拟起源于1 9 世纪6 0 年代，最初主 要应用于模拟小塑性应变。r h i l l 开创了大变形的理论基础研究s k o b a y a s h i 和 c h l e e 于7 0 年代提出基于变分原理的刚塑性有限元法，o c z i e n k i w e i c z 等人最 先把刚粘塑性有限元应用于分析塑性成形过程。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 1 5 - 2 0 。 k o b a y a s h i 2 1 】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， 模拟结果与实验结果吻合较好。1 9 8 2 年，o h 2 2 】提出了处理任意形状模具边界条 件的方法，对刚塑性有限元法做了进一步的完善，并与w u 和a l t a n 等学者一起 成功地开发了二维模锻过程的刚塑性刚粘塑性有限元程序a l p i d ，并用于各种 锻件锻造过程模拟分析。p a r k j g l k o b a y a s h i 2 3 】较早地进行了三维成形问题的模拟 研究，分析了矩形块体、楔形块体的镦粗过程，考察了摩擦条件对变形体构形 和变形力的影响y o o n 和y a n 2 4 】，模拟了三维齿轮的精锻过程。 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。在国内，在二维模锻过程的刚塑性刚粘塑性有限元模拟方面也做 了系统的研究工作。王忠金【2 5 】针对复杂形状的模具型腔曲面和锻件提出了基于 b 样条方法的曲面描述技术及样条曲面插值六面体网格生成方法，据此进行了 连杆终锻成形过程的三维刚粘塑性有限元模拟。蒋浩民【2 6 】网采用基于映射法的 六面体网格划分技术和基于边界构形的网格重划分技术，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，计算结果与实验结果吻合较好。 左旭【2 7 】对汽车零件十字轴和曲轴的多工位模锻成形的全过程进行了三维有限 元模拟，并开发了三维有限元模拟软件f o r m i n 9 3 。曹飞【2 叫利用d e f o r m 软件对 曲轴锻造成形过程进行了有限元模拟。河南科技大学运用商业化软件 m s c s u p e r f o r m 对连杆热锻成形过程进行有限元模拟，得到热锻模具关键部位 的温度场、等效应力场和等效应变场在时间和空间上的分布规律，并通过理论 解析法预测热锻模具寿命【2 9 1 。哈尔滨工业大学和清华大学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，分析辊锻过程中金属变形规律并研究 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 3 0 】。东南大学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【3 1 1 。合肥工业大学汪泽 波通过d e f o r m 3 d 软件分别对4 0 1 0 客车转向节和a 1 1 轿车转向节进行了数值 模拟，对其成形工艺进行了分析p 引。 2 综上所述，有限元模拟技术已广泛应用于锻造成形领域。 1 2 2 汽车转向节成形工艺的研究现状 由于汽车转向节具有重要经济价值和难成形的特点，引起国内外锻压界的 高度重视。 机械工业部第四设计院提出在6 3 m n 热模锻压力机上转向节成形工艺，该 工艺利用设备具有较高打击压力特点成形质量为3 7 k g 的s t e y r 转向节，成形 过程只经过一火成形，锻件质量较好，材料利用率较高【”】。丹东五- - k 集团提 出在自由锻锤上制坯，5 t 模锻锤终锻两火成形s t e y r 汽车转向节，并将终锻 模下模设计成镶块式组合模，以提高模具寿命【3 4 1 。重庆国营清江机械厂提出在 自由锻锤上制坯和3 t 锻锤上预锻、终锻成形工艺，该工艺能较好成形转向节， 但需要两火成形，而且对制坯要求较高【3 5 】。东风汽车公司毛厚军通过在4 0 m n 热模锻压力机上采用闭式预锻、开式终锻工艺生产1 5 t 轻型车转向节，该工艺 在预锻中采用闭式型腔并通过在凸模上设置挤压筒使金属充满型腔从而达到 预锻时无飞边产生，提高材料利用率，然而杆部和法兰交叉处金属流动激烈， 导致模具寿命较低，而且处于下模的长杆不宜脱模，长杆处的深腔也不易清理 36 1 。北京机电研究所和中国重汽公司提出s t e y r 转向节的挤压一模锻复合成形 工艺，并对该工艺进行详细的阐述【3 7 , 3 8 】。山东光岳转向节总厂针对轿车转向节 的特点提出在4 0 m n 热模锻压力机上采用半封闭挤压工艺成形n j l 0 2 0 轿车转 向节，该工艺材料利用率较高，锻件质量稳定。安庆百协精密锻造有限公司详 细分析转向节结构特点，提出锤上模锻成形长杆类转向节工艺，该工艺利用金 属流动时在型腔法兰盘处产生的阻力挤压长杆，使杆部金属流向和外形保持一 致，锻件质量好【39 1 。北京机电研究所在6 3 m n 直驱式螺旋压力机上采用镦粗一 挤压一预锻一终锻工艺成形奔驰重卡转向节，并通过有限元模拟软件 d e f o r m t m 对成形过程进行三维有限元模拟，通过模拟与工艺实验证实该工艺 是可行的【4 0 1 。燕山大学根据转向节的用途和形状特征对转向节进行分类，详细 分析轿车转向节特点和目前轿车转向节成形工艺的问题，提出在1 6 m n 闭塞液 压机上采用闭塞挤压工艺成形轿车转向节，并采用d e f o r m t m 软件对成形过程 进行有限元模拟，采用该工艺成形轿车转向节，不仅锻件质量好、材料利用率 高，还可降低对设备公称压力的要求 4 1 4 4 1 。汉诺威大学提出转向节的半固态成 形工艺，并指出目前采用低碳钢的半固态锻造转向节技术上还不成熟，生产成 本也比较高。韩国机械研究院s a n g y o n gl e e 、德国e f ug m b h 公司g h i r t 等 人对半固态成形汽车转向节也都进行了深入研究【4 弘4 川。 综上所述，目前汽车转向节生产仍主要是通过锻造成形。按锻造时金属流 动的形式可分为立式锻造和卧式锻造，按锻造时加热次数又可分为一火和两火 成形。随着汽车性能的提高，对转向节锻件质量要求也越来越高，如何制定合 3 理工艺满足生产要求成为目前研究重点。 1 3 课题来源及研究对象、目的意义 1 3 1课题来源 本课题是某锻件厂的生产研究项目，该厂是为j a c 汽车生产转向节。 1 3 2 研究对象 本课题研究对象是6 7 0 0 卡车转向节，属于枝叉类锻件。该转向节复杂系数 高，成形难度大，成形的难点在于叉部。 1 3 3目的、意义 汽车转向节是汽车转向系统的关键零件，随着国内汽车产业飞速发展，该 类锻件市场前景极为广阔，然而目前国内生产此类锻件仍然存在加工余量大、 成形不易充满及模具设计困难等问题，所以探索该类锻件成形工艺具有十分重 要的意义。传统的生产方式是自由锻成形，成形过程需要两次加热，能源浪费 而且污染严重，质量也不易控制。为了响应国家节能减排的政策，提高生产效 率和产品质量，将生产工艺进行改进，利用现有设备实现一火成形。为了减少 研发成本，通过计算机模拟各工步的成形过程，确定成形工艺，得到一套切实 可行的生产工艺及合理的模具结构。 1 4 课题研究主要内容 本课题主要工作包括： ( 1 ) 对转向节成形进行成形性分析； ( 2 ) 根据该转向节结构特点，结合该厂的生产实际，初步确定一火成形 工艺方案及模具结构； ( 3 ) 对毛坯的成形过程进行计算机模拟，分析该转向节在成形过程中金 属变形、等效应变以及成形载荷分布情况，论证初定工艺方案的可行性； ( 4 ) 模拟分析预、终锻模具的温度场、金属滑移速度场和磨损分布情况， 并且预测了模具的磨损寿命。 ( 5 ) 通过物理试验对模拟结果及工艺方案进行验证，检验该工艺的可行性。 4 第二章刚( 粘) 塑性有限元法理论基础 有限元法( 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的方法。目前已在很多领域得到了广泛的应用，从力学领 域发展到电磁学、热传导、流体力学和材料科学等领域。在金属塑性加工领域 的应用也得到迅速而深入的发展。根据变形特征，金属塑性成形可以分为体积 成形和板料成形工艺。体积成形中，如锻造、挤压、轧制等，金属材料产生较 大塑性变形，弹性变形相对较少，可忽略不计。而在板料成形中，如冷冲压、 冷轧等，弹性变形部分所占比例并非太小，此时必须与塑性变形同时考虑。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， 与之相对应的有限元法也分为刚( 粘) 塑性有限元法和弹塑性有限元法。 金属塑性成形数值模拟过程最常用的有限元法为刚塑性有限元法和刚粘塑 性有限元法。刚塑性有限元法适于冷加工，刚粘塑性有限元法适于热加工及应 变速率敏感性材料的塑性变形过程。对于体积成形来说，采用刚塑性或者刚粘 塑性材料模型进行求解，不仅能够得到令人满意的精度，还可以大大简化有限 元列式和求解过程。同时，与弹塑性有限元法相比较，可采用较大的时间增量 步长。在保证足够的工程精度的前提下，可提高计算效率。此外由于刚塑性 刚粘塑性有限元法采用速率方程表示，这样材料变形后的构形可通过在离散空 间对速度的积分而获得，从而避开了应变与位移之间的几何非线性问题。所以 刚塑性刚粘塑性有限元法自2 0 世纪7 0 年代提出之后发展迅速，尤其在塑性加工 领域的应用更是如此。目前它已成为对金属塑性成形过程进行数值模拟的重要 手段【4 8 - 5 2 1 。 2 1 刚( 粘) 塑性有限元法的基本方程 2 1 1 刚( 粘) 塑性有限元法的基本假设 金属塑性成形过程中，材料塑性变形的物理过程相当复杂，为此必须作出 一些假设，即把变形中某些过程理想化，以便于从数学上进行处理。对刚塑性， 刚粘塑性材料的基本假设如下： ( 1 ) 忽略变形材料的弹性变形； ( 2 ) 材料均质，各向同性； ( 3 ) 材料体积不变； ( 4 ) 不计体力和惯性力； ( 5 ) 材料的变形流动服从l e v y m i s e s 流动法则。 2 2 2 塑性力学基本方程 刚塑性刚粘塑性材料发生塑性变形时，应满足下列基本方程组 5 3 】： ( 1 ) 平衡微分方程( 运动方程) o i = 0 式中，一应力分量 ( 2 ) 速度一应变速率关系方程( 几何方程，协调方程) i j = 鼍细i j + d i i ) 式中，s t 广一应变率 ，i 一速度分量 ( 3 ) l e v y m i s e s 应力应变率关系方程( 本构关系) e - - - - 2 a ； 式中，8 一应变速率 a 一标量因子 以一应力偏张量 ： 3 = 一一 2 二 肌三：互，；= 丽。 式中，s 一等效应变速率 盯一等效应力 ( 4 ) m i s e s 屈服准则 】， i 盯 ，盯扩2 k 式中，：辜，对于理想刚塑性材料，x 为常数。 3 ( 5 ) 体积不可压缩条件 s v = 8 移蟊= 0 式中，一体积应变速率 瓯一标量积 ( 6 ) 边界条件 边界条件分为力面边界条件和速度边界条件，分别为： 在力面s r 上，o u r l j = e 在速度面s “上，“，= u t 式中，咒，一s f 表面上任一点处单位外法线矢量的分量 e 一边界s f 上给定的面力 6 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 吩一边界s i j 上的速度场 u i 一边界s i j 上给定的速度分量 对于理想刚粘塑性材料为，除了屈服条件中材料模型外，其它方程和条件 都相同。 2 2 刚( 粘) 塑性有限元变分原理 设变形体的体积为矿，表面积为s ，在s p 上给定面力c ，在s 。，上给定速度 材，在满足几何条件式( 2 9 ) ，体积不变条件式( 2 1 3 ) 和边界条件式( 2 一1 5 ) 的一切动可容速度场中，真实速度场使泛函： 兀= ic r e d v if “，d s ( 2 9 ) j t i s f 取极小值，上述原理称为m a r k o v 变分原理。 式中， 一广义l a g r a n g e 乘子 利用m a r k o v 变分原理对变形体进行数值求解，欲求既满足速度边界条件， 又能满足体积不可压缩条件的速度场比较困难，而仅满足边界条件的速度场则 比较容易找到。因此，在实际求解时，往往采用l a g r a n g e 乘子法或罚函数法将 体积不可压缩条件引入泛函( 式2 - 9 ) 中，得到新泛函。 采用l a g r a n g e 乘子法构成的泛函为： 1 i = 【，仃g d 矿一【鼻“f 钌+ 【，名磊d 矿 ( 2 1 0 ) 却 遮口l l 霹 式中，名- - l a g r a n g e 乘子。 采用罚函数构成的泛函为： 兀= 工孑三d 矿一工，z 搬+ 等工( 邑磊) 2 d y ( 2 - 11 ) 式中，口一惩罚因子。 罚函数法不需额外增加求解未知数和半带宽，可以省内存和计算时间，而 且收敛速度快。罚函数法着眼于数学角度来处理体积不变条件，不像l a g r a n g e 乘子法中的名具有明确的物理意义。一般多采用罚函数法。 l a g r a n g e 乘子名具有明确的物理意义：五= 吒( 静水压力) ，这在分析应力 场时尤为重要。而罚函数法只能求出应力偏量，无法求得平均应力，但可以证 明平均应力吒= 口西。 而对于刚粘塑性材料，h i l l 提出了刚粘塑性变分原理。即对于刚粘塑边值 问题，在满足几何方程、体积不可压缩条件及位移速度边界条件的一切容许速 度场中，其真实解使下列泛函 = 【，e ( 劬) d y lf , u , d s ( 2 - 1 2 ) 取驻值，即一阶变分为零。 7 a n = 工犯( 邑) 万邑一上，e 以d s ( 2 - 1 3 ) 式中，e ( e 妒) 一塑性变形功率函数，是凸函数。 实际推导公式时，涉及到e ( 毛) 的具体表示，它与材料模型公式密切相差。 设刚粘塑性材料模型公式为 仃= 仃( g ，f ，t ) ( 2 1 4 ) 则对应的功函数可以表示为 一 e ( 毛) = f 吒d 毛= r 孑d ； ( 2 - 15 ) 这样，若刚粘塑性材料模型公式( 2 1 4 ) 一旦给定，则可以由上式积分得 到对应的功函数。 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 3 ) ，得 铘= 。 一。鼻如，搬= 0 ( 2 - 16 )f 6 e ( e o ) 6 e ud v 0 铘= 一上。鼻如f 搬= ( 2 。 上述变分原理与m a r k o v 变分原理一样，可以用l a g r a n g e 乘子法和罚函数 法引入体积不可压缩条件。 2 3 刚( 粘) 塑性有限元求解过程 刚( 粘) 塑性有限元的求解过程与一般有限元一样，不同的是刚( 粘) 塑 性有限元法组装成的总体方程组为非线性方程组，还需要进行线性化处理和采 用n e w t o n r a p a h s o n 迭代法进行速度场迭代求解。 变形体经离散化后，能量泛函就成为各节点速度的函数，能量泛函取驻值 的条件是： 等_ ( j 势，= 。 ( 2 - 1 7 ) a ”- 、a 巧q 川 式中，一第，个单元 ，一节点编号 为了求解上述非线性方程，采用n e w t o n r a p h s o n 方法进行迭代，把式 ( 2 17 ) 用t a y l o r 级数在v = g o ( 初始值) 展开，忽略二阶以上的高阶微量，保 留线性部分得： 嗍 器l 肾。 其中，k 是对速度g o 的一阶修正。式( 2 1 8 ) 又可以写成如下形式： k a v = 厂 ( 2 1 9 ) 当速度的修正值a v 求得后，就可用+ 肛v 对进行修正，其中是一个 介于o 1 之间的数，称为衰减因子。如此迭代下去，直到速度修正量小到可以 忽略。初始假设的速度值应接近于真实解，否则会出现迭代不收敛。常用直接 迭代法求解初始速度场。 判断迭代收敛的常用方法有两种准则。一种准则是速度的相对误差范数 l i a v l i i i i v l l c o n s t ，其中c o n s t 为一非常小的正数；另一种准则是节点力不平衡量 小于某一正常数。 刚( 粘) 塑性有限元求解过程如下： ( 1 ) 生成初始速度场； ( 2 ) 计算单元刚度矩阵和节点力微量； ( 3 ) 组装成总体刚度方程； ( 4 ) 施加速度边界条件； ( 5 ) 解总体刚度方程，得到速度修正量； ( 6 ) 用速度修正量对初始速度场进行修正，重复步骤( 2 ) ( 6 ) 直到 速度场收敛； ( 7 ) 刷新工件形状。重复步骤( 2 ) ( 7 ) ，直到所需的变形程度。 图2 1 所示为刚( 粘) 塑性有限元分析系统程序框架。 厂磊n 兰芏型 形成有限元求解模型 i 生成初始速度场 ：二二 广_ 叫形成单元刚阵 l = 二 ii 组装总刚矩阵 i = 二 il 处理边界约束 i = 二 二 ii 型：圣举查竺 速度场和温1 怛钟否? 度场更新j：一” 瑟啬弄星蠢篓卜 程结束否：输出计算结果i 一。 y 步长合适否? 网格再划分否? 二臣 - 生成新网格并 实施变量传递 修正步长 n 图2 1 刚( 粘) 塑性有限元分析系统程序流程图 9 n y 巫上籼工觫 一形一一 毒 2 4 热力耦合分析的有限元法 转向节成形过程中变形与传热同时发生，坯料在变形时大量的机械能转变 成热能，热能的分布又影响到机械能的转变和分配，只有将变形分析和热分析 耦合，才能更合理地模拟转向节成形过程。汽车转向节成形过程的传热问题属 于含内热的瞬态热传导问题。 单元内位移矢量u 和节点位移矢量【厂间的关系式 u ( x ，f ) = r ( x ) h u ( t ) ( 2 - 2 0 ) 式中，r ，h 一联系单元内位移和节点位移的矩阵 x 一坐标矢量 f 一时间变量 上式符合插值函数定义，即 ( 力= r ( x ) h ( 2 2 1 ) 式中，一形状函数矩阵。 从式( 2 - 2 0 ) 中，可以求出单元内部和单元节点间变形速率的关系式 v ( x ，f ) = r ( x ) h u ( f ) ( 2 - 2 2 ) 对于单元温度函数t ( x ，f ) t = 毛，) 岛( 力 ( 2 - 2 3 ) 一i ，f 、7 i = 1 写成矩阵形式为 t = r ( f ) 6 ( x ) ( 2 2 4 ) 式中，6 ( 功一插值函数向量 r ( f ) 一单元节点温度列矢量 对于应变矩阵e ( x ，f ) ，有 e ( x ，f ) = c ( x ) h u ( t ) ( 2 - 2 5 ) 式中，g ( z ) 一单元几何矩阵 对于温度梯度t = t ( 五f ) ，其计算公式如下 丁( x ，f ) = o t ( x ) r ( t ) ( 2 - 2 6 ) 式中，以x ) 直接从式( 2 2 4 ) 中的6 ( z ) 导出。 由式( 2 2 0 ) ( 2 2 6 ) 并结合式( 2 2 7 ) 和( 2 2 8 ) i ，( 哪乙j l 乃一 = 一 22 7dv+teodv i , z v , a v + 4 s p v , 矗s ( 2 - 2 ) ，( 哪盯上乃 =) 工( 胪+ 圳- ( r a y f r 孱。一i d t d v 一工q 财y = 一 ( 2 2 8 ) e d v 工d t d vz , ：, r a v + c j , r q ：, a s上( 胪+ j ，一r 扩 一 一工q 财y = ( 可以获得 r u ( ku o ) + m rz ( f ) 一三( f ) ) = 0 t r ( c r ( f ) + m uu ( t ) - d - q - k r t ( t ) ) = o 式中，k 一单元的力学刚度矩阵 l o ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) m ，一单兀的传热学刚厦矩阵 三一机械载荷矢量 c 一热容矩阵 墨一热传导矩阵 帆一热力耦合矩阵 q 一热载荷矢量 d 一能量耗散矢量 其中 邑= r ( 工，g r c , , g d v ) h m t = 掰0 c g t r b d v 。=hr工。rfdvl h r f d v + 嗔，r 二p d s = 。i+ d c = 工，b ( p c + 7 ) b 丁d v 巧= 工。献a y d v 帆= 弋工。b pg a v ) h q = 工。b 丁q a v + 4 s ，b q r n d s d = cd b r d v 矿 塑性变形和传热过程耦合时的有限元数值模拟列式为 ( m e u 等删矗力 式中，；( f ) = l , k r r k ( f ) + q ( f ) + 。】2 式中，p ( f ) = ( f ) + q ( f ) + d 如果假设手( f ) * 石a t 痧m 等 三。竺 a t 衲= 石a p 则有限元求解列式可写成 旺坼c 膦a t 卜 ( 2 _ 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 。4 0 ) ( 2 4 1 ) 第三章6 7 0 0 轻卡汽车转向节成形工艺分析与模具设计 汽车转向节是汽车转向系统的关键零件，随着国内汽车产业飞速发展该 类锻件市场前景极为广阔，然而在实际生产中此类锻件仍然存在加工余量大、 成形不易充满及模具设计困难等问题，合理设计转向节成形工艺及模具结构成 为解决问题的关键。与其合作的公司主营生产锻件的公司，拥有摩擦压力机为 主的锻造生产线。本章通过分析6 7 0 0 轻卡汽车转向节结构特点并结合该公司设 备情况，提出了新的成形工艺方案和模具结构。 3 i 汽车转向节成形工艺分析 3 1 1 汽车转向节的分类 汽车转向节作为转向系统上关键零件，按照用途可分为重型汽车转向节、 中型汽车转向节、轻型汽车转向节、微型汽车转向节、客车转向节和轿车转向 节六大类：按照形状特点可分为枝叉类转向节、中心孔类转向节和套筒类转向 节三大类，如图3 - 1 所示。枝叉类转向节主要由杆部、法兰和枝权构成：中心 孔类转向节主要由中心孔、法兰和枝杈构成；套筒类转向节主要由套筒、法兰 和长杆组成口”。枝叉类转向节和中心孔类转向节都属于复杂类锻件，本文研究 的6 7 0 0 轻卡汽车转向节属于枝叉类。 v 冷雒 曲枝叉类转向节 m 中心孔类转向节c ) 套简类转向节 图3 - 1 汽车转向节分类 3126 7 0 0 轻卡汽车转向节结构特点 轻卡汽车转向节形状基本相同大小不一样属于系列产品。本文以6 7 0 0 轻卡汽车转向节为例进行分析，材科为4 0 c r ，锻件重量约88 k g ，其复杂系数 s = v d v h =