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汽车转向节成形工艺有限元模拟研究 摘要 汽车转向节是汽车底盘上重要零件，其锻件质量要求高，结构复杂，成形 困难。目前生产中主要依靠设计人员经验不断试模、修模来保证锻件质量，生 产成本高，设计制造周期长。有限元模拟技术通过虚拟的材料加工过程中检验 产品的质量，而不需要真实的加工过程，从而节省生产成本和提高生产效率。 本文将围绕汽车转向节成形工艺，以有限元模拟技术为手段展开研究。 以长杆类转向节( 4 0 1 0 客车转向节) 和枝权类转向节( a 1 1 轿车转向节) 为研究对象；采用有限元分析软件d e f o r m t m 建立汽车转向节成形过程刚粘塑 性有限元模型对转向节成形工艺进行分析。 针对长杆类转向节( 4 0 1 0 客车转向节) ，分析结构特点，提出汽车转向节 锤锻成形工艺；比较锤锻工艺中两步成形和一步成形载荷分布情况，采用两步 成形可有效降低成形载荷，两步成形工艺有利于提高模具寿命；分析二步成形 过程中应变场、应力场、速度场和温度场等场量分布，研究金属变形规律。 针对枝权类转向节( a 1 1 轿车转向节) ，分析结构特点，提出汽车转向节挤 锻复合成形工艺；采用有限元模拟试算法优化汽车转向节挤锻复合成形中预制 坯，避免常规设计时产生的折叠、充不满和缩孔等缺陷；分析闭塞挤压预制坯 过程中完全封闭挤压和局部开式挤压两种方式成形载荷分布情况，结果表明增 设分流腔的局部开式挤压可有效降低成形载荷；对开式终锻成形过程进行模拟 并分析工艺参数对开式终锻成形过程的影响，结果表明锻件充填效果好，飞边 均匀，材料利用率高。 关键词：汽车转向节有限元模拟模锻成形工艺 f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fp r o c e s sf o ra u t o m o b i l e s t e e r i n gk n u c k l e a b s t r a e t a u t o m o b i l es t e e r i n gk n u c k l ei sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ea u t o m o b i l ec h a s s i s i t i sh a r dt of o r mb e c a u s eo fc o m p l e xs t r u c t u r ea n dh i g hr e q u i r e m e n ta b o u tq u a l i t y n o wi tn e e d ss e v e r a lt r i a l sd e p e n do nt h ed e s i g n e r se x p e r i e n c e st oc o n t r o lt h e p r o d u c tq u a l i t y ，w h i c ht a k e st o om u c hp r o d u c t i o nc o s ta n dl o n gp r o d u c t i o nc y c l e f e mc h e c k sp r o d u c tq u a l i t yb yv i r t u a lm a t e r i a lp r o c e s s i tc a ns a v ec o s ta n dal o to f t i m e i nt h i sp a p e rt h ea u t o m o b i l es t e e r i n gk n u c k l ef o r m i n gp r o c e s s e sa r e d i s c u s s e d l o n gr o ds t e e r i n gk n u c k l e ( 4 0 10b u ss t e e r i n gk n u c k l e ) a n db r a n c hs t e e r i n g k n u c k l e ( a 1 1c a rs t e e r i n gk n u c k l e ) a r et a k e na st h er e s e a r c ho b j e c t s t h e r i g i d v i s c o p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm o d e l so ff o r m i n gp r o c e s sf o rs t e e r i n gk n u c k l e a r e b u i l tb yd e f o r m “ t h el o n gr o ds t e e r i n gk n u c k l e ( 4 010b u ss t e e r i n gk n u c k l e ) h a m m e rf o r g i n g f o r m i n gp r o c e s sb a s e so ni t ss t r u c t u r ef e a t u r e si so b t a i n e d b yc o m p a r i n gt h el o a d b e t w e e nt w os t e pf o r m i n ga n do n es t e pf o r m i n gi nh a m m e rf o r g i n gp r o c e s s ，t h et w o s t e pf o r m i n gp r o c e s s i sm o r er e a s o n a b l e t h es t r a i n ，s t r e s s ，v e l o c i t ya n d t e m p e r a t u r ef i e l d so ft w os t e p sf o r m i n gp r o c e s sa r ea n a l y z e d t h eb r a n c hs t e e r i n gk n u c k l e ( a 11c a rs t e e r i n gk n u c k l e ) e x t r u d i n ga n df o r g i n g c o m p l e xf o r m i n gp r o c e s sb a s e so ni t ss t r u c t u r ef e a t u r e si sp r e s e n t e d t oa v o i d d e f e c t si nc o n v e n t i o n a ld e s i g n ，t h eo p t i m i z e dp r e f o r m e db i l l e to ft h ee x t r u d i n ga n d f o r g i n gc o m p l e xp r o c e s si sg o tb yf i n i t ee l e m e n tt r i a ls i m u l a t i o n s t od e c r e a s e f o r m i n gl o a d ，as p l i t t e rc a v i t yi sa d d e di nt h ep r e f o r mc l o s e de x t r u s i o n t h ef i n a l f o r m i n gp r o c e s sa n de f f e c t so ff o r m i n gl o a dw h i c hw o r k e db yp r o c e s sp a r a m e t e r s h a v eb e e na n a l y z e d ，t h er e s u l t ss h o wi tg e t sag o o df o r g i n gp a r ta n dh i g hm a t e r i a l u t i l i z a t i o nr a t i o k e y w o r d s ：a u t o m o b i l es t e e r i n gk n u c k l e ，f e m ，d i ef o r g i n g ，f o r m i n gp r o c e s s 插图清单 图3 1 金属流动变形情况1 2 图3 2 打击力分布情况1 2 图3 3 闭塞挤压成形过程示意图1 3 图3 - 4 十字接头锻件图1 4 图3 5 十字接头成形模具示意图1 4 图3 - 6 十字接头成形过程示意图1 4 图3 7 压挤力和张模力随工作行程变化曲线1 4 图3 8 汽车转向节分类1 6 图3 - 94 0 1 0 客车转向节锻件示意图1 7 图3 1 04 0 1 0 客车转向节三维模型1 7 图3 一“a 1 l 轿车转向节锻件示意图1 8 图3 1 2a 1 1 轿车转向节三维模型1 8 图4 1 预锻型腔的圆角半径2 1 图4 2 预锻件三维模型2 1 图4 3 飞边槽尺寸2 2 图4 - 4 预锻模具三维模型2 2 图4 5 锤锻流程2 3 图4 - 6 预锻模型2 4 图4 7 终锻模型2 4 图4 8a i s l 4 3 4 0 材料性能2 5 图4 - 9 模具网格局部细化2 6 图4 1 0 坯料在各次锤击中变形情况3 1 图4 1 1 第一锤成形载荷时间曲线3 2 图4 1 2 各锤成形载荷时间曲线3 3 图4 1 3 第一锤变形过程中应变、应力、速度和温度场分布3 4 图4 。1 4 第五锤变形过程中应变、应力、速度和温度场分布3 4 图4 1 5 第七锤变形过程中应变、应力、速度和温度场分布3 5 图4 1 6 预锻结束模具温度差分布3 6 图4 1 7 预锻模具最高温度变化曲线3 6 图4 1 8 成形载荷行程曲线3 7 图5 1 预锻坯料截面线3 9 图5 2 预制坯未倒角大爪实体4 0 图5 3 预制坯初步设计4 0 图5 - 4 折叠缺陷4 1 图5 5 局部充不满缺陷4 l 图5 - 6 缩孑l 缺陷4 l 图5 7 折叠形成过程4 2 图5 8 预制坯最终设计4 3 图5 - 9 闭塞挤压预制坯有限元模型4 3 图5 1 0 闭塞挤压成形过程中金属变形情况4 4 图5 1 1 成形载荷行程曲线4 5 图5 1 2 局部开式闭塞挤压有限元模型4 6 图5 1 3 局部开式闭塞挤压成形载荷行程曲线4 6 图5 一1 4 终锻有限元模型4 7 图5 1 5 最终锻件4 7 图5 1 6 开式终锻成形载荷行程曲线4 8 图5 1 7 开式终锻成形过程中金属变形情况4 8 图5 - 1 8 模具预热温度与成形载荷关系曲线4 9 图5 1 9 摩擦系数与成形载荷关系曲线5 0 图5 2 0 有限元模拟结果5 0 图5 2 1 阻力沟主要尺寸5 1 图5 2 2 阻力沟在模具上的位置5 l 表格清单 表3 1 不同成形工艺的特点1 1 表3 24 0 c r n i m o a 钢的化学成分1 6 表3 3 常用钢种的机械性能1 6 表4 - 1 圆角半径的增大值2 l 表4 2 德国贝歇尔公司k g h b 系列快速液压模锻锤技术参数2 7 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业盔堂 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。 学位论文储签字涉绎触字魄即钏月扩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金爬王些太堂有关保留、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。本人授权金目b 王些盔 当! 一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： 汐净强 导师签名 签字日期呻脚扣签字日嘞 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 在本课题开题、研究和论文的撰写过程中，始终得到我的导师刘全坤教授 的悉心指导和教诲。导师渊博的知识、严谨的治学态度、求真务实的工作作风 和非凡的敬业精神，使我受益匪浅，也是我以后工作和学习上的榜样；导师的 一言一行和睿智、温暖的长者之风对我已经并且继续产生深刻的影响。同时， 导师也在生活上给予我无微不至的关怀和帮助。在本文即将完成之际，谨对导 师的辛勤培养与无私的关怀致以最崇高的敬意和最衷心的感谢! 真诚感谢薛克敏教授、李萍教授、陈文琳副教授、陈忠家副教授及王强高 工等老师在我两年半的学习期间给予学业上的指导、帮助和教诲。 特别感谢胡成亮师兄对本课题的悉心指导与热情帮助；同时感谢胡龙飞、 雷声、王成勇等师兄对本课题的关心和指导。 特别要真诚感谢安庆百协精密锻造有限公司，在论文选题和课题研究整个 阶段得到了丁金根部长及公司技术部、模具厂和锻压厂的支持，论文能够完成， 与他们无私帮助密不可分。 感谢合肥工业大学高性能与协同计算开放实验室为本课题提供硬件平台。 感谢祝慧、郑超、舒洁、肖福成、程伟、来亚敏、邓陶勇给我的帮助与鼓 励，对课题提出了许多宝贵的意见和建议；赵雅丽、唐凯、张金宝、李亨、韩 愈等实验室成员在学习和生活上给予我很大的帮助，借此机会对所有关心我的 人表示衷心地感谢! 深深感谢我的家人和朋友对我的关怀和支持。我得到了许多人的帮助，在 此向所有给予我帮助和支持的人表示我最诚挚的谢意! 谨以本文献给我的父母， 感谢父母的伟大养育之恩! 作者：汪泽波 2 0 0 7 年1 1 月 第一章绪论 1 i 前言 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【l 】。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【2 ， 。 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。该类零件主要通 过锻造成形获得，而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【4 ，5 1 。 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。本文利用有限元数值模拟技术对转向节成形工艺进行模拟，通过分 析转向节成形过程中金属流动情况、应力场、应变场等信息来指导实际生产以 达到缩短转向节设计制造周期，提高模具寿命，降低成本的目的【6 7 】。 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 通常对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哺“”。 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 c 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 4 t 9 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 0 1 。韩国j h s o n g 和y t i m 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 “。德国h g r a s s 等人通 过三维热力耦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 2 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，并确定获得具有最佳圆整度锻件时的成形工艺参数【2 引。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 和d e f o r m t 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。河南科技大学唐六丁和张学宾运用商业化软件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 4 1 。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【25 1 。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 【2 6 1 。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。 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。 重庆国营清江机械厂陈小斌提出在1 t 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【2 ”。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 2 8 1 。机械工业部第四设计院罗晴岚、 罗延杰提出在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【2 9 1 。北京机电研究所杨青春等人和中国重汽公 2 司刘加臣、李相伟提出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 0 , 3 1 1 。山东光岳转向节总厂董之社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【5 】。安庆百协精密锻造有限公司丁金根、汪 忠良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【3 ”。丹东五一八集团张德春、孙吉宝提出在3 t 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 3 1 。北京机电研究所杨青春、于沪生等人采 用有限元数值模拟技术对斯太尔重型载重汽车转向节的挤压一模锻复合成形 工艺进行二维模拟分析，并通过工艺实验与之对比，指出数值模拟的结果与工 艺实验的结果是一致的1 3 ”。北京机电研究所蒋鹏和清华大学方刚等人在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【35 1 。燕山大学赵德颖、孙惠学等根据转向节的 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 1 3 ”】。平顶山工业职业学院郑运廷和马宇等人采用刚塑性有限元法对矿用汽车 转向节预锻成形进行二维模拟，并将分析结果与实际相比较，模拟结果显示是 比较准确的【4 们。汉诺威大学e d o e g e 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l o 卜4 3 1 。 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，一火锻造可使锻件的金属内部组织质量高。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 本课题来源于安庆百协精密锻造有限公司生产实践中的一个课题，该公司 是从事汽车转向节开发与生产的专业公司。 1 3 2研究对象 本课题研究对象为4 0 1 0 客车转向节和a 1 1 轿车转向节。这两者都属于复 杂系数高、成形难度大的锻件，而又有各自不同的特点。4 0 1 0 客车转向节属于 长杆类锻件，成形难点在于杆部，a l l 轿车转向节属于枝权类锻件，最难成形 部位是长而形状复杂的侧爪。 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。本文分析的两种汽车转向节是安庆百协精密锻造公司生产中最典型 的两类锻件，通过对这两种锻件的材料、结构和形状分析，结合塑性成形理论 和有限元模拟技术制定合理成形工艺，更好的为生产服务。 1 4 课题研究主要内容 本课题主要工作包括： 1 分析4 0 1 0 客车转向节和a 1 1 轿车转向节结构形状，结合安庆百协精密 锻造有限公司生产实际，制定在1 0 0 k j 电液锤上的锤锻成形工艺和在2 5 m n 热 模锻压力机上闭塞挤压预制坯、开式终锻复合成形工艺。 2 合理设计预锻、终锻模具，建立4 0 1 0 客车转向节成形工艺的刚粘塑性 有限元模型，分析该转向节成形过程中金属变形规律和成形载荷分布情况。 3 优化闭塞挤压预制坯结构形状，合理设计闭塞挤压、开式终锻模具，建 立a 1 l 轿车转向节成形工艺刚粘塑性有限元模型，分析成形时金属变形规律和 成形载荷分布情况，并深入研究工艺参数对成形载荷的影响。 4 第二章刚( 粘) 塑性有限元法理论基础 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大类 工艺，即体积成形工艺和板料成形工艺。通常，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；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。刚 塑性有限元法就是针对这类问题的特点而提出的。1 9 7 1 年，l u n g 在马尔可夫 ( 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日( l a g r a n g e ) 乘子法引 入泛函中，建立刚塑性有限元公式。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 元法，适用于热态体积成形问题。汽车转向节成形工艺是一个热态体积成形过 程，故采用刚粘塑性有限元法对汽车转向节成形过程进行模拟是合适的 4 4 , 4 5 。 2 1刚( 粘) 塑性有限元法的基本假设 金属体积成形过程中，金属的变形过程十分复杂，为此在刚( 粘) 塑性有 限元模拟过程中有必要做出一些假设和近似： 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 i s e s 流动法则； 6 ) 模具假设为刚性。 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方程4 4 】： 1 ) 平衡微分方程 盯f ，= 0 2 ) 几何方程 1 叠，j = 音( 打u + 西，) ( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) 3 ) 本构方程 3 孝 e ，2 西仃：， 式中， 庐j 吾盯：仃；表示为等效应力、手= 詈毛毛表示为等效应变率。 4 1m i s e s 屈服条件 万= y 式中，】，表示材料屈服应力 i o j 理想刚塑性材料 y = 厂仁) 刚塑性硬化材料 【，p ，季，t ) 刚粘塑性材料 5 ) 体积不可压缩条件 e v = q 6 口= 0 6 ) 边界条件边界条件包括应力边界和速度边界条件 在应力边界面昂上 胛，= p ， 在速度边界面瓯上玩= 巧 式中，n j 表示表面上任一点处单位外法线矢量的分量。 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 2 3 刚( 粘) 塑性变分原理 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尔可夫变分原理( 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，使泛函式( 2 8 ) 取驻值的u ：为本 问题的精确解。 兀= 伊+ 一l p , u ；a s ( 2 - 8 ) 2 3 2刚塑性材料广义变分原理 马尔可夫变分原理在构造容许速度场时，容易满足几何方程和速度边界条 件，而要同时满足体积不可压缩条件比较困难，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 拉格朗日乘子法 拉格朗日乘子法通过拉格朗日乘子兄，将不可压缩条件式( 2 5 ) 引入式( 2 8 ) 中，使其成为无约束泛函，构造新泛函如下： 1 - t 2 翻矿+ l a 以d v 一。p 。，d s ( 2 - 9 ) 其变分为： a i - i = 工耐+ 工a 舌，d v + 8 2 8 , j b ，d v 一。p ，巍。豳= 0 ( 2 - 1 0 ) 6 2 罚函数法 罚函数法是通过罚函数盯，将不可压缩条件式( 2 5 ) 引入式( 2 8 ) 中，使其成 为无约束泛函，构造新泛函如下： 兀：2 l 孑勃矿+ 号p d y 一。p 。i d s ( 2 - 1 1 ) 其变分为： 8 1 1 2 2 j 谚掬矿+ 口工i r t 5 奢y d v l p ，占n d s = 0 ( 2 - 1 2 ) 拉格朗日乘子法引入附加未知数五，使有限元刚度方程数( 未知量) 及刚 度矩阵半带宽增大，与罚函数法相比，同样问题需要更多的计算时间；虽然拉 格朗日乘子法和罚函数法的有限元刚度矩阵都是对称的、稀疏的，但拉格朗日 乘子法的刚度非零元素分布形态不呈带状，故拉格朗日乘予法会增加计算机存 储空间，降低计算效率。由于汽车转向节体积较大、形状复杂而且不对称，为 提高计算效率，故采用罚函数法。 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 分为昂和既两部分，并且昂和邑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。 刚粘塑性边值问题的描述方程和条件与刚塑性问题相同，即式( 2 1 ) ( 2 7 ) 。 应注意的是材料模型，此处为，可悟，言，t ) 。 对于刚粘塑性边值问题，在满足几何方程、体积不可压缩条件及速度边界 条件的一切容许速度场中，真实解使下列泛函 兀2 e 蛾炒一点。p ，西。d s ( 2 1 3 ) 取驻值，即一阶变分为零 8 h 2 工触皖归毛d 矿一n 占z i d s = 0 ( 2 _ 1 4 ) 式中，e i 叠。) 表示塑性变形功率函数，是凸函数。 刚粘塑性材料模型为 y = f ( g ，云，tj ( 2 - 1 5 ) 则对应的功率函数可表示为 e p ，) = f 盯：如，= r 孑露 ( 2 1 6 ) 所以当给定刚粘塑性模型( 2 - 1 5 ) ，就可由( 2 - 1 6 ) 得到对应的功函数。将式( 2 - 1 6 ) 代入式( 2 1 4 ) ，有 占n 2 蒯y 一p ，8 f z d s = 0 ( 2 - 1 7 ) 与马尔可夫变分原理一样，刚粘塑性变分原理也可用拉格朗日乘子和罚函 数法引入体积不可压缩条件【4 ”。 7 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。 2 4 1传热问题的基本方程 在分析转向节成形过程时，将成形过程中塑性功能转换看成是内热源，假 定材料导热各向同性，设t 时刻物体内某一点温度为r ( x ，y ，z ，f ) ，则工件中控制 温度分布和热流传导的热传导方程为： a 警+ 害+ 窘) + ( 1 - p c 百o t p - o ( z 郴) 旯【可+ 矿+ 万j 百。0 【2 。1 8 式中，旯为材料的传热系数，p 、c 分别为材料密度和热容，口表示塑性变形能 内热源率，可用下式表示： 口= 口。孑石 ( 2 - 1 9 ) 式中，表示塑性功转变为热能的比例系数，通常为0 9 0 9 5 。 2 4 2 初始条件和边界条件 非稳态热传导问题中的温度r 与时间f 有关，则方程式( 2 1 8 ) 定解需要初始 条件，即工件变形开始时的初始温度分布，一般表示为在控制体积y 内 丁b ，y ，z ，t = 0 ) = r o ( x ，y ，z )( 2 2 0 ) 式中，瓦g ，y ，z ) 表示时间r 为0 时所规定的温度分布。 传热问题可能的边界条件有以下三种： 1 ) 第一类边界条件，指某给定表面( 边界) 上质点的温度值是时间t 的已 知函数，设该表面为s ，则表示为： t = o )【t o ，s s ) ( 2 2 1 ) 2 ) 第二类边界条件，指物体表面上的热流密度是时间t 的已知函数，表 示为： 以罢l + 五，娶，+ 丑要，：g ( f ) o ，s s ：) + ( 2 2 2 ) o x o y o z 式中，、，、，：分别为边界面的外法线方向余弦，q ( o 表示交换热量。 3 ) 第三类边界条件，指变形体表面岛与周围流体对流传热条件给定，即： t 罢，+ a ，娶，+ 五o 。r l ：h ( r ) ( f o ，s s ，) ( 2 2 3 ) “ o y o z 式中，为环境温度。 依照传热问题的边界条件分类，可对转向节成形过程的传热问题的边界条 件进行分析和归类。在成形过程中，变形工件的边界可分为自由表面和与模 具接触表面研两部分。 1 1 自由表面 塑性变形时，工件通过其自由表面以对流和辐射两种方式向环境放热。根 据传热学理论，对流换热可表示为： g = h c 口一) s c ) ( 2 - 2 4 ) 式中，q 为交换热量， 。为对流换热系数。工件表面的辐射换热遵循斯蒂芬波 尔兹曼( s t e f a n b o l t z m a n n ) 定律，即： q = e m i r 4 一r c 4 ) s c ) ( 2 2 5 ) 式中，e 为斯蒂芬波尔兹曼常数，m 表示物体表面黑度。 2 ) 接触表面 转向节成形过程中，模具与工件温差较大，所以在工件接触表面上会发生 热量损失。从微观上看，工件与模具接触时，仅在界面上的某些突起部位有真 正的接触，其余部分是空隙。空隙由液体( 如冷却剂) 、固体( 润滑剂和氧化皮) 和气体这些间隙物质所填充。因此，界面上的热交换是由接触点的导热、间歇 物质的导热和高温下空隙表面的辐射传热实现的，其传热机理十分复杂。工件 通过接触面向模具传热时，由于其间存在着润滑剂，所以常用下式表示： 留= u b 口一乃)p s ，】 ( 2 2 6 ) 式中，啊。为润滑剂传导系数；乃为接触表面处模具的温度。 工件接触表面上的质点与模具间存在着相对滑动，并伴有摩擦应力作用， 这种摩擦作用会产生热量，并通过该接触面作用于工件。对于接触面上摩擦产 生的热流为： q ，= i i v ，l峪s ，j ( 2 - 2 7 ) 式中，厂为摩擦应力，1 ，为相对滑动速度。 综上所述，汽车转向节成形过程中工件自由表面为第三类边界条件，接触 表面同时存在第二类和第三类边界条件。 2 4 3 有限元公式与求解 1 ) 传热问题的变分原理 求物体内温度分布问题，就是在满足边界条件式( 2 2 1 ) ( 2 2 3 ) ，并在式( 2 2 0 ) 给出的初始条件下解方程式( 2 1 8 ) 。求解问题可等效地表达为以下泛函求极小 值问题： 兀= 圭i a ( 篆) 2 + ( 号 2 + ( 警) 2 一2 ( 。一班于p 卜矿。2 2 。， + 弧1 仃一乙) 2 d s 一，q t d s 2 1 有限元公式 总体考虑以上边界条件，温度场总体热流平衡方程组为： k t + c 于= q ( 2 2 9 ) 9 式中，k 为总体热传导矩阵，c 为总体热容矩阵，r 和于分别为节点温度向量和 节点温度变化率向量，q 为总体热流向量。 3 ) 瞬态传热问题的解法 由式( 2 2 9 ) 可知，总体热流平衡方程组同时含有丁和于两组未知向量，既与 空间坐标有关，又与时间有关，因而不能直接求解，所以需要通过对时间，采 取两种较为简单的方法处理： ( 1 ) 令时间t 暂时固定，即先考虑在某一瞬时条件对泛函的变分，让于仅仅 成为坐标的函数，然后再考虑t 的变化，即进行时间域的离散； ( 2 ) 先把于用某一差分格式展开，如于= 一z 一。) a t ，然后变分，变分时i 一。 和出均作为己知常量。 1 0 第三章汽车转向节成形工艺分析 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成为解决问题 的关键。安庆百协精密锻造有限公司作为专业转向节生产厂家，现有两条分别 以1 0 0 k j 电液锤和2 5 m n 热模锻压力机为主的锻造生产线，本章通过分析4 0 1 0 客车转向节和a 1 l 轿车转向节结构特点并结合生产实际提出合理成形工艺。 3 1 热锻成形理论 3 1 1 热锻工艺简介 热锻是在一定温度范围内，利用锻压设备通过工具或模具使金属毛坯发生 塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和内部组织的工件的一种压力加工方 式。热锻可分为手工锻造和机器锻造两种，机器锻造是现代锻造生产的主要方 式，通常分为自由锻、模锻、胎模锻和特种锻造四种类型。其中特种锻造是近 年来发展的新工艺，指在专用设备上或在特殊模具内使金属毛坯成形的特殊锻 造工艺，如闭塞挤压、精密模锻、辊锻、电热顶镦等【4 6 1 。 3 1 2 热锻工艺的特点 热锻成形时坯料温度在金属再结晶温度以上，这时金属变形抗力小，相对 于温锻和冷锻其特点如表3 1 所示： 表3 - 1不同成形工艺的特点【4 7 】 热锻温锻冷锻 变形流动应力小 中 大 锻造设备吨位相对要求小相对要求中 相对要求高 成形件精度低 中 高 可成形零件种类多 中 较少 可成形零件形状复杂复杂较复杂 模具润滑技术成熟不完全成熟成熟 变形工步少较少多 热锻时温度一般都在8 0 0 以上，这样有利于复杂零件成形，但如此高的 温度也对模具寿命及成形设备等提出一定要求。故热锻时应注意以下问题： 1 1 锻造温度控制 钢的锻造温度范围是指始锻温度与终锻温度之间的一段温度区间。始锻温 度应在避免坯料发生过烧的前提下取较大值，这样可降低成形力，减少能量消 耗。终锻温度应高于再结晶温度，以保证坯料在终锻前具有足够塑性和锻件具 有良好组织性能【4 “。 2 ) 模具材料选用 热锻成形中，锻模不仅要承受较大变形抗力，还要受到高温下热应力作用。 选择模具材料时，除了要保证模具强度、硬度和韧性，还要求具有一系列高温 性能，如热疲劳性、抗氧化性、热稳定性、热磨损性和热熔损性等【4 8 1 。 3 1 冷却与润滑 热锻成形中，模具因坯料热量传递而升温，为避免模具温度升高导致模具 强度下降发生塑性变形，需要及时冷却模具，如采用工艺润滑剂，可起到冷却 与润滑作用 4 9 5 2 。 4 1 成形设备特点 热锻成形中，为提高工作效率、降低成形力和保证锻件顺利成形，应避免 成形过程中坯料温度降幅过大，故成形设备应具有较高运动速度f 4 6 1 。 3 1 3 模锻成形原理 锻锤开式模锻时，金属流动过程大致分为四个阶段，如图3 1 所示： a ) b ) 图3 - 1 金属流动变形情况 第一阶段镦粗变形或自由变形阶段，如图3 - l a ) 所示。此阶段坯料高度减 小，径向尺寸逐渐增大，所需成形力不大。 第二阶段飞边形成阶段。如图3 - l b ) 所 示。第一阶段结束后，由于金属流动受到模壁 阻碍，金属沿高度方向变形的同时，开