（车辆工程专业论文）粉末冶金热锻连杆的有限元分析.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着我国汽车工业的高速发展，粉末冶金技术日益受到广泛关注。粉末冶金 是一种少、无切削的制造工艺，具有节约原材料、节省工时、节约能源的特点， 因此经济效益突出。常规的粉末冶金工艺为混料、压型、烧结、后处理( 包括整 形、锻造、热处理、机加工、浸油等) 。汽车、摩托车零件是采用粉末冶金工艺 批量生产最多的机械零部件产品，几乎占了粉末冶金产量的6 0 - 7 0 。 粉末锻造是将烧结的预成形坯，加热后在闭式模中锻造成零件的工艺，它将 传统的粉末冶金和精密模锻结合起来，能有效地提高粉末冶金材料的密度和机械 性能。常见的粉末锻造零件有连杆、齿轮等。本文以t b 5 0 摩托车连杆为例，叙 述了粉末锻造的工艺过程，主要包括压型模的设计、预成形坯的成分设计、锻造 模具的设计、热锻工艺等。 连杆作为发动机中传递动力的重要组件，它在工作过程中承受各种复杂的、 周期性变化的拉、压应力及惯性力产生的交变载荷，对其进行应力、应变的分析 通常采用有限元的方法。有限元方法是目前工程技术领域中常用的数值分析方 法。 本文建立了连杆的三维实体模型，并进行了网格划分，由于摩托车连杆本身 的特点，模型和网格对杆身进行了简化处理，而对连杆大、小头及过渡部分则进 行了细化。分析和确定了连杆所受到的载荷和边界条件，用a b a q u s 软件对其进 行了应力计算。计算结果表明：最大拉应力出现在连杆大头与杆身的凹槽圆角过 渡处位置，最大压应力出现在连杆小头与杆身过渡位置，而且很直观地比较了 2 0 铬钼合金钢和粉末热锻两种材料连杆所受到的应力和安全系数大小。通过安 全系数的计算，讨论了连杆危险部位的安全性，分析了安全系数的影响因素，诸如 表面光洁度、渗碳处理、喷丸等。 粉末冶金热锻连杆有良好的工艺性能和机械性能，通过有限元计算和分析， 进一步得出粉锻连杆能够代替钢锻连杆的结论。 关键词：粉末冶金；连杆；热锻；有限元；应力；安全系数 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u ra u t oi n d u s t r y , p o w d e rm e t a l l u r g yt e c h n o l o g yi s g i v e nm o r ea t t e n t i o nt o p o w d e rm e t a l l u r g y ( p m ) i sat y p eo fl i t t l eo rn om a c h i n e w o r kt e c h n o l o g y p mc a ns a v er a wm a t e r i a l ，w o r kt i m e ，e n e r g ys o u r c e sa n ds oo n ，s o i th a sb e t t e re c o n o m i cb e n e f i t s t r a d i t i o n a lp mp r o c e s si n c l u d e sm i x i n g ，m o l d i n g ， s i n t e r i n ga n da f t e r t r e a t m e n t ，s u c ha sc o i n i n g , f o r g i n g , h e a tt r e a t m e n t , m a c h i n i n g ，o i l i m p r e g n a t i o n a u t oa n dm o t o rp a r t sa r et h em o s tp mo n e s ，a n dt h e yo c c u p y6 0t o7 0 p e r c e n to fw h o l ep mp r o d u c t i o n p o w d e rf o r g i n gi st h a tt h ep e r f o r mi sf o r g e dt op a r ta f t e rb e i n gh e a t e di nd i e ，a n d i tc o m b i n e sp mw i t hp r e c i s i o nf o r g i n gt oi m p r o v ed e n s i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fp o w d e rm e t a l l u r g yp a r t se f f i c i e n t l y c o n n e c t i n gr o da n dg e a ra r eu s u a l l ym a d eb y p o w d e rf o r g i n gm e t h o d a sa l le x a m p l eo ft b 5 0m o t o rc o n n e c t i n gr o d ，t h i sa r t i c l e d e s c r i b e st h ep r o c e s so fp o w d e rf o r g i n gi n c l u d et h ed e s i g no fp r e s st o o l ，p e r f o r m ， f o r g et o o la n df o r g et e c h n o l o g y a st h ei m p o r t a n tp a r to ft r a n s f e r r i n gp o w e ri ne n g i n e ，c o n n e c t i n gr o di ss u b j e c t t oa l t e r n a t i n gl o a dg e n e r a t e db yav a r i e t yo fc o m p l e xa n dp e r i o d i ct e n s i o n ，p r e s s u r e a n di n e r t i a lf o r c e t oa n a l y z et h es t r e s sa n ds t r a i n ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s u a l l y d o n e 功ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si so f t e nu s e dam a t h e m a t i c a lm e t h o di ne n g i n e e r i n g f i e l dn o w at h r e ed i m e n s i o n sm o d e lo fc o n n e c t i n gr o dh a sb e e nm a d ea n dd r a w nm e s h e s n l eb o d yo fc o n n e c t i n gr o dw a ss i m p l i f i e d ，t h eb i g ，s m a l le n da n dt r a n s i t i o np a r tw e r e d e t a i l e di nm o d e la n dm e s h e s t h el o a da n db o u n d a r yc o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e da n d t h es t r e s sw a sc a l c u l a t e dw i t ha b a q u ss o f t w a r e f r o mt h ef i g u r e so fs t r e s s ，m a x t e n s i o nl i e si nt h en o t c ht r a n s i t i o np a r tb e t w e e nb i ge n da n db o d ya n dm a xp r e s s u r e l i e si nt h et r a n s i t i o np a r tb e t w e e ns m a l le n da n db o d y c o m p a r e d2 0c r - m os t e e l 、析t l l p o w d e rf o r g i n g ，t h es t r e s ss i z ea n ds a f ec o e f f i c i e n ta r ei n t u i t i v e t r o u g hc a l c u l a t e dt h e s a f ec o e f f i c i e n t ，t h es a f e t yw a sd i s c u s s e do fc o n n e c t i n gr o d a n ds o m ef a c t o r sa f f e c t e d s a f e t yc o e f f i c i e n tw e r ea n a l y z e d ，s u c ha ss m o o t hf i n i s ho fs u r f a c e ，c a r b u r i z e d ，s h o t a n ds oo n 1 1 1 er o dm a d e 、i t hp o w d e rf o r g i n gi sb e t t e ri nm e c h a n i c a la n dt e c h n o l o g y p r o p e r t i e s f r o mf i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t ea n da n a l y s i s ，t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ep o w d e r f o r g i n gr o dc a nr e p l a c et h es t e e lr o dw a sd e d u c e d i i k e y w o r d s ：p o w d e rm e t a l l u r g y ；c o n n e c t i n gr o d ；h o tf o r g i n g ；f i n i t ee l e m e n t ；s t r e s s ； s a f e t yc o e f f i c i e n t 山东大学硕士学位论文 主要符号表 e 弹性模量 u 泊松比 抗拉强度 膨活塞组质量 d 活塞直径 尺曲柄半径 l 连杆长度 p m a x 最高爆炸压力 发动机转速 e 活塞组的往复惯性力 r 缸内气体压力 a 曲柄连杆比 a 曲柄转角 6 3 曲柄转动角速度 力疲劳安全系数 娃最大主应力 o m i n 最小主应力 吒应力幅 吒平均应力 i i i 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：吐建 日 期：竺受：生! ! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅或借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其它复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：斗建师签名：物亟聋 日期：一型：盘坐 山东大学硕士学位论文 1 1 绪论 第一章前言 1 1 1 粉末冶金的研究范围和应用领域 粉末冶金是制造金属粉末和以金属粉末( 包括可以混入非金属粉末) 为原 料，经过成形和烧结来制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺和技 术n 3 。粉末冶金既是制取金属材料的一种冶金方法，又是制取机械零件的一种 加工方法乜1 。用粉末冶金法制造的金属材料或制品叫做粉末冶金材料或制品， 或称之烧结金属材料或制品n 1 。粉末冶金可以获得具有最终尺寸和形状的零件， 不需要或需要很少的机械加工，可以大量节省金属原材料，节省工时，节约能 源，降低成本，因而具有很高的经济效益。粉末冶金结构零件主要用于汽车工 业，此外在摩托车、家用电器、办公机械、农机、工程机械、电动工具等领域 都有广泛应用口1 。 全世界粉末冶金结构零件总产量的6 0 , - - - , 7 0 用于汽车工业，在日本2 0 0 6 年生 产的1 0 6 1 0 3 吨粉末冶金结构零件中，用于汽车的达9 7 6 9 0 吨，高达9 2 1 。2 0 0 5 年美国通用公司生产的汽车中，平均每辆车的粉末冶金零件用量为2 0 5 公斤，福 特公司为2 l 公斤，克莱斯勒公司为1 8 6 公斤，丰田为1 4 5 公斤，本田为1 6 8 公斤， 日产为1 4 1 公斤，2 0 0 7 年韩国现代汽车公司生产的汽车中，平均每辆车的粉末冶 金零件质量为8 o 公斤，而我国平均为3 - - - 6 公斤h 1 。比较常见的粉末冶金件有链 轮、气门导管、同步器锥环、齿毂、正时齿轮、摇臂支架、转子泵外定子、内转 子、变速杆、粉末锻造连杆等畸1 。在汽车中，粉末冶金零件7 5 以上用于发动机 与变速器。例如，在克莱斯勒2 7 l 发动机中有8 8 个粉末冶金零件，分别是粉锻 连杆6 个、主轴承盖4 个、曲轴链轮1 个、凸轮轴链轮4 个、阀座圈2 4 个、气门导管 2 4 个、铝基凸轮轴轴承盖2 4 个、水泵带轮1 个。在通用4 2 l 发动机中使用了7 9 个粉末冶金零件，分别是粉锻连杆6 个、主轴承盖7 个、阀座圈2 4 个、气门导管2 4 个、铝基凸轮轴轴承盖1 4 个、油泵齿轮副1 个、曲轴链轮1 个、凸轮轴链轮4 个、 铝基空气盖板1 个h 1 。 山东大学硕士学位论文 随着粉末冶金的发展，一批新材料、新技术、新工艺也不断涌现，诸如热等 静压、粉末锻造、注射成形、温压技术、高速压制、爆炸成形、纳米技术等n 1 。 粉末锻造通常是将烧结的预成形坯，加热后在闭式模中锻造成零件的工艺。 它是将传统的粉末冶金和精密模锻结合起来的一种新工艺，兼有粉末冶金和精 密模锻两者的优点，可以制取相对密度在9 8 以上的粉末锻件。粉末锻造克服 了普通粉末冶金零件密度低的缺点，可以获得较均匀的细晶粒组织，并可显著 提高强度和韧性，使粉末锻造的物理机械性能接近、达到甚至超过普通锻件的 水平。同时，它又保持普通粉末冶金少、无切削工艺的优点，通过合理设计预 成形坯和实现少、无飞边锻造，具有成形精确、材料利用率高、锻造能量低、 成本低等特点 。 粉末锻造主要用于生产汽车零件，如：发动机连杆、变速器凸轮、轴承座 圈、万向联轴器、发动机阀座、轮毂、压板、气门挺杆、后轴承端盖，以及各 种齿轮等等d 3 。连杆是发动机中承受强烈冲击和高动态应力的典型零件，粉末 锻造连杆可靠性高，已在大量使用中得到证明口1 。 1 1 2 连杆的制造 发动机连杆承担着把活塞的直线运动，通过曲柄转换为往复回转运动，不 仅要求抗拉、抗弯，而且要耐磨和抗疲劳、耐冲击，其综合机械性能要求苛刻。 发动机连杆有锻钢连杆和铸造连杆，锻钢连杆有调质钢和非调质钢，铸造连杆 有球墨铸铁连杆和可锻铸铁连杆。锻造法的主要制作工艺流程是：首先将钢坯加 热到锻造温度，然后将钢坯送到自动轧钢机进行初轧，使其延伸成一定要求的几 何形状和尺寸的预制坯，再将预制坯送到锻压机的锻模中进行终锻，或者用多模 锻造法，则不需轧制。由于锻造法生产的连杆比铸造法成本高，故可采用铸造法 大批量生产珠光体可锻铸铁，此后又用球墨铸铁代替可锻铸铁。二十世纪八十年 代以来，粉末锻造连杆开始并逐渐在发达国家如美国、德国、日本等国大量使用 c 8 1 0 国外长期生产实践证明，连杆用粉末锻造工艺代替普通模锻工艺，有明显 的优点：材料利用率高、力学性能好、锻件尺寸精度高和质量准确，大规模投 产可以显著降低制造成本等 2 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 材料利用率高：采用合理的制坯技术，在较低温度下进行无飞边、 无余量的精密闭式模锻，大大提高了材料利用率，从普通模锻 5 0 左右的材料利用率增加到9 5 以上。 ( 2 )力学性能高：经过锻造使组织致密化，提高了机械强度。而且， 由于粉末冶金材料特有的合金颗粒细化的金相组织，具有抵制微 裂纹发展，可以提高连杆工作的疲劳强度。 ( 3 ) 锻件尺寸精度高和质量准确：预成形坯的尺寸精度高，而且形状、 尺寸接近最终零件，因此质量偏差小。 ( 4 ) 制造成本降低：粉末锻件不需要或需要很少量的切削加工，是一 项节材节能的技术。 近期欧美等西方发达国家又出现了c - 7 0 钢锤锻连杆、温压连杆、粉末冶金 铝合金连杆等新工艺。嘲 1 1 3 连杆的强度分析 对于连杆的强度分析也经历了一系列的发展阶段。连杆的强度计算，在有 限元法应用于连杆分析以前是对连杆小头、杆身和大头分别按均匀平面曲梁和 直梁计算，由于没有考虑截面的变化以及载荷和计算公式的简化，计算精度较 差，一般是应用材料力学的公式对“危险断面 的应力进行粗略分析，以提出 一定的断面形状及尺寸。为了保险，只能进行保守设计，以至于结构粗大，浪 费材料。而且连杆的强度，与最大应力处附近的应力梯度有关，解析计算法无法 计算连杆的应力场。 目前的数值计算方法，有边界元法、有限差分法、有限元法等。这些数值 方法中，有限元法是运用最为成功、最为广泛的方法。2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代初采用常单元插值、线性单元插值和边界元等方法对连杆进行平面应力应 变分析。连杆的计算分析在早期多采用经验公式，对连杆的三维实体应力应变 分析开始于9 0 年代初，有限元理论和方法提出后，迅速在连杆分析上得到广泛 应用。连杆的有限元分析模型经历了一个由简单到复杂、由浅入深的演变发展 过程。从最早的曲梁模型，到平面连续模型，以及9 0 年代至今的三维实体模型。 连杆强度的静态有限元分析已经日趋完善，动响应分析是近年来有限元分析的 山东大学硕士学位论文 一个重点，它推动了连杆由传统静态设计向动态设计的发展。连杆的动态特性 分析是静态设计的补充和发展，是对连杆结构进行合理设计、提高使用可靠性 的重要手段。 1 2 粉末冶金锻造连杆的发展 1 2 1 国外粉末冶金锻造连杆发展概况 1 9 0 9 年美国人库利奇( w d c o o l i d g e ) 用钨粉成形、烧结、再锻打拉丝的 方法制造出了电灯钨丝，这应该说是最早的粉末锻造工艺。其后二十世纪四十 年代德国和美国也发表过铁粉锻造和热压的实验报告，粉末锻造的迅速发展是 从随后的六十年代中期开始的。美国通用汽车公司1 9 6 4 年用铁粉锻造成连杆， 1 9 6 8 年又研制成功汽车差速器行星齿轮，1 9 7 0 年又与辛辛纳提公司合作建成了 世界上第一条粉末热锻生产自动线。1 9 7 0 年在纽约召开的第三届国际粉末冶金 会议上发表了许多热锻论文，展出了美国和日本的粉末热锻零件。从此以后， 粉末锻造像雨后春笋在世界各主要国家迅速发展起来凸1 。 1 9 8 1 年日本丰田公司全自动粉末锻造生产线投产，生产连杆和离合器。连 杆月生产能力1 4 万件，至1 9 9 2 年年生产连杆2 5 0 万件。现在日本马自达公司 发动机也大批量使用粉末锻造连杆n 们。 美国福特汽车公司于1 9 8 7 年在e s c o r t 与l y n x l 9 l 发动机率先使用了粉末 冶金锻造连杆，并获得了8 7 年美国粉末零件设计竞赛全密度荣誉奖，随后，在 4 6 l v 8 发动机中采用了较大的粉末冶金锻造连杆，并陆续扩大到其他型号的发 动机，至1 9 9 1 年该公司生产的连杆不少于1 0 0 0 万件，至1 9 9 3 年美国已累计生 产了约2 5 0 0 万件粉末热锻连杆。1 9 9 4 年美国通用汽车公司和克莱斯勒汽车公 司也采用了粉末锻造连杆n 1 。 在欧洲，德国的b m w 公司的r 1 i o o r s 摩托车用二缸发动机和的b m wv 一8 轿 车发动机都于1 9 9 2 年开始采用粉末锻造连杆。这些粉末锻造连杆是由德国 s i n t e r m e t a l l w e r kk r e b s o g eg m b h 公司生产的。该公司目前摩托车发动机用连 杆的年产量为4 0 0 0 0 根，b m wv 一8 轿车发动机用连杆的年产量为6 4 0 0 0 0 根，预 成形坯采用预合金钢粉以压制一烧结工艺生产的，预合金钢粉的化学组成为： 4 山东大学硕士学位论文 f e 一( 0 3 o 4 ) m n 一( 0 1 0 2 5 ) c r 一( 0 2 0 3 ) n i 一( 0 2 5 o 3 5 ) m o - o 6 c 。 生产的粉末锻造连杆的力学性能如下：拉伸强度1 0 0 0 m p a ，表观硬度2 8 0 h b ，伸 长率1 1 ，旋转弯曲强度3 4 0 m p a ，弹性模量2 0 0 g p a 表1 - 1 国外汽车中使用的粉末锻造连杆实例： 三5 三 蔷 求 蛾 嫠4 粉铰 模锻 i 10 。 l ” 循环次羲 图1 - 1粉锻连杆与模锻连杆疲劳强度比较 上图比较了普通模锻钢连杆和粉末锻造连杆的疲劳强度。由之可看出，粉 末锻造的连杆比常规模锻钢连杆的疲劳强度高，这就是说，粉末锻造连杆可承 受较高的应力，或者可减小其横断面面积，也就是可减轻连杆的质量，而减轻 连杆的质量往往是发动机设计师的一个重要目标。b m w 使用粉末锻造连杆后， 由于减少了后续切削加工和节约了相应能源，生产成本比常规的锻造连杆约可 减低2 4 n 1 。 1 2 2 国内粉末锻造技术的发展 我国的粉末锻造技术起步于二十世纪七十年代，当时的研究和应用非常活 跃，成果也比较突出：1 9 7 6 年，中科院金属研究所与沈阳粉末冶金厂合作，用 5 山东大学硕士学位论文 f e - m o 共还原粉末研制成功粉末锻造汽车行星齿轮，并建成国内第一条粉末锻 造生产线；1 9 7 7 年，中南工大与益阳粉末冶金研究所合作，用雾化c u - m o 低合 金钢粉制成拖拉机传动齿轮，随后又建成拖拉机粉锻密封环生产线；武钢和武 汉汽车工业大学合作研制成功重2 2 公斤，模数1 5 齿数1 8 的大型粉末锻造伞齿 轮，堪称当时世界最重粉末锻造件；北京粉末冶金研究所、机械工业部第五设 计院、天津内燃机齿轮厂三方合作建成一条粉末锻造生产线，生产汽车后桥差 速器行星齿轮和拖拉机倒档直齿轮等。随后的时间里，受世界和国内形势的影 响，我国的粉锻技术发展缓慢n 1 1 2 3 。 进入二十世纪九十年代以后，粉末原材料首先有了快速发展，鞍钢、莱钢、 武钢等相继引进或开发了高质量的水雾化粉末，并大批量生产，此外加上赫格 纳斯、魁北克的高质量预合金粉末，为粉末锻造的发展提供了原材料上的保障。 武汉工学院、中南工大、东北大学等一些单位对粉末锻造的研究重新又活跃起 来。1 9 9 8 年山东省机械设计研究院研制成功了粉末热锻摩托车连杆，随后建成 了一条粉末热锻生产线，成立了山东省粉末热锻技术中试基地。2 0 0 1 年，长春 市粉末冶金厂与东北大学联合开发和研制了粉末冶金热锻汽车连杆，材料配方 为f e f e y i - s - c 系列。其中，母合金的粒度小于1 0 0 目，化学成分为：c u l 5 4 0 ，c r l o 3 0 ，m n l 1 2 6 ，此项目是国家汽车行业重点攻关项目之一。 目前，国内有许多粉末锻造连杆方面的翻译和搜集整理的文章，但真正从事研 究和开发的单位仅以上两家n 以1 删。另外，连杆有限元分析方面的文献，都是针 对锻钢连杆和铸造连杆，粉末热锻连杆的有限元分析目前尚未见报道。 1 3 课题的提出及其意义 1 3 1 课题的提出 我国是世界上第一大摩托车生产和消费大国，2 0 0 4 年的产量是1 6 0 0 万 辆，2 0 0 5 年的产量是1 7 7 6 万辆，2 0 0 6 年的产量是2 1 4 0 万辆，约占世界总产量的 4 8 ，连续1 4 年居全球摩托车产量的首位经过近二十年的高速发展，我国的摩 托车产业已经具有相当的规模，能生产2 0 0 0 多个品种1 5 种排量的摩托车我国 虽是摩托车生产大国但并不是生产强国，质量更不是第一，盈利模式也是低级 6 ll i 东大学硕士学位论文 形式。现在我国的摩托车产业发展已趋于缓慢，整个行业进入一个调整和整合期， 处于从杂乱无章到井然有序，从低级竞争到高级竞争，从国内市场到国际市场， 从遍地小作坊到正规大集团的优胜劣汰、兼并重组的变革时期 为了有效缓解国内摩托车市场日益严峻的形势，摩托车企业努力加大海外 市场的开拓力度，近年来，摩托车的出口量在总销量中所占的比重逐年上升， 已达4 0 左右。在出口的各排量摩托车中，出口量占销售量比重最高的为5 0 m l ， 达到6 8 左右，其次是l o o m l 和1 5 0 m l 。2 0 0 8 年，受能源及原材料价格上涨、 劳动力成本上升、人民币升值、国际金融危机等多重因素影响，我国的经济运 行步伐明显放缓，摩托车工业在宏观经济增速放缓的大格局下，各项主要经济 效益指标出现不同程度回落，企业生产经营利润空间在不断缩小，企业资金回 笼情况面临一定压力。因此，随着市场竞争的日渐激烈，如何提高质量，降低 成本是各生产厂家生存与发展的关键，提高零部件的质量，降低每个零部件的 成本是最有效和最直接的途径。选择摩托车连杆作为粉末热锻技术研究和开发 的对象，正是基于上述摩托车发展的基本国情，具有社会和经济的意义。 1 3 2 连杆有限元分析的意义 有限元法是把连续的弹性体划分为有限大小的、彼此只在有限个点相连的、 有限个单元的组合体来研究。也就是设想把原来的结构用一个离散结构来代替， 作为真实结构的近似力学模型，以后的数值计算就在这个结构上进行。这种把实 际连续体划分为离散结构的过程，叫做有限元离散化，这些有限大小的单元，称 为有限元，各单元间相连接的点，称为节点。有限元分析的实质是先从单元分析 入手，找出单元节点上的作用力与单元节点位移、应力、应变的关系；然后，进 行结构的整体分析，即组合联系整个结构的节点位移与结点载荷的总刚度方程。 由于总刚度方程是包含有限个未知节点位移量的线性代数方程组，这是一个大型 的代数方程组，计算的工作量巨大，一般手工是无法去完成的，则可利用电子计 算机来求解，这是很方便的。根据所求得的各单元的位移、应力和应变，可分析 整个连续体的受力情况n 引。 连杆作为发动机动力传动中的重要组件，很高的气缸爆发压力要求其有足 够的刚度和强度，而高速运动产生的惯性力又要求结构轻巧。所以就要求连杆在 7 山东大学硕士学位论文 尽可能轻巧的结构下保证足够的刚度和强度。因此，设计新型发动机或对老产 品进行改造时，都必须对连杆的强度进行严格的强度校核。研究连杆强度的方 法有试验和计算两种。试验研究需要花费很长时间和高昂费用，且只能在已制 成的连杆上进行，概念设计阶段无法进行。实验方法要求设计人员必须制造出 不同实验产品，然后进行实验测试和评估，通过实验查找设计中的不足并不停 改进，需要反反复复，周期不可控制，而且人为因素和实验的随机性和误差等 不可确定性影响因素很多，使实验的正确性和成功率难以保证。总之，传统的 许多分析方法越来越难以满足高社会经济效益和高性能提出的精益设计的要 求，而有限元技术正是设计分析技术的革命，为产品的可靠性和高效性提供技 术保证，同时避免大量实验验证过程，降低设计成本，提高设计效率，提高开 发周期。相对于规范设计、实验方法、经验方法设计这些传统设计方法，有限 元技术具有极大的优势。目前，在连杆结构分析中，有限元法作为一种高精度的数 值计算方法，随着软件的标准化和计算机硬件的发展，已成为连杆结构分析普遍 采用的方法。 现阶段对于连杆的有限元强度分析主要分为静应力计算与动应力计算，静 应力计算是目前应用比较广泛也比较成熟的一种方式。随着现代机械系统朝着 高速、重载、高精度方向发展，设计者越来越重视构件的动应力和产品的寿命 预估，使得系统刚性运动与其自身变形之间相耦合而产生的弹性动力学问题已 成为该领域急需解决的普遍问题和关键技术。理论研究和实践证明，有限元计 算分析的方法对于分析连杆的强度具有很好的价值，并在发动机的概念设计阶 段得到了广泛的应用。连杆的可靠性分析一直是发动机设计和改进过程中的一 个重要组成部分。 有限元法不仅可以用于结构、热、流体的分析，还能处理不同物理结构或 场的耦合分析等问题，具有更大的应用前景。尤其是对许多工程问题，对于要 考虑材料性质以及边界条件等较复杂的问题，可以根据数值方法给出近似的、 较令人满意的答案，有限元法就是这样一种很好的数值分析方法。 本文对摩托车连杆进行有限元分析，讨论了2 0 c r m o 材料和粉末热锻材料两 种连杆的应力、应变情况，通过疲劳强度的安全校核，说明粉末热锻连杆完全 能代替2 0 c r m o 合金钢连杆。 8 些查奎童至圭兰堡垒圣 第二章摩托车连杆的粉末热锻 本文选用轻骑集团生产的t b 5 0 发动机连杆进行生产制作，原来选用的村质 为2 0 c r m o ，属于低碳台金钢，如图2 1 。基本工序为：下料一锻造一切边一钻孔 一防渗处理一镗孔一渗碳淬火_ 回火一喷砂处理一精磨一成品。连杆在工作中 受复杂的交变的应力，失效方式为断裂、变形、磨损；要求端面和内孔硬度 艘c 5 8 6 2 ，杆部硬度h r c 3 4 。 图2 一l2 0 c r m o 钢锻连杆 粉末冶金热锻连杆的生产工序为：混料一压型一烧结一锻造一镗孔一淬火一 精磨一成品。 图2 2 粉末锻造工艺流程图 常规的粉末锻造工艺有两种：一种是粉末一成形呻烧结预成形坯一( 冷却 l l i 东大学硕士学位论文 到锻造温度) 一锻造一切削加工一后处理；第二种是粉末一成形一烧结预成形 坯一( 冷却到室温) 一再次加热一锻造一切削加工一后处理。两者的区别就在 于预成形坯烧结后一种是冷却到锻造温度直接进行锻造，适宜连续生产；第二 种是预成形坯烧结完成后，零件冷却到室温，进行锻造需再次加热，适合不连 续生产啪1 。本文所指的摩托车连杆采用第二种粉末锻造工艺。 2 i 材质的选择 2 1 1 原料粉末 粉末锻造能够制造高强度的材料和制品，它们是以高密度和合金强化为基 础的。所以，采用的原料粉末必须是高纯度的，并需加入一定量的合金元素。 最理想的是采用雾化合金钢粉，国外生产均采用合金钢粉，但这类合金钢粉在 国内尚未大批生产，所以实际还是采用混合粉。口妇 作为受力复杂的结构件，连杆的要求一要有高强韧性，二要有局部的高硬 度，因此材料的设计要考虑： ( 1 ) 含碳量为中低碳； ( 2 ) 有一定的淬透性，基体淬火后硬度在h r c 3 0 以上； ( 3 ) 满足局部渗碳的要求，可以形成耐磨的渗碳层。 表2 - 1 几种铁粉的物理性能指标 泌 ocs pf e松装密度流动性粒度 g c m 3s 5 0 9 目 莱钢还原铁粉 o 3 6 o 0 4o 0 30 0 3 余2 3 4 08 0 q m p l 0 0 1o 0 8 0 0 0 30 0 0 7 0 0 19 9 42 9 2 2 61 0 0 a h c l 0 0 2 9o 0 80 0 0 50 0 0 8o o l 余 2 9 42 4 61 0 0 鞍钢雾化铁粉 0 1 00 0 20 0 2o 0 1 5余2 6 5 2 9 53 52 0 0 注：余为去除已知成分含量后剩余的重量百分含量 选择f e - c 系，f e c n i m o 系，f e - c - c u 系和f e - c - c u - m o 系进行交叉制粉。 铁粉的选择以含氧量低，粉末粒度均匀的雾化铁粉为主，有加拿大魁北克的 q m p l 0 0 1 雾化铁粉，上海赫格纳斯的1 0 0 目雾化铁粉a h c l 0 0 2 9 ，鞍钢2 0 0 目雾 化铁粉和莱钢8 0 目国标一级铁粉，如表2 - 1 。 与钢的成分相似，碳含量的多少直接影响到粉末冶金预制坯的机械性能和 l o 山东大学硕士学位论文 烧结参数，碳的加入是2 0 0 目以上的磷片状石墨粉混入，加入的石墨部分形成 铁碳化合物，少部分作为游离碳存在或被损耗。所以把碳含量控制在0 3 - - - 0 6 较为合适。表2 - 2 为几种粉锻连杆的化学成分。 表2 - 2几种粉锻连杆的化学成分 序号 c c u n i m o f e 硬脂酸锌 10 2 o 5 余 0 8 2o 3 o 61 2 余 o 8 3o 3 0 6l 21 5 2 00 2 0 6 余 o 8 4 o 3 0 61 20 2 0 6 余 o 8 注：余为去除已知成分含量后剩余的重量百分含量 铜粉作为一种固溶硬化成分加入，可以填充粉末间空隙，还能引起活化烧 结，有利于提高材料的密度和强度，并能改善材料的抗腐蚀、抗氧化性能。另 外，铜还能减少制品烧结时的收缩变形，有利于提高制品的几何精度。镍在提 高材料的强度和硬度的同时，能明显改善材料的冲击韧性，获得良好的综合机 械性能，使材料有较好的淬透性和耐磨性。钼有很强的细化晶粒作用，对提高 材料的强度、淬透性、热硬性有明显效果，并能有效地减少回火脆性，在需要 热处理的材料，特别是热锻材料中，加入少量钼，将有利于材料获得较好的综 合机械性能。镍是用2 0 0 目的镍粉，钼以钼铁的形态加入。 2 1 2 材质分析 密度是影响粉锻连杆最终机械性能的主要因素，要满足使用要求，连杆最终 密度必须达到理论密度的9 7 以上这就要求预成形坯有均匀而且是最佳的密度， 同时应该有较好的材质成分试验表明，在相同的打击力的情况下，预成形坯密 度在6 4 6 5g c m 3 时，锻后连杆的密度最高，如图2 3 。这是因为预成形坯的 密度低时，金属流动容易出现分层和上下密度不均：密度过高，变形抗力加大，需 要的打击力提高，也失去了粉末热锻压力低的特点。 材质的主要组份是铁粉，试验表明，还原铁粉压制性能好，但锻后密度难以 超过7 6 9 c m 3 ，这与它的粉末形态和杂质多有关。在水雾化铁粉中，q m p 、赫格纳 斯公司和鞍钢的产品用f e - c 系没有明显的差异。非金属夹杂物的含量对冲击值 影响很大，而含氧量影响淬透性，雾化铁粉较还原铁粉更适用些。表2 - 3 为材 质组成对锻后密度的影响。 山东大学硕士学位论文 ： 占 划 堪日 、崆 搿 7 7 7 图2 - 3 预成形坯密度对锻后密度的影响 表2 - 3 材质组成对锻后密度的影响 裂巡： 123 456 习埃 f e - c7 5 47 6 07 5 6 7 5 97 5 97 6 0 f e - c - c u 7 6 27 6 47 6 17 6 57 6 47 6 6 f e - c n i m o7 5 97 6 37 6 27 6 3 7 6 57 6 5 f e c c u m o7 6 8 7 6 97 6 57 7 97 6 97 7 0 通过锻前和锻后物理、机械性能的比较，f e - c - c u m o 系结果最好，其基本 组成0 5 c ，1 , - 2 c u ，0 2 - 0 6 m o ，余为f e ，以此作为连杆的材质组成。 2 2 连杆的预成形坯 预成形坯设计是粉末锻造成功的主要关键，因为其对材料中的金属流动与 应力分布有重大影响。这些因素也影响材料的密实，并可能影响材料的断裂。 一般来说，要想达到全密度的良好结合，必须产生足够量的金属流动。另外， 较大量的侧向流动可提高热锻粉末冶金零件的动态性能。另一方面，金属流动 量增大，断裂的概率也增大。因此，必须使预成形坯形状在变形过程中不会超 越断裂极限，同时，又能使预成形坯的变形量足够大，以得到最好的力学性能 3 】 1 2 山东大学硕士学位论文 2 2 1 压型模的设计 一般粉末冶金压型模的设计依据是零件图纸和工艺变形的经验数据，但连 杆的设计依据不能直接针对图纸，而是要综合权衡热锻模和锻造工艺。预成形 坯的三个主要变形量是形状、质量、密度口1 。 预成形坯的形状基本上可以分成两种类型：一种是与锻件形状相近的，另 一种是比锻件形状简单的。一般说，形状与锻件相近的预成形坯在锻造过程中， 金属的流动变形程度较小。预成形坯密度不宜过低，否则在锻造过程中金属的 流动量大，虽然容易填充模腔，但锻件密度差难于控制，锻件内部容易出现分 层现象。另外，预成形坯密度过高也是不利的，这是由于坯件变形时抗力明显 增大，从而需要的锻造压力提高，不利于锻造。通常，热锻用预成形坯的密 度为理论密度的7 0 - - 8 0 ，即5 5 - 6 7 9 c m 3 ，连杆的预成形坯密度为6 4 6 5g c m 3 。预成形坯的重量应尽量精确控制，特别是无飞边锻造时，重量的控 制尤为重要，一般要求重量偏差为0 5 ，否则对锻件的形状、尺寸精度及制 品的最终性能产生有害的影响船。 图2 4 密度分布图2 5 流动方向 连杆的设计要点有两点： ( 1 ) 预成形坯尽量接近连杆的形状； ( 2 ) 有利于预成形坯的各部位密度均匀。 要做到第二点必须设法控制压形过程中粉末的横向流动。在压制过程中， 山东大学硕士学位论文 由于连杆两端高中间低，粉末必然从两端向中间流动，而且规律不确定，如图 2 - 4 和图2 - 5 。把上冲头做成三部分，并分三部分分别称量称料。尽管有所改善， 但压制密度差仍然很大。 为了抑制横向流动，压型模的冲头各部位必须多工位运动，即在流动的方 向靠中间部分冲头的预先和缓慢压制，以及各部分间的受力平衡来阻止粉末的 横向流动，也可称为不同步压制，如图2 - 6 。利用这种方法，首先必须精确测量 混合粉末的松装密度，通过准确计算成品连杆的三部分重量，可以得出松装粉 末所占的体积，从而可以预置冲头各部位的高度。粉末预成形坯的密度均匀， 为锻造毛坯的均匀创造了先决条件。 7 | ， 。 z _ 一 ? ：；：t ! o 1 - j ! ：? ”、。；。： _ _ j ： ：。 弋 、 、 、 ：0 一淤沁义& r 沁 弋 弋 尹 心 乞 2 2 2 预成形坯的烧结 图2 - 6 不同步压制示意图 连杆预成形坯的制作过程为：混料一压型一烧结一预成形坯。混料、压制 之后进行烧结，烧结在推杆式粉末冶金高温烧结炉中进行，氢气保护气氛，烧 结温度1 1 2 0 ，图2 7 为预成形坯烧结工艺图。预成形坯的烧结是个关键工序， 烧结的预成形坯性能直接影响粉锻件的性能。在烧结过程中发生下列反应，首 先，由预成形坯中颗粒间的原始的机械连结变成了颗粒间的冶金结合。一般地， 粉末锻造件的力学性能随着烧结时冶金结合的改变而增高。其次，预成形坯中 的氧化物被还原，同时得到预成形坯的最终含碳量。 1 4 当奎查兰鎏圭兰譬鲨苎 2 3 连杆的热锻 图2 7 预成形坯烧结工艺图 2 3 1 锻造模具的设计 粉末热锻和精密锻造相似，但也有自己的特点。由于粉末冶金可以提供接 近连杆几何形状的毛坯，所以粉锻模要尽量发挥这特点，做到少无飞边和高 精度，尽可能满足产品几何形状和精度要求，以减少辅助加工。 圈2 - 8带飞边的粉锻连杆 为配合压型模的设计与调整，先后设计和制作了两套锻造模具。第一套为 开式锻模，分上下模腔，导柱导向，预留1 5 毫米飞边。圈2 - 8 为开式锻模锻 造的带飞边的粉锻连杆。这套模具的主要任务是： ( 1 ) 通过开式锻造，分析粉末预成形坯在高温打击下的流动方式 和密度分布； ( 2 ) 反馈信息，调整粉末冶金压型、烧结等工艺参数，修改压型 山东大学硕士学位论文 模的设计和模压方式； ( 3 ) 为闭式模的设计提供依据。 通过开式粉末锻造，达到了上述目的，同时还得出了如下结论： ( i ) 热变形首先在纵向，向外延伸的飞边部分因阻抗力小而密度很低； ( 2 ) 开式模不能发挥粉末锻造工艺的特点。重量大时飞边依旧，不足则密 度低，在过渡区易出现不正常流动： ( 3 ) 粉末预制坯的热膨胀系数在i 0 0 0 c 加热1 0 分钟时间为2 3 2 5 ， 锻后收缩系数07 0