（材料加工工程专业论文）钟形罩多工序温冷联合成形过程的模拟分析.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 l 等速万向节是轿车的传动轴和极为重要的承载部件，其应用是现代轿车舒适 性、高传动效率和低噪音的重要标志。在等速万向节中，以钟形罩的制造技术难 度最大，它不仅重量大，形状复杂，加工精度要求高，而且生产工艺一直处于专 利或保密状态。随着轿车工业的发展，对其需求量越来越多。近年来，美国、日 本和俄罗斯等国采用“温锻+ 冷锻”复合成形工艺生产出的钟形罩锻件外表面留 约lr a i n 的加工余量，球形内表面仅留约0 5 m m 的磨削量，六条弧形球道仅留 o 3 0 ，4 m m 磨削量。随着国内汽车工业迅速发展的需要，我国在8 0 年代后期开始 等速万向节的生产。和发达国家相比，我国汽车零件的精密塑性成形工艺( 包括 冷温精锻) 还比较落后，因此，研究等速万向节钟形罩精密成形技术，已成为我国 1 汽车工业的重要课题。寸 本文针对目前科研和生产中急需解决的关键技术，采用数值模拟和实验研究相 结合的方法，对钟形罩塑性成形过程进行了大量的研究，包括钟形罩预成形工艺 有限元模拟、冷缩径回弹分析与模具运动分析和实验研究三部分。 通过对钟形罩预成形件三种温热锻造成形工艺的有限元模拟，比较了杯一杆复 合成形，镦挤复合成形和多工序联合成形工艺的成形过程和力能参数，分析了其优 缺点，在此基础上选择多工序联合成形作为实施方案；通过对钟形罩温热反挤成 形过程模拟，得到成形过程中工件、模具的多物理场，为工件流动分析、模具磨损 预测等提供了理论依据；通过对钟形罩多工序温熟联合成形工艺模拟，着重对工艺 ， 选择和模具设计中易出现的问题进行了分槐姆出以下结论，即顶镦工序采用底部 、 带凸台的冲头比采用平底冲头更为合理，反挤工序采用半闭式反挤压工艺为宜； 采用热力耦合的刚粘塑性有限元法对钟形罩多工序温热预成形工艺过程进行模 华中科技大学博士学位论文 拟，获得各工序的等效应变场、等效应力场、温度场、变形力一行程曲线和多工 序变形连续温度场，证明了在一次加热的条件下完成钟形罩三工序温热成形的可 行性；针对钟形罩反挤压和冷缩经成形过程，把温锻温度范围的材料抗力模型引入 有限元分析软件d e f o r m 3d ，采用三维刚粘塑性有限元法和c a d 技术，建立与 实际三维问题相符的有限元模型，进行了热力耦合数值模拟以揭示金属的塑性变形 、 行为，模拟结果可以有效地指导工艺和模具设计。4 ， 采用弹塑性有限元方法对钟形罩冷缩径终成形工艺进行了有限元模拟，获得 了其成形回弹规律：影响工件与凸模间的回弹的因素是以工件为主，凸模为辅，工件 与凹模间的回弹可以忽略不计；对钟形罩冷缩径模具进行了装配造型和可视化运 动仿真分析，改进了模具零件设计和运动过程设计，论证了模具设计的可行性。 ( 在有限元模拟分析结果的基础上，分别设计制造了实验模具，对多工序 复合成形变形过程进行了实验研究，获得了变形力一变形行程曲线和金属流动 趋势，分析了其金属流动规律，并与有限元模拟结果进行了比较，发现两者 、 具有很好的一致性。4 、 关键词： 等速万向节钟形罩j 多工序冷温成形j 有限元1 热力耦合 回弹分析? 模具运动仿夭工艺实气 ， i i 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ec r o s sg r o o v ec o n s t a n tv e l o c i t yj o i n t ，at r a n s m i s s i o ns h a f t ，i sav e r yi m p o r t a n t l o a d s u p p o r t i n gp a r to fs a l o o n c a l t h i sk i n do fj o i n tc a nr e s u l ti nar e d u c t i o no f v i b r a t i o na n dn o i s e ，as i g n i f i c a n tr e d u c t i o ni nj o i n ts i z ea n da ni n c r e a s ei nt h em a x i m u m s p e e da n dt o r q u e i ti so n e o f c r u c i a li s s u e si nm o d e ms a l o o nc a r i nt h ea l lp a r t so f t h e j o i n t ，t h e o u t e rr a c ei sv e r yd i f f i c u l tt ob ef o r g e db e c a u s eo fc o m p l i c a t e ds h a p e ，b i g w e i g h ta n dh i g hp r e c i s i o n a n dt h ef o r m i n gp r o c e s si sp r o t e c t e db yp a t e n to ri sk e p ta s e c r e ts t i l l d u et or a p i di n c r e a s ei nc a ri n d u s t r y , t h e r ei sag r e a t e rd e m a n df o rs u c h j o i n t s i nr e c e n ty e a r s ，af o r g i n gp a r to ft h eo u t e rr a c e ，w h i c hh a sj u s tg r i n d e dt o l e r a n c e s o f1 0r n n li no u t e rs u r f a c e 0 5t o n ii ni n n e rs p h e r es u r f a c ea n d0 3 0 4r n n li na r cs p h e r e g r o o v e s ，c a nb ef o r m e db yu s a ，j a p a na n dr u s s i aw i t hw a r m c o l df o r m i n gp r o c e s s e v e ri n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t so ft h ea u t oi n d u s t r ym a k ei tn e c e s s a r yt od e v e l o pa n d m a n u f a c t u r et h ec r o s sg r o o v ec o n s t a n tv e l o c i t y j o i n t ，s os o m ec h i n e s ee n t e r p r i s e sb e g a n t om a n u f a c t u r ei ti nt h el a t eo f8 0 sl a s t c e n t l l r y c o m p a r e dw i t ht h o s ed e v e l o p e d c o u n t r i e s ，c h i n ah a sp o o ra b i l i t yi nc o l da n dw a l t nf o r g i n gp r o c e s st op r o d u c et h i s c o m p o n e n t i n o r d e rt om e e tt h ed e v e l o p m e n td e m a n d so fc h i n e s ea u t o m o b i l ei n d u s t r y ， r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f t h ep r e c i s ef o r m i n g p r o c e s so f t h eo u t e rr a c eb e c o m e st h e k e yp r o j e c t i nd i r en e e do fs o l v i n gt h ek e yp r o b l e md u r i n gr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f p r e c i s ep l a s t i cf o r m i n g s o m eg e n e r a ll a w so f p r e c i s ef o r m i n g f o ro u t e rr a c ea r es t u d i e d i nt h i sp a p e rt h r o u g hac o m b i n a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da n de x p e r i m e n t t h e s ei n c l u d et h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no f m u l t i s t a g ew a r m h o tp r e f o r m e dp r o c e s s f o ro u t e rr a c e ，e l a s t i cr e c o v e r ya n a l y s i sa n dd i em o v e m e n ts i m u l a t i o no fc o i dp r e c i s i o n n e c k i n ga n de x p e r i m e n t t h e m u l t i s t a g ew a r m c o l df o r m i n gp r o c e s sf o ro u t e r r a c ei se m p l o y e da sp r a c t i c a l p l a nb y c o n t r a s tw i t hf o r m i n gp r o c e s sa n df o r c e - s t r o k ep a r a m e t e r sb e t w e e nt h r e e f o r m i n gm e t h o d so fc u p - r o dc o m p l e xf o r m i n ga n du p s e t t i n g & e x t r u s i o nf o r m i n ga n d m u l t i s t a g ew a r mf o r g i n g w i t l lt h er i g i dv i s c o p l a s t i cf i n i t ee l e m e n t m e t h o d t h r o u g h t h es i m u l a t i o no fb a c k w a r de x t r u s i o n f o r m i n g ，u s i n g t h e t h e r m o - m e c h a n i c a l c o u p l e dr i g i dv i s c o p l a s t i c f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n ds p e c i a l l y m u l t i - p h y s i c s f i e l d so fd i e sa n dw o r k p i e c ea r eo b t a i n e d t h e s er e s u l t sc a l lo f f e ra t h e o r e t i c a lb a s i sf o rp r e d i c t i o no f d i ew e a ra n d w o r k p i e c ed e f o r m a t i o n 1 a w i i l 华中科技大学博士学位论文 a m u l t i s t a g ew a r m h n tp r e f o r m e dp r o c e s sf o rt h eo u t e rr a c ei ss i m u l a t e dw i t ha t h e r m o - m e c h a n i c a lc o u p l e dr i g i dv i s c o p l a s t i cf m i t ee l e m e n tm e t h o d a n ds o m e s p e c i a l p r o b l e m si nf o r m i n gp r o c e s s a n dd i e d e s i g n a r ea n a l y z e d t h e nt h e s er e s u l t s a r e o b t a i n e d ，w h i c hi n c l u d et h a ti ti sm o r er e a s o n a b l et oe m p l o yt h ep u n c hw i t ht h ec o n v e x f l a n g et h a nt h ef i a tb o t t o mp u n c h f o ru p s e t t i n g e x t r u s i o no f o u t e rr a c ea n di ti sf e a s i b l e t ou s eh a l fc l o s e db a c k w a r de x t r u s i o nf o rb a c k w a r de x t r u s i o no fo u t e rr a c e o nt h e s i m u l a t i o no f m u l t i s t a g e w a r m h o t f o r g i n g ，e q u i v a l e n t s t r a i n ，e q u i v a l e n ts t r e s s ， t e m p e r a t u r ef i e l da n dl o a dv s s t r o k ec u r v ea r eo b t a i n e df o rt h ep e r f o r m e dp r o c e s s s e p a r a t e l y n l eo b t a i n e dt e m p e r a t u r ef i e l ds h o w st h a ti ti sf e a s i b l et of i n i s ht h ew h o l e p r e f o r m e dp r o c e s st h r o u g h o n eh e a t i n g i no r d e rt o a n a l y z et h ef o r m i n gp r o c e s so fb a c k w a r de x t r u s i o na n dp r e c i s i o n n e c k i n g o f o u t e r r a c e ，t h em a t e r i a lm o d e lo f w a r m f o r g i n gt e m p e r a t u r er a n g ei si n d u c t e d i n t od e f o r m - 3 da n dt h e c o m p u t i n gm o d e lo f3 df e ms i m u l a t i o ni se s t a b l i s h e d t h r o u g ht h e u s eo fat h e r m o - m e c h a n i c a l c o u p l e dr i g i dv i s c o p l a s t i c f i n i t ee l e m e n t m e t h o da n dc a d t e c h n o l o g y p l a s t i cd e f o r m a t i o n1 a wi ss i m u l a t e da n da l lo b t a i n e d r e s u l t sc a nb ea p p l i e dt od e v e l o p m e n to f m u l t i s t a g ef o r m i n gp r o c e s sa n dd i ed e s i g nf o r o u t e rr a c e p r e c i s i o nn e c k i n go fo u t e rr a c ei ss i m u l a t e dw i t he l a s t i c - p l a s t i cf e m s i m u l a t i o n a n dt h ek e yf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e de l a s t i cr e c o v e r yb e t w e e nw o r k p i e c ea n dd i e s & p u n c h a r eo b t a i n e d ：e l a s t i cr e c o v e r yb e t w e e nw o r k p i e c ea n d p u n c hs h o u l db ec o n s i d e r w h e r ep u n c hi s m a j o ra n dw o r k p i e c e i s s e c o n d a r ya n de l a s t i c r e c o v e r yb e t w e e n w o r k p i e c ea n dd i ec a nb ei g n o r e d d e s i g no fd i ep a r ta n dm o v e m e n tp r o c e d u r ei s i m p r o v e da n d t h ef e a s i b i l i t yo f t h e p r o j e c ti sp r o v e dt h r o u g ht h eu s eo f a s s e m b l ym o d e l a n dv i s u a lm o v e m e n ts i m u l a t i o n a n a l y s i s e x p e r i m e n te q u i p m e n t sa r ed e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e do nt h eb a s i so f 也ea b o v e s i m u l a t i o nr e s u l t sa n d e x p e r i m e n t so f m u l t i s t a g ef o r m i n gp r o c e s s 盯ep e r f o r m e da n dt h e f o r c e 。s t r o k ec a l v ea n dt r e n do fm e t a lf l o wa b o u te v e r yf o r m i n g p r o c e d u r ei so b t a i n e d m e a n w h i l et h er e s u l t so ff e ms i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ta 糟c o m p a r e d , i ts h o w s t h a t t h e y a r eg o o d a g r e e m e n t k e y w o r d s ：c o n s t a n tv e l o c i t y j o i n to u t e rr a c c m u l t i s t a g ew a r m c o l df o r g i n gp r o c e s s f i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h e r m o - m e c h a n i c a i c o u p l e d e l a s t i c r e c o v e r y d i em o v e m e n ts i m u l a t i o n e x p e r i m e n t i v 华中科技大学博士学位论文 1 1 研究的意义与选题依据 1 绪论 1 1 1 精密塑性成形技术： 世纪之交，科技发展日新月异，知识经济初现瑞倪，制造业也经历着一场深 刻的技术革命，全球先进制造技术( a m t ) 正以迅猛的步伐发展，改变了传统制 造技术的面貌和旧的制造模式。成形制造技术向高精度发展是制造技术的一个重 要发展方向。成形制造技术是铸造、塑性加工、连接、粉末冶金等单元技术的总 称。展望2 1 世纪，成形制造技术正在从制造零件的毛坯、从接近零件形状( n e a r n e ts h a p ep r o c c e s s ) 向直接制成零件精密成形或称净成形( n e ts h a p ep r o c c e s s ) 的方向发展。据国际机械加工技术协会预测，本世纪初，塑性成形与磨削加工相 结合，将取代大部分中小零件的切削加工。h i t z 等人指出，到2 0 0 5 2 0 1 0 年前后， 成形件的公差将等于今天的磨削精度。 精密成形技术是现代制造技术中非常活跃和重要的发展方向，是先进制造技 术的重要组成部分，是现代电子技术、计算机技术、新材料、精密加工和测量技 术与传统成形技术( 铸造、锻压、焊接等) 相结合的产物，其目的在于使成形的制品 达到或接近最终产品的形状和尺寸，并且优化质量，缩短制造周期，降低成本， 其方向是精密化、高效化和轻量化【孙。新一代精密成形制造技术重点开发以实模精 密成形、刚形( 准刚形) 精密成形、高精密造型( 芯) 技术为主的精密铸造技术； 以精密锻模、辊锻、热轧、热挤压、多向分模锻造、热镦锻技术为主的精密热塑 性成形技术；以温挤、冷挤、冷轧、超塑性等温成形、冷精整及复合成形技术为 主的机械构件精密成形技术等【3 】。其中精确锻造成形技术将是21 世纪塑性成形 技术发展的主流【4 j 。 近年来，精密塑性成形制造技术发展迅速，已突破了主要提供毛坯的范畴， 向部分取代切削加工、直接生产半成品或成品零件的方向发展，扩展了塑性成形 的应用范围，且具有生产效率高、零件质量好、产品成本低、节约原材料和能源 等优点，已成为塑性成形技术中极为重要的一个生长点【5 】。 在上个世纪八十年代末九十年代初，日本汽车制造行业成功地打入美国汽车 华中科技大学博士学位论文 制造行业及汽车市场，靠的是先进精密制造技术。所谓2 m m 工程就是最典型的事 例之一，即日本制造的轿车车门，安装到轿车车身的门框上，关上后周边仅l m m 的间隙，欧洲汽车行业制造的轿车间隙为2 m m 左右，而美国制造的轿车车门周边 间隙大到3 m m 以上。由于美国的轿车零部件制造水平不如日本，导致整车性能竞 争不过日本。这一问题引起了美国制造行业、美国政府乃至克林顿总统的高度重视， 反思其原因在于由于计算机、电子及信息技术的发展，人们错误地认为制造行业是 “夕阳”工业，忽视了制造工业的重要性。针对这一情况，克林顿总统率先提出先 进制造技术的概念，并提出发展先进制造技术的政策。仅仅数年，美国的先进制造 技术的发展处于国际先进水平，大大促进了美国汽车制造行业的发展【6 】。 1 1 - 2 温冷锻精密成形技术在汽车中的应用 锻压工业广泛应用于汽车、航空、电子、家电等工业领域，其中作为衡量一 个国家工业水平的标志之一的汽车工业，被当今世界主要工业发达国家和新兴工 业国家列为国民经济支柱产业，其发展主导了锻压技术及装备的发展，锻压技术 的发展和进步基本围绕汽车工业的发展而进行。激烈的市场竞争促使汽车更新换 代的速度明显加快，产品的市场寿命周期进一步缩短；与此同时，汽车变型品种 日益增多 7 1 。目前，世界上平均每3 叫年，轿车就要更新次车型，整个汽车制 造业朝着提高载重自重比、节省能耗、降低噪音，高速、安全、舒适性方向发展。 相应地汽车零部件制造技术发展也极为迅速，主要发展方向和发展趋势为：零件 毛坯精密化甚至达到磨削精度的效果，稍作处理或不作处理就可直接装车；高的 强度厘量比；应用组合件，减少整车零部件的数量；提高工艺的可靠性和设备的 制造柔性；减少模具和工装的数量；减少设备的运行巡视；缩短设计到制造设计 到市场的周期等【6 1 。 世界各国汽车工业之间的竞争日趋激烈，生产厂家在激烈的市场竞争中，获胜 的前提条件是利用低成本生产出高质量的产品，这样对汽车工业中的塑性加工生 产提出了更高的要求。厂家必须根据零件的批量及设计要求选择合适的工艺，以降 低生产成本。汽车生产向着高性能方向发展。关键传动部件的体积越来越大， 般冷锻压力机不能胜任。温锻工艺应运而生。温锻的应用大幅度降低了毛坯的成 形压力，具有较高的精度水平，解决了较大零件的成形问题。温锻技术可充分发 2 华中科技大学博士学位论文 挥其优越性，降低成本，提高质量，故温锻或温冷锻技术近年在美国、日本、德 国等工业发达国家得到了越来越广泛的应用，并有逐渐取代热锻工艺的趋势。 汽车工业中存在大量形状较复杂的轴对称或旋转对称零件，包括轴径、内星 轮、外套、齿轮、极爪、联轴器等。这些锻件受零件材料或零件形状的限制，用单 纯的冷锻工艺难以成形；若采用热锻工艺，则原材料及能源的消耗量大，后续机加 工量大，由于型面形状复杂，机加工难度高，势必增加生产成本，且切削加工会破 坏零件的金属流线结构，降低零件的机械性能。这些锻件的生产批量大，如采用温 锻工艺或“温锻+ 冷锻”综合工艺来生产，则可以充分发挥温锻精密成形的优越性， 降低成本，提高质量1 9 】。 当今，汽车工业已逐渐成为中国国民经济的的支柱产业。和发达国家相比， 我国汽车工业的精密塑性成形工艺( 包括温冷精锻) 还比较落后，对于一些在发 达国家比较成熟的精密成形工艺还没有完全的消化和吸收。为了提高我国汽车工 业的温冷锻技术水平，对其成形工艺与理论展开深入研究是必要的。 1 1 3 课题的来源及研究意义 1 1 3 ，1 课题的来源 华中科大学塑性成形研究所和襄阳汽车轴承公司合作承担了湖北省科技厅重 点科技攻关项目“轿车等速万向节精密成形技术的研究”。此项目同时获得塑性成 形模拟及模具技术国家重点实验室的资助，是该实验室2 0 0 0 年的开放课题之一。 在该项目中，将对轿车等速万向节中的关键零件( p n 图1 1 、图1 2 所示) 的冷、温 锻成形过程进行研究，从理论和实践中总结出切合实际生产流程的工艺方案及模 具设计最佳方案，并将逐步投入实际生产。本论文以钟形罩为代表，研究其精密成 形工艺成形规律和相应的模具技术。 3 华中科技大学博士学位论文 图1 1等速万向节驱动结构图结构图 图1 - 2 等速万向节重要零件图 1 1 3 2 研究意义 等速万向节是轿车的传动轴，这种传动轴具有结构合理、传动效率高、噪音小 和寿命长等优点，国外轿车普遍采用，是极为重要的部件，它的应用是现代轿车 舒适性、高传动效率和低嗓音的重要标志。随着轿车工业的发展，对其需求量越 来越大。每车需用两根，到2 0 0 5 年我国轿车年产量超过2 0 0 万辆，社会轿车保有 量将达1 0 0 0 万辆，相应的维修量按5 计算，再把部分轻型车及四轮驱动( 4 w d ) 轿车的需要考虑进来，估计出年所需量4 0 0 万根以上；到2 0 1 0 年，我国轿车年产 量将达4 0 0 万辆以上，加上社会保有量的维修市场，预计年将需等速万向节1 0 0 0 4 华中科技大学博士学位论文 万根以上。这将是一个庞大而有潜力的市场。同时对等速万向节的生产率、材料 利用率及其他需求也就越来越高。因此开展等速万向节精密成形工艺的研究，是 今后大规模发展轿车产业所必须的。 钟形罩、星形套、三销滑套、三销轴等组件是构成等速万向节的关键零件， 形状极为复杂，尺寸精度要求高，从毛坯到成品零件均不能采用常规工艺方法和 设备制造，必须采用先进精密制造技术，其中钟形罩不仅规格品种多，且技术难 度最大。因此，衡量一个国家的轿车等速万向节乃至先进精密制造行业的生产水 平，常以生产钟形罩的技术水平为代表。 我国自“八五”以来，上海纳铁福传动轴有限公司，中德合资吉林等速万向节 公司，襄阳汽车轴承公司，杭州万向集团股份有限公司等通过引进关键机床，采 用国内通用机床配套，形成年机加工能力1 0 0 万余根。而其关键零件钟形罩、三 销滑套等的毛坯精化尚处于起步阶段，仅江苏大丰的三销滑套冷挤压形成了中小 批量生产，而钟形罩的精化毛坯生产均未达到生产的要求。 具体的目的和意义为： ( 1 ) 与“神龙富康”轿车配套，解决等速万向节供应瓶颈，实现等速万向节国 产化，节约外汇，降低成本 富康车除进口一部分等速万向节外，主要由上海纳铁福传动轴有限公司供给 半轴。由于上海轿车产量迅速增加，该公司继续供给半轴十分困难，因此希望襄 轴公司尽快成为富康车半轴供应点，故研究等速万向节精密成形已成为一项紧迫 的任务。神龙富康轿车进口一套( 2 根) 等速万向节需4 0 0 0 元左右，若实现国产 化，每套只需1 4 0 0 元，仅此一项就可以使神龙轿车整车成本降低2 6 0 0 元左右。 因此实现等速万向节的国产化将产生明显的经济效益。 ( 2 ) 提高材料利用率和生产效率 钟形罩、三销轴套形状复杂且尺寸精度高，采用精化毛坯可显著提高材料利 用率，减少机加工工作量，提高生产效率。以富康车钟形罩为例，若采用本课题 提供的精密成形工艺，同传统的生产工艺相比，预计单个锻件用料可由2 6 k g 减 少到1 9 k g ，机：j 日7 - z 作量可减少5 0 以上，每件节约材料及机加工费用2 5 3 0 5 华中科技大学博士学位论文 元以上。 ( 3 ) 与引进的关键设备配套，填补我省等速万向节精化毛坯生产的空白对于 机械加工，襄轴公司在八五期间投入7 0 0 0 万元引进部分关键机械加工设备，与国 内通用机械加工设备配套，初步形成了约1 0 万根的生产能力。而在钟形罩等关键 零件精化毛坯的生产方面完全处于空白。使进口关键机加工设备不能有效发挥其 应有的作用，影响了其效能。 1 2 精密温冷锻成形技术及其研究概述 1 2 1 冷锻 冷锻生产最早是从冷挤压开始的，到目前为止，冷挤压成形也是冷锻生产的 主要形式，所以有一种习惯以冷挤压( c o l de x t r u s i o n ) 来概括整个冷锻生产技术。 其实，这么说并不确切，因冷锻发展到今天还包括冷镦和其它体积成形形式，所 以冷锻( c o l df o r g i n g ) 这个词才能更准确和全面地描述冷锻生产技术。冷锻的最大 特点是：优质、高效、低能耗、大批量，冷锻生产能力的大小和工艺水平的高低 己成为衡量一个国家工业化水平的一个方面1 1 0 1 。 冷锻工艺与其他工艺组合成的复合工艺对于某种零件，采用简单的圆柱形和 圆环形坯料在冷锻模具中一次成形，达到所要求的形状和尺寸精度的技术，已经被 越来越多的人所掌握。为了适应对冷锻件的高附加值、低成本要求，冷锻工艺渗 透到温锻、镦锻成形、粉末冶金、冲压、铸造等领域，或者与这些工艺相结合， 组合成复合工艺。其中预制坯温锻工艺目前得到了快速发展。即先用温锻使金属 达到产品的近似净形，然后冷锻进行终成形提高精度，这样可以减少采用冷成形 制造预制坯的道数。 1 2 2 温锻 温锻成形是近年来在冷锻成形的基础上迅速发展起来的一种塑性成形工艺。 变形温度范围为室温以上、完全再结晶温度以下。同冷锻( 主要是冷挤) 相比：金属 的变形抗力有明显的降低，有利于减少设备吨位和提高模具寿命；可用于难于冷锻 的一些金属材料，如中高碳钢、高合金钢、镁及镁合金、钛及钛合金等：一般可以 6 华中科技大学博士学位论文 省去坯料或中间毛坯的预先退火、磷化等辅助工序，便于组织连续生产，同时大 大减少了环境污染等。同热锻相比：由于加工温度低，氧化和脱碳程度大大减小， 其锻件的尺寸精度、表面粗造度和机械性能与冷挤压零件接近。由于温锻工艺比 较集中体现了冷锻和热锻的优点，受到人们的极大关注。尤其近年来，由于模具 材质、润滑和冷却等外围技术的发展，使得模具寿命大为提高，有的工序可获得 与冷锻模具相同的寿命。 目前，温锻已成功应用于轴承套圈、锥齿轮、变速箱齿轮毛坯和等速万向节 等汽车零件的生产。今后的趋势是一方面将以往热锻的部分锻件温锻化，提高锻 件尺寸精度，降低成本：另一方面与闭式模锻等其他技术进行结合而省去些工 序和提高成品率等。表1 反映了热锻、温锻、冷锻三种模锻工艺所能达到的技术 指标和适用范围。 表l 热锻温锻冷锻工艺达到的技术指标及实用范围比较 模锻尺寸精度表面粗造度锻件重量可利用的钢毛坯的处理经济批量模具寿命 ( 精度等级) ( pm )( k g )( 件)( 件) 热锻1 2 1 6 1 0 00 0 0 5 1 5 0 0 任意不要求 5 0 02 x 1 0 3 5 x 1 0 3 温锻9 。1 2 1 0 1 0 - 2 x1 0 4 冷锻7 、i i1 00 o o l 3 0碳紊钢低台金钢退火磷化 3 x 1 旷2 x 1 0 l 1 2 3 温冷锻复合成形工艺的研究开发 虽然温锻成形工艺具有许多优点，但由于加热引起的坯料金属体积膨胀和轻 微脱碳而影响锻件尺寸精度。温锻技术在国外已开发出很多年，但是直到近年才 被应用于汽车制造业，锻造温度范围通常为7 5 0 8 5 0 c ，材料屈服应力大致下降 i 3 ，这就可显著减小挤压时模具所受的压力，同时可显著提高材料变形程度，减 少工序和中间处理次数，并可应用于冷锻难于加工的材料。若采用温锻和冷锻相 结合，则可显著提高温锻工艺的效果。采用先温锻后冷锻的复合工艺可得到仅用 冷锻所能达到的尺寸精度和表面粗糙度，同时能减少工序数目，使用小吨位的压 力机。轿车的发动机传动轴、变速箱、转向器中的弧齿锥齿轮、差速器齿轮、轿 车轴、输入轴、离合器齿轮等二十余种零件国外已实现少无切削温冷锻件的大量 7 华中科技大学博士学位论文 生产【1 1 】。 更重要的是一些形状奇特相对尺寸变化大的复杂杯杆类零件，如轿车等速万 向节钟形罩一般需要4 5 个工步的多工位成形才能得到。对于这种零件，目前， 日本、美国和俄罗斯均采用温锻成形和冷精整相结合的工艺，即基本的成形工序 利用多工位温锻来实现，所得的工件经退火和磷化之后进行冷精整和冷缩径成形。 同多工序冷锻相比，其能耗可降低到4 0 以下；同热精锻相比，锻件尺寸精度可 升到7 9 级。对于d o j 型壳体其内径部分可直接达到零件要求，即完全实现无切 削加工；对于b j 型壳体，其最难机械加工的滚珠沟槽仅留o 1 3 - 0 3 8 r a m ( 单边) 的磨削量。不难看出，这种工艺将成为实现净形成形的一种主要工艺方法，今后 必将得到迅速的发展【6 j 。 温冷锻成形技术的应用在近年来得到了较快发展，特别在汽车工业中得到了 迅速应用。但其专门研究文献还较妙1 3 】【1 4 】【1 5 】【1 6 】【1 7 1 。德国学者d r e k k e h a r dk o r m e r 等【1 3 】讨论了温锻成形和冷锻成形结合起来生产形状复杂零件的可行性，并以汽车 工业中的三个典型零件为例对该成形方法在技术上和经济上的优越性进行了比 较。该综合成形工艺的特点是采用温锻工艺预成形零件复杂形状，然后用冷精整 来保证零件的尺寸精度和表面质量。这样可以降低成形载荷，减少工步数量，减 少或完全省去中间热处理工步，从而连续生产，降低生产成本，而零件精度能达 到冷锻成形的精度。 1 3 研究和分析方法 1 3 1 物理模拟 物理模拟( p h y s i c a ls i m u l a t i o n ) 是一种必要的辅助研究方法。它是按照相似原 理，将相同或相似的材料制成试样，在相似的条件下进行试验，得出工艺过程的 有关规律和数据、判据，并检验、校核数值模拟的结果。普通物理模拟材料一般 采用塑泥或石蜡，这些材料成形容易，并能较好的模拟金属塑性成形。物理 模拟有以下优点：材料流动场与实际锻造过程类似；通过动态相似性估算锻 造载荷：能在短时间内评价多种方案，获得最优金属流动场；演示与讨论； 8 华中科技大学博士学位论文 对于复杂锻件的成形，评价工艺比3 一d 有限元模拟更快 然而物理模拟也有局限性：即预测模具接触应力困难：无法考虑温度的 影响；多层样件制备费时困难：由于样件材料松软，测量困难；模具与成形 设备投资较大； 影响金属塑性成形的因素很多，诸如摩擦条件，材料性质及几何参数等，很难 控制实验条件。因此，实验分析方法在应用范围上受到了一定的限制。 1 3 2 理论分析方法 经典理论分析方法主要是基于金属塑性成形理论及塑性力学理论，对成 形对象建立适当简化的力学模型，求解其内部的应力及应变分布。主要的经 典理论分析方法有：主应力法：能量法；滑移线法；上限法；上限元法； 希尔( h i l l ) 分析法等【2 0 1 。 经典理论分析方法在金属成形理论的发展过程中起着定的作用，为金 属成形模具的设计提供了理论分析的手段，它们可以预测成形载荷，定性地 描述金属的流动模式。 但这些方法都有一个共同的缺陷，就是只能分析几何形状简单的零件， 缺乏分析了解诸如接触、摩擦条件、材料性质及工件形状等参数对金属流动 特性的影响 1 3 3 数值分析方法 金属成形工艺数值模拟可以预测出工件变形的详细过程，并定量地给出工程 师们所关心的与变形有关的各种物理量在工件或模具上的空间分布以及随时间的 变化。通常这些物理量包括：工件与模具的几何外形、位移、速度、( 弹性和塑性) 应变、应变率、应力、载荷等。对于热锻，还包括温度以及微观组织( 例如：再 结晶体积分数和晶粒度) 。如果工件为疏松材料，还另外包括材料密度o “。金属 体积成形过程的有限元模拟技术最初主要用于预测绝热变形过程中的应力、应变 分布以及变形载荷的计算，而最近该模拟技术的应用范围已扩展到以下几个方面： 温冷热锻过程的工步设计，包括预测成形力、模具应力和预成形形状； 预测和优化热模锻过程飞边的形状尺寸； 9 华中科技大学博士学位论文 预测模具的应力、裂纹的出现及磨损情况、改进模具结构及工艺参数以延长 模具寿命： 预测和消除工件的折叠、表面裂纹和内部裂纹等缺陷； 研究摩擦对金属流动的影响； 研究多动作锻造( m u l t i p l ea c t i o nf o r g i n g ) 中金属的流动情况，以选择合适 的工、模具动作； 对成形过程进行热力耦合分析，根据有限元模拟结果预测工件的微观结构和 机械性能，分析各成形参数对微观结构和机械性能的影响； 预测成形件的弹性回复和残余应力。 目前，有限元法已成为分析和研究金属塑性成形问题的最主要的数值分析方 法之一，与上述的一些方法相比，有限元法有以下的优点【2 0 】： ( 1 ) 由于单元形状的灵活性，有限元法能适用于任何的材料模型，任意的边 界条件，任意的结构形状。金属材料的各种塑性成形过程，均可利用有限元法进 行分析。 ( 2 ) 有限元法能够较好地处理诸如摩擦接触边界问题，这是其他方法无法相 比的。 ( 3 ) 有限元法能够提供金属塑性成形过程中的详细信息，包括应力场，应变 场速度场，等效应变分布等。 ( 4 ) 有限元法能够与计算机辅助设计技术相结合，为优化成形工艺参数以及 模具结构设计提供可靠的依据。 ( 5 ) 由于计算过程完全计算机化，可以求解大型复杂制件问题。 1 4 金属塑性有限元理论的发展趋势和实际应用 1 4 1金属塑性成形有限元模拟的过程和动态 刚塑性有限元是基于塑性力学中m a r k o v 变分原理和l e e & k o b a y a s h i 的刚塑 性有限元l a g r a n g e 算法上建立起来的，该方法具有简单和效率高的特点，在 金属成形过程的分析中得到了广泛应用。 1 0 华中科技大学博士学位论文 夺1 9 7 3 年l e e 和k o b a y a s h i 以矩阵分析法的名义导出刚塑性有限元的 l a g r a n g e 算法【22 1 。s k o b a y a s h i 及其合作者先后用刚塑性有限元和刚粘 塑性有限元分析了锻造、镦粗、挤压、轧制等体积成形以及板料的拉延、 胀形、弯曲、缩口等成形问题。 夺z i e n k i e w i c z 于1 9 7 4 年提出了刚粘塑性有限元的罚函数法【2 3 1 ，1 9 7 5 年导 出了刚塑性有限元公式，并与合作者进行了稳态流动的热力耦合计算， 分析了轧制，挤压，拉拔等成形工艺【2 4 】【2 5 儿2 6 1 。 夺1 9 8 2 年m o r i 和o s a k a d a 提出了刚塑性有限元中的材料可压缩法，并对各 类轧制和挤压工艺进行了模拟分析。 夺8 0 年代初期，o h 和a l t a n 等则用大型刚塑性有限元分析程序a l p i d ( a n a l y s i so fl a r g ep l a s t i ci n c r e a m e n t a ld e f o r m a t i o n ) 对各类塑性问题进 行了模拟分析【2 8 】【2 9 1 。z i e n k i e w i c z 、r e b e l o 、k o b a y a s h i 等都用刚粘塑性 有限元法对粘塑性热传导藕合问题进行了分析f 3 0 】f 3 。 夺上世纪8 0 年代中期，随着有限元理论发展的日益完善，人们研究的重