（材料加工工程专业论文）转向节锻造成形坯料优化及模具寿命的研究.pdf

合肥工业大学 删f f i f f i l i i i | f i | i | l f i f | | i i f | | i l y 18 8 6 9 9 0 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 委员： 导师： 左左专 勺 俑j 蓟张 p 铋秭 磊似& 扫嘶锉p 1 雪 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 金巴王业太堂 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。却 娥渗 签字日期：沙( 年年月稆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂一有关保留、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 金胆王些太堂 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 ( 保 学位论文 签字日期 学位论文 工作单位 通讯地址 转向节锻造成形坯料优化及模具寿命的研究 摘要 随着锻造行业的飞速发展，对锻件质量的要求也越来越高，转向节是汽车 中非常重要的安全零件之一，对其机械性能和形状结构的要求非常严格。传统 的转向节生产工艺得到的锻件往往飞边较大，材料利用率低，而且对环境污染 严重，已不能满足现代化生产的需要。因此，锻造新工艺、省材节能工艺的开 发已成为每个企业所追逐的目标。本文通过有限元模拟软件改进了转向节的制 坯工艺，优化转向节坯料并获得了合格的锻件，通过物理实验对优化效果加以 验证；运用正交试验法对转向节模具的磨损分布情况进行了研究，获得了最优 化的工艺参数，并预测了模具寿命。本课题研究的成果提高了材料利用率，达 到了节能减排的目的，符合现代化企业生产的需求。本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 对h f 6 8 5 3 转向节的结构特点进行了分析，设计出转向节的热锻件，并 根据锻件的计算毛坯图初步得到坯料的初始尺寸，确定了转向节制坯工步。 ( 2 ) 通过计算截面面积的优化方法，反向优化转向节预锻件的各截面以得 到最优的预锻件，并以获得的最优预锻件为基础优化转向节的制坯件，最终得 到最小的坯料尺寸。 ( 3 ) 应用有限元软件模拟了转向节锻造成形工艺，对传统的制坯工艺进行 了改进，确定出各工步制坯件的形状及尺寸大小，获得了合格的锻件。在此基 础上，分析了预锻、终锻过程中金属的流动情况、应力应变分布以及成形载荷 一行程曲线的情况，并设计出合理的预锻、终锻模具。 ( 4 ) 采用物理实验对该优化工艺的正确性进行了验证，结果表明物理实验 与模拟结果相吻合，工艺方案是可行的，该优化工艺对后续的复杂锻件的坯料 优化起到借鉴作用。 ( 5 ) 通过正交实验法研究了终锻模具的磨损情况，分析了各影响因素对模 具磨损的影响规律，最终得到了最优化的工艺参数；并对模具寿命进行了预测。 关键词s 汽车转向节；坯料优化；数值模拟；模具磨损 r e s e a r c ho no p t i m i z a t i o no ff o r g i n gb i l l e ta n dd i el i f eo f s t e e r i n gk n u c k l e a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ff o r g i n gi n d u s t r y , t h eq u a l i t yr e q u i r e m e n t so f t h ef o r g i n ga r ei n c r e a s e d s t e e r i n gk n u c k l ei st h ei m p o r t a n to n eo ft h ea u t o m o t i v e s a f e t yp a r t sa n di t sr e q u i r e m e n t st ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds h a p es t r u c t u r e a r ev e r ys t r i c t a st h et r a d i t i o n a lp r o d u c t i o np r o c e s so fs t e e r i n gk n u c k l en o to n l y w a s t i n gm a t e r i a l sb u ta l s oc a u s i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，i ti sn o ts a t i s f i e dw i t h t h en e e d s o fm o d e mp r o d u c t i o n s ot h ed e v e l o p m e n t so ft h ef o r g i n gn e w t e c h n o l o g ya n dt h ep r o v i n c i a le n e r g yt e c h n o l o g yh a v eb e c o m et h eg o a lp u r s u e db y c o m p a n y i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h e f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h e p r o d u c t i o np r o c e s s e so fk n u c k l e w e r ei m p r o v e da n dt h es t e e r i n gk n u c k l eb i l l e tw a s o p t i m i z e d e s p e c i a l l yt h er e s u l t sw e r ev e r i f i e db yp h y s i c a le x p e r i m e n t sa sw e l la s t h ew e a ro fs t e e r i n gk n u c k l em o l dw a ss t u d i e db yo r t h o g o n a l a d d i t i o n a l l y , t h e o p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e da n dt h ed i el i f ew a sg r e a t l yi m p r o v e d w i t ht h e s ep a r a m e t e r s t h eu t i l i z a t i o no ft h em a t e r i a lp r o d u c t i o nw a sg r e a t l y i m p r o v e da n dt h ep u r p o s eo fe n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o nw a s a c h i e v e db y b i l l e to p t i m i z a t i o n i tw a ss a t i s f i e dw i t ht h en e e d so fm o d e mc o m p a n y t h em a i n c o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es t r u c t u r a lf e a t u r e so fh f 6 8 5 3k n u c k l ew e r ea n a l y z e da n dt h et h e r m a l k n u c k l ef o r g i n gw a sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o ns e c t i o nm a pt h ei n i t i a l s i z eo fb i l l e tw a sd e t e r m i n e dr o u g ha n dt h eb i l l e ts t e po ft h ep r o c e s sw a sd e f i n e d ( 2 ) t h eo p t i m a l s i z eo ft h e p r e f o r g i n g w a so b t a i n e db yt h ei n v e r s e o p t i m i z a t i o no ft h ep r e - k n u c k l ef o r g i n g s c r o s s s e c t i o n a la r e aa c c o r d i n gt ot h e m e t h o do fc a l c u l a t i n gt h ec r o s s - s e c t i o n a la r e a b a s e do nt h ep r e - f o r g i n go b t a i n e d ， t h es t e e r i n gb i l l e tw a sa l s oo p t i m i z e da sw e l la st h em i n i m u mb i l l e ts i z eg a i n e d ( 3 ) t h es t e e r i n gk n u c k l ef o r g i n gp r o c e s sw a ss i m u l a t e db yf i n i t e e l e m e n t s o f t w a r ea n dt h et r a d i t i o n a lb l a n kt e c h n o l o g yh a sb e e ni m p r o v e d s p e c i a l l y , t h e s h a p ea n ds i z e o ft h ef o r g i n gp r o c e s s s t e pw e r ed e t e r m i n e da n dt h ea c h i e v e d f o r g i n gw a su pt os t a n d a r d t h em e t a lf l o wr u l e ，t h ef i e l d so fs t r a i na n ds t r e s s ，a n d f o r m i n gl o a d - s t r o k ec u r v e sw e r ea n a l y z e d f i n a l l y , t h er e a s o n a b l ep r e f o r g i n gd i e a n df i n a lf o r g i n gd i eh a v eb e e nd e s i g n e d ( 4 ) t h ec o r r e c t n e s so ft h eo p t i m i z a t i o np r o c e s sw a sv e r i f i e db yt h ep h y s i c a l e x p e r i m e n t s ，a n d t h er e s u l t so fp h y s i c a l e x p e r i m e n t a r ec o n s i s t e n tw i t ht h e s i m u l a t i o nr e s u l t s t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h en e wt e c h n o l o g yw a sf e a s i b l e a n dt h e o p t i m i z a t i o nm e t h o dw i l lp l a yr e f e r e n c et os u b s e q u e n to p t i m i z a t i o no f t h ec o m p l e x f o r g i n gb i l l e t s ( 5 ) t h ef i n a lf o r g i n gd i ew e a rw a sr e s e a r c h e db yo r t h o g o n a la n dt h ei n f l u e n c e l a w so fe a c hf a c t o ro nt h ed i ew e a rw a r ea n a l y z e d s ot h eb e s to p t i m a lp r o c e s s p a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d s p e c i a l l y , w i t ht h e s ep r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h ed i el i f ew a s p r e d i c t e d k e yw o r d s ：s t e e r i n gk n u c k l e ；b i l l e to p t i m i z a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d i ew e a r 致谢 本课题在开题、研究、论文的撰写过程中，始终得到我的导师陈文琳教授 的悉心指导和教诲。在这三年的学习期间，陈老师为我指明了方向，并给我提 出了很多富有创新性的研究方法和思路。陈老师严谨的治学态度、渊博的知识 底蕴、细致入微的科研作风及为人正直、认真的生活态度使我受益匪浅，终身 难忘。同时，导师也在生活上给予我无微不至的关怀和帮助。在这论文完成之 际，谨向我的恩师陈文琳教授致以最崇高的敬意和最衷心的感谢。 特别感谢课题组马勇老师对我的课题在研究过程中的指导与帮助，在课题 方面给我提出了不少建设性的思路，使我受益匪浅。 特别感谢好友王岗超、王刚在课题研究和生活当中给予的帮助，校园七年 的生活仍历历在目，感谢同窗好友彭李静、路遥以及师弟李志杰、王少阳、唐 涛、谢晋市、王巍等实验室成员给我的课题提供了许多宝贵的意见和建议，谢 谢他们对我的诸多帮助与支持。 在课题的研究过程中，真诚的感谢合肥汽车锻件有限公司的李之文、肖来 宾、秦学枫、陈国强等人，在我课题的研究过程中，给我提供的支持和帮助。 感谢我的父母和姐姐、姐夫对我的关心和支持，是他们让我毫无顾虑的去 拼搏、去奋斗，在我情绪低落的时候他们永远是我放下包袱、前进的动力，永 远是我需要珍惜和保护的人。此时此刻，惟有将这一切美好的记忆珍藏于心底， 慢慢回味。 最后，感谢所有帮助过我的人，在此对他们表示最诚挚的谢意! 作者：刘桥求 2 0 11 年0 3 月 目录 第一章绪论1 、。、弋裢毫、 1 2国内外研究现状2 1 3课题来源及研究对象、目的和意义4 1 3 1课题的来源4 1 3 2研究对象4 1 3 3 目的、意义：4 1 3 4 课题研究主要内容5 第二章刚粘塑性有限元法理论基础6 2 1 引言6 2 2 刚粘塑性有限元基本理论7 2 2 1刚粘塑性材料基本假设7 2 2 2刚粘塑性材料的本构关系7 2 2 3塑性力学基本方程8 2 2 4刚粘塑性有限元变分原理9 2 2 5刚粘塑性有限元求解过程1 0 2 2 。6 温度场的有限元方程1 0 2 2 7 热力耦合的求解步骤1 l 第三章转向节成形工艺分析及设计1 1 3 1 热锻成形理论1 2 3 i 1 1热锻工艺简介。1 2 3 1 2热锻工艺的特点1 2 3 1 3 模锻成形原理1 3 3 2转向节成形工艺分析1 3 3 2 1转向节的分类1 3 3 2 2转向节的结构特点1 4 ，3 3 终锻件设计1 5 3 3 1 热锻件的设计1 5 3 3 2 飞边槽的设计1 5 3 4坯料尺寸与规格的初步选取及制坯工步的确定1 6 3 4 1计算毛坯1 6 3 4 2 制坯工步确定1 8 第四章转向节坯料优化的有限元模拟1 9 4 1优化方法1 9 4 2转向节的优化流程1 9 4 3有限元模型2 0 4 3 1有限元模型的建立2 0 4 3 2 有限元模型的验证2 1 4 4 预锻件的优化2 2 4 4 1预锻件的设计2 2 4 4 2预锻件的优化2 2 4 5 制坯件的设计及优化2 7 第五章转向节成形制坯工步形状与尺寸确定2 9 5 1汽车转向节成形工艺的制定2 9 5 2制坯过程的有限元模拟2 9 5 2 1 镦粗成形2 9 5 2 2 杆部拔长3 0 5 2 3 局部拍扁3 0 5 3 预锻成形3 1 5 4 终锻成形3 3 第六章模具设计3 5 6 1终锻型腔设计3 5 6 2预锻型腔的设计3 5 6 2 1劈料台设计3 6 6 2 2预锻型腔设计3 6 第七章实验验证3 8 7 1 实验目的3 8 7 2实验模具的设计3 8 7 3实验条件3 9 7 4实验结果与模拟结果比较3 9 第八章转向节模具寿命分析4 1 8 1 模具磨损分析4 1 8 1 1正交实验表的设计4 2 8 1 2 最优工艺参数的选择4 4 8 1 3 磨损分析4 4 8 1 4各因素对磨损的影响规律4 6 8 2 模具的寿命预测4 7 第九章结论与展望4 9 9 1 全文总结4 9 9 2研究展望5 0 参考文献5 1 硕士期间发表的小论文5 4 插图清单 图2 - 1 有限元求解流程6 图3 - 1 汽车转向节的分类1 4 图3 - 2 转向节锻件图1 4 图3 - 3 转向节锻件三维图1 5 图3 - 4 单仓飞边槽1 6 图3 - 5 双仓飞边槽1 6 图3 - 6 计算毛坯截面图1 7 图3 - 7 计算毛坯直径图1 7 图4 - 1 截面图1 9 图4 - 2 预锻件截面的模拟优化流程j 2 0 图4 - 3a i s l 5 1 4 0 流动应力应变图2 l 图4 - 4h 1 3 钢流动应力应变图2 1 图4 - 5 有限元模型2 1 图4 - 6 锻造压力行程曲线2 1 图4 - 7 预锻件三维图2 2 图4 8 终锻成形件2 3 图4 - 9 预锻件截面变化的点2 3 图4 - 1 0 与预锻件对应的终锻件中的点2 3 图4 - 11p 8 点各截面2 3 图4 - 1 2 优化的预锻件图2 4 图4 - 1 3 对应的终锻成形2 4 图4 - 1 4p 1 点对应飞边截面积的变化2 4 图4 - 1 5p 2 点对应飞边截面积的变化2 5 图4 - 1 6p 1 2 点对应飞边截面积的变化2 5 图4 - 1 7 终锻件优化过程2 6 图4 - 1 8 最优预锻件2 6 图4 - 1 9 对应的终锻件2 6 图4 - 2 0 预锻件计算直径图2 7 图4 - 2 1 制坯件( 侧面和正面) 2 7 图4 - 2 2 未优化的制坯以及获得的预锻、终锻件2 7 图4 - 2 3 最优制坯以及获得的预锻、终锻件2 8 图5 - 1 坯料镦粗前的形状3 0 图5 - 2 坯料镦粗后的形状3 0 图5 - 3 杆部拔长后的形状3 0 图5 - 4 局部拍扁后的形状3 1 图5 - 5 图5 - 6 图5 - 7 图5 - 8 图5 - 9 图6 - 1 图6 - 2 图6 - 3 图6 - 4 图6 - 5 图7 - 1 图7 - 2 图7 - 3 图7 - 4 图7 - 5 图7 - 6 图7 - 7 图8 - 1 图8 - 2 图8 - 3 图8 - 4 图8 - 5 图8 - 6 预锻过程坯料在不同压下量的变形情况3 2 预锻件等效应变、应力分布3 2 终锻过程有限元模型3 3 终锻过程的压力一行程曲线3 3 终锻件3 4 终锻模具图3 5 终锻模具三维图3 5 对称的劈料台3 6 预锻模具3 7 预锻模具三维图3 7 预锻模具图3 8 终锻模具图3 8 1 6 0 0 t 摩擦压力机3 9 局部拍扁制坯件3 9 预锻件4 0 终锻件4 0 抛光后的锻件4 0 a r c h a r d 磨损计算模型4 1 终锻模磨损分布。4 5 终锻结束后选取的点4 5 预热温度对磨损的影响4 6 模具硬度对磨损的影响4 7 摩擦因子对磨损的影响4 7 表4 - i 表8 - i 表8 - 2 表8 - 3 表8 - 4 表格清单 p 8 截面的面积2 4 变化的模拟条件4 3 转向节终锻模具正交表设计及模拟结果4 3 转向节终锻模具极差分析4 4 终锻结束后选取点的磨损值4 5 第一章绪论 1 1前言 伴随汽车行业技术的飞速提高，对汽车整体性能的要求一直提升，所以对 结构比较复杂、加工精度较高的锻件的需求量愈来愈多，这也就导致了模锻件 对质量和成本的竞争愈来愈大，传统的加工工艺已不能满足需求，研究近净成 形加工工艺显得非常重要。目前的发展前景是，即要求确保成形件具有较高的 尺寸精度、锻件质量，提高材料利用率，又急切地需要解决复杂结构锻件的成 形难题，从而增加模具使用寿命，减少锻件及研发成本、增加锻件市场竞争能 力【l - 3 】。 降低能耗，提高材料利用率和生产效率，减少锻件及研发成本，使经济利 益最大化，是每个企业所追逐的目标，并且伴随复杂结构及高精度锻件的大批 量自动化生产而显得愈来愈重要。鉴于目前汽车产业高成本投入、高科技含量、 高产量的趋势，并且锻件形状复杂而要求锻件精度又高，使得采用传统的加工 方法既耗时、又费人力和物力的生产方式已不能被企业所接受【4 j 。 塑性成形是材料加工的主要方法之一，它是指金属材料在一定外力的作用 下，利用金属的塑性而使其成形为原有一定的形状及一定的力学性能的加工方 法也称塑性加工或压力加工。塑性成形在机械工业生产中得到广泛的应用，如 汽车、火车、航天航空等行业，数据表明，在汽车行业中七成以上的零件均通 过塑性成形技术而生产出来p 】。 转向节在整车中属于非常重要的部件，它一方面承担整车重量，另一方面 传递转向力矩，另外还要承受车轮刹车时的制动力矩，所以需要其力学性能和 形状精度优良。作为整车中最关键的确保人身安全的部件之一，其工作时不仅 受到汽车前轴对其施加的负载和地面传递于其的反向作用力，而且承受控制汽 车前进方向的扭矩，如此苛刻的工作状态对转向节的尺寸精度、成形质量及金 属流线分布都提出较高的要求。在国内转向节加工仍旧未能解决机加工余量大、 模具型腔角隅充不满以及成形载荷大等问题，研究转向节合理的塑性成形工艺 对推动我国汽车零部件制造加工行业的快速发展具有重大的现实意义【6 。7 j 。 在锻造工艺中，选择一个合适的坯料尺寸是非常重要的，既保证完全充型， 又能降低锻造力、材料损耗率，提高模具寿命。在传统的锻造工艺设计中，坯 料设计主要是以试错法确定，由于金属变形的复杂性，如坯料形状和温度、模 具的温度、摩擦系数等因素都对锻造工艺产生影响。根据经验操作，分配金属 量，造成了材料很大程度的浪费，同时增加了成本，污染了环境。以有限元为 基础的数值模拟技术能够仿真材料在成形中流动，得到适时的应力应变状态， 为优化坯料尺寸提供依据，以在最小的锻造力和材料损耗下完美地填充型腔， 显著增强生产力和设计能力p 9 j 。 本文在热模锻成形工艺的理论基础上，针对h f 6 8 5 3 转向节零件自身的结构 特点和公司现有设备，提出采用摩擦压力机锻造成形该转向节，改进传统制坯 工艺，一火成形并运用计算截面面积的方法优化转向节坯料，提高材料利用率， 再采用数值模拟和物理实验的方法验证该方案的可行性，讨论影响模具磨损的 因素，并通过有限元模拟找出影响因素与磨损量的影响规律，为在实际生产中 的应用提供了依据，同时也为类似的复杂锻件的坯料优化起到借鉴作用。 1 2国内外研究现状 现今在国内外虽然出现形状各式各样的转向节，但就其整体形状基本类似 的，均可归类为形状复杂的枝叉类锻件，所以其加工方法还是具有相通性的。 国内外锻压界对于转向节的生产工艺都高度的重视，如何以最少的成本得到合 格的转向节是他们研究的方向，对其成形工艺也进入了一定深度的研究。在目 前相关文献资料上见到的基本上是大型工程机械或轻卡的转向节，这些转向节 大多具有外形复杂、零件截面积不均匀、加工困难等特点，所以对诸如此类的 大型和轻卡转向节的成形技术研究，对通用转向节的成形技术开发有着重要的 借鉴意义。 在对转向节制定生产工艺时，不仅要考虑实用的可行性，还要考虑到公司 现有设备情况。无论选用哪种生产工艺，既要按照零件的技术要求并结合公司 具体的生产条件而制定，又要满足高效、优质、经济和节约的原则。综合文献， 目前已有的成形工艺为d o - 1 4 】： ( 1 ) 半固态加工技术：在密闭的型腔中灌进呈半固态的金属液，在较高压 强下进行的铸造加工工艺。其加工工艺为：坯料准备一边搅拌边加热一半固态 金属液浇注成形。半固态加工技术的优势是可以在较少工步内成形出外形比较 复杂且尺寸精度较高的轿车用转向节，其后续机加工量小，材料浪费少，零件 重量比较轻，不会产生缺肉或夹杂物的问题，但是通过此工艺制造的轿车用转 向节加工代价非常高，机械性能不能满足需要，零件寿命以及可靠性赶不上锻 件，只能进行技术研究或小批量加工。 ( 2 ) 劈爪加工技术：这个加工过程基本是由自由锻制各坯料以及锤锻成形 组成的，它的加工工艺是：坯料准备一坯料加热一棒材坯料压扁一模具劈爪一 某一爪单独拔长或聚料一锤锻加工最终成形。此技术的最大不足是必须用反射 炉加热坯料两次、最终锻件的尺寸精度不高、零件质量不好、材料利用率低和 能源消耗多、生产坏境差。 ( 3 ) 制坯+ 弯曲+ 终锻三步成形技术：现今，转向节通常的锻造成形技术是 先坯料制备、接着预锻，最后进行终锻。国外通过在4 0 0 0 0 k n 模锻设备上热锻 成形轿车的转向节锻件，它的加工工艺是：坯料准备一坯料加热一开式模锻制 造预成形毛坯一除掉连皮一弯曲模弯曲后进行终锻一最后使用切边模切边。此 2 技术的好处是通过锻件的形式制造转向节，其微观组织及机械性能获得改善， 不足是加工工序比较多、能源消耗多、材料浪费多、制造生产成本较高、流线 分布差。 ( 4 ) 半闭式挤压技术：此方法是伴随封闭挤压技术发展而新开发出来的， 具有封闭模锻和开式锻造各自的好处。它的加工工艺是：坯料准备一加热一预 墩粗以除掉外层氧化皮一半闭式挤压后进行终锻一使用切边模切边一校正后进 行检测。此方法通过半闭式挤压技术为终锻工序提供合理的预成形毛坯，从而 确保锻件成形质量和加工精度，纤维流线分布好。此方法比通常的加工方法先 进，但是预成形毛坯加工较难、材料浪费多。 ( 5 ) 闭塞式侧弯精密挤压加工技术：在上个世纪的七十年代，某些技术先 进的国家就开发并推广出一种新模锻成形加工技术一凹模可拆分式闭塞锻造成 形工艺。闭塞成形可大幅度增加材料的流动性、避免材料浪费、提高锻件尺寸 精度以及机械性能等。它的加工工艺是：坯料准备一加热后在可分式凹模中挤 压获得预成形毛坯一采用开式模锻终锻一最后冲孔和切边。此技术需要模具有 很高的韧性、可承受高温以及很高的耐磨性能，还需要专门的双动设备。 在国内已经有很多学者对转向节有了一定深度的研究，合肥工业大学陈文 琳，王荐等【l5 】对转向节挤压制坯工艺进行了研究，并用实验就行了验证，根据 数值模拟结果，优化成形工艺参数，并分析挤压制坯的应力、应变场。陈文琳， 朱小兵【l6 】等对转向节成形工艺进行了研究，并提出一火成形工艺，在1 6 0 0 t 摩 擦压力机上成形，工艺为制坯，预锻，终锻。其中不对称劈料台的设计很好地 解决了转向节头部两个叉部金属的合理分配，节约了材料，降低了生产成本， 并运用物理实验结合数值模拟加以验证，证实了工艺方案的可行性。罗晴岚、 罗延杰等人使用6 3 0 0 0 k n 模锻设备热锻转向节，此技术凭借机械压力机的高打 击力的优点热锻成形出较轻的s t e y r 转向节，加工过程中只需要加热一次，最 终获得的锻件成形质量好，材料浪费少【1 7 】。高占民、杨慎华等人【1 8 】开发出辊锻 + 模锻的复合技术加工轻卡转向节锻件；毛厚军等人【l l 】通过少飞边锻造的成形 工艺，加工出1 5 t 轻卡转向节，方法是通过4 0 0 0 0 k n 热模锻设备先闭式模锻出预 成型毛坯，再通过开式模锻终锻成形出合格的锻件；采用此方法以增加材料的 流动性并提高材料的利用率。汉诺威大学学者e d o e g e 等人采用半固态加工技术 制造转向节，他认为当今通过半固态技术锻造成形低碳钢转向节还存在技术难 题，生产成本也比较高。韩国的s a n g y o n gl e e 、德国的g h i r t 等人进一步研究 了采用半固态方法生产转向节的加工技术【1 4 】【1 9 2 1 1 。 目前模具寿命预测技术，得到了飞速的发展。许多国内学者对此进行了深 入的研究。p a i n t e r 2 2 】针对挤压模具进行优化以提高模具寿命，首先采用仿真软 件对模具磨损进行仿真，再进行物理实验并与仿真结果比较，最终达到了提高 模具寿命的目的。l e e 、j o u 2 3 】等人通过仿真技术对模具磨损进行研究，并采用 磨损试验确定磨损系数，结果表明磨损系数的大小和温度有直接关联，温度愈 低，磨损系数愈小。b a r r a u 2 4 】对热锻模磨损区域截面进行了研究，发现在磨损 层表面以下的回火马氏体组织排列比较紧密，没有发生变形。b e h r e n s 2 5 是通过 有限元软件模拟锻件在成形中模具的磨损量来预测模具寿命，并通过物理实验 加以验证。王雷刚【2 6 】利用a r e h a r d 磨损原理，通过有限元仿真对模具磨损进行 了研究，发现模具入口处磨损最严重，锥形凹模磨损难于圆弧形凹模，但是圆 弧形凹模各处磨损较均匀，模具寿命相对较长，实际经验也是如此。黄瑶i z 7 j 通过b p 神经网络技术预测模具磨损，结果与实验相符。周杰【2 酬通过a r e h a r d 磨损原理研究模具材料硬度、工作温度、摩擦系数对模具磨损量的影响，建立 参数与磨损量的关系模型，通过磨损量来预测模具寿命。汪学阳【2 刿通过对热锻 模具磨损分析，为实际的热锻模具设计及锻造生产提供参考。 1 3 课题来源及研究对象、目的和意义 1 3 1 课题的来源 本课题来源于某锻件生产有限公司合作项目 1 3 2研究对象 本课题研究对象是该公司生产的h f 6 8 5 3 汽车转向节，属于大型的复杂枝叉 类零件，该锻件只能卧式成形、难度大，法兰以及头部的两个叉部是成形的难 点。 1 3 3目的、意义 随着汽车产业的快速发展，汽车零配件的需求日益迫切。转向节零件是汽 车转向机构中的关键件，形状复杂，锻件质量高，市场需求量大。转向节的锻 造成形方式主要有两种：一种是锤上模锻，一种是压力模锻。锤上模锻因其劳 动条件差，被逐步淘汰，压力机模锻又以摩擦压力机的设备成本最为低廉，而 本文研究的转向节为卡车上的关键部件，其产品结构决定只能卧式锻造成形。 根据生产企业要求，在摩擦压力机上进行一火成形，具体工艺为：下料一中频 加热一自由锻锤制坯一摩擦压力机预锻、终锻。由于在制坯和预锻时，设计不 合理，造成转向节锻件成形时飞边大，型腔不易充满及模具寿命低等问题，这 就导致了大量材料的浪费又耗费了大量的人力，生产成本高。 本课题在上述工艺的基础上，通过对转向节锻造变形过程的研究，利用有 限元模拟软件和物理实验结合的方法，优化设计原始坯料、制坯工步来提高材 料利用率，使生产效益最大化，另外通过有限元软件分析金属流动和模具的磨 损状态预测模具寿命。 通过本文的研究，对复杂锻件坯料的优化提供了一种新方法，减少了生产 4 成本，确定了成形工艺，并且得到了一套切实可行的生产工艺以及合理的模具 结构。 1 3 4课题研究主要内容 ( 1 ) 对转向节的成形过程进行成形性分析； ( 2 ) 针对转向节的结构特点以及公司的生产条件确定合理的生产工艺以及 模具结构； ( 3 ) 运用计算截面面积的方法和有限元模拟软件优化锻件飞边，确定合理 的坯料尺寸； ( 4 ) 通过物理实验验证转向节生产工艺以及优化坯料的效果； ( 5 ) 利用有限元的a r e h a r d 磨损模型，分析锻件的初始硬度、预热温度、 润滑条件对模具磨损量的影响规律，并预测终锻模具寿命大小。 5 第二章刚粘塑性有限元法理论基础 2 1引言 金属塑性成形过程是材料非线性( 即应力与应变之间的非线性关系) 与几 何非线性( 即应变与位移之间的非线性关系) 同时存在的过程，变形机甜十分 复杂。采用数学方法准确的表达其变形机制及复杂的边界条件存在较大的困难， 成形过程的求解也十分复杂，因此人们在简化、假设的基础上提出了一些近似 分析方法，如主应力法、滑移线法、上限法等，但是其适用范围和精度也因为 受到条件的限制而远远不能满足实际生产中人们的要求。 有限元分析方法的出现和应用范围的不断推广，已逐渐渗入到力学、电磁 学、热传导、材料科学等领域。在塑性成形领域，有限元法得到了广泛的应用， 可用于分析诸如冲压、挤压、锻造等各类成形过程，受到工程技术人员及科研 人员的广泛好评。采用有限元法处理塑性成形问题的优势在于能够同时考虑温 度、摩擦、模具形状等多种外界因素的影响，能够获得成形过程中各方面的信 息，如成形载荷、等效应力应变分布以及金属流动速度分布等，这对推动金属 塑性技术的发展也起着重要的推动作用【3 们。 有限元法的分析过程分为前处理、求解、后处理三大步骤。有限元的前处 理过程就是对实际的连续体进行离散化处理，对该计算几何模型划分有限元网 格，输入边界约束条件、材料参数等，生成有限元分析数据文件。有限元求解 过程则主要有单元分析、整体分析、求解约束方程等，该部分是有限元分析的 核心，有限元理论主要体现在这一过程中。后处理分析过程就是对计算结果进 行加工处理、编辑组织和图标显示。它可以将有限元分析的结果直观的显示出 来，方便工程人员的分析和应用【3 1 1 。具体求解流程如下图2 1 所示。 结构离散化并划分网格由单元刚度矩阵形成总体刚度矩阵卜_ 叫形成节点载荷向量 计算单元或节点应力| 一得到节点位移k 一求解线性方程组k 一引入边界条件 图2 - 1 有限元求解流程图 刚塑性有限元通过m i s e s 屈服准则l e v y m i s e s 方程求解未知量，为节点速 度，而不考虑弹性变形的影响。通过在离散空间对速度函数的积分来处理几何 非线性，这种求解方法相对简单并且求解效率较高，最终结果的精度可以满足 用户要求。而在体积成形过程中，金属材料模型可使用刚塑性硬化材料模型和 刚粘塑性材料模型，则对应的计算求解及后续的分析时所采用的有限元算法也 有所不同，刚塑性有限元算法通常使用刚塑性硬化材料模型，其适用于冷、温 态体积成形；而刚粘塑性有限元算法对应刚粘塑性材料模型，其适用于热态体 6 积成形问题。本文的汽车转向节成形工艺是一个热态的体积成形过程，故采用 刚粘塑性有限元算法 3 2 - 3 3 1 。 2 2刚粘塑性有限元基本理论 2 2 1刚粘塑性材料基本假设 在金属体积热成形过程中，金属的变形主要为塑性变形，材料塑性变形的 物理过程相当复杂。在有限元计算过程中，利用刚粘塑性的基本有限元理论， 有必要做出一些近似性的假设，以便于数学方法上的处理。金属塑性变形过程， 尤其是金属体积成形过程，材料的弹性变形远小于其塑性变形，因此可以忽略 弹性变形，而将材料合理的定性为刚塑性或者是刚粘塑性材料，对刚塑性材料 的基本假设如下【3 4 】： ( 1 ) 材料的弹性变形忽略不计； ( 2 ) 忽略体积力和惯性力； ( 3 ) 材料体积不可压缩性，即塑变过程中体积保持不变； ( 4 ) 材料均质，且各向为同性； ( 5 ) 材料的塑性变形流动服从l e v y m i s e s 法则； ( 6 ) 加载条件中给出区分刚性区与塑性区的界限。 2 2 2刚粘塑性材料的本构关系 材料本构关系即材料流动应力与热力参数之间的关系，是数值分析方法对 金属塑性变形过程进行数值模拟，载荷计算，制定工艺等不可缺少的重要依据。