（材料加工工程专业论文）汽车发电机爪极精锻工艺数值模拟及模具结构优化.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 汽车发电机爪极是汽车发电机中的核心部件，同时也是汽车工 业中一种复杂精密模锻件，其成形难度大，精度要求高。近年来，由 于汽车电器系统用电量的提高，对爪极的综合性能要求也越来越高。 同时爪极在精密模锻中，模具容易开裂导致其非正常失效也是生产中 的瓶颈问题，因此如何改进爪极的精锻工艺和提高模具的使用寿命就 显得尤为重要。爪极锻造工艺复杂，其可行性、稳定性、成形质量( 含 充满与否、折叠、组织缺陷) 、材料利用率以及如何降低载荷提高模 具使用寿命等，都是在制订爪极成形工艺过程中必须重点考虑的。 本文对国内外爪极成形工艺和精密塑性成形技术研究现状作了 简要介绍。首先选择一种带磁轭的爪极作为典型锻件，运用u g 三维 造型软件设计模具结构，利用d e f o r m - 3 d 软件模拟爪极成形过程，系 统分析了爪极精密模锻成形过程中的金属流动情况、模具型腔充填情 况、模具载荷曲线以及模具所受的应力分布。发现成形工艺的不足， 探明模具开裂失效的原因。爪尖难充满，最终载荷急剧增加，磁轭模 膛圆角处产生应力集中，模具受很大冲击载荷和交变载荷，细微裂纹 进一步扩展成宏观裂纹，导致模具开裂。根据模拟结果，提出模具的 三种结构改进方案，方案一：加深预锻上模爪部模膛深度；方案二： 预锻上模磁轭模膛由圆柱形改进为半球形；方案三：减小预锻上模磁 轭深度、增添预锻下模磁轭模膛。通过模拟进行一一分析验证，模拟 结果显示三种改进方案均能使金属顺利充满模膛，未产生锻造缺陷， 并降低了成形载荷和模具的应力。最后，通过生产实践，对其中的一 种改进方案进行了验证，模拟结果与生产实际吻合，总结了课题研究 的成功经验。 本课题将爪极精密模锻工艺、有限元理论、数值模拟仿真技术 t 汽车发电机爪极精锻工艺数值模拟及模具结构优化 相结合，达到了缩短产品开发周期、改进爪极成形工艺、提高模具寿 命等目的。研究成果可为实际生产提供理论指导，并为类似锻件的生 产以及相关的模具设计提供了理论指导和实践依据。 关键词：爪极，精密模锻，数值模拟，模具优化 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec l a wp o l eu s e di na u t o m o b i l eg e n e r a t o ri sat y p i c a lp a r t ，w h i c hi s ap r e c i s i o nf o r g i n gp a r tw i t hc o m p l e xs t r u c t u r e ，d i f f i c u l tf o rf o r m i n ga n d h i g hp r e c i s i o n i n r e c e n t y e a r s ，w i t h t h ei n c r e a s eo f e l e c t r i c i t y c o n s u m p t i o n i nt h e a u t o m o b i l e ，t h er e q u i r e m e n to fc l a w p o l e s c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eh a sa l s ob e e ni n c r e a s e dg r e a t l y a tt h es a m e t i m e ，t h eq u e s t i o no fm o l dc r a c k sg e n e r a t e di nc l a wp o l ef o r g i n gp r o c e s s h a sb e e nt h eb o t t l e n e c ki np r o d u c t i o n i ti se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt h a th o w t oi m p r o v et h ec l a wp o l ef o r g i n gp r o c e s sa n dp r o l o n gm o l dl i f e t h e f o r g i n gp r o c e s so fc l a wp o l ei sv e r yc o m p l i c a t e d t h ef e a s i b i l i t y , s t a b i l i t y , q u a l i t yo ff o r m i n g ( i n c l u d i n gf u l f i l l i n g ，w r i n k l ea n ds t r u c t u r ed e f e c t ) ， m a t e r i a lu t i l i z a t i o na n dm o l dl i f e t i m e ，e t c a r ea l lt h ek e yf a c t o r st h a t s h o u l db ec o n s i d e r e ds e r i o u s l y d u r i n gd e s i g n i n gt h ef o r g i n gp r o c e s s t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h ef o r m i n gp r o c e s so f c l a wp o l ea n d r e s e a r c hs t a t u so ft h ep r e c i s i o n f o r m i n gp r o c e s sh o m ea n da b r o a d f i r s t l y , c h o s eac l a wp o l ew i t hm a g n e t i cy o k ea sat y p i c a lf o r g i n gp a r t ，u s i n g t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r eu gt od e s i g nm o l da n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns o f t w a r ed e f o r m - 3 dt os i m u l a t et h ef o r g i n g p r o c e s s t h e m e t a lf l o w i n gc o n d i t i o n ，m o l df i l l i n gi np r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s s ，l o a d a n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no fu p p e rd i ea r e s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d t h e d i s a d v a n t a g eo ff o r m i n gp r o c e s sa n dt h er e a s o nc a u s e dm o l dc r a c k si n m a g n e t i cy o k ec a v i t ya r ef o u n d t h ec l a wt i pi sd i f f i c u l tt of o r m ，a n dt h e u l t i m a t el o a di n c r e a s e d d r a m a t i c a l l y t h es t r e s s c o n c e n t r a t i o ni nc o l l i e ro f m a g n e t i cy o k ec a v i t yi sg e n e r a t e d b e s i d e st h a t ，s h o c kl o a da n da l t e r n a t e l o a dm a k et h em i c r o c r a c kf u r t h e rd e v e l o pi n t om a c r o s c o p i cc r a c k b a s e d o nt h es i m u l a t i o nr e s u l t , t h r e ek i n d so fs c h e m e sw e r e p u tf o r w a r d s c h e m eo n e ，d e e p e nt h ep r e f o r g i n gm o l dc l a wd e p t ho fd i e c a v i t y m 汽车发电机爪极精锻工艺数值模拟及模具结构优化 s c h e m et w o ，t h ep r e f o r g i n gm o l dm a g n e t i cy o k ec a v i t yi sc h a n g e df r o m c y l i n d r i c a l i n t oh e m i s p h e r i c a l s c h e m e t h r e e ，r e d u c i n gt h ed e p t ho f p r e f o r g i n gm o l dm a g n e t i cy o k ei nu p p e rd i e ，a d d i n gm a g n e t i cy o k ec a v i t y i nb o t t o md i e t h r e es c h e m e sa r ev e r i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o nm e t h o d , a n d t h er e s u l t ss h o wt h a tm o l dc r a v e sc a nb ef u l l yf l l l e d ，n of o r g i n gd e f e c t s g e n e r a t e d ，t h el o a da n dt h es t r e s so fd i ea r er e d u c e d i nt h ee n d ，t h r o u g h t r i a lp r o d u c t i o n ，a ni m p r o v e ds c h e m ei sv a l i d a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t i s g o o da g r e e m e n tw i t h t h ea c t u a l p r o d u c t i o n , a n d t h es u c c e s s f u l e x p e r i e n c eo f t h es u b j e c tr e s e a r c hi ss u m m e d u p t h ec l a wp o l ep r e c i s i o nf o r g i n gp r o c e s s ，f i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ec o m b i n e di nt h i sp a p e r , a n dt h er e s e a r c hr e s u l t a c h i e v e st h ef o l l o w i n g p u r p o s e ：s h o r t e n e dt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ， i m p r o v e dt h ef o r m i n gp r o c e s s ，a n dp r o l o n g e dt h ed i el i f e ，e t c ，t h e r e s e a r c hc a np r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rp r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，a n d t e c h n o l o g i c a ls u p p o r tf o rp r o d u c i n go t h e rs i m i l a rp a r t s k e yw o r d s ： c l a wp o l e ，p r e c i s i o nd i ef o r g i n g ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， i v o p t i m i z a t i o no fm o l d s t r u c t u r e 江苏大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 随着机械工业的迅速发展，汽车产量的迅猛增长。据中国汽车工业协会统 计2 0 1 1 年中国汽车产销量双双超过1 8 0 0 万辆，分别为1 8 4 1 8 9 万辆和1 8 5 0 5 1 万辆，创全球历史新高。汽车工业的发展也对锻造行业的装备和技术水平提出了 更高的要求，突出的问题表现在以精化毛坯为核心合理地选择变形方式、提高材 料利用率和锻件尺寸精度、降低能耗和提高生产率。模锻件质量及成本的竞争压 力愈来愈大，发展少无切削加工显得非常重要。当前生产的发展，除了要求锻件 具有较高的精度外，更迫切地是要解决复杂形状的成形问题，同时还要不断提高 锻件的质量、减少原材料的消耗、提高模具寿命，促使降低锻件成本、提高产品 的竞争能力f 1 1 。 过去由于缺乏科学的预测，使塑性成形工艺和模具设计缺乏系统精确的理 论分析手段，而主要依靠设计人员长期工作中积累的经验，一些关键设计参数要 在模具制造后，通过反复调试和修改才能确定，人力、物力和时间浪费严重【2 】。 使用c a d ( 计算机辅助设计) 软件进行设计能直观准确地反映零件、组件的形 状、装配关系。可以使产品开发完全实现设计、工艺、制造的无纸化生产，并可 使产品设计、工装设计、工装制造等工作并行开展，大大缩短了生产周期，非常 有利于新品试制及多品种产品的设计、开发、制造，为工厂提供了一个强有力的 产品开发及设计手段【3 】。随着有限元技术广泛的应用于制造业，运用c a e ( 计算 机辅助工程) 技术对锻造成形过程进行仿真模拟。通过对成形过程的分析，可以 预知成形过程中的金属流动规律及容易引起锻件缺陷产生的各种原因，以及在成 形过程中模具各部分的应力、应变情况，并据此制定出更为先进的生产工艺，这 就降低了从c a d 到c a m 的风险，使设计、仿真与制造并行，确保了产品开发 的成功率【峋。 发电机是为汽车内部某些电器系统如汽车空调系统，汽车音响系统等提供 电源的装置。随着汽车的电气化和自动化程度的不断提高，不仅汽车上电机应用 的数量不断增加，而且对电机的性能也提出更高的要求，如体积小、重量轻、噪 汽车发电机爪极精锻工艺数值模拟及模具结构优化 声低、耐久性和可靠性等技术指标n 。交流发电机般由转子、定子、整流器、 端盖四部分组成。当直流电通入转予绕组时，转子爪极便建立磁场，转子旋转时， 磁极磁力线切割定子绕组，使其产生交变电动势，交流电经硅二极管桥式整流器 整流，整流后输出直流叫8 】。发电机的结构简图和转子、爪极如图1 1 所示。交 流发电机内的爪极是用来形成旋转磁场的主要元件，它的形状和电磁性能直接影 响感应交流电动势波形和交流发电机的发电能力及噪音，是汽车的关键零件之 一。其制造精度与加工质量的好坏直接影响到汽车的舒适性、稳定性等性能，因 此对于爪极的制造工艺提出了较高的要求。爪极又是成对出现在汽车发电机中， 外加上修配件市场，爪极的市场需求量巨大，需要组织大规模的生产。 图1 1 汽车发电机、转子和爪极 f i g 1 1a u t o m o b i l eg e n e r a t o r ，r o t o ra n dc l a wp o l e 1 2 国内外汽车发电机爪极生产制造历程 爪极 爪极零件的制造方案较多，但各有利弊。生产中究竟选用哪种方案要依零件 的技术要求并结合生产条件而定。当然，无论选用哪种方法都要满足优质、高效 与节约、经济的原则。下面就对己有的几种方案进行简单的分析讨论1 9 0 1 。 ( 1 ) 精密铸造 精铸方法的优点是便于做出复杂的形状尺寸，但是制件的冲击韧度和抗弯强 度较差，内部铸态缺陷多，使用寿命和安全可靠性不及锻件。该工艺已经很少应 用。 ( 2 ) 板料冲压 为了降低成本，在大批量生产爪极零件时，爪极的极片部分采用厚钢板冲裁 一弯曲制成，磁轭部分采用挤压成形，再将两部分焊接在一一起。该工艺与铸造工 2 江苏大学硕士学位论文 艺相比，快捷、简单，材料利用率提高，成本降低2 5 。但是，从整个工艺来说， 工序繁琐，工艺废料多，材料利用率低，难以满足经济、节约的生产要求；从制 件性能上来说，由于两部分加工方式不一样，导致两部分的各项性能有差异，影 响了整个零件的使用性能。 ( 3 ) 开式模锻 该方法是国内应用最广的工艺。其是在锻锤或压力机上使用开式模锻的方法 锻压成形，再经切边、精整而成。为了降低变形力和提高材料的变形能力，一般 采用热锻成形，然后再进行冷精整。在热锻和冷整工步之间需加入热处理、抛丸、 磷化处理、皂化处理等辅助工步。该工艺的优点是成形方便且制件组织性能得到 显著的改善，缺点是模锻、切边、精整工序多，工时、材料和模具的消耗很大， 在热模锻压力上精密锻造，需有较大的资金投入。虽然采用热锻工艺，材料的屈 服应力降低，但是由于爪极零件形状复杂，爪部尖端难以充满，仍需要很大载荷。 对于直径为9 0 1 3 0 r a m 的低碳钢工件，所需多工位锻压机吨位为1 6 0 0 0 k n ，冷精 整压力机吨位为1 0 0 0 0 k n 。所以该工艺对于爪极零件的生产仍需进一步研究。 ( 4 ) 挤压成形 。一 一 1一 冷挤压成形是日、美等工业发达国家广泛采用的生产爪极零件的方法，美国 于1 9 6 5 年就成功地开发了爪极零件的冷挤压工艺，该工艺在美国福特汽车公司 以及日本电装株式会社应用3 0 多年( 后期日本电装株式会社将工艺进行了改 进) ，取得了巨大的经济效益f 1 1 】。 美国原工艺路线为： 下料镦粗复合挤压粗整( 爪部) 修毛刺精整( 爪部) 精校 日本改进后的工艺路线为： 下料镦粗径向挤压粗整( 爪部) 弯曲修毛刺精整( 爪部) 精校 该工艺的优点在于挤压时金属流动强烈，变形充分，所以组织性能良好；而 且冷挤成形的零件表面质量好，尺寸精确。缺点是挤压变形力大，需要大吨位设 备，如美国原工艺中仅镦粗就需要5 0 0 0 k n 压机：模具要求高，消耗大；工序多， 且工序之间需要中间退火和磷化、皂化处理，比较繁琐，应用受到限制。 ( 5 ) 温冷复合挤压成形 温冷复合挤压技术是随着温挤技术发展而兴起的，兼有温挤和冷挤两种挤 3 汽车发电机爪极精锻工艺数值模拟及模具结构优化 压方法的优点，在一定程度上代表了今后塑性加工的发展方向。以下是爪极零件 的两种复合挤压工艺： 1 、径向挤压法 下料镦粗径向挤压镦压切边弯曲整形 镦挤法 下料镦粗镦挤镦压切边弯曲整形 这两种工艺前四个变形工步采用温成形工艺( 变形温度控制在7 0 0 8 5 0 ) ， 使变形抗力显著降低。只要压力机的刚性、工作台面和导向精度满足要求，一台 1 1 2 0 0 k n 的压力机可以安排四个温成形工位【1 2 1 。另外引进板料成形中的压弯工 艺，大大降低了成形难度。最后采用冷精整整形，保证了零件的表面质量和精度 要求。 然而，这两种成形工艺同时也引进了剪切工序，势必破坏金属纤维组织完整 性，对零件性能不利。进行弯曲变形也将受到材料最小弯曲半径的限制，如果弯 曲半径过小，则容易在零件腹板端部形成裂纹；如果弯曲半径过大，则增加了下 一步整形工序的难度。而且整个工艺过程来说，工序较多，有待改进。 随着经济的日益国际化，汽车行业竞争日益激烈，价格的竞争已经有整车价 格的竞争发展到零部件价格的竞争。在这种情况下，如何更高效地生产出廉价、 优质的汽车零部件，便成为企业在激烈竞争中保持不败的至关重要的一环。 1 3 国内外汽车发电机爪极研究状况 爪极是汽车发电机的关键部件，是用来形成旋转磁场的主要元件，其形状 和电磁性能直接影响感应交流电动势的波形和交流发电机的发电量【1 3 1 。爪极形状 复杂，外周有六个极，极尖很细小，属于高筋类锻件。在金属塑性成形工艺中要 充满六个极的模具型槽是相当困难的，而且在爪部与底平面的过渡处容易形成折 叠等缺陷。介于此类锻件难以成行，国内外学者也对爪极的成形工艺进行了大量 的研究分析。 洪慎章，曾振鹏等对爪极的高速温挤压工艺及模具设计进行了研究，因为 较高的变形速度可提高金属塑性的变形程度，金属坯料与模具型槽之间的摩擦系 数随变形速度提高而下降，金属流动速度快，易充填成形，同时也降低了变形抗 4 江苏大学硕士学位论丈 力【1 4 】；肖红生，林新波，张质良等人总结了温锻精密塑性成形技术的研究与应 用情况，分析了建立该成形过程的三维塑性有限元模型的必要性和可行性，探讨 了利用实验研究和数值模拟方法研究这一成形过程的方向和途径，并运用三维有 限元分析了爪极零件的温锻成形工步，模拟结果可指导该零件的成形工艺和模具 设计【1 2 】；燕山大学王迎宾，苏升贵等结合复合成形技术，制定出爪极零件的泓 冷复合挤压精密塑性成形工艺：温闭塞侧向挤压+ 冷精整。此工艺首次实现了闭 塞侧向挤压工艺中金属在模具型腔中的侧弯流动，扩宽了闭塞挤压工艺的应用 范围【1 5 】合肥工业大学的胡月圆，王晓枫等开发了闭式模锻热挤压成形，其工艺 为下料- 方口热镦粗模锻切边机加工。此种方法明显减少了工序，省时省力，降 低了成本，也是目前比较成熟的制造方法【1 6 1 ；何文武，宋建丽，王全聪等针对发 电机爪极普通镦挤成形力大、模具易损坏等问题，研究了铸锻复合精密成形新方 案。并用塑性有限元方法对成形过程中的力和应变分布进行分析，合理的设计铸 件毛坯结构尺寸，生产出合格锻件。该技术成形汽车电机爪极成形力小、工艺流 程短、节能、节材，具有广阔的发展和应用前景【协1 8 1 ；高永超，华林等提出了爪 极精密模锻一次成形的生产工艺，并利用有限元模拟软件a b a q u s ，对汽车爪极 的成形过程进行模拟仿真，研究了毛坯尺寸、坯料和模具之间的摩擦对爪极成形 的影响规律，对工艺参数和模具结构进行了优化1 1 9 1 ；原国森，楚庄，周滨等针对 爪极零件的特点，制定了闭式热模锻分流正挤压成形工艺，并采用专用模具进行 实验研究，表明了新工艺与模具的设计合理性 2 0 - 2 1 】；杨程，赵升吨，徐凡等在对 汽车发电机爪极零件结构分析的基础上，提出了基于结构拆分的爪极闭式一火两 锻成形工艺和对应的模具，该工艺先径向墩挤成形出爪极基座部分，然后再反挤 出爪齿和中间凸台。利用d e f o r m 3 d 建立了工艺过程的热力耦合有限元分析模 型，并得到了成形过程中坯料形状变化，材料流动和成形载荷等情况。结果表明， 该工艺能够获得齿形充填完好，无折叠的锻件，初次墩挤载荷上升较慢，二次反 挤时当中部凸台充填完毕后成形载荷急剧上升【2 2 】。张猛教授自行研制的精锻热反 挤压一次成形以达到世界先进水平，与其他锻压方法相比，这种锻造方法大大减 少了工序，大幅度提高了生产率。 德国汉诺威大学在e d o e g e 教授的带领下，也从事此方面的研究瞄】。图 1 2 所示是汉诺威大学用于爪极生产的模具，这套模具主要包括上模、下模和环 5 汽车发电机爪极精锻工艺数值模拟及模具结构优化 形浮动模。上模成形j r 件的内部形状，环形浮动模成形工件的外形并保证卜f 模 运动的精度。为了使材料易于向爪部流动，环形浮动模设计成上下浮动。爪极的 中心孔由芯棒成形。e d o e g e ，r b o h n s a c k 等人不仅证明了此方案的可行性，并 且还分析了其成形载荷曲线 2 4 1 。利用该模具成形出外径0 1 0 6 m m ，重量1 0 5 0 9 的爪极，锻件样品如图1 3 所示。 环形 的爪檄 掺“31 弘瑟 图1 2 爪极精锻模具示意图 f i g 1 2d i a g r a m o fc l a wp o l e p r e c i s i o nf o r g i n gm o l d 1 4 精密塑性成形先进技术 图1 3 爪极锻件样品 f i g 1 3s i m p l e o fc l a wp o l e 精密塑性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，主要包括金属的精密模锻、精密冲裁、挤压等加工工艺 【2 5 1 。其主要特征是材料利用率高，后续加工量小，能耗低。近年来，精密塑性成 形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，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研究领域。精密模锻件的金 属流线沿锻件的轮廓形状分布，晶粒细小，热处理后锻件的机械性能得到了很大 提高；形状和尺寸精度达到或接近最终的形状和尺寸【凋。 1 4 1 近净成形技术 锻造近净成形工艺目前被普遍接受的定义是“至少锻件部分表面的尺寸精度 和形状精度达到可直接用于装配或仅需磨削加工即可装配的程度，【2 7 1 。它是建立 6 江苏大学硕士学位论文 在新材料、新能源、信息技术、自动化技术等多学科高技术成果的基础上，改造 了传统的毛坯成形技术，使之从粗糙变形变为优质、高效、高精度、轻量化、低 成本、无公害的精密塑性成形。近净成形方法有很多，如闭塞锻造，能够最大限 度的提高材料利用率；多工位冷挤成形，合理设计各工步变形量间的协调关系； 摆辗成形，震动小、噪声低、易于实现自动化，典型的“小吨位，干大活”；温锻 + 冷精整复合成形工艺，去除了冷精锻前的磷化工序，实现锻造短流程和绿色锻 造。这些可使成形的机械构件具有标准的外形、高的尺寸精度和形位精度、好的 表面粗糙度。精密塑性成形技术具有以下特点f 凋： ( 1 ) 近净成形体尺寸及形位精度高，为后续采用高效、高精加工提供了理想 的毛坯； ( 2 ) 高效、低消耗、低成本，为缩短产品开发周期、降低产品成本提供了有 利条件； ( 3 ) 可方便、快捷地做出过去很难做出的结构件，为新产品开发提供有力技 术支撑； ( 4 ) 较传统成形产品改善生产条件、减少对环境污染，成为一种清洁生产技 术，为可持续发展创造有利条件； ( 5 ) 可方便快捷制出过去很难制出的结构件，为新产品的开发提供有力的技 术支持，并具有对市场要求做出迅速响应的能力； ( 6 ) 较理想地保留了材料组织的连续结构，提高了零件的机械、力学和物理 综合性能； ( 7 ) 精密成形技术将成为今后推广应用的重要绿色制造技术，是新工艺、新 材料、新装备以及各项新技术成果的综合集成技术。 精密塑性成形技术的发展对提高一个国家的工业竞争能力有重大影响。我国 制造业在一个相当长的时期将获得快速发展。制造业特别是机械制造业的发展， 要求生产过程节约能源、节约材料、提高资源利用率，这已成为能否以低成本、 高质量、高效率参与国际市场竞争的十分重要的问题，发展应用精密塑性成形技 术就是一个有效途径阎。 近3 0 年来，大量优质、高效、少无切削的新型成形技术得到发展，精密塑 性成形技术在国外也以很快的速度发展。在锻压方面已基本掌握了精锻、精冲、 7 汽车发电机爪极精锻工艺数值模拟及模具结构优化 冷挤等少无切削锻压工艺，使得一度被视为“夕阳工业”的传统塑性加工业，又受 到人们的关注。 采用以净形或者近净成形为目标的精密塑性成形技术生产汽车发电机爪极， 不仅具有节材、节能、减少机加工工序与工时、成本低、效率高等显著优势，而 且可大幅度提高产品内在与外观质量，符合高效、精密、绿色清洁的2 1 世纪先 进制造技术的发展趋势，是未来爪极加工的主要方法之一。 1 4 2 锻造数字化技术 传统的锻造技术大都是建立在工作经验的基础上，对于大型、复杂的锻件一 次成功率较低，某些复杂锻件需要多次修模、试模。因此往往造成锻件的报废、 生产周期变长等结果。在科学技术飞速发展的今天，“模拟技术”一词已广为人们 所熟知，有限元模拟技术己有效地应用于相当广阔的领域。在工程应用中，模拟 技术又叫做计算机辅助工程( c a e ， c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 技术。c a e 技术在金属塑性加工的理论研究和生产实际中已显示其作用，金属塑性成形过程 模拟正成为对塑性成形进行科学预测、工艺优化和定量控制的有效方法，在塑性 加工领域获得愈来愈广泛的应用。各种c a e 商业软件己在生产实际中应用，掌 握c a e 技术已经成为从事塑性成形和模具设计的技术人员所需具备的一项基本 技能。 金属塑性成形的c a e 技术是在计算机仿真与虚拟现实技术支持下，在计算 机上进行产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验等，是在计算机 上实现将原材料变成产品的虚拟现实过程，使得制造技术走出主要依赖于经验的 狭小天地，进入全方位预测，力争一次成功的新阶段，从而缩短产品周期，减少 费用，提高质量。c a e 技术在塑性成形中的应用是很广泛的，它可以用于分析 各种塑性成形工艺，诸如各种锻造、轧制、冲压、拉拔等及随后的各种热处理的 计算上p q 。大量分析计算表明，对于金属塑性成形问题的分析相对于其他理论 分析方法，有限元法具有如下优点【3 1 】： ( 1 ) 适合于各类金属塑性成形过程的分析，不受具体成形问题的限制。 ( 刁能够提供丰富的单元类型，从而具备很高的边界拟合精度，同时，也使 复杂成形过程的分析成为可能。 ( 3 ) 能够较全面的考虑多种因素对成形过程的影响，如温度、摩擦润滑条件、 8 江苏大学硕士学位论文 材料特性、变形速度以及模具的几何形状等。 ( 4 ) 能够在假设条件少的前提下提供相近的变形力学信息，如应力、应变和 温度场的分布，金属的塑性流动规律，成形载荷等力学参数等。这些信息可供仅 需工艺过程优化和控制。 1 5 本课题研究的目的与意义 随着中国汽车工业的发展和中国产品贸易地位的加强，包括爪极在内的汽 车零部件出口开始呈现高速增长势头；汽车发展的轻量化，对发电机的发电量的 要求逐步提高，对爪极的尺寸精度和成形质量也提出了严峻的考验；社会快速发 展，能源紧缺问题逐步凸显，提高材料的利用率和模具使用寿命，开发爪极成形 新工艺势在必行。 爪极有多种制造工艺。但这些工艺有些存在工序繁多，生产周期长，效率 低下，工件质量不易保证，材料利用率低等缺点。用精密成形的方法加工出尺寸 精确，性能优良的无切削或少切削制件，是当今成形行业缩短制造周期提高工作 效率的有效途径。本文基于模拟仿真金属的流动过程，分析模具的应力分布情况， 探究模具开裂的原因，通过改进模具结构，提出了几种模具结构的改进方案，以 降低成形载荷，降低模具所受到的应力，提高模具的使用寿命。降低爪极的生产 成本，才能在日趋激烈的竞争中赢得市场。 1 6 本课题研究的主要内容和方法 结合实际生产情况，本课题以汽车发电机爪极为研究对象，研究的具体内容 包括： ( 1 ) 分析爪极精锻成形工艺，分析爪极的成形过程，包括金属在模膛中的的 充填流动规律，金属的速度场，成形载荷等。 ( 2 ) 探究模具容易开裂的原因，通过有限元模拟软件d e f o r m 3 d ，分析模具 的受力状态，得出模具开裂主要是因为模膛圆角处应力集中所致。 ( 3 ) 针对模具开裂产生的原因，提出三种模具结构改进方案。并对三种方案 的可成形性进行模拟验证，分析金属的成形过程，成形载荷，以及模具的受力状 况等参数。 9 汽车发电机爪极精锻工艺数值模拟及模具结构优化 ( 4 ) 在数值模拟的基础上，对方案一进行物理实验验证。与数值模拟结果进 行对比，验证有限元模拟的准确性、合理性。 ( 5 ) 设计并改进模具工装，模块的标准化，实现生产中的快装、快换，减少 装模时间，提高生产效率。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章刚粘塑性有限元理论及方法 以计算固体的应力、应变为目的的有限单元法，是从基于小变形理论的弹性 有限元法开始发展的。到6 0 年代后半期，为了研究超出弹性变形达到屈服点的 应力和变形状态，小变形弹塑性有限元法得到了发展，以此尝试进行塑性加工的 弹塑性分析。然而发现，在将速率形式的本构方程向前积分时，需要非常小的时 间增量。如果用这种方法跟踪大变形，计算费用则很昂贵，而且累积误差很大， 甚至得不到正确解。这个误差是由于没有考虑一个时间步长开始与结束时的形状 ( 构形) 差别和材料转动而造成的。因而，进入7 0 年代以后，基于有限变形理 论的大变形弹塑性有限元法得到了发展【3 2 】。 在很多实际应用中，塑性变形量远远大于弹性变形量，故可以忽略变形的弹 性部分，所以就出现了刚塑性有限元法。这个方法最初是将上限法用有限单元求 极小值开始发展的。但用上限原理求不出应力，是其不足之处。7 0 年代初，l e e 和k o b a y a s h i 等人使用拉格朗日未定乘子法所用的变分原理处理体积不可压缩条 件，使计算应力成为可能，并将这种方法命名为刚塑性分析的矩阵法。另外， z i e n k i e w i c z 的罚函数法和小坂田宏造的可压缩法，也是应力计算的代表性算法 3 3 - 3 7 1 。刚塑性有限元法不需像弹塑性列式那样求解应力增量，而是在每一时间增 量都直接求解出应力，所以没有应力的误差积累。并且，因为它是一种流动形列 式，故可以取较大的增量步长，减少计算时间，在保证计算精度的情况下提高计 算效率。在刚塑性有限元分析中，必须随时间向前携带的历史变量仅仅是与材料 结构变化( 例如加工硬化) 有关变量；它通常采用率方程，即列式本身是根据小 应变增量建立的，这样，变形后的构形可通过在离散空间上对速度积分而获得， 从而避开了几何非线性问题，这些特点使刚塑性有限元列式比较简单，易于编程 实现，由于简单性和效率，使其可方便地用于分析稳态和非稳态大塑性变形稳态， 得到了广泛的应用，也成为一些商用软件( 如d e f o r m ) 的核心算法。 刚塑性有限元法也有明显的局限性。由于忽略了弹性变形，这种方法仅适合 于塑性变形区的分析，不能直接分析弹性区的变形和应力状态；弹性变形区的解 汽车发电机爪极精锻工艺数值模拟及模具结构优化 仅仅在整体意义上是正确的，它不能处理卸载问题和计算由此带来的残余应力和 残余应变。与大变形弹塑性有限元法相比，在变形量很小的场合，刚塑性有限元 分析精度较差。但是，如果变形很大，弹性变形所所占比重就很小，采用刚塑性 模型也是合理的；并且实践中并不总是需要考虑卸载、残余应力和残余应变。所 以刚塑性有限元法仍是一种有效的分析手段。 对速率敏感性材料的塑性加工，需要使用粘塑性模型分析，刚粘塑性有限元 法仅仅是刚塑性有限元法的扩展，在工程上也得到了很好的应用。塑性加工伴随 着一个热力学过程，在分析模型中考虑温度与变形的交互作用，显然是对物理现 象的更精确的逼近。现在刚塑性有限元法已可以把材料的变形流动与热传导进行 耦合分分析，这些进展都反映出刚塑性有限元法的日趋成熟。 2 2 刚粘塑性基本方程 在金属塑性成形过程中，材料塑性变形的物理过程甚为复杂。为了便于数 学上的处理和简化计算，需要对材料性能和变形过程作出一些必要的假设。用刚 粘塑性有限元法分析大变形塑性问题时的基本假设有【3 8 1 ： ( 1 ) 忽略材料的弹性变形， 即： 磊d - - 0 ( 2 1 ) ( 矽材料的体积不可压缩； ( 3 ) 忽略成形过程中的b a u s c h i n g e r 效应； ( 4 ) 材料具有均质各向同性； ( 5 ) 不计体积力( 重力和惯性力等) 的影响。 刚粘塑性材料在变形时应满足的基本方程有： ( 1 ) 平衡微分方程 ，20 ( 2 2 ) ( 2 ) 本构方程( 应力一应变率关系) 岛 一堡孵 = q 江苏大学硕士学位论文 式中 万= 等效应变速率； 万一沉动应力。 ( 3 ) 几何协调方程( 应变率- 位移关系) 毛= 芝1 眠，+ ) ( 4 ) 体积不变条件 v 2 i j6 口2 0 ( 5 ) 边界条件 力学边界条件：在力面& 上 国靠，= f 速度边界条件；在速度面上 0 u 2 1 ，i 2 3 刚粘塑性有限元的变分原理 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 刚粘塑性边值问题可以叙述如下：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，如该变形体的体积为玑表面积为 s ，s 分别为印和跏两部分，并且印和勋上分别给定了应力边界条件和位移 速度边界条件，则此时，变形体处于粘塑性状态嗍。 刚粘塑性边值闯题的描述方程和条件与刚塑性问题的方程相同，应注意的 是材料模型的不同，为仃= 厂( s ，e , t ) ，因此，可以认为刚塑性是刚粘塑性的一个 特例。 h i l l 提出了解上述问题的刚粘塑性变分原理，即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： n = 工e ( 勺一县，p ；”舔 ( 2 8 ) 汽车发电机爪极精锻工艺数值模拟及模具结构优化 取驻值，即一阶变分为零。 铘= 工密( 毛) 彤一是p t 西，蛮= o ( 2 9 ) 式中，e ( 白) 表示塑性变形功率函数，是凸函数a 实际求解推导公式时涉及 到e ( 岛) 的具体表示，它与材料模型公式密切相关。 设刚粘塑性材料模型公式为： 仃= 盯( s ，岛r ) ( 2 1 0 ) 则对应的功函数可以表示为： e ( 毛) ：f 吒d 毛：f 砑主 ( 2 1 1 ) 这样，若刚粘塑性材料模型公式( 2 1 0 ) 一旦给定，则可以有上式积分得到 对应的功函数。将式( 2 1 1 ) 带入( 2 9 ) 中得： p m 2 庐旬刃一县，p a d 8 0 ( 2 1 2 ) 在实际求解过程中，由于寻找既满足几何方程和速度边界条件，又满足体积 不变条件的速度场是比较困难的。另外，用l e v y - m i s t s 方程只能求解出应力偏 张量蠢，而刚粘塑性材料模型忽略弹性变形，加强了体积不变条件，这样就无 法得到静水压力，也就不能唯一确定应力场。因此，刚粘塑性有限元法求解 必须对上述变分原理进行改进，其关键在于处理体积不变条件。目前，常用的处 理方法有l a g r a n g e 乘子法、罚函数法和体积可压缩法三种。 罚函数法通过引入一个罚因子a ，同时解除了体积不可压缩这一约束条件， 在泛函( 2 8 ) 中增加了一项等廊从而得到如下新泛函： n = 工e ( 白+ 詈工匆棚一县，p ，m 嬲 式中，蠢为体积应变速率。当泛函式( 2 1 3 ) 取驻值时， 即有： , 5 1 7 = 庐二+ 口王之6 0 彤一奠p 。龟嬲= o 1 4 ( 2 1 3 ) 其一阶变分为零， ( 2 1 4 ) 江苏大学硕士学位论文 式中的罚因子a 是与材料流动应力有关的一个很大的正数，可以证明： c r = 旯= 口q ( 2 1 5 ) 罚函数法中的惩罚因子n 是一个很大的正数，它的取值是否合适直接影响计 算精度和收敛速度。一般地，一个大的正值a 可以保证体积应变率接近于零，但 a 太大，会使收敛困难；而a 太小又会产生不能接受的体积损失。一般地，可以 将体积应变速率限制在平均等效应变速率的0 0 0 0 1 0 0 0 1 倍之内，对应的a 可取 1 0 5 1 0 7 。 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： 一 考= ，c 静，一- - 包 式中，( j ) 表示第个单元，为节点编号。 采用n e w t o n - r a p h s o n 方法迭代，求解上述非线性方程。把式( 2 1 6 ) 用t a y l o r 级数在 ，= v o ( 初始值) 展开，忽略二阶以上的高阶微量，保留线性部分得： 鼢嘞+ 去l 泣 其中，b 是对速度的一阶修正。当速度的修正值缸求得后，就可用 + 肚对进行修正，其中是一个介于0 1 之间的数，称为衰减因子。如此 迭代下去，直到速度修正量d , n 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 l p 0 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 汽车发电机爪极精锻工艺数值模拟及模具结构优化 ( 2 ) 计算单元刚度矩阵和节点力向量 ( 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 ) 一( 6 ) 一直到速度 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。 2 4 热力耦合有限元分析软件d e f o r m 简介 2 4 1d e f o r m 软件介绍 d e f o r m ( d e s i g ne n v i r o n m e n tf o rf o r m i n g ) 软件是由美国b a t t e l ec o l u m b u s 实验室和俄亥俄州立大学精密成形工程中心