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汽车弯臂锻件多道次锻造成形工艺研究及数值模拟 摘要 汽车弯臂零件是汽车的保全件之一，在汽车运行中实现承载、导向功能， 其工作运行环境比较复杂，使用的安全可靠性能要求也非常高。汽车弯臂零件 传统的锻造工艺设计主要依靠经验进行试错设计，由于不能明确锻造过程中金 属在模具中的流动情况，常造成坯料设计不合理导致锻件存在折纹、缺肉等缺 陷，模具寿命低。随着计算机技术和数值计算方法的发展，以有限元法为代表 的数值模拟技术被广泛的应用于分析金属塑性成形过程。 本文根据热锻成形理论，以h f 6 7 0 0 轻卡汽车弯臂为研究对象，主要研究 内容如下： 1 通过分析弯臂锻件结构特点，结合原有工艺提出了辊锻摩擦压力机 模锻的工艺，即下料_ 中频感应炉加热_ 辊锻制坯_ 6 3 0 t 摩擦压力机弯曲 一1 0 0 0 t 摩擦压力机终锻- 热切边一热校正的成形工艺。 2 利用有限元模拟软件，对弯臂锻件多道次锻造成形建立了三维热力耦合 有限元模型，并进行了有限元模拟分析。通过模拟得到合理的制坯形状和尺寸， 辊锻、预弯、终锻的金属流动分布等，为模具的设计和实际生产操作提供了依 据和参考。 3 基于a r c h a r d 磨损模型，研究了终锻成形时模具预热温度t 预热，摩擦因 子肌和模具初始硬度h r c 对模具磨损量w 的影响规律，并对终锻模具的模具寿 命进行了预测。 关键词：弯臂，多道次，数值模拟，模具寿命 m u l t i p a s sf o r g i n gp r o c e s ss t u d ya n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n f o ra u t o m o t i v es t e e r i n gk n u c k l ea r m a b s t r a c t a u t o m o t i v es t e e r i n gk n u c k l ea r mi so n eo ft h es a f e t yp a r t s ，w h i c ht oa c h i e v e l o a da n dg u i d a n c ef u n c t i o n si nt h ec a ri sr u n n i n g t h e i rw o r km o r ec o m p l e x o p e r a t i n ge n v i r o n m e n t ，t h eu s eo fs e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t sc a n b ev e r y h i g h t h et r a d i t i o n a lf o r g i n gp r o c e s sd e s i g nm a i n l yr e l yo nt h ee x p e r i e n c e so ft r i a l a n de r r o rd e s i g n ，t h e1 a c ko fac l e a rs t e e r i n gk n u c k l ea r mf o r g i n gm e t a li nt h e p r o c e s so ft h en o wi nt h em o l d ，o f t e nc a u s e db ya nu n s u i t a b l ed e s i g nb i u e t s ， f o r g i n g st h e r ef o l d i n gp a t t e m s ，l a c ko fm e a ta n do t h e rd e f e c t s ，l o wd i el i f e w i t h t h e c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n m e t h o d sd e v e l o p m e n t ，a s r e p r e s e n t e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dm l m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h i q u eh a sb e e n w i d e l yu s e di na n a l y s i so f m e t a lf o r m i n gp r o c e s s e s i nt 1 1 ep a p e r ，b a s e do nt h eh o tf o r g i n gf o r m i n gt h e o r y ，t a k eh f 6 7 0 0s t e e r i n g k n u c k l ea r mo fl i g h tt r u c ka st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： 1 b ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fs t e e r i n gk n u c k l ea r mf b r g i n g ， c o m b i n e dw i t ht h eo r i g i n a lt e c h n i q u ep r o p o s e dr o l lf o r g i n g - 行i c t i o np r e s sf b r g i n g p r o c e s s ，t h a ti s ，b a i t i n g _ m e d i u m f r e q u e n c yi n d u c t i o nf u m a c eh e a t i n g 叶r o l l f b r g i n gb i l l e t ( 2t i m e s ) 专6 3 o tf r i c t i o ns c r e wp r e s sb e n d i n g 10 0 0 tf r i c t i o ns c r e w p r e s sf o rt h ef i n “f o r g i n g _ h o ts i d ec u t _ h o t c o r r e c t i o n 2 u s i n gf 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 ，e s t a b l i s h e da t h r e e - d i m e n s i o n a l c o u p l e dt h e r m o m e c h a n i c a lm o d e la n dt a k e nt h e f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nf o r m u l t i p a s sf o r g i n gp r o c e s so fs t e e r i n gk n u c k l ea r m t h r o u g hs i m u l a t i o n a n d o p t i m i z a t i o no ft h es y s t e mb l a n ko fb l a n ks h a p ea n ds i z e ，o b t a i nt h em e t a ln o w d i s t r i b u t i o no fr 0 1 lf o r g i n g ，p r e b e n d ，a n df i n a l l yf 0 r g i n g ，a n a l y s i so f e a c hp a s so f t h es t r a i nf i e l d ，s t r e s sf i e l d ，v e l o c i t yf i e l da n df 0 m i n gl o a da n ds oo n ，f 0 rm o l d d e s i g na n dt h ea c t u a lm a n u f a c t u r i n go p e r a t i o n sp r o v i d e st h eb a s i sa i l dr e f e r e n c e 3 。b a s e do nt h ea r c h a r dw e a rm o d e l ，r e s e a r c ht h el a wo ft h ef i n a lf o r g i n gd i e w h e nt h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r et p r e ，f r i c t i o nf a c t o r ma n dt h ei n i t i a ld i e h a r d n e s so fh r co nt h ei n n u e n c eo ft h ea m o u n to fd i ew e a r i n g ，a n dp r e d i c t e dd i e l i f ef o rt h el a s tf o r g i n gd i e k e y w o r d s ：s t e e r i n g k n u c k l ea r m ，m u l t i p a s s ，n 啪e r i c a ls i m u l a t i o n ，d i el i f e 插图清单 图2 1 刚粘塑性有限元分析系统程序流程图1 1 图3 1h f 6 7 0 0 弯臂锻件图1 5 图3 2h f 6 7 0 0 弯臂三维造型1 5 图3 3 锻件截面图1 6 图3 4 汽车弯臂成形工艺流程图1 7 图4 1 辊锻毛坯图1 9 图4 2 辊锻型槽方案图2 0 图4 3 椭圆一圆形槽系2 1 图4 4 坯料需要翻转9 0 0 后再进入下一道型槽2 2 图4 5 辊锻模具图2 5 图4 6 辊锻模具三维模型2 5 图4 7 弯曲毛坯三维模型2 6 图4 8 弯曲模具图2 6 图4 9 弯曲模具三维模型2 7 图4 1 0 飞边槽尺寸2 8 图4 1 1 终锻模具图2 8 图4 1 2 终锻模具三维模型一2 8 图5 1 多道次成形过程模拟分析流程图3 2 图5 2a i s i 5 1 4 0 流动应力应变图一3 3 图5 3a i s i h 1 3 流动应力应变图3 3 图5 4 各道次有限元模型3 4 图6 1 第一道辊锻过程坯料表面等效应力分布3 6 图6 2 第二道辊锻过程坯料表面等效应力( m p a ) 分布3 7 图6 3 各道次辊锻毛坯温度分布3 7 图6 4 稳定辊锻阶段坯料截面等效应力( m p a ) 分布3 7 图6 5 稳定辊锻阶段坯料等效应力( m p a ) 最大截面3 8 图6 6 第一道辊锻后坯料等效应变分布3 8 图6 7 第二道辊锻后坯料等效应变分布3 9 图6 8 辊锻过程坯料表面速度场( m m s e c ) 分布4 0 图6 9 第一道辊锻载荷一时间曲线4 0 图6 1 0 第二道辊锻载荷一时间曲线4 1 图6 1 1 弯曲过程坯料在下模中的变化及温度分布4 2 图6 1 2 弯曲载荷一行程曲线4 3 图6 1 3 终锻成形过程4 3 图6 1 4 终锻结束时材料在模腔中的填充情况4 4 图6 1 5 应变分布图4 4 图6 1 6 应力( m p a ) 分布图4 4 图6 1 7 终锻温度( ) 分布4 5 图6 1 8 终锻载荷行程曲线4 5 图6 1 9a r c h a r d 磨损计算模型4 6 图6 2 0 模具磨损分布4 9 图6 - 2 l 预热温度与磨损量关系曲线5 0 图6 2 2 模具硬度与磨损量关系曲线5 1 图6 2 3 摩擦因子与磨损量关系曲线5 1 图6 2 4 磨损深度与服役次数关系曲线5 2 图7 1 辊锻模具实体图5 4 图7 2 终锻模具实体图5 4 图7 3 生产实验设备5 5 图7 4 结果对比分析图5 5 表格清单 表5 1 主要参数设置3 5 表6 1 各道次毛坯温度分布4 2 表6 2 变化模拟条件4 7 表6 3 汽车弯臂终锻模具单次成形因素水平表4 8 表6 4 汽车弯臂终锻模具单次成形正交试验设计及结果4 8 表6 5 为汽车弯臂终锻模具单次成形的极差分析4 9 表6 6 终锻结束后取值点的磨损量5 0 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，也不包含为获得金旦巴王些太堂或 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： 月日 盈龙生、 学位论文版权使用授权书 签字日期：年 本学位论文作者完全了解金魍王些太堂有关保留、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。本人授权金熙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： 趸之呸、 签字日期：年月 日 年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 别谧名乎删 签字日期：秒，o 电话： 邮编： 致谢 在两年半的硕士研究生学习与生活中，始终受到导师陈文琳教授的辛勤培 养和无私关怀。导师严谨的工作作风、渊博的知识、非凡的敬业精神和正直的 人格时时激励和鞭策着我，使我受益匪浅，对我以后的学习、生活和工作产生 着潜移默化的作用。正是导师的严格要求和大力支持使我的工作得以顺利进行。 攻读硕士期间，在专业知识、分析能力和人生观等方面收获甚多。借论文完成 之际，对导师的培养和悉心指导致以最崇高的敬意和最衷心的感谢! 同时，真诚感谢在学习和生活上给予我帮助的陈忠家老师、刘全坤老师、 张强老师和祖方道老师，以及对我工作上大力支持的王从义老师、胡传根老师 和翁洁老师，感谢材料学院所有关心我的各位领导和老师。 特别感谢安徽省合肥汽车锻件有限责任公司，在论文选题、课题调研和实 验验证的整个阶段得到了肖来斌主任以及公司相关部门的支持，论文能够顺利 完成，与他们的无私帮助密不可分。 还要感谢曹俊、王荐、邹文超和朱小兵师兄给予我的帮助和鼓励，感谢实 验室张文超、武大鹏、程颖、刘桥求、彭李静和路遥等同学在学习和生活上的 帮助。 最后感谢各位答辩老师在百忙中抽出时间来指导。 深深感谢我的家人和朋友们对我的关怀和支持。向所有给予我帮助和支持 的人表示最诚挚的谢意! 作者：夏正宝 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 近年来，随着机械工业的迅猛发展，汽车制造业的规模日益扩大，汽车的 综合性能不断提高。在汽车生产中7 0 的零部件是靠塑性加工来完成，锻造工 艺在汽车零部件的生产中占有重要的地位，它是制造汽车受力件和关键件的主 要手段。随着汽车工业的发展，对汽车零部件的质量要求越来越高，传统的锻 造加工工艺己经不能满足汽车零件产品需求。对于汽车制造业来说，未来的竞 争核心将是新产品的竞争，如何实现高质量、低成本、短周期的汽车零件的开 发，是赢得汽车市场的关键。在这种情况下，迫切要求不断提高锻件的质量， 降低锻件成本，提高模具寿命，缩短生产周期，来提高企业产品的市场竞争能 力。 汽车弯臂零件是汽车的保全件之一，在汽车运行中实现承载、导向功能。 其工作运行环境比较复杂，使用的安全可靠性能要求也非常高。锻造工艺传统 的设计主要依靠经验进行试错设计，由于不能明确弯臂锻造过程中金属在模具 中的流动情况，常造成坯料设计不合理、锻件存在折纹、缺肉等缺陷，模具寿 命低等。随着计算机技术的飞跃发展，以有限元法为代表的数值模拟技术广泛 应用于分析金属塑性成形过程，运用刚塑性有限元法进行金属塑性成形过程的 数值模拟取得了较大成功。 1 2 研究现状 汽车弯臂是典型的弯轴类锻件，弯轴类锻件的最佳成形法，一直是锻造行 业致力研究的问题。近年来，我国汽车生产迅速发展，生产批量越来越大，整 机制造水平越来越高。对弯轴类锻件而言，不仅形状较复杂，而且锻件尺寸精 度、表面质量等方面的要求也越加严格，故探索轻轿车复杂弯轴类锻件的合理 锻造方法，显得尤为重要。国内外众多学者在该方面做了大量的研究。 国内对汽车弯臂成形工艺的研究起步较国外晚，最先是采用传统的锤上模 锻来实现制坯成形生产，坯料的利用率低造成了严重的浪费，锻模寿命也很低， 还很难保证锻件本身的质量。1 9 9 3 年张春景【l 】等提出了连杆类锻件初成辊锻工 艺，为该类锻件的工艺改进提供了新思路和理论依据。1 9 9 9 年金明华【2 j 和高占 民【3 】等对以轻轿车弯臂为代表的复杂弯轴类锻件进行了研究，提出了辊锻一摩 擦压力机模锻复合锻造工艺，并阐述了有关辊锻毛坯，弯曲毛坯，弯曲回弹， 弯曲工序的合理安排等工艺设计要点及模具的合理结构与设计，经生产实践验 证，采用复合锻造工艺生产的锻件尺寸精度高、表面质量好、节约原材料、经 济效益明显提高。2 0 0 0 年唐新民【4 】等从锻件材料入手研究了非调质钢弯臂、直 臂的开发应用，介绍了非调质钢( 3 0 m n v s 和3 0 m n v n ) 与调质钢( 4 0 c r ) 的材 料力学性能实验结果，并进行了生产试验，通过结果分析指出了其可行性。2 0 0 6 年邓春萍【5 】等人进一步研究采用复合锻造工艺生产汽车左转向节臂锻件，针对 生产过程中存在的错模等现象，合理地设计了模具结构，提出对于预锻模、终 锻模、校正模均采用了镶块式模具结构，并在预锻模中开设飞边槽，保证锻件 的良好成形。 随着计算机技术和数值计算方法的发展，2 0 0 4 年吴淑玲【6 】等进行了6 4 0 0 转 向节臂成形分析及有限元模拟，为实际生产提供了理论依据。2 0 0 6 年孙前江【7 】 等人实现了曲轴锻造过程中的数值模拟，最终得到优化的成形工艺和模具结构。 2 0 0 7 年王延强【8 】等针对某汽车转向节臂断裂问题，在约束简化和载荷假设的基 础上，使用有限元软件a n s y s 进行了有限元计算，经过分析，提出了增大了过 渡圆角半径和降低加工表面粗糙度的方案，成功的解决了问题。 1 3 有限元模拟在金属塑性成形中的应用 1 3 1 有限元模拟技术发展概况 金属塑性成形过程是一个很复杂的变形过程，存在几何特性、物理特性和 边界条件等的非线性。因此，对塑性成形问题进行精确求解非常困难。过去多 采用近似方法处理，如切块法、滑移线法等，但在分析研究过程中需要做较多 的简化和假设，从而导致所得结果和实际情况差别很大，甚至导致无法满足理 论分析和工程实际的需要。目前，利用计算机技术和有限元法己成为模拟分析 塑性成形过程的重要工具，也是应用最广泛的数值分析方法【9 】。 塑性有限元法可以分为两大类：流动塑性有限元( 包括刚塑性有限元和刚粘 塑性有限元) 和固体塑性有限元( 包括小变形弹塑性有限元和大变形弹塑性有限 元) 。 刚塑性有限元法是采用刚塑性材料模型，忽略了材料的弹性变形部分，对 大多数体积成形问题，弹性变形量较小，相对可以忽略，即可将材料视为刚塑 性。为了克服弹塑性有限元方法中的不足，l e e 和k o b a y a s h i l l o 】在1 9 7 3 年首次 提出了刚塑性有限元法。采用l a g r a n g e 乘子施加体积不变条件，由于该方法不 同于弹塑性有限元法通过应力应变增量进行求解，因此计算时可取较大些增量 步，但每次增量变形材料仍处于小变形状态，每步计算是在材料之前累加变形 几何形状和硬化特性基础上进行的，因此，能够采用小变形的计算方法处理大 变形问题。1 9 7 9 年z i e n k i e w i c z 和g o d b o l e 等提出了罚函数法的体积不压缩的 刚塑性有限元法【1 1 1 。目前，刚塑性有限元法是分析塑性成形问题的重要方法之 1 3 2 有限元模拟技术在金属塑性成形中的应用 长期以来塑性成形领域的工艺设计和产品生产都一直采用试锻一修正呻再 2 试锻的循环迭代试错法和经验判断的方式。这种传统的方法迄今积累了许多宝 贵经验数据和公式。但是，随着信息化时代的到来，制造业全球化与贸易自由 化进程的加快，激烈的市场竞争使得产品更新更加频繁，开发周期越来越短， 采用的新材料更加难以成形。如果采用传统的设计方法，工艺和模具设计的质 量和周期很难保证。因此，需要采用更加有效的研究方法和手段对上述问题进 行快速、精确和系统的分析。 近几十年来，随着计算机技术的迅速发展和数值计算方法的日益完善，尤 其是随着有限元技术的不断完善和发展，有限元数值模拟技术在塑性加工中的 应用蓬勃发展，应用范围也越来越广。从板料成形到体积成形，从正向模拟对 成形结果的预测到反向模拟对预成形件的设计，从同时考虑变形和热传导的热 力耦合分析到对工件微观组织的预测，以及对模具寿命的预测等，都显示了该 技术在塑性加工领域中的重要地位和作用。从塑性有限元模拟技术的发展来看， 已经步入了工业成熟应用阶段。 k o b a y a s h i 等【1 2 】首先采用刚塑性有限元法对轴对称闭式模锻过程行了有限 元数值模拟，结果与实验结果较好吻合。o h 【l3 】在1 9 8 2 年提出了处理任意形状 模具边界条件的方法，对刚塑性有限元法做了进一步完善，后与w u 和a l t a n 等学者成功开发了二维模锻过程的刚塑性刚粘塑性有限元程序a l p i d ，并对各 种锻件锻造过程进行了模拟分析。p a r k 和k o b a y a s h i 【1 4 j 进行了矩形块体、楔形 块体的墩粗过程三维成形问题的数值模拟，研究了摩擦条件对变形体构形和变 形力的影响。y o o n 和y a n g 【1 5 】对齿轮的精锻过程进行了三维模拟。v a z q u e z 和 a l t a n 【1 6 】应用d e f o r m 3 d 对连杆的闭式锻造进行了模拟和优化，实现了净成 形。 从上世纪8 0 年代起，国内学者在该方面做出了大量工作。王忠金【l7 j 针对 复杂形状的模具型曲面和锻件提出了基于b 样条方法的曲面描述技术及样条曲 面插值六面体网生成方法，实现了连杆终锻成形过程的三维刚粘塑性有限元模 拟。卫原平等【l8 】对二维模锻过程的刚粘塑性有限元模拟进行了系统的研究工 作。蒋浩民【1 9 】基于映射法的六面体网格划分技术和边界构形的网格重划分技 术，对未经简化的铝合金支座轴超塑性模锻过程进行了三维有限元模拟，计算 果与实验结果一致性较好。蒋鹏和方刚等【2 0 】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，通过分析辊锻过程中金属变形规律和模具参数对成 形质量的影响，改进了辊锻工艺。程联军等【2 1 】利用d e f o r m 3 d 软件对汽车后 桥支架的锻造过程三种锻造方案进行模拟分析，并最终确定了合理的工艺方案 及制坯模具。陈文琳等【2 2 】利用d e f o r m 软件对半轴套管的热挤压过程进行模 拟，通过对不同工艺参数模拟结果的分析比较，得出了工艺参数对半轴套管成 形的影响情况，揭示了热挤压成形过程中的金属流动规律。王荐犯3 j 以h f 6 7 0 0 轻卡转向节为研究对象，通过数值模拟考察了主要成形参数对挤压制坯过程的 金属流动及成形力的影响，进而确定成形工艺参数。 有限元技术在模具寿命预测方面，近年来取得了长足进步。国内外的专家、 学者作了大量的研究。p a i n t e r 等【2 4 】用有限元软件模拟热挤压模具的磨损过程， 通过实验和模拟的对比，最终完成了挤压模具的型腔优化。l e e 和j o u 【2 5 】利用数 值模拟分析了模具的磨损，并通过磨损试验对磨损系数进行测定，发现磨损系 数是与温度相关的函数，温度越高，磨损系数越大。b a r r a u 等【2 6 j 通过物理实验 来观察热锻模磨损区域截面，指出在表面磨损层以下的回火马氏体组织排列紧 密，未发生变形。b e h r e n s 等【2 7 ，2 8 l 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，证实了模拟结果的准确性。 王雷刚等【2 9 j 基于修正的a r c h a r d 磨损理论，对挤压模具进行磨损模拟，指出挤 压磨损集中在入口，弧形凹模磨损较锥形凹模磨损大，但弧形凹模磨损均匀， 模具寿命较高。磨损计算结果与实际情况较吻合，为预测模具寿命和优化模具 提供了理论依据和基础。黄瑶等【3 0 】基于b p 神经网络对挤压模具磨损进行了成 功预测。周杰等1 3 1 】采用a r c h a r d 磨损模型模拟分析了模具硬度、初始温度、润 滑条件在一次成形后对模具磨损的影响规律。最后将温度引入模型中，提出了用 磨损量来预测模具使用寿命的新方法。汪学阳等【3 2 】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。 成形过程的热力耦合分析将考虑温度分布的塑性变形问题与塑性变形功和 接触界面摩擦功的传热学问题同时进行求解，从而提高了数值模拟的精确性。 o d e n 等【33 】采用弹塑性有限元法首次对棒材的塑性变形与热交换进行了热力耦 合分析。z i e n k i e w i c z 和o n a t e e t a l 【3 4 j 进行了稳态流动热力耦合计算，对轧制、 挤压、拉拔等多种情况下的成形过程进行了模拟。r e b e l o 和k o b a y a s h i l 35 j 首先 采用刚粘塑性有限元，对圆柱和圆环墩粗过程进行了热力耦合分析。s o y r i s 和 b r i o i s t 【3 6 】采用三维粘塑性有限元对汽车摇臂的锻造过程进行了模拟分析，成功 计算出毛坯内温度场和锻件内部残余应力。s h a m a s u n d a r 和t s e n g e t a l p7 对多次 连续锻造过程中的温度分布情况进行了分析。詹艳然和王仲仁【38 】利用计算变形 时的速度约束代码来生成传热边界的控制代码，用以表示该边界边上的传热方 式，实现了传热边界条件的动态处理。 近年来，塑性有限元模拟技术在塑性加工领域中的应用正朝着扩大适应性， 高实用性和精确性的方向发展。尽管塑性有限元法有了很大的发展，但由于塑 性成形过程均为大塑性非稳态变形过程，且零件的复杂几何形状具有明显的三 维特征。因此，对其进行接近实际情况的仿真三维的模拟是今后模拟技术发展 的主要方向3 9 1 。 4 1 4 本课题的研究对象、来源、目的及意义 1 4 1 课题来源 本课题来源于安徽省合肥汽车锻件有限责任公司生产合作项目。 1 4 2 研究对象 本课题研究对象为轻卡汽车h f 6 7 0 0 弯臂。该锻件属于长轴类弯曲件，在 长度方向上截面较不均匀，分模面不在同一平面内，属于成形难度较大的锻件。 1 4 3 目的及意义 弯臂原有生产工艺为：自由锻锤制坯、两火成型，采用1 6 0 0 0 k n 摩擦压力 机终锻成型。该工艺的生产效率低、设备利用率低且制造的成本较高，锻件精 度差、质量不稳定、劳动条件差，而且煤炉加热对环境的污染较为严重。 为了达到国家节能减排的要求，提高生产效率和产品质量，降低生产成本， 本文对h f 6 7 0 0 弯臂原有生产工艺进行研究，结合对弯臂锻件的特点分析进行 工艺改进，确定优化的工艺方案。借助数值模拟手段对弯臂锻件的多道次成形 过程进行有限元模拟，通过分析模拟结果，比对生产试验来最终确定生产方案 和模具结构。最终实现锻件生产效率的提高、降低生产成本和节能减排的目的， 进步提高企业的市场竞争力。 1 5 课题主要研究内容 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 分析h f 6 7 0 0 弯臂的结构特点以及国内、外转向弯臂成形的各种工艺方 案，实现辊锻制坯一摩擦压力机模锻工艺来成形弯臂锻件； ( 2 ) 通过对弯臂锻件结构分析，确定辊锻道次、完成辊锻件的设计以及辊 锻模的设计，确定最终辊锻制坯一摩擦压力机模锻工艺流程； ( 3 ) 运用有限元分析软件实现对弯臂多道次成形过程的数值模拟，优化确 定各道次参数，得到各道次坯料的温度，应力、应变场及成形载荷等分布，为 工艺和模具设计提供理论依据； ( 4 ) 基于a r c h a r d 磨损模型，分析模具温度、摩擦因数和模具硬度对磨损 量的影响，并对终锻模具进行寿命预测。 第二章热力耦合刚粘塑性有限元理论基础 金属塑性加工是一个多因素影响的复杂过程，工件的几何形状、工件与模 具之间的摩擦作用、工件的材质、温度以及润滑条件等许多因素都对变形过程 有重要的影响。另一方面，材料在塑性变形状态下本构关系的非线性，塑性变 形引起的材料各向异性以及大变形带来的几何非线性等，都使得塑性加工成形 问题很难精确求解【4 们。因此，根据所研究对象的变形特点，选择合理的有限元 模型及合适的求解方法是模拟结果精确与否的关键。 金属塑性成形数值模拟最常用的有限元法为刚粘塑性有限有限元法。刚塑 性有限元法适于冷加工，刚粘塑性有限元法适于热加工及应变速率敏感性材料 的塑性变形过程。在实际的金属塑性变形中，弹性变形部分远小于塑性变形部 分，尤其对于体积成形来说，可以忽略弹性变形的影响，采用刚粘塑性材料模 型进行求解，不仅能够得到令人满意的精度，还能够大大简化有限元列式和求 解过程【2 3 ，3 9 1 。与弹塑性有限元法相比较，可采用较大的时间增量步长，在保证 足够的工程精度的前提下，提高计算效率。此外，由于刚塑性刚粘塑性有限元 法采用速率方程表示，这样材料变形后的构形可通过在离散空间对速度的积分 而获得，从而避开应变与位移之间的几何非线性问题。所以，自2 0 世纪7 0 年 代刚粘塑性有限元法被提出后其发展迅速，突出表现在塑性加工领域的应用。 目前其被公认的解决此类问题的最好方法之一l 4 。 2 1 刚粘塑性有限元基本方程 2 1 1 刚粘塑性材料基本假设 金属塑性成形过程中，材料塑性变形的物理过程相当复杂。因此，必须进 行一些假设，即把变形中某些过程理想化，以便于数学处理。对刚塑性材料的 基本假设如下【4 2 】： 1 ) 忽略变形材料的弹性变形； 2 ) 不计体积力和惯性力； 3 ) 材料是均质且各向同性； 4 ) 材料满足体积不可压缩； 5 ) 材料的变形流动服从l e v y m i s e s 流动理论。 2 1 2 刚粘塑性材料的本构关系 刚粘塑性材料的等效应力和等效应变之间关系的一般形式为： 孑= 日妒 ( 2 - 1 ) 式中h 一硬化函数，其导数日为硬化系数； 6 d s 一等效应变增量。 室温下，大多数金属的流动应力仅与应变有关；高温下( 再结晶温度以上) 应变对流动应力的影响不明显，而流动应力对应变速率的变化却很敏感。 一般地，对于金属塑性成形时存在如下关系： 仃= 盯( s ，享，丁)( 2 2 ) 式中 仃一等效流动应力； s 一等效应变； 言一等效应变速率； t 一变形温度。 2 1 3 塑性力学基本方程 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瞬时值已确定，设该变形体的体积为v 、表面积 为s ，在表面力p ，作用下整个变形体处于塑性状态，表面积s 分为品和品两部 分，其中品上给定表面力e ，砩上给定速度1 ，r ，该问题称之为刚塑性边值问题， 由以下方程和边界条件定义，即此时，变形体处于粘塑性状态。 根据塑性理论，刚粘塑性边值问题应满足下列基本方程。 1 ) 平衡微分方程： = o ( 2 3 ) 式中 一应力张量，f ，j f = 1 ，2 ，3 。 2 ) 几何方程 营= 去( 嘞+ ) ( 2 - 4 ) 式中 营一应变速率； 吻、一速度分量。 3 ) l e v y m i s e s 方程( 本构关系) 铲募盯； ( 2 5 ) 式中 孑2 三盯；乃一等效应力； 仄一 言2 孝岛毛一等效应变率； 仃：一应力偏张量。 4 ) m i s e s 屈服准则 去呓嘭= 后2 ( 2 - 6 ) ，可 、7 7 式中 七：牟一屈服剪应力，与材料加工硬化性质有关的参数。 3 5 ) 体积不可压缩条件 e y = 亡q 6 q = o 式中 磊一克氏符号。 6 ) 边界条件( 应力边界和速度边界条件) 在应力边界面s 。上： o q n j = e 在速度边界面品上： 哆2 v 式中 拧一品表面上任意点位置单位外法线矢量的分量。 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 2 2 刚粘塑性有限元变分原理 设变形体的体积为v 、表面积为s ，在表面力只作用下整个变形体处于塑 性状态，表面积s 分为品和s 矿两部分，其中品上给定表面力e ，品上给定速 度v ，。在满足几何条件式( 2 4 ) 、体积不变条件式( 2 7 ) 和边界条件式( 2 9 ) 的一切 动可容速度场中，真实速度场使泛函如下： 兀= i ，；莉矿一i 。e u c 心 ( 2 1 0 ) 取极小值，上述原理称为m a r k o v 变分原理。 利用m a r k o v 变分原理对变形体进行数值求解，要找到既满足速度边界条 件，又能满足体积不可压缩条件的速度场比较困难，而仅满足边界条件的速度 场则比较容易找到。因此，在实际求解时，往往采用l a g r a n g e 乘子法或罚函数 法将体积不可压缩条件引入泛函( 2 1 0 ) 中，得到的新泛函。 采用l a g r a n g e 乘子法所构成的泛函为： n = j 矽y j l 。e 1 ，程+ l 鸽毛矗矿 ( 2 - 1 1 ) 式中 名一为l a g r a n g e 乘子。 采用罚函数法所构成的泛函为： = 膨y 一，e v ，嬲+ 等l ( 毒矿吒) 2 ( 2 - 1 2 ) 式中 口一为惩罚因子。 罚函数法不需要额外增加求解未知数和半带宽，可以节省内存和计算时间， 且收敛速度快。罚函数法从数学角度来处理体积不变条件，不同于l a 掣a n g e 乘 子法中的五具有明确的物理意义。一般多采用罚函数法。 l a g r a n g e 乘子a 具有明确的物理意义：五= ( 静水压力) ，在分析应力场时 尤为重要。而罚函数法只能求出应力偏量，无法求得平均应力，但能够证明 a m = a 亡r o 而对于刚粘塑性材料，h i u 提出了刚粘塑性变分原理。即对于刚粘塑性边 值问题，在满足几何方程、条体积不可压缩条件和位移速度边界条件的一切容 许速度场中，真实解采用下列泛函： 兀2j 乒( 季) d y j s 。e ，t 搬 ( 2 - 1 3 ) 取驻点值，即一阶变分为零，可得到： 万n2j 芦e ( 毛) 掰 ，d y j s 。只面r 舔 ( 2 - 1 4 ) 式中，e ( 匆，) 一表示塑性变形功率函数，是凸函数。它与材料模型公式密切 相关。给定材料模型，得到的功函数可表示为： e 向) = r 盯；嘞= e 万疟 ( 2 - 1 5 ) 这样，如果给定刚粘塑性材料模型公式( 2 2 ) ，则可以由上式积分得到对应 的功函数。 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 4 ) ，可得： 万兀2j 夕e ( 舌 ，) 掰l d 矿一j s ，e 西l 谘= o ( 2 - 1 6 ) 上述变分原理与m a r k o v 变分原理一样，可以用l a g r a n g e 乘子法和罚函数 法引入体积不可压缩条件。 2 3 刚塑性刚粘塑性有限元求解过程 刚粘塑性有限元的求解过程与一般有限元一样，区别在于刚粘塑性有限 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 n e 、) ，t o n r a p h s o n 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，能量泛函的条件 是： 器= 军( 嚣= o ( 2 - 1 7 ) a k 、a ”q 、7 式中 ( j f ) 一表示第j 个单元； i 一为节点编号。 为了求解上述非线性方程，采用n e 讯o n r a p h s o n 方法进行迭代，把( 2 - 1 7 ) 运用t a y l o r 级数在矿= ( 初始值) 下展开，忽略二阶以上的高阶微量，仅保留线 性部分可得： 9 期y 硝+ 嘲矿娟野。 p 式中 巧一表示对速度k 的一阶修正。 式( 2 1 8 ) 可以写成如下形式： 鼢y = ( 2 - 1 9 ) 速度的修正值y 求得后，就可用+ 肚y 对进行修正，为衰减因子， 其取值介于0 1 之间。如此迭代下去，直到速度修正量小到可以忽略。初始假 定的速度值应接近于真实解，否则会导致迭代不收敛。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 l l 圳l l 硎 o ，s 叉)( 2 2 3 ) 2 ) 第二类边界条件，指某给定表面上的热流密度是时间f 的已知函数，设 该表面为& ，则表示为： 疋篆t + 以等+ 屯暑t = g o ) o ，s s ：) ( 2 - 2 4 ) 式中 z ，、z z ，一分别为边界面的外法线方向余弦o g ( f ) 一交换热量。 3 ) 第三类边界条件，指某给定变形体表面与周围流体对流传热产生热损 耗，设该表面为& ，则表示为： 以豢+ 乃警+ 屯署乞= 一办仃一) o ，s 岛) ( 2 - 2 5 ) 式中 乃一环境温度。 依照传热问题的边界条件分类，可对塑性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s ，和同模具 1 2 接触表面& 两部分。 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散热。根 据传热学理论，对流换热可表示为： g c = 吃仃一瓦) & ) ( 2 2 6 ) 式中 瓦一环境温度； 见一对流换热系数。 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 0 1 t z m a n n ) 定律，即： g ，= 嬲f 4 一瓦4 ) & ) ( 2 2 7 ) 式中 盯一斯蒂芬波尔兹曼常数； s 一物体表面黑度( 即材料的热辐射率) 。 2 ) 接触表面 塑性成形过程中，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： g = 仃一乃)姆s 厂) ( 2 - 2 8 ) 式中 如出一润滑剂传导系数； 乃一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，并伴随摩擦应力作用产 生热量，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： 酊= 口阮觚i峪s ，j ( 2 - 2 9 ) 式中 丘一摩擦应力； 匕一相对滑动速度； 口一为比例