（材料加工工程专业论文）齿轮轴热锻组织与流动形态模拟及模具磨损分析.pdf

山东人学硕十学伊论文 摘要 齿轮轴是机械传动中不可或缺的部件之一，具有传动效率高、结构紧凑和使用寿 命长等一系列优点。传统的齿轮轴的切削加工生产方式已逐步被精密锻造成形工艺取 代，并取得了良好的效果。根据齿轮轴的工况要求，在锻造生产中提高齿轮轴锻件的 力学性能与尺寸精度是改进产品质量的重要手段。 锻造过程中，在保证齿轮轴锻件成形性的前提下，研究内部组织形态的变化，并 改进工艺方案以获得更加均匀细小且分布合理的微观组织，是提高锻件性能的有效措 施。同时，减小锻造过程中模具磨损，也是提高锻件精度，节约模具成本的重要方法。 本文应用三维有限元数值模拟技术研究齿轮轴的精锻成形，获得了变形过程中的流动 规律，温度变化，应力应变等参数，并且通过结合不同的模型计算，得到了齿轮轴锻 件内部微观组织与成形模具磨损的分布，并提出工艺改进方法。 对单工步及多工步成形方案进行模拟，基于y a d a 动态再结晶理论公式，分析坯 料初始温度、压下速度及摩擦系数等因素对热锻过程中的锻件内部再结晶的影响规 律，比较了不同成形方案的内部组织演化过程。使用d e f o f i t i 软件中f l o w n e t 功能， 模拟不同工艺条件锻造流线分布。为改善成形中材料流动均匀性，提出局部控温工艺， 并分析了控温后的材料流动形态。基于改进后的a r c h a r d 模型磨损公式，对d e 厅o m 软件二次开发，分析不同工艺下齿轮轴热锻模具的影响，同时模拟了采用浮动模结构 的工艺过程，得出浮动模移动速度对模具磨损的影响规律。综合比较，齿轮轴热锻多 工步成形在改善组织分布、流线形态及模具磨损方面比单工步成形取得了更理想的效 果。 根据数值分析结果，进行齿轮轴热锻成形实验，选取内部材料分析金相组织，并 制作锻造流线样本，对比模拟结果，验证了数值模拟结果的可靠性。在数值模拟和实 验研究的基础上，对实用化工艺提出指导建议。 关键字：齿轮轴热锻组织模拟流动形态模具磨损 a b s t r a c t a b s t r a c t g e a r s h a f ti sas i g n i f i c a n tc o m p o n e n tw i t hh i g ht r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y ，c o m p a c t n e s s a n dl o n gl i f e c u r r e n t l yt h em a c h i n i n gp r c u d i n gm e t h o dh a sb e e ng r a d u a l l yr e p l a c e db yt h e a d v a n c e dg e a r - s h a f tp r e c i s ef o r g i n gp r o c e s sw h i c ha c h i e v e dg o o dr e s u l t s t oe f f e c t i v e l y s a t i s f yt h ew o r kr e q u i r e m e n to ft h eg e a rs h a f t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n dd i m e n s i o n p r e c i s i o no ff o r g i n g ss h o u l db ei m p r o v e d w i t ht h ee n s u r a n c eo ft h eg e a rs h a f tf o r g i n gf o r m a b i l i t y ，t h ef i n ea n dh o m o g e n e o u s m i c r o s t r u c t u r ew o u l di m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w h i l ei m p r o v i n gt l l ed i e w e a r r e s i s t a n c ep r o p e r t yw o u l di n c r a e s et h ed i m e n s i o np r e c i s i o n a c c o r d i n gt o t h ef e m s i m u l a t i o no ft h eg e a rs h a f tf o r m i n gp r o c e s s ，t h em a t e r i a lf l o w i n g ，t e m p e r a t u r e ，s t r e s sa n d s t r a i n f i e l dw e r ec a l c u l a t e d c o m b i n e dw i t hv a r i o u sm o d e l s ，t h e d i s t r i b u t i o n so f m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na n dd i e w e a l w e r eo b t a i n e d t h es i n g l e s t e pa n dm u l t i - s t e ph o tf o r g i n gp r o c e s s e so fg e a rs h a f tw e r es i m u l a t e d u s i n gt h ed e f o r m 3 df e ms o f t w a r e a c c o r d i n gt or e c r y s t a l l i z a t i o nf o r m u l a so fy a d a m o d e l ，t h ei n f l u e n c e so fi n i t i a lb i l l e tt e m p e r a t u r e ，f r i c t i o nc o n d i t i o na n dp u n c hs p e e do n t h em i c r o s t r u c t u r ed i s t r i b u t i o nw e r ea n a l y z e d ，a n dt h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n so ff o u r f o r m i n gp r o c e s s e sw e r ec o m p a r e d w i t ht h ef l o w n e tm o d u l eo fd e f o r m 一3 d ，t h es h a p e so f f o r g i n gf l o w l i n ew e r es i m u l a t e d t oi m p r o v et h em a t e r i a lf l o wu n i f o r m i t y ，l o c a lc o o l i n g m e t h o dw a sp r o p o s e d ，a n dt h em a t e r i a lf l o wc o n d i t i o n sw e r es i m u l a t e d b a s e do nt h e d e v e l o p m e n t t h ea d v a n c e da r c h a r dm o d e lw a si n t r o d u c e di nd e f o r m - 3 dt oc a l c u l a t et l l e i n f l u e n c eo nt h ed i e w e a ro ft h ed i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s ，a n dt h ed i e - w e a rd i s t r i b u t i o n o ff l o a t i n gd i ew a sc a l c u l a t e d t os u mu p ，t h em u l t i f o r m i n gp r o c e s sw a se f f e c t i v ei n i m p r o v i n gt h em i c r o s t r u c t u r ed i s t r i b u t i o n ，f l o w l i n es h a p e sa n dd i e w e a rd e c r e a s e h o tf o r g i n ge x p e r i m e n t so fg e a rs h a f tw e r ec a r r i e do u t ，m e t a l l o g r a p h i c a lp h o t o sa n d f l o w l i n es p e c i m e n sw e r ep r e s e n t e dt ov e r i f yt h er e l i a b i l i t yo fs i m u l a t i o nr e s u l t s b a s e do n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h eg u i d a n c e so fp r a c t i c a lp r o d u c t i o n p r o c e s s e sw e r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：g e a rs h a f th o tf o r g i n g ；m i c r o s t r u c t u r ed i s t r i b u t i o n ；f l o w l i n ep a a e m ；d i e w e a r s i m u l a t i o n 山东人学硕十学忙论文 第一章绪论 金属塑性成形是一种具有悠久历史的材料加工工艺方法，目前已发展成为制造业 中重要的加工技术之一。传统的塑性成形加工对人们的生产经验依赖程度较高，需要 多次尝试才能获得质量较好的成形工件，生产效率低下。在2 0 世纪5 0 年代，金属塑 性成形的变形机理开始逐步被人们认识，并进行了大量的试验分析和研究。然而，随 着加工工件的形状越来越复杂，传统的理论和实验分析终究存在其局限性，对复杂成 形问题往往不能给出合理的解决方案。近年来，随着计算机及其应用技术的不断发展 及塑性成形理论取得的突破性进展，特别是计算机模拟数值分析方法的应用，越来越 多的难题被解决，使塑性成形加工的应用得到进一步拓展。 1 1 精密锻造概述 锻造成形是金属塑性成形的重要工艺之一，具有成形效率高，产品力学性能好， 材料利用率高等优点。随着制造业水平的不断发展以及对资源、环境的重视，对锻造 工艺的应用也提出了更高的要求。如何在满足形状要求的前提下，尽可能减少材料消 耗，降低产品成本，一直成为众多生产企业追求的目标。 精密锻造成形技术( 净成形) 是指零件锻造成形后，只需少量加工或不再加工即符 合零件要求的成形技术。精密锻造成形技术是先进制造技术的重要组成部分，也是汽 车、矿山、能源、建筑、航空、航天、兵器等行业中应用广泛的零件制造工艺。精密 锻造成形节约材料、能源，减少加工工序和设备，而且显著提高生产率和产品质量， 降低生产成本，是提高产品的市场竞争能力有效手段l l j 。目前，精锻成形技术已在较 大程度上实现了近净成形，通过直接成形出接近零件形状的工件，大大减少了后续的 工序，是塑性成形加工方法的发展趋势。 早期锻造方法主要是自由锻工艺，近几十年来，为提高锻件尺寸精度，出现了小、 无飞边模锻( 闭式模锻) 、径向锻造( 旋转锻造) 、多向模锻、电热镦粗、摆动辗压、粉 末锻造、滚轧、楔横轧、强力旋压和超塑性模锻等。为进一步提高锻件精度和适应精 密成形技术等新的成形方法，又出现了闭塞锻造和采用分流原理的新的精密锻造成形 方法【2 1 。 第1 章绪论 1 2 齿轮轴精密锻造 1 2 1 齿轮轴精密锻造介绍 齿轮轴是汽车、工程机械等设备中重要的传动件之一，对尺寸精度与力学性能都 有较高的要求。传统的加工方法通常是先用机加工或锻造成形出齿轮轴毛坯，然后再 通过刨、铣等切削加工成形出齿形部分。由于齿轮形状特殊，使用机加工方法，会造 成齿形部分材料的大量浪费，同时耗费加工时间，降低生产效率。此外，切削方法会 切断产品内部的流线组织，影响其强度、冲击韧性等性能。随着锻造工艺技术的不断 发展，齿轮锻造方法得到广泛应用，与机加工方法相比有着省材、节能、省时、低成 本、高性能等显著的优势，将是未来齿轮工业化生产的主要方向。 齿轮产品精密锻造技术源于德国。在上世纪5 0 年代，开始用闭式热模锻的方法 试制锥齿轮，并进一步应用到螺旋锥齿轮和圆柱齿轮的生产。6 0 年代开始圆柱齿轮 的锻造研究，7 0 年代有较大的发展，到8 0 年代，锻造技术更加成熟，能达到更高的 精度和互换性，使锻造生产齿轮能够进行批量生产【3 】。 随着节能节材以及低碳要求的不断提出，我国也逐步实现了齿轮精密锻造工艺的 产业化。目前，精锻齿轮厂的精锻齿轮的年生产能力已达1 5 0 0 2 1 0 0 万件【4 1 。 用精锻工艺生产齿轮轴，不仅具有节材、节能、低成本、高效率等显著优势，而 且通过锻压成形，提高了锻件材料变形的均匀性，在齿轮轴内部形成致密、均匀的材 料组织，并且沿齿形轮廓具有连续合理的金属流线，形成表面加工硬化层，提高齿轮 轴的耐磨耐腐蚀性，改善齿轮轴的疲劳性能。当前，直齿圆柱齿轮及齿轮轴精锻技术 正日益受到各国研究人员的重视，已成为当今塑性加工领域关注的重点研究课题【5 1 。 1 2 2 齿轮轴精密锻造工艺方法 齿轮类产品要求强度高、精度高，制造成本低。传统的刨齿铣齿加工制造工艺需 要价格昂贵的专业a n ：i ：设备，并且生产率也低，成本增；o n 6 1 。随着齿轮类产品的要求 不断提高，精密锻造工艺方法也不断发展。出现了热精锻、冷精锻、温精锻以及复合 精锻等工艺方法。 1 热精锻工艺 德国人在2 0 世纪5 0 年代开始用闭式热模锻的方法试制直齿锥齿轮。我国热精锻 齿轮技术的开发应用在起步于7 0 年代初期，发展迅速。在2 0 世纪8 0 年代，山东大 学开展了伞齿轮热精密锻造工艺研发，并实现了产业化。齿轮类零件锻造的重要难点 2 山东大学硕十学伊论文 就是成形载荷过大，使用热精锻工艺后能明显降低成形力，成形过程中材料流动填充 性好，因此在齿轮及齿轮轴生产中占据了重要地位。但热精锻需要的温度较高，通常 需要在8 0 0 以上，对尺寸精度影响较大，且成形过程中需要解决氧化问题，提高了 生产成本。 2 冷精锻工艺 冷精锻是在室温下进行的精密锻造工艺。冷精锻工艺具有如下特点：工件形状和 尺寸精度易控制，避免高温带来的误差；工件强度和精度高，表面质量好。冷锻成形 过程中，工件塑性差、变形抗力大，对模具和设备要求高，而且很难成形结构复杂的 零件。为克服冷精锻成形工艺变形抗力大、填充效果差的问题，相继开发了一些新的 工艺方法，主要包括闭塞锻造、浮动凹模锻造、预制分流锻造等。王岗超等【刀提出了 局部加载终锻工艺，即在传统预锻成形后使用局部模具单独对齿形部分迸一步施压， 从而在较低的载荷下提高了齿形性的填充性。 3 温精锻工艺 温锻是在再结晶温度之下某个适合的温度下进行的锻造工艺。温锻精密成形技术 同时具有冷锻精度高和热锻载荷低的优点，又克服了二者的缺点。但是温精锻工艺锻 造温度低、锻造温度范围狭窄且对其锻造范围要求较为严格，对设备要求严格，而且 对模具结构和模具材料有较高的要求，适合于大批量的生产。 温精锻齿轮轴在性能上优于热锻齿轮轴，它不但组织细密，而且在后续处理中热 变形小，同时齿面粗糙度较低，齿形精度高，其性能接近冷锻齿轮轴。德国蒂森克虏 伯公司、美国车桥公司已用温精锻工艺直接批量生产轿车用精锻齿轮。美国的温锻直 齿锥齿轮占所有精锻件的5 0 以上。国内，江苏太平洋精密锻造有限公司已基本成熟 地将温精锻工艺用于齿轮的成形工序【l j 。 4 复合精锻工艺 复合精锻工艺能根据锻件的特点制定合适的成形方案，能充分发挥冷、温、热锻 的优点。使用复合工艺生产形状复杂且精度要求高的齿轮轴，既能保证成形中材料的 流动性，同时满足了锻件的高精度要求。 在国内，蒋鹏8 1 和张峥嵘【9 1 等分别对热、冷和温、冷复合成形进行了研究。上海 铁福传动轴公司用温锻冷整形工艺大批量生产轿车等速万向节外星轮，江苏太平洋 精锻公司采用热( 或温) 锻冷整形大批量生产齿轮等精锻件。在国外，“温锻+ 冷精整 成形工艺以德国蒂森克虏伯公司为代表，他们的复合成形工艺代表了世界的领先技 第1 章绪论 术。 1 2 3 齿轮及齿轮轴精密锻造研究进展 针对齿轮类零件精密锻造工艺，国内外有许多研究工作，并取得了显著成果，其 中直齿圆锥齿轮己成功批量生产，直齿圆柱齿轮由于精锻成形的技术难度较大，尚处 于研究阶段，直齿齿轮轴精锻成形的研究相对更少。 2 0 世纪8 0 年代，近滕一割4 】首次采用分流原理进行了直齿圆柱齿轮冷精锻， 通过分流材料减d , - r 成形载荷，提高流动填充能力( 如图1 1 ) 。t u n c e 和d e a n 1 5 郴】根 据精锻空心件浮动凹模原理提出了多种模具设计方案，概述了无飞边模锻工艺。j c c h o i | 1 8 1 等采用如图1 2 所示的两工步分流成形法对齿轮精锻过程进行研究。 钐形荔觋 fl f 一：一 、， _ ；l ； l l ； ， ； zz 够z 侈z 彤o z z 萋 萋 釜 l_ _ ll 甲 l - 一 ( a ) 孔分流( b ) 轴分流 图1 1 孔分流与轴分流齿轮成形工艺简图 ：( ， ( a ) 预成形( b ) 终成形 凸模凹模顶杆坯料 图1 2 两工步分流齿轮精锻成形工艺 寇淑清、杨慎华【1 9 - 2 0 等提出了直齿圆柱齿轮冷精锻约束分流两步成形工艺，即闭 式模锻为预锻、约束分流为终锻的两步成形工艺方案。田福祥f 2 l 】等采用热精锻冷挤 压联合工艺方案提高了齿轮成形精度。陈泽中等2 2 1 设计了实心圆柱坯料镦挤热精锻 直齿圆柱齿轮的工艺方案并进行了实验模拟。林治平等1 2 3 - 2 7 1 ，陈拂晓等1 2 8 。2 9 】，刘庆 斌【3 0 剖1 使用上限元法分析了直齿圆柱齿轮成形规律，并提出改进方案。胡成亮等【3 2 】 4 山东大学硕十学伊论文 径向刚性平移流动模式和轴向均匀流动模式并提出改进方案。罗善明1 3 3 1 运用 d e f o r m 3 d 有限元软件得到了反映温度场变化的温度分布图。王明辉【蚓等对直齿圆柱 齿轮镦压挤胀复合成形工艺进行了模拟和实验分析，如图1 3 。 ( a ) 镦压( b ) 挤胀 图1 3 直齿圆柱齿轮镦压挤胀复合成形工艺 在齿轮轴锻造成形方面，早立、曾振鹏等1 3 5 j 总结了冷挤压齿轮轴的优点并设计 了冷挤压模具结构。张瑞、郝新采用q f o r m 3 d 模拟软件对齿轮轴毛坯的闭式模 锻成形工艺进行了数值模拟，设计出结构合理的锻模。胡成亮等刚模拟分析了不同 模具形状对带毂齿轮轴成形的影响。 1 2 4 齿轮轴精密锻造存在问题 齿轮轴锻件形状复杂，生产工艺多种多样，多年来，学者们对齿轮类零件精密锻 造技术的研究取得了许多成果，但与实际生产应用还有一定距离，存在许多需要解决 的问题【3 8 】： ( 1 ) i 艺方案研究 齿轮轴精锻工艺存在成形难度大、齿形型腔填充困难、所需变形力大、模具寿命 低、产品质量不易保证等问题。同时不同的工艺条件对成形性的作用各不相同且相互 影响，如何根据不同的成形因素对工艺过程进行综合考虑，提出合理的优化方案，仍 是今后的研究重点。 ( 2 ) 锻件内部组织分析 锻造成形过程中材料形状变化复杂，变形分布不均匀，材料内部的组织形态变化 也多种多样，对提高成形后锻件的力学性能有着重要影响。实际生产中由于组织分布 不均造成锻件性能缺陷的例子时常发生。因此，对成形中的锻件内部组织分布进行分 析和控制，是提高锻件质量的重要方法。 第1 章绪论 ( 3 ) 成形过程分析 齿轮轴锻件成形填充过程复杂，仍没有较好的分析方法对材料的流动情况进行分 析，缺乏对成形过程材料流动规律、工艺参数等因素的系统研究。 ( 4 ) i 艺和模具结构优化 目前，齿轮轴精锻工艺和模具设计，一般是以资料、近似公式和设计人员的经验 为主。这种设计方法需要依据大量的经验，经过费时费力的试制、再设计等过程，才 能达到设计目的。对齿轮轴精锻工艺而言，其成形件几何形状复杂，影响因素众多， 模具精度和寿命要求较高，由于传统研究方法的局限性，有关其工艺和模具结构优化 的研究尚未展开。 针对上述齿轮轴精锻成形研究中存在的问题，本文拟采用实验验证和有限元模拟 技术相结合的方法，对齿轮轴精锻成形中微观组织变化及模具磨损进行研究。采用有 限元数值模拟技术结合y a d a 模型及心c h a r d 公式，分析齿轮轴精锻成形过程中不同 的工艺因素对组织和磨损的影响规律。 1 3 课题的提出 1 3 1 问题提出 齿轮轴是生产生活中各类机械设备中的重要零件，起着传递运动和动力的作用， 对零件的力学性能和尺寸精度的要求较高。随着锻造技术的不断发展，传统的齿轮及 齿轮轴的机加工切削生产方法逐步被精密锻造技术代替，不仅极大提高了生产效率， 同时改善了零件内部的组织及流线分布，提高了零件的性能。 在齿轮轴热锻成形过程中，既要保证齿形部分的成形，同时还要考虑轴部的材料 填充，成形过程复杂。由于热锻过程中锻件内部组织变化多样，与变形和工艺条件的 关系密切，而锻件内部的组织分布情况直接影响锻件的力学性能，因此分析齿轮轴成 形过程中的微观组织分布，对锻件内部组织分布进行模拟预测并分析不同工艺条件对 齿轮轴内部组织的影响规律，进而提出合理的工艺方案对成形过程进行改进，对提高 产品的力学性能有着重要意义。 锻造成形过程中的材料流动形态不仅改变了锻件的填充性能，同时在锻件内部形 成锻造流线，对锻件的力学性能、耐磨耐蚀性都有着重要的影响，因此，分析成形中 的材料流动情况也具有重要意义。 锻造过程中模具的磨损是影响锻件最终精度的重要方面之一，为提高齿轮轴成形 6 山力：大学硕十学伊论文 效率和降低后续机械加工量，在具备生产条件并确保成形的基础上，应优先选择闭式 模锻成形工艺。然而闭式模锻成形力大，对模具的要求高，在热锻工艺中磨损严重， 影响了齿轮轴锻件的尺寸精度。本文模拟分析不同工艺下的热锻模具磨损规律，并针 对不同的影响因素提出改进方案。 “齿轮轴热锻成形工艺开发”是日本小松集团与山东大学材料学院的合作应用 基础研究项目。本课题作为该项目的重要内容之一，旨在发展齿轮轴的精锻成形理论 与技术，研究成形中锻件内部组织的分布形态，材料的流动规律以及模具磨损控制， 并通过模拟分析和实验验证不同工艺条件下的影响规律，进而指导实际生产实践，规 范操作流程，对齿轮轴精锻工艺的发展和应用具有重要的科学意义和实用价值。 1 3 2 研究内容 1 ) 根据前期课题研究方案，对实际的齿轮轴锻件图设计缩比件，并在u g 上实现 齿轮轴缩比件及热成形模具的三维设计； 2 ) 分析齿轮轴热锻成形工艺方案，包括单工步成形和多工步成形； 3 ) 对不同规格的初始坯料进行齿轮轴单工步成形过程模拟，总结分析材料成形中 的组织变化，并分析初始温度、摩擦情况、压下速度等不同工艺条件对组织分布的影 响； 4 ) 设计不同的预成形方案，对多工步成形进行模拟分析，对比成形中的组织分布； 5 ) 模拟成形中的流线状态，分析不同工艺条件对齿轮轴成形中材料流动的影响， 对比单工步与多工步成形的流线变化； 6 ) 对比齿轮轴单工步与多工步成形中的终成形模具的磨损情况，分析成形中影响 模具磨损的主要因素，并将浮动模具结构引入到齿轮轴成形中，分析不同浮动速度下 的模具磨损情况变化。 1 3 3 研究方法与技术路线 本文在前期课题项目研究的基础上，分析齿轮轴热锻过程中的内部组织演化、材 料流动形态以及成形过程中模具磨损的分布规律。 使用u g 软件进行齿轮轴缩比模型的三维造型。 使用d e f r o m 3 d 软件对不同工艺方法下齿轮轴热锻过程进行模拟，结合y a d a 模 型模拟锻件内部不同位置的组织形态分布，并进行实验金相对比。 分析模拟齿轮轴成形过程中的材料流动形态规律，模拟剖面的流线形态以及不同 7 第1 章绪论 工艺因素的影响，并与实际流线形态对比。 对d e f o r m - 3 d 软件进行性二次开发，引入修正后的a r c h a r d 磨损公式，对成形过 程中模具的磨损情况进行模拟，根据不同磨损因素的影响规律，提出改进措施，并分 析预成形终成形多工步工艺以及浮动模具结构对模具磨损的影响。 8 山东人学硕+ 学伊论文 第二章热锻组织模拟与磨损分析基础理论 随着计算机技术的不断发展，c a d c a e c a m 方法与金属塑性成形生产过程深 入结合，展现出重要的应用价值。金属塑性成形过程是一个复杂的变形过程，材料力 学性能、设备成形速度、锻造温度、摩擦条件、坯料尺寸、模具结构等因素对成形过 程都有影响。随着有限元分析方法的引入，通过数值方法模拟不同的工艺条件下金属 成形过程，可以得出不同的参数对成形结果的影响规律，为获得高质量的产品提供科 学的依据。同时，在有限元方法的基础上，通过数值分析得到变形过程中的应力、应 变、温度、位移等参量的分布场，进而结合不同的模型函数公式，将各个参量进行运 算，可以得到所需的特定的场量分布。由于锻件微观组织以及模具磨损情况对成形后 的产品质量影响明显，本章重点介绍了锻件微观组织模拟以及模具磨损模拟与有限元 方法的结合应用，通过对有限元结果的进一步运算，得到塑性成形过程中的锻件组织 以及模具磨损的分布规律，进而指导实践。 2 1 有限元方法 金属塑性成形理论主要分为三部分：一是是基于经典塑性理论的解析方法，如精 确地联立求解塑性理论基本方程的数学解析法，将平衡方程和塑性条件简化后联立求 解塑性理论基本方程的主应力法，针对平面问题提出的滑移线法，基于能量守恒原理 的能量法和上限法；二是以实测数据为分析基础的实验力学研究方法，如网格法、密 栅云纹法等；三是随着塑性理论的和计算机应用紧密结合而迅速发展的数值分析方 法，其中包括上限元法( u b f t ) 、有限差分法( f d m ) ，边界元法( b f m ) 和有限元法( f e m ) 等。其中有限元方法是发展最为迅速且应用最为广泛的数值分析方法。 2 1 1 有限元基础理论 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 是随着计算机软硬件技术的不断发 展，以及数值分析方法在工程中的广泛应用而发展起来的一种实用数值分析的仿真方 法。它可以比较精确地求解变形体内部的各种场变量，如速度场、应变场和应力场等， 从而为工艺分析提供科学依据。因此，它在塑性成形中的应用日益广泛。 有限元的基本思想是把连续体视为离散单元的几何体来考虑。在应用有限元法分 析问题时，首先采用“化整为零”的方法，将连续体分解成有限各形态比较简单的“单 9 第2 章热锻组织模拟与磨损分析基础理论 元体”，对这些单元体进行分别分析，这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间 利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质、描 述变形形态的需要和计算进度而定( 一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确， 即越接近实际变形，但计算量越大) 。所以有限元分析中的结构已不是原有的物体或 结构物，而是由众多单元以一定方式连接成的同材料的离散物体。这样，用有限元分 析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结 果就与实际情况相符合。 然后采用“积零为整”的方法，将各单元重新组合为原来的连续体简化了的“模 型”，通过求解这个模型得到问题的基本未知量在若干离散点上的数值解；最后，根 据得到的数值解再回到各个单元中计算其他物理量。 2 1 2d e f o r m 有限元分析软件简介 d e f o r m 软件是由美国s f t c 公司开发的一套面向金属塑性加工及相关行业的有 限元分析软件。可以模拟塑性成形的加工过程，获得成形中各项工艺参数以及应力应 变分布、材料的流动规律等，并且能预测各种成形缺陷的产生，优化模具设计和工艺 方案，减少现场生产试验和修模时间和费用【3 9 】。 d e f o r m 软件在2 0 1 0 年3 月1 5 日发布v 1 0 1 版本，并计划在2 0 1 1 年上半年发布 v 1 0 2 以及v 1 1 版本。其中增强了对“位系统的支持，并且提高了多核并行运算的 能力，运算速度提高3 0 ，同时大大增加了可划分计算的网格数量。更新了型材轧制 功能模块、开坯拔长模块。增强了感应加热模拟功能以及2 d 3 d 转换模块，可以实 现2 d 下的轴对称坯料感应加热过程模拟，并且直接转换为后续的3 d 复杂形状成形 过程模拟【4 0 】。 本课题重点分析齿轮轴热锻过程中的组织分布、材料流动形态以及成形中模具的 磨损情况，涉及到变形过程中的温度场、应力分布、应变分布、应变速率分布、材料 流动速度分布等多个变量场的应用，使用d e f r o m 3 d 有限元分析软件，对齿轮轴热 锻过程进行数值模拟，能够准确地获得所需的各项参数，进而应用于组织、流动形态 以及模具磨损的分析。 2 2 热锻微观组织模拟方法 2 2 1 晶粒尺寸与性能的关系 在保证成形性和尺寸精度的前提下，如何提高锻件的力学性能也是亟待解决的问 1 0 山东人硕十伊论文 题。在齿轮轴锻造过程中，内部的组织形态直接影响着成形后的锻件质量。控制成形 中材料的微观组织演化过程，能够细化晶粒，有效提高锻件力学性能，延长齿轮轴的 使用寿命，是响应节能减排要求的重要手段。在热精锻过程中以及冷精锻后的热处理 过程中，特别是在大型锻件生产中，都存在内部组织形态的变化过程，很容易出现组 织不均匀分布，因此预测和控制锻件内部组织的形态和变化对提高产品的性能有着重 要的意义。 大多数材料的屈服强度、塑性、坯料强度、冲击韧性等的力学性能都与晶粒尺寸 密切相关。在多晶体变形中，晶界的变形抗力较大，每个晶粒的变形都要受到周围晶 粒的牵制，因此多晶体的室温强度总是随着晶粒的细化( 即晶界总面积的增加) 而提 高。通常在微米级别的晶粒组织中，多晶体屈服强度仃。与晶粒平均直径d 之间的关 系可用h a l l p e t c h 公式描述： t 仃，= 仃o + k d 2 2 。( 2 一1 ) 式中，仃。一移动单个位错时产生的晶格磨擦阻力，k 一常数，d 一平均晶粒直径。 由公式( 2 1 ) 可知，晶粒尺寸直接关系到成形后锻件的力学性能。预测成形后的微 观组织分布，并制定相应的加工工艺以得到合理的组织，是提高锻件性能的重要方法。 2 2 2 金属热锻微观组织演变 金属热成形过程中，一方面随着形变产生j n t 硬化，另一方面同时产生抵消此加 工硬化的软化过程：动态回复和动态再结晶。动态再结晶是在变形量不断增加，位错 积累，金属内部畸变能不断升高，达到一定程度后在奥氏体中发生的一种转变。即在 热加工过程中，随着变形的不断加剧，在变形奥氏体内不断形成再结晶晶核并继续长 大。动态再结晶是热变形过程中重要的微观组织演化过程，也是最终决定材料内部晶 粒尺寸分布的关键因素之一，在很大程度上决定了最终微观组织和力学性能。因此， 在生产之前预测变形过程中动态再结晶的条件以及微观组织的演化，能够得到合理的 组织分布，使工件的外形尺寸和组织性能同时接近甚至达到产品的要求，减少了后续 的热处理工序，降低生产成本，提高了生产效率。 2 2 3 微观组织模拟研究进展 组织模拟技术最早应用于热轧过程中的工艺控制。随着锻造技术的不断发展，特 别是大型锻件的生产，对锻件质量的要求不断提高，组织模拟方法也被应用到锻造过 程中来。目前常用的组织模拟预测方法主要有如下几类： 1 1 第2 章热锻组织模拟与磨损分析墓础理论 l 、m o n t ec a r l o 方法 2 0 世纪8 0 年代m o m e c a r l o 随机统计方法被引入到动态再结晶过程模拟中。m c 方法是以自由能最小原理为基础模拟晶粒形核、生长过程，定量考察界面能和体积能 的影响，模拟晶粒长大的动力学过程及材料微观组织拓扑学的变化等【4 1 1 。在这一方 法中，微观结构被绘制成离散单元，每个晶粒由具有相同取向的近邻单元组成。每个 单元被赋予一个在一定范围内的整数以表示该单元所在晶粒的取向，并且假设具有一 定的能量。在每一个m o m e c a r l os t e p 中，每个单元的取向都尝试转变成最近邻单元 的取向，如果转变带来能量下降，则转变成功，否则，转变不能接受。这种随机统计 方法，最早是由a n d e r s o n 和其合作者提出来的。a n d e r s o n 认为，金属再结晶过程中 的形核是随机的，满足长大条件的晶核继续长大，不符合长大条件的晶核消失【4 2 1 。 随后，m c 法模拟再结晶的模型也逐渐发展起来。m c 方法是一种很好的模拟组织演 变的方法，但本身也存在诸多不足，如未能充分考虑形核和生长的物理机制，且未能 与成形中宏观的应变、时间等相关联，与有限元方法耦合应用受到限制】。刘运腾、 关小军等使用密排六方结构模拟了三维m c 法的晶粒长大过程【4 3 】。 2 、c e l l u l a ra n t o m a t o n 方法 c e l l u l a ra n t o m a t o n ( 元胞自动机) 方法的思想来源于生物体发育中细胞的自我复制 原理。适合于对动态复杂体系的计算机模拟，在许多实际问题中，如晶粒形核、晶粒 长大、动态再结晶等组织演变的模拟中取得了相当大的成功4 5 4 引。在c a 法中，将空 间分割为许多特定形式的元胞，元胞的状态演化依据一个区域规则进行，即给定时间 步的元胞状态由其自身及邻近元胞的上一时间步状态所决定。在再结晶过程开始时， 每个时间步中根据特定的形核规律产生一定数量的晶核，任意分布于元胞中。晶核长 大根据v o n n e u m a l m 或m o o r e 转变规则进行。每个元胞具有再结晶或未再结晶两种 状态之一，在每个时间步中的再结晶分数可以根据再结晶状态的元胞数与总的元胞数 之比求得【删。国内外许多研究机构在应用c a 法模拟材料微观结构演化方面也取得一 定进展。肖宏等【4 9 】综合考虑了动态再结晶的冶金学理论和以往的试验现象，并使用 c a 法对成形过程中微观组织进行模拟。c h e n g w uz h e n g 等【5 0 】使用c a 法模拟了多道 次热轧中的再结晶过程，张林等【5 3 羽1 用c a 法模拟了低碳钢奥氏体铁素体连续冷却 转变中的组织变化，并分析了冷却速度的影响。何燕等【5 1 1 分析了再结晶过程的组织 变化，并得到位错密度的分布、晶粒形态和取向。虽然运用该模型可以获得再结晶组 织的形貌，但模型中的形核规律是人为给定的，存在诸多人为因素。而且c a 法与宏 1 2 山东大学硕十学伊论文 观中的应力应变场、温度场等之间的耦合还存在一定困难，对复杂形状的变形过程中 的组织模拟准确度尚待提高。 3 、基于有限元唯象法耦合模型的组织模拟 目前，基于唯象模型的组织模拟与有限元技术、物理冶金现象的结合为微观组织 演变的研究提供了一种非常有效的数值模拟方法。 随着物理冶金技术的发展，通过在热模拟实验机上，研究人员采用热压、热扭、 热拉以及相结合的方法【5 2 1 ，通过一次加载，重复加载和卸载等技术，准确测定出钢 样形变的热应力应变曲线，并且可清楚地识别钢样中动态回复、动态再结晶、静态 再结晶等各种过程发生的情况，这为深入的唯象理论研究和有限元技术应用打下了良 好的基础。 同时，有限元模拟方法在锻造过程中得到广泛应用，能得到变形过程中工件的应 力、应变、温度分布规律和几何形状的精确变化，通过与组织模拟模型的进一步结合， 可以准确地模拟计算出锻件微观组织的整体分布趋势。 _ 现在，国内外许多研究者大多采用大型有限元软件及其二次开发或程序设计，实 现了不同工艺条件下多种材料的热变形过程中组织演变及分布的可视化模拟。曾志朋 1 5 3 】对d e f o r m 软件进行二次开发，得到了变形过程组织模拟功能，并在此基础上进行 了大型锻件的工艺优化。王广春、管婧、郭涛等【5 4 彤1 结合有限元唯象法组织模拟方 法，以细化组织和提高成形均匀性为目标，使用遗传算法对成形模具结构进行优化， 实验验证得到了明显的优化效果。刘超【5 6 】使用d e f o r m 3 d 对7 0 5 0 铝合金成形动态再 结晶进行模拟，结果与实验吻合良好。 2 2 4 齿轮轴热锻组织模拟方法 金属热锻过程中，当在再结晶温度以上进行塑性成形加工时，随着变形的进行， 会有回复、再结晶、加工硬化同时发生，而加工硬化不断被回复和再结晶抵消，在真 应力应变曲线中表现为应力在达到最高值后出现波动或下降的现象。 在微观层面上，金属的热塑性变形机理主要包括晶内滑移、晶内孪生、晶界滑移 和扩散蠕变等。通常晶内滑移是主要的变形机理。随着变形的进行，位错密度不断增 加，在晶界处塞积，发生加工硬化，聚集了大量的畸变能，使材料处于不稳定状态。 如果是在热塑性成形过程中，储存的畸变能会促使动态回复和动态再结晶过程发生。 一般的碳钢材料的层错能较低，当变形程度较大时，仅靠动态回复不足以充分消除高 密度位错畸变能，这时就会有动态再结晶发生。通过研究发现，动态再结晶存在临界 第2 章热锻绢织模拟与麽损分析荩础理论 应变值，只有当应变大于临界值时，才能发生动态再结晶。通常在热成形过程中，动 态再结晶使畸变的拉长的晶粒重新形核长大成为等轴晶粒，对最终的晶粒尺寸变化起 关键作用【57 1 ，因此动态再结晶过程通常作为研究的重点。 然而热锻过程中直接观察微观组织演化过程是不可能的，而通常使用的锻后快速 ”冷却淬火保留高温组织的方法不仅工作量大，且操作过程中影响因素多，误差大，难 以准确重现热态组织。因此，在组织演化理论和大量实验数据的指导下，提出可靠的 数值模拟方法并应用于实践，已成为当前研究的热点。 针对齿轮轴成形的特点，为得到齿轮轴内部不同位置晶粒尺寸的分布，本文采用 有限元唯象法结合的组织模拟方法，对齿轮轴热锻过程中的组织变化进行模拟，并 分析不同的工艺参数对成形中组织的影响。 与有限元方法结合，能比较准确地预测材料的组织变化过程。本文主要采用了常 用的c m n 钢y a d a 模型进行模拟分析，y a d a 模型动态再结晶公式如下： q = 2 6 x = 1 一 气，乩川枷。d o m 2 s 叠玑。5e x p ( 半) s 。= 4 7 6x1 0 - 4e x p ( 半) = 2 2 6 0 0 z 加。2 7 ( 2 - 2 ) z 哦x p ( 导) 根据y a d a 模型公式，设置d e f o r m 3 d 软件中的g r a i n 模块，进行齿轮轴热锻组 织模拟，并比较不同工艺条件的影响规律。 2 3 热锻过程中模具磨损理论 锻造过程中，锻件内部组织形态对产品的力学性能有重要影响，而锻造模具的磨 损直接影响着锻件的尺寸精度及模具的使用寿命。改善模具的磨损情况，是保证锻件 精度，提高模具使用寿命的重要方法。 。 2 3 1 热锻模具磨损研究现状 热锻模具在连续的工作状态下要承受机械载荷和热载荷的作用，锻造过程中发生 摩擦、磨损、热交换及塑性变形，所以其机制相当复杂。最为常见的失效形式为磨损 失效、断裂失效( 包括开裂、碎裂、崩刃、掉块和剥落等) 、变形失效三大类。在热锻 模中，模具磨损的比例在模具失效中占7 0 ；冷锻模中，模具的失效主要是由疲劳断 裂引起的。在模具磨损分析方面，国内外的一些专家、学者作了大量的工作。 j e a r c h a r d 在r h o l m 5 9 1 和b u r w e l l 、s t r a n g 删工作的基础上，于1 9 5 3 年提出粘着磨 、， c 一乞。一 5 甜 二气 删 望气 ， 厂 2 3 n 0 1 1 一 广“?l“d 7 e 山东人学硕十学何论文 损理论【6 ，该磨损理论适用于金属冷成形过程的磨损。o b a r r a u 等【6 2 1 通过实验分析 了h 1 1 在高温下的不同磨损形态。p a i n t e r 等1 6 3 】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 ! 删利用数值 模拟分析了h 1 3 钢模具的磨损，通过磨损试验对磨损系数进行测定后发现，磨损系数 是与温度相关的函数，温度越高，磨损系数越大。es u m m e r v i l l e 等f 6 5 】对热锻模具进 行组织分析，得出磨损和疲劳是模具失效的主要原因。孙宪萍、王雷刚等【6 6 舯1 将有限 元分析与神经网络和遗传算法结合，建立模具型腔控制点与磨损深度之间的映射关 系，通过优化模具型腔轮廓形状，提高了模具寿命。赵军掣6 8 】采用a r c h a r d 磨损模型 模拟分析了模具材料硬度、始锻温度、润滑条件等工艺参数在单次成形后对挤压模具 磨损的影响规律。 传统的a r c h a r d 磨损模型已经被用于预测模具磨损，在公式中，磨损量与模具和 工件之间的磨损系数、模具的表面压力、模具与工件之间的相对移动量成正比，与模 具的硬度成反比。传统的a r c h a r d 磨损预测模型可表示为： w ：k l p h ( 2 3 ) 式中，k - 磨损系数，l ( m m ) - -