（材料加工工程专业论文）jx1030半轴套管体挤压精锻工艺研究.pdf

摘要 金属塑性加工正在向先进制造技术方向发展。“精密成形”、“近净成形”乃大势 所趋。挤压特别适合生产杯、筒、杆等轴对称零件，且加工余量少，内部组织致密，尺 寸精度较稳定，已经成为塑性加工的一个发展方向。其中，热挤压工艺虽然有一定的应 用历史，但其应用面并不宽。本研究正是对这种发展趋势的一种反映和促进。 半轴套管是汽车后桥上一个重要的保安件，在汽车的运行过程中，承受着多种复杂 的交变应力。因此，半轴套管质量的好坏，对于保证车辆的行驶安全，提高经济效益有 着十分重要的意义。 j x l 0 3 0 半轴套管体现行的工艺是落后的胎模锻，其内孔需依靠切削加工来完成， 费时费力，材料的利用率低，未能充分发挥热锻精密成形的优势。 本文在分析国内外近年来采用的各种成形工艺的基础上，开发了j x l 0 3 0 半轴套管 体挤压精锻工艺，并对成形过程进行了数值模拟和物理模拟研究。论文的主要工作有如 下几个方面： 1 工艺创新针对j x l 0 3 0 半轴套管体的结构特点，开发了在常规设备条件下，以 圆棒材为坯料，用镦粗一反挤压和扩径一正挤压两道复合工序相结合的热挤压精锻新工 艺。新工艺与胎模锻相比，具有明显的技术经济效益。 2 、c a d 建模用p r o e 软件实现模具零件的三维造型、参数化设计，方便了修改， 提高了建立模具几何分析模型的工作效率，并为模拟和仿真的顺利进行打下了基础。 3 、数值仿真应用d e f o r m 软件，对j x l 0 3 0 半轴套管体的挤压成形过程进行了 模拟分析。观察到了镦粗一反挤压过程中凹模大头直径的改变出现的“扩径”和“缩 径”现象，分析了形成原因，提出了相应的解决措施。研究结果能够用来指导工艺实践， 从而缩短产品开发周期，提高产品质量。 4 、物理模拟研究在实验室条件下，对j x l 0 3 0 半轴套管体挤压精锻成形过程进行 了物理模拟研究，挤压件顺利成形，证明j x l 0 3 0 半轴套管体能够通过挤压精锻工艺实 现精确成形。 5 设计了生产用主要模具。设计了生产用镦粗一反挤压模具。 本研究丰富了挤压变形的内容和理论，开发了j x l 0 3 0 半轴套管体的挤压精锻成形 工艺，并进行了数值仿真和变形分析，为类似结构零件的挤压成形提供了借鉴和参考。 关键字：半轴套管体热挤压数值仿真物理模拟 a b s t r a c t m e t a lp l a s t i cw o r k i n gi sd e v e l o p m gt o w a r d sa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y “p r e c i s ef o r m i n g ”、 n e a rn e ts h a p ef o r m i n g ”h a sb e c a m et h et r e n do fm a n u f a c t u r i n g e x t r u s i o nf i tw o r k i n ga x i ss y m m e t r i c a lp a r t ss p e c i a l l y ；i th a sal i t t l em e t a lw a s t e ，c o m p a c t i n t e r i o rt i s s u e ，s t e a d yd i m e n s i o np r e c i s i o nw h i c hh a sb e e nt h ed i r e c t i o no fp l a s t i c sw o r k i n g ， t h o u g hh o te x t r u s i o nt e c h n o l o g yh a sa c e r t a i na p p l i c a t i o nh i s t o r y , i th a s n ta p p l i e dw i d e l y t h i sr e s e a r c hi sak i n do fp r o m o t i o nt o w a r dt h ed e v e l o p m e n tt r e n d a x l es h a f ts l e e v ei sav e r yi m p o r t a n tp a r to fa u t ob a c kb r i d g e ，w h e nt h ea u t ow o r k i n g ，i t s u p p o r tm a n yk i n d so fc o m p l i c a t e dv a r i a t i o ns t r e s s w h e t h e rt h eq u a l i t yo ft h ea x l es h a f t s l e e v eo rn o ti sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n gt oe n s u r ea u t o ss a f e t ya n di m p r o v ee c o n o m y b e n e f i t t h ef o r m e r l yt e c h n o l o g yo fj x l0 3 0a x l es h a f ts l e e v ei sl o o s et o o l i n gf o r g i n gw h i c hi s v e r yo b s o l e t e i n t e r i o rh o l ed e p e n do nc u t t i n gw o r k i n gw h i c hw a s t et i m ea n dp o w e r a n dt h e r a t i oo ft h em a t e r i a li sl o w i tc a n ts u f f i c i e n tu s et h ea d v a n t a g eo fh o tf o r g i n gp r e c i s i o n f o r m i n g t h i sp a p e re x c o g i t a t ee x t r u s i o na n dp r e c i s i o nf o r g i n gt e c h n o l o g yf o rj x l 0 3 0a x l es h a f t s l e e v eo nt h eb a s i so fa n a l y z i n go nv a r i o u sf o r m i n gt e c h n o l o g i e sa p p l i e di nd o m e s t i ca n d o v e r s e a si nr e c e n ty e a r s ，t h ef o l l o w i n g sa r et h es u m m a r yo fm a i nr e s e a r c hw o r k s ： 1 a i m i n ga t t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i co f j x l 0 3 0 a x l es h a rs l e e v e ，a l l e w h o te x t r u s i o n f o r m i n gt e c h n o l o g y i se x c o g i t a t e dw h i c ha p p l i e sg e n e r a le q u i p m e n ta n dr o dm a t e r i a l ，i t a p p l i e s2s t e p sc o m p o s i t et e c h n o l o g yo f u p s e t t i n g b a c k w a r d e x t r u s i o na n de x p a n d i n g - f o r w a r d e x t r u s i o n c o m p a r ew i t ht h el o o s et o o l i n gf o r g i n g ，n e wt e c h n o l o g yh a so b v i o u st e c h n i q u ea n d e c o n o m y b e n e f i t s 2 d e v e l o p i n g3 - dg e o m e t r i cm o d e l i n gb yc a d c a es y s t e m c a l l e dp r o e t h i s p a r a m e t r i cd e s i g nw i l lm a k em o d i f y i n gc o n v e n i e n t l y ，a n de n h a n c e t h ee f f i c i e n c yo fc r e a t i n g t h ea n a l y t i cm o d e lo fd i e sg e o m e t r y f u r t h e r m o r e ，i ti st h eb a s eo ft h ef o l l o w i n gc o m p u t e r s i m u l a t i o n 3 a p p l y i n gs o f t w a r e d e f o r m ，t h e p r o c e s s o f e x t r u s i o n h a sb e e n a n a l y z e d f o rj x l 0 3 0 a x l es h a f ts l e e v e t h ep h e n o m e n o no f “e x p a n d i n g a n d “n e c k i n g h a v eb e e no b s e r v e d i i b e c a u s eo fc h a n g i n gt h ed i a m e t e ro fd i e sb i ge n d ，a n a l y z e dt h er e a s o n t h es o l v e dm e a s u r e h a sb e e np u tf o r w a r d t h es i m u l a t i o nr e s u l tc a ni n s t r u c tt h e t e c h n o l o g yp r a c t i c e s ot h ep e r i o d o f t h en e w p r o d u c ti sr e d u c e d ，a n dt h ej x l 0 3 0a x l es h a f ts l e e v e sq u a l i t yi se n h a n c e d 4 a tt h ec o n d i t i o no fl a b o r a t o r y , t h ep a p e ra c h i e v e sp h y s i c a le x p e r i m e n t a t i o nr e s e a r c h f o rj x l 0 3 0a x l es h a f ts l e e v ea n de x p e r i m e n t a lp a r t sc a l ls h a p e ds u c c e s s f u l l yt h a tp r o v i n gt h e e x t r u s i o na n dp r e c i s i o nt e c h n i q u et ob ef e a s i b l e 5 d e s i g n e dp r i m a r ym o u l df o rp r o d u c t i o n d e s i g n e du p s e t t i n g b a c k w a r de x t r u s i o n m o u l df o rp r o d u c t i o n t h i sr e s e a r c he n r i c h e st h ec o n t e n ta n d t h e o r yo fe x t r u s i o n ，a n de x c o g i t a t ee x t r u s i o na n d p r e c i s i o nf o r g i n gt e c h n o l o g yf o rj x l0 3 0a x l es h a f ts l e e v e t h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n di t sa n a l y t i cr e s u l ti tc a l lp r o v i d et h ee x p e r i e n c ea n dr e f e r e n c ef o re x t r u s i o nt h es i m i l a r p r o d u c t s c h e nl i j u n ( m a t e r i a lp r o c e s se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yz h a n gr u h u a k e y w o r d s ：a x l es h a f ts l e e v e ；h o te x t r u s i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p h y s i c a ls i m u l a t i o n 1 i i 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注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得壹量圭堂或其他教育机构 的学位或证书i 阿使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均 已在论文中作f 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：改面矿芬 签字日期：如年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、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，允许沦文被查阅和借 阅。本人授救南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，口j 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) 学位论文作者签名：娲卿 签字日期：b6 年b 月j 日 学位论文作者毕业后去向 导，币签名；亏饬每叫 f 签字日期：杉年当月岁日 j x l 0 3 0 半轴套管体挤压精锻工艺研究 第1 章绪论 1 1 挤压的定义及分类 挤压是坯料在三向不均匀压应力作用下，从模具的孔口或缝隙挤出，使之横断面积 减小，长度增加，成为所需制品的加工方法。显然，挤压加工是靠模具来控制金属流 动，靠金属体积的大量转移来成形零件的。 ( 1 ) 按毛坯金属的再结晶温度不同，挤压可分为h l ： 冷挤压在金属最低再结晶温度以下进行的挤压： 温挤压在金属完全再结晶温度以下，室温以上某个适当的温度范围内进行的挤 压： 热挤压在金属完全再结晶温度以上的某个温度范围内进行的挤压。 ( 2 ) 按毛坯材料种类不同，可分为有色金属挤压和黑色金属挤压。 ( 3 ) 根据挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的关系，可以分为： 正挤压金属流动方向与凸模的运动方向一致； 反挤压金属流动方向与凸模的运动方向相反； 复合挤压毛坯一部分金属流动方向与凸模的运动方向相同，而另一部分金属流 动方向则与凸模的运动方向相反； 减径挤压是一种变形程度较小的变态正挤压法，毛坯断面仅作轻度缩减； 径向挤压金属的流动方向与凸模的运动方向相垂直； 镦挤复合法将局部镦粗和挤压结合在一起的加工方法。 1 2 热挤压生产的工艺特点隆”】 1 2 1 热挤压的优点 ( 1 ) 热挤压生产是先进的金属压力加工方法之一。与常规锻造相比，用热挤压方 法加工的挤压件，其机械加工的余量很小，通常单边余量只给0 5 2 5 m m 。其值的选 取视产品零件的具体要求和加工方法而定。另外，热挤压件的表面粗糙度一般可达 r a 3 2 l a i n ，尺寸精度可达i t l 3 。因此，在零件要求不太高的情况下，热挤压件可无需再 1 一 j x l 0 3 0 半轴套管体挤压精锻工艺研究 进行机械加工，这样便可节约大量金属材料和机械加工工时。 ( 2 ) 热挤压生产的劳动生产率很高，这是由于在曲柄压力机上生产，很容易实现 机械化和自动化，滑块一次n - - - - 次行程就可以生产一个挤压件。一个要经过5 7 次以 上拉伸的空心零件，若采用热挤压的方法加工，则可以一次成形制成所要求的零件。 ( 3 ) 热挤压生产所得到的挤压件，其结构和机械性能是很好的，远远高于其他压 力加工方法所得制件的机械性能。例如平锻机上局部镦粗所制得的零件，其结构和机械 性能远远没有热挤压生产所得制件来得好。 ( 4 ) 由于毛坯加热，提高了塑性，降低了变形抗力，因此可以挤压强度较高的材 料，挤压断面形状复杂、尺寸较大的零件。 1 2 2 热挤压的局限性 ( 1 ) 热挤压生产采用的模具，特别是凹模，其使用寿命较低。一只普通合金工具 钢的凹模，仅能生产1 0 0 0 2 0 0 0 件。但如果选择更优良的材料和进行恰当的处理，使 用中进行理想的冷却与润滑，那么使用寿命就能得到显著提高。 ( 2 ) 热挤压生产要求对被挤压的坯料进行高质量的加热。因为热挤压时，氧化铁 皮会在模具上刻出凹痕或粘在模具上刮伤挤压件。因此，对钢质机械零件热挤压来说， 其坯料的加热，最好采用无氧化或少氧化加热。如果采用一般的加热方法来加热坯料， 则应在热挤压前将坯料上的氧化铁皮清除干净，方可进行热挤压工作。 ( 3 ) 挤压通常适用于轴对称件及回转体，对于形状比较复杂的零件，如带有多个 台阶和锥形的零件，则不适宜用挤压的方法加工。 1 2 3 热挤压生产应注意的几个问题 ( 1 ) 为了保证挤压件的质量，要求坯料端面平整，且不能有切割毛刺。否则在热 挤压过程中，将会引起挤压件壁厚不均和上口高低不平等缺陷。 ( 2 ) 为了提高挤压件的质量，延长热挤压模具的使用寿命和保证热挤压工作的顺 利进行，应尽可能采用无氧化或少氧化加热，并力求做到均匀加热。 ( 3 ) 在热挤压过程中，要求对热挤压模的工作部分进行很好的冷却和润滑。因为 模具长时间与热坯料接触，如果得不到充分的冷却，很快就会产生热疲劳。良好的润滑 不仅能减少摩擦、降低挤压力，同时还能大大地提高模具的使用寿命。 ( 4 ) 在热挤压后的热处理及表面清理等工序中，挤压件的各部尺寸会略有减小。 一 一 j x l 0 3 0 半轴套管体挤压精锻工艺研究 这一点在设计热挤压模时，应预先考虑到。 1 3 我国挤压精锻技术发展和现状 2 0 世纪5 0 年代开始了铝、铜及其合金的挤压；2 0 世纪6 0 年代黑色金属挤压开始 应用于生产。经过几十年的飞速发展，我国的挤压精锻工艺取得了很大的进展。目前， 我国已能对铅、铝、镁、锌、锡、铜、镍、钛、钼、铀等金属及其合金、低碳钢、中碳 钢、工具钢、低合金与不锈钢等金属进行挤压，甚至对轴承钢、高碳高铬合金钢、工具 钢、高速钢等也可以进行一定变形程度的挤压。挤压制品在规格、品种、质量上都有巨 大发展，已从管材、棒材等简单截面制品的生产，发展到各种复杂截面型材( 实心或 空心) 挤压制品的生产 1 8 】。 目前的实际生产中，我国已能用挤压精锻工艺生产表壳、自行车飞轮、中轴、精锻 齿轮、汽车用等速万向节、内燃机用火花塞与活塞销、气门挺杆、照相机零件、汽车启 动器定向套筒、启动齿轮等，且己达到国外同等水平 1 9 2 1 】。 8 0 年代以来，国内外精密锻造专家开始将分流锻造理论应用于正齿轮和螺旋齿轮的 冷锻成形。分流锻造的主要原理是在毛坯或模具的成形部分建立一个材料的分流腔或分 流通道。锻造过程中，材料在充满型腔的同时，部分材料流向分流腔或分流通道。分流 锻造技术的应用，使较高精度齿轮的少、无切削加工迅速达到了产业化规模。江苏森威 集团于2 0 0 0 年从日本n i c h i d a i 公司引进齿轮分流锻造工艺技术和模具技术，开发了富 康轿车手动变速箱倒档齿轮零件【2 2 】。 闭塞锻造是在封闭凹模内通过一个或多个冲头单向或多向挤压金属一次成形，获得 无飞边的近净形精锻件。一些轿车精密零件如行星和半轴齿轮、星形套、十字轴等如果 采用切削加工方法，不仅材料利用率很低( 平均不到4 0 ) ，而且耗费工时多，生产成本 极高。国外采用闭塞锻造技术生产这些净形锻件，省去绝大部分切削加工，成本大幅度 降低。 “九五”期间在国家科技攻关项目的带动下，我国冷闭塞锻造新技术在设备、工艺 模具和生产线成套技术各方面都有不同程度的开发应用，缩小了与国外先进水平的差 距。江苏飞船齿轮股份有限公司和太平洋精密锻造公司等引进国外先进的专用冷锻压力 机，并引进国外伞齿轮闭塞冷锻成形技术，完成了轿车、轻型车行星和半轴齿轮的开发。 精锻齿轮产品已得到多个汽车厂的确认并投入了批量生产。 j x l0 3 0 半轴套管体挤压精锻工艺研究 近年来国内一些厂家利用挤压精锻技术开发了不少新产品。 摆杆体为压气式电锤中的关键零件，形状复杂，工作条件恶劣，采用挤压精锻工艺 生产有一定难度。上海工程技术大学经过实验研究，采用正挤花键冷镦球体两道挤压 精锻工艺生产该零件获得成功。用该工艺加工的摆杆体部件质量已达到国际电动工具采 购商的技术要求，产品进入欧洲市场，取得较好的经济效益。 内转子是汽车转子泵中的关键零件( 材料为1 c r l 5 m n 不锈钢) ，外观质量、尺寸精 度、综合力学性能要求较高，原来采用的切削加工方法，生产工艺复杂，产品质量不稳 定，一致性差。采用挤压精锻工艺后，零件制造工艺简单，实现了近净形加工，生产率 提高了3 8 倍，节约原材料，零件质量也得到了较大的改善。 2 0 世纪8 0 年代后期，国内应用挤压精锻技术加工的零件最大质量为1 4 融；最小为 o 2 3 9 。2 0 世纪9 0 年代已出现了更轻的挤压精锻零件。比如：南昌大学卢险峰教授与某 企业荚同革新了某仪表中的一指针零件( 材料h 6 2 ) 的镦扁模，该零件的头部尺寸为 3 0 5 0 5 ( r a i n ) ，镦扁成3 1 o 2 5 ( m m ) ，镦扁处重量只有0 0 0 7 9 ( 整个零件重2 9 ) 。 一汽集团公司工艺研究所1 9 8 9 年已熟练掌握汽车轮胎螺母和花键的一次冷挤压成 形技术。郑州机械研究所挤压汽车单向器套筒内花键获得成功，并采用冷挤压工艺精密 成形复杂的齿形类零件，其齿形部分不需再加工，其它部分净成形或留少许机加余量， 不仅节能节材，提高效率，而且能大大提高齿形件的精度和使用寿命。实践证明，所设 计的模具结构合理，制定的工艺参数正确，完全适宜大批量生产，模具使用寿命高，平 均在8 0 0 0 2 0 0 0 0 件。 清华大学以伞齿轮温热锻精密成形工艺为例，利用高精度分析模型，充分考虑连续 批量生产工艺链各工艺因素的变化，建立先进的多软件集成的模拟仿真分析平台，以热 力耦合的方法，可实现齿轮精密成形精度的预测与控制，优化工艺过程，提高产品精度， 缩短产品开发周期，降低开发成本。 华中科技大学通过对等速万向节钟形罩预成形件3 种温热锻造成形工艺的有限元模 拟，比较了杯一杆型复合成形，镦挤复合成形和多工序复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复合成形作为实际方案。 上海交大中京锻压有限公司用精密热模锻工艺生产集装箱紧固件中的关键部件 半自动扭转锁锥( 重2 7 0 k g ) ，在1 6 0 0 0 k n 小吨位热模锻压力机上成形，在热锻模 具上设计锁扣来平衡错移力，将扭转角分步成形来减少错移力。 j x l 0 3 0 半轴套管体挤压精锻工艺研究 1 4 挤压成形工艺研究的主要方法简介 1 4 1 工艺实验法 工艺实验法基本过程是：首先根据实验目的进行工艺设计，然后在工艺设计的基础 上设计并加工制造出简易模具，并进行物理模拟实验，然后根据实验情况，检验所要求 的变形能否达到零件的设计要求，如果不能，则需反复试验直至达到要求为止。另外， 根据实验目的的不同，实验过程不尽相同。该方法的优点是投资较小，所得数据也比较 准确，缺点是实验周期较长。 在科学研究中，工艺实验法是一种极其重要的研究方法，经常被采用，并且这种方 法是检验其他方法所得结果是否合理的重要依据。 1 4 2 理论计算与分析方法 理论计算是塑性力学解析的最精确方法。这种方法是将平衡微分方程和塑性条件进 行联解，以求出物体塑性变形时的应力分布和应变状态，进而求出变形力。在联解过程 中，积分常数根据自由表面和接触表面上的边界条件确定。必要时还须利用应力与应变 的关系式和变形连续方程。在一般情况下，共有1 6 个未知数，需联立求解1 6 个方程。 但实际上同时联立求解1 6 个微分方程是相当困难的，通常只能求解一些简单的二维问 题。为此，不少学者在如何简化求解方面作了各种努力，导出了许多近似的求解方程和 实验计算法( 如主应力法【5 棚】、滑移线法、变形功法和极限分析法盼2 6 1 等) 。 1 4 3 优化设计方法1 2 7 - 3 0 】 随着计算机科学技术的发展和应用，2 0 世纪5 0 年代发展起来的以线性规划与非线 性规划为主要内容的新的数学分支数学规划被应用于解决工程设计问题，形成了工 程设计的新理论和新方法，即工程优化设计理论与方法。工程优化设计研究与实践的不 断深入，使传统的工程设计方法发生了根本性的变革，从而把经验的、感性的、类比的 传统设计方法转变为科学的、理性的、立足于计算分析的设计方法。特别是近年来，随 着有限元法、可靠性设计、计算机辅助设计的理论与方法的发展及与优化设计方法的结 合应用，使整个工程设计过程逐步向自动化、集成化、智能化发展，其前景是令人鼓舞 的。 j x l0 3 0 半轴套管体挤压精锻工艺研究 对工程问题进行优化设计，本质上是根据优化设计理论，采用优化设计算法，运用 计算机高质量高速度地完成设计任务。为此，首先要把工程设计问题转化为数学模型， 即用数学表达式描述工程设计问题；然后，按照数学模型的特点选择优化设计方法及其 计算程序，运用计算机求得最优解，即最优设计方案。因此，工程优化设计包括建立数 学模型和运用优化方法求解两个方面的重要内容。 1 4 4 数值模拟法 研究金属塑性成形的数值模拟方法有边界元法、有限元法( f e m ) 和有限体积法 ( f v m ) 等 7 】a 由于边界元所分析的大变形区往往远离边界，因此在金属塑性成形过程中 很少有实际应用。f e m 能很好地处理变形体与模具的接触问题，又具有较高的模拟精 度，因此f e m 广泛地应用于金属塑性成形的数值模拟之中【3 1 川】。f v m 最初主要用于 流体力学的数值模拟，但对于大变形和高温塑性成形问题，金属的塑性流动实际上也可 以当成流体的流动来处理，所以近年来，部分学者也逐渐将f v m 引入金属塑性成形的 数值模拟研究【3 。 ( 1 ) 有限元法 有限元法的特点是将求解域离散为一组有限个形状简单、且仅在节点处相互连接的 单元的集合体，在每个单元内用一个满足一定要求的插值函数描述基本未知量在其中的 分布，随着单元尺寸的缩小，近似的数值解将越来越逼近精确解7 1 。 s k o b a y a s h i 和c h l e e 于上世纪7 0 年代提出了基于变分原理的刚塑性有限元方 法。刚塑性有限元法较适合分析对应变速率不敏感的体积成形问题，而对变形速度有较 大敏感性的材料加工过程的模拟，选用粘塑性本构关系比较合适，相应地发展了刚粘塑 性有限元法。o c z i e n k i ew i c z 等人最先把刚粘塑性有限元应用于求解塑性成形过程， 上世纪8 0 年代中期，二维问题的一些关键处理技术，如：对任意曲线边界的动态接触 法处理、剪切摩擦模型的建立等逐渐完善，从而使刚( 粘) 塑性有限元可应用于金属件 的反向模拟和粉末多孔材料的成形分卡斤【3 5 】。上世纪9 0 年代初，二维四边形网格全自动 化生成算法逐步成熟，出现了m s c s u p e r f o r g e ，d e f o r m ，f o r g e 2 ，a p l i d ，m a r c a u t o f o r g e ，a b a q u s 等处理二维问题的商品化软件，已成功地应用于实际生产中3 6 】。 随着计算机硬件技术的飞速发展以及计算机辅助几何造型技术的不断完善，金属体 积成形三维模拟技术的理论与应用研究已成为国际上塑性加工领域内的研究热点，尤其 对复杂工件成形过程三维模拟技术的研究，各国学者都做了很大的努力，并取得了相当 j x l 0 3 0 半轴套管体挤压精锻工艺研究 的进展【3 7 39 1 。 有限元法是求解质量不变单元的运动，其技术网格属于l a g r a n g e 网格。在数值模拟 过程中，传统的有限元单元随体网格，随着材料变形而产生形状畸变，需要自动进行网 格重新划分，这不仅耗费大量的计算机资源，而且影响计算精度，而且有可能导致失真。 因此，以有限元法为基础的大变形挤压加工的“过程模拟”难度很大【4 0 】。 ( 2 ) 有限体积法 基于e u l e r 的有限体积法是将网格固定在空间，材料在流动过程中e u l e r 网格不发 生变化。因此，用有限体积法模拟大变形塑性成形问题可以很好地避免网格再划分问题。 有限体积法以前多用于模拟流体的流动过程。 近年来，有限体积法逐渐被应用于求解金属特大变形问题 4 1 - 4 3 】，如上海交通大学 周飞等采用有限体积法跟踪了金属在塑性成形中的流动情况，预测了成形缺陷 州；清华 大学曹耀兵、陈国学使用锻造工艺仿真软件m s c s u p e r f o r g e 对复杂截面铝型材挤压工 艺进行数值模拟研究【4 5 】；南昌大学陈泽中、包忠诩等，在m s c s u p e r f o r g e 软件平台上 对型材挤压进行了数值仿真4 6 。o l ；南昌大学黄克坚、包忠诩等，对铝型材宽展挤压模具 进行了优化研究h 讲。这些成果说明有限体积法在处理大变形问题时存在许多优越性。但 这些研究大都属于热挤压范围，而基于有限体积法的挤压数值模拟研究并不多。 ( 3 ) 反向模拟技术 基于刚( 粘) 塑性有限元法的反向模拟技术在国内外仍是一个令人感兴趣，有待于 进一步研究开发的领域。反向模拟时，从给定的最终形态，沿着相反的加载路径反向模 拟实际工艺过程，说明影响实验和结果的各种因素的影响效果。这种方法的基本原理是 搜寻能产生最小误差范数的材料常数，误差范数定义为工艺参数( 常指拉伸或压缩试验 中的力或扭转测试中的扭矩) 的实际测量值和计算值之间的差，用最优化技术寻找目标 函数最小值。反向模拟技术主要用于估计材料性能和确定工艺参数，还用于估计模具和 工件接触面间的热传导系数及材料的热性能等。反向模拟技术在金属体积成形中的应用 始终没有取得突破性的进展，其主要原因是从最终形态反向模拟时，无法给定初始场量， 导致获得的初始毛坯设计在理论上存在缺陷，无法估计设计所带来的误差，因此有待于 进一步的研究5 1 l 。 1 5 挤压工艺研究新动向 j x l 0 3 0 半轴套管体挤压精锻工艺研究 1 5 1 复合塑性成形技术 挤压是锻造技术中一类重要且研究得最为活跃的工艺，而锻造又是塑性成形的一个 重要领域。因此，塑性成形领域的发展动向必然为挤压工艺的新发展提供方向。 复合塑性成形技术指将不同种类的塑性加工方法组合起来，或将其它金属成形方法 ( 如铸造、粉末冶金等) 和塑性加工方法结合起来使用，使变形金属在外力作用下产生 流动和变形，从而得到所需形状、尺寸和性能的制品的加工方法。 在塑性成形技术发展过程中，复合化现已成为一种技术创新的重要途径，其特点是 在成形过程中将原来分属不同范畴的加工方法组合起来使用，其目的是节约材料和能 源，减少加工难度和加工工序，提高零件的加工精度，尽可能做到无切削( 即净形n e t s h a p e ) 或少切削( 即近净形n e a r n e ts h a p e ) 加工，提高劳动生产率和降低成本，以满 足日益发展的工业和社会需求口。 将热锻与冷锻结合起来的热锻冷锻技术，在冲压和冷锻基础上开发出来的冲压冷锻 技术，结合锻造和铸造工艺特点开发出来的铸造锻造技术和半固态成形技术等新型复合 塑性成形技术优点显著，在生产中被有效地利用，取得了良好的技术和经济效果口3 1 。 热锻一冷锻是将热锻和冷锻结合起来的一种新型成形技术，它充分利用了热锻和冷 锻各自的优点：热态下金属塑性好，流动应力低，因此主要变形过程用热锻完成；冷锻 件的精度高，因此重要尺寸用冷锻最终成形，这样可以得到高精度的零件。 上海纳铁福传动轴有限公司开发了利用温锻一冷精整成形技术生产外形轮三销套 的有关技术，引进有关设备，2 0 0 2 年6 月在自动化生产线上利用该技术进行生产。昆山 精密模具标准件公司利用温挤压一冷变薄拉深工艺生产3 0 c r m n s i n i 2 a 超高强度壳体取 得成功。复合塑性成形技术的特点是将不同的成形方法组合起来使用，利用其各自的特 点，如冷锻的高精度和热锻、温锻的低变形抗力，目的是节约材料和能源，减少加工难 度和加工工序，提高零件的加工精度，提高劳动生产率和降低成本。如果使用得当，将 产生很好的使用效果。这为提高锻件精度提供了一种新思路垆。 1 5 2 复动冷挤压成形技术 5 5 - 5 7 】 冷挤压加工时，坯料被完全挤压到模腔，达到制件所需要的形状和精度。由于冷挤 压力太大，使在模具强度允许的范围内实现坯料充分压缩获得净形加工件十分困难。对 提高净形加工件的精度来说最重要的问题是降低冷挤压力，而采取复动成形加工技术是 j x l 0 3 0 半轴套管体挤压精锻工艺研究 一种有效的方法。现阶段减少工作压力的复动成形加工技术主要有轴向减压精锻成形、 减压孔流动、分模锻造复动成形、轴向移动凹模的复动成形、分流法等。 1 5 3 挤压工艺规划 挤压工艺设计属于过程规划问题，由于工序的多样性，工序件的复杂性，挤压工艺 的确定非常困难，严重依赖于设计者的经验。最终通过试误法来实现，明显增加产品成 本，影响企业的竞争力。 近年来随着人工智能技术的发展，大量知识基专家系统在挤压工艺规划中进行了应 用。数值模拟技术的发展为挤压工艺规划提供了另一个有力的工具。此外为了更好地解 决挤压工艺规划问题，将数值模拟技术和知识基专家系统集成的技术也成为研究的热点 5 8 - 6 0 l 。 1 6 本课题的研究内容和研究意义 1 6 1 课题来源 本课题是江西省教育厅2 0 0 5 年度科技发展基金资助项目。 半轴套管( 如图1 1 所示) 是载货汽车底盘部分的关键零件，工作条件为重负荷、强 冲击和震动。因此，要求零件内部组织致密，流线分布合理，抗疲劳强度高，其成形工 艺一直是汽车锻造业中的难题。国内轻型车行业多采用胎模锻工艺成形，国外工业发达 国家如日本丰田汽车厂采用热挤压工艺，三菱汽车厂采用锤上模锻，德国则采用压力机 模锻1 6 ”。由于制造方面的原因，存在两种结构：第一种是法兰与套管体做成整体；第二 种是法兰和套管体分成2 个零件制造，最后压合并焊接装配成一体。 t b ， 图1 1 两种结构的半轴套管 ( a ) 整体式后桥半轴套管( b ) 分体式后桥半轴套管 1 一套管体2 一法兰 j x l 0 3 0 半轴套管体挤压精锻工艺研究 1 6 2 课题研究的主要内容 ( 1 ) 设计出满足半轴套管体后续加工，同时又适合进行热挤压工艺的挤压件。 ( 2 ) 开发江铃轻型载货汽车( j x l 0 3 0 ) “后桥半轴套管体”挤压精锻工艺，用热 挤压的方法，尽可能长地成形其管状部分，力争做成通孔管，替代现行的胎模锻工艺， 降低材料消耗，并提高零件性能。 ( 3 ) 结合实际条件，设计各成形工步相应的模具，探索工件成形过程中有关的工 艺问题( 如充满、脱模、工件尺寸与形位精度等等) ； ( 4 ) 利用专用的体积有限元分析软件对半轴套管体成形工艺过程进行模拟，以便 掌握挤压过程中材料的流动规律、确定毛坯的合理形状和尺寸、预测各种成形缺陷的产 生，从而减少现场生产试验和修模时间，缩短新产品开发周期、提高产品质量。 ( 5 ) 根据数值模拟和工艺试验对工艺参数及模具结构参数进行优化，减小成形力， 降低模具的变形抗力，从而提高模具工作零件的使用寿命。 1 6 3 课题研究的意义 对于半轴套管，目前国内大多数工厂的制造方法是，在锻造阶段长管内孔部分填满 了敷料，然后钻出长孔，这就造成切削余量大、材料消耗多，材料性能潜力亦未能充分 发挥出来。 某公司生产j x l 0 3 0 后桥半轴套管体( 材料4 5 钢) 的现行工艺过程见图1 2 ，采用 的是比较落后的胎模锻工艺。 o 一一 一一 1 一 l 一 【a j ( b )( c ) 图1 2j x l 0 3 0 后桥半轴套管体胎模锻成形过程示意图 ( a ) 下料( b ) 摔长杆部( c ) 镦粗、冲盲孔( 成胎模锻件) 随着汽车工业的发展，要求提高生产效率和零件质量、提高材料利用率，采用新的 生产工艺是必然趋势。 在工件质量方面，由于在挤压时金属材料处于三向不等的压应力作用，挤压变形后 一泓鬻一 j x l 0 3 0 半轴套管体挤压精锻工艺研究 金属材料的晶粒组织更加致密，金属流线不被切断，而是沿着挤压件轮廓连续分布，因 而工件质量更有保证。 本课题研究成功，具有明显的经济价值。仅以j x l 0 3 0 载货汽车( 年需后桥半轴套 管6 万件) 计，每年节省钢材约7 2 吨( 按目前市场价格3 8 0 0 元吨计，折价约2 7 3 6 万 元人民币，若以1 0 年的生产量计，则为2 7 3 6 万元) 。带来的社会效益有：节省相应的 切削加工工时( 年节约钻孔工时3 7 8 0 小时) ，减少能源、设备与刀具的消耗：还可促使 其他汽车( 如全顺汽车等) 的后桥半轴套管和其他类似零件的制造方法得到改进，为江 铃汽车、为我省制造业走上科学发展之路做出一定贡献。 随着能源危机的日趋严重，人们对环境质量将更加关注，加之市场竞争日益加剧， 促使制造业向高效、优质、精化、节能节材方向发展。因此，用挤压成形等工艺手段所 生产的零件产品，在市场竞争中将更有竞争力。 在模具结构设计、制造工艺、成形理论方面，开展有益的探索，所取得的成果都将 是对现有的挤压领域理论的提高和补充。可见本研究课题具有重大的社会、经济价值和 理论意义。 j x l 0 3 0 半轴套管体挤压精锻工艺研究 第2 章挤压过程的三维刚塑性有限元基础 2 1 概述 理想刚塑性材料是假设材料在塑性变形前，材料不产生弹性变形，塑性变形时不产 生硬化 引。 刚塑性有限元法是假设材料具有刚塑性的特点，把实际的加工过程定义为边值问 题，从刚塑性材料的变分原理或上界定理出发，按有限元模式把能耗率表示为节点速度 的非线性函数，利用数学上的最优化原理，在给定变形体某些表面的力边界条件和速度 边界条件的情况下，求满足平衡方程、本构方程和体积不变条件的速度场和应力场。 在金属塑性加工有限元方法中，根据被模拟对象的塑性变形特点，建立合理的理论 模型，选择适宜的求解方法是模拟真实与否的关键。由于影响金属塑性成形的因素比较 复杂，其成形过程又是一个具有物理非线性和几何非线性的塑性大变形过程，对其进行 理论分析一般是比较困难的。因此，对复杂三维金属体积成形过程数值模拟，一般采用 适应性强，计算时间短，应力计算无积累误差的刚塑性有限单元法。 2 2 刚塑性的基本方程和基本假设 2 2 1 刚塑性力学数学基础 刚塑性材料在塑性变形区内满足下列塑性力学基本方程： ( 1 ) 静力平衡方程： 盯f j = 0 式中为质点的应力张量。 ( 2 ) m i s e s 屈服准则： 矛= 历= 孑( 手，丁) ( 冈。塑性材料) 式中，云为材料的等效应力。 j x l 0 3 0 半轴套管体挤压精锻工艺研究 式中： 孑= 吾( 屯岛) = 孑( 云毒r ) ( 刚粘塑性材料) ( 3 ) 本构关系( l e v y m i s e s 方程) ： 叠f = 2 6 - a ：三三 2 孑 厅一 扛j 孝( 毛曙”) ( 4 ) 几何方程( 变形协调条件) ： i 口= i 1 ( ”，+ ，) ( 5 ) 体积不变条件： 1 1 6u = o ( 6 ) 边界条件： 在力面s 。上的应力边界条件： a = f 。 在速度面s 。上速度比较条件： h = 面 ( 刚塑性材料) 2 2 2 刚塑性有限元求解的基本假设 ( 2 1 ) 金属塑性成形过程中，材料的弹性变形远远小于其塑性变形。因此，忽略弹性变形， 将材料看作刚塑性或刚粘塑性材料是合理的。为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。 刚塑性有限元求解列式基于下列假设 6 2 , 6 3 】： ( 1 ) 忽略材料的弹性变形，不计质量力和惯性力； ( 2 ) 材料均质，且各向同性； ( 3 ) 材料体积不变；+ ( 4 ) 材料服从m i s e s 屈服准则，且等向强化； j x l 0 3 0 半轴套管体挤压精锻工艺研究 ( 5 ) 刚塑性材料仅发生应变强化。 2 3 刚塑性有限元的变分原理 为了确定塑性加工过