轴管热挤压坯料加热温度的优化选择.pdf

第3 3 港第6 麓 V 0 1 3 3N o 6 饭店技乏 F O R G I N G S T A M P I N GT E C H N O L G Y 2 0 0 8 年1 2 羹 D e e 2 0 0 8 汽车轮毂轴管热挤压坯料加热温度的优化选择 熊运昌1 任立民1 温志高2 1 南阳弹丁学院机电工程系 河南南阳4 7 3 0 0 4 2 河南英威东风机械制造有限公司 河南南召4 7 4 6 7 4 摘要 利用D E F O R M 有限元模拟软件 通过对应力场和应畿场的数值模拟 分析了汽车轴管挤压成形过程中坯料 瀑发对揍压成形屡登豹影嚷 模拟结栗表我 4 0 M r 盘楗 萼农热镑压成形时 将罨壤滠度控制在1 1 0 0 左右最裂于 狳梯辍懿或影纛戒形磊阶梯辘鑫鼋力学稳定彀及轰亏续翡魏工 并通过试验对鼗餐模缀掰缮工艺参数迸行了验证 关键词 汽车轮毂轴管 坯料温度 数值模拟 优化 中网分类号 T G 3 1 6 3 文献标识弼 A文章编号 1 0 0 0 3 9 4 0 2 0 0 8 0 6 0 0 6 9 0 5 O p t i m i z e ds e l e c t i o no fr o u g ht e m p e r a t u r ef o rv e h i c l eh u ba x l e s X I O N GY u n e h a n 9 1 R EL i m i n W E NZ h V g a d 1 D e p a r t m e n to fE l e c t r o m e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g N a n y a n gI n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y N a n y a n g4 7 3 0 0 4 C h i n a 2 Y i n g W e iD o n gF e n gA u t o M a c h i n eC L t d o fH e n a n N a n s h a o4 7 4 6 7 4 C h i n a A b s t r a c t U s i n gt h ef 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 eo fD E F O R Mt h r o u g hs i m u l a t i n gt h en u m e r i c a lv a l u ea b o u tt h e f i d do fs t r e s sa n ds t r a i n t h ei n f l u e n c eo f 谯eb l a n kt e m p e r a t u r eo nt h eq u a l i t yo fe x t r u s i o ni nt h ev e h i c l eh u ba x l e s p r e s sf o r m i n gp r o c e s sw a sa n a l y z e T h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a t w h e n4 0 M n Bm a t e r 蠢i sh o te x t r u d e d i ti s m o s tf a v o r a b l ef o rl a d d e ra x i sf o r m i n g a n dl a d d e ra x i sm e c h a n i c ss t a b i l i t ya n df o l l o w i n gp r o c e s s i n ga f t e rt h ef o r m i n g i fw ec o n t r o lr o u g ht e m p e r a t u r ea r o u n dI i 0 0 T h e nt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ro b t a i n e df r o mt h en u m e r i c a ls i m u l a t o nw a sv a l i d a t e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t K e 喇 o r d s v e h i c l eh u ba x l e s r o u g ht e m p e r a t u r e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n o p t i m i z i n g 1 引言 金属的挤前加热是热挤压件生产过程中的重要 工序之一 在热挤压过程中 坯料温度越高 金属 的塑性越优异 变形抗力越小 金属坯料也越容易 转化为商质量的锻件 但如果魏热温度过高 又会 引起诸如氧化和脱碳 过热和过烧等加热缺陷 而 且随着坯料温度升高 檬具表层的温度也升高 从 而使其表层硬度下降 从丽降低模具的海命 因此 必须将毛坯懿热热湛度控潮在一定酶蔻燕之悫 才 能有利于毛坯成形 并提高经济效益 i 遂过采用三维体积成形模拟软件D E F O R M 一3 D 对轴管热挤压预成形工艺过程进行模拟 及对不同 毛坯澡度下模拟结果的分析 为轴管热挤压成形坯 料麓热温度的选择器洪参考依据 2 热挤压工艺及坯料加热温度初选 2 1 轴管热挤压工艺方案 1 3 图1 为东风E Q l 5 3 载重汽车轮毂轴管毛坯图 嫒稿鞭期 2 0 0 8 0 5 0 4 修订霜期 2 0 9 8 0 8 0 4 基金颁嗣 国家火炬计划资助项目 2 0 0 7 G H 0 4 0 5 4 7 作者简介 熊运昌 1 9 6 4 一 男 硕士 教授 电子信箱 x i o n g y u n c h a n g 1 2 6 c o r n 根据其结构特点秘性能要求采取热挤压工艺方案为 下料一加热一压型 预成形 一镦挤成形一反挤成 形 终成形 翻1E Q t 5 3 汽车轮毂轴管 F i g 1 V e h i d eh u ba x eo fF Q l5 3 2 2 坯料加热激发的初选 熬菸压妻莓对坯褥送行魏热 主要是秀r 提嵩金 属的塑性 降低燹彤抗力 使其易于变形 再者箍 利用金属分子在高温下的急剧扩散作用 使金属内 部的化学成份均匀化 从而达到改善金属内部质量 万方数据 锻压技术第3 3 卷 的作用 因此坯料鸯疆热是热挤压生产中不可缺少的 关键工序之一 一般来说 在保证金属坯料不产生过烧和过热 静前瓣下 总是希望被挤压金属的坯料澡度愈高愈 好 因为加热温度愈高 金属的塑性越好 也就疑 易于金属坯料的变形 但是会属坯料的加热温度是 不可麓无限高 因为加热蔷毳度过高 不仅会产生严 重的氧化和脱碳 而且还可能出现过热和过烧现象 困此 必须严格控制加热温度在一定的范围内 通常 控制在低予金震坯辩熔纯温度1 5 0 2 s 之闻 图2 为铁碳状态图 对于碳钢来说 可以看出 钢贯机械零件热挤压的开始挤压温度随着含碳量的 增攘露降低 嚣嚣对予合金镪来说署始黪压酶淦菠夔 着含碳量的增加降低的更加剧烈 l 慨 开 始麟 莲 l 3 q 一 k 一 刖 努 妊 一 删掣 目 D X l 一 l l l 00 4 0 81 21 82 02 4 舍碟鼙 图2 铁一碳状态图 F 毡2I r o n c a r b o ns t a t ep I o t 在钢质机械零件的热挤压生产中 金属坯料加热 温度和挤压温度一般是根据钢材种类 化学成份 金 j 萎坯糕尺寸大小秘产品零 牛憋性麓要求等来确定豹 表1 列出了我国部分工厂通过生产实践获得的数据 到 表1 部分钢号龛属的挤压溢凝 T a b l e1P a r t i a ls t e e lg r a d ee x t r u s i o nt e m p e r a t u r e 续表 表1 推荐的4 0 M n B 材料坯睾粤菸压滠度为 2 0 1 1 8 0 考虑轴管结构尺寸较大 管壁较厚 需要 压型 正挤 反挤三次成形 故将其坯料加热温度 初定为1 0 0 0 I B 0 0 3轴管预成形工序数值模拟 3 1 剐 糕 一塑性有陵嚣摸鋈酶建纛 汽车轮毂轴管热成形过程分为压型 预成形 镦挤成形 正挤 反挤 终成形 3 个工步 坯料 一次燕热瑟连续变形 在模拟过程中为保证模圭葭结 果的精确性 整个模拟过程中变形坯料的应力 应 变等场变量前后继承 假定模拟在各工序中为等瀛 条l 牛下进行 由了坯料是在态湿下变形 考虑材糍 具有速率敏感性j 采用刚粘辍性材料模毽 为保证 模拟结果的正确性 整个模拟过程中坯体的应力场 应变场等变量前后继承 其流动瘟力西是等效塑链应变f 等效应变率毒 及变形温度T 的对数值插值函数关系式 具体数值 是以囊实实验得出 其公式 可表示为 方 季 手 毒 T j 3 1 1 零件模型及网格划分 1 材料 4 0 M n B H 热物理参数取值如下 洎松毙v 0 3 寮度p 7 8 5 1 0 3k g m 弹缝 模量E 2 0 6 0 0 0M P a 2 没备 5 0 0 0k N 水压机 3 魏热 采爰5 0 0k W l O O OH z 装孛菝炉 4 数值模拟所用的坯料尺寸为吼1 01 T I I T l 2 0 0m i l l 5 薪压速度 2 0 0 m r I t s e c 6 初始漱度 工件分别采取1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 模拟 7 成形过程震于j 稳态 坯料具有结构对称 性 蔟凡何形状 物理性质 约束条件及外载荷都 是轴对称的 因而其应力 应变 位移簿也都是轴 对舔熬 用通过该辘任意蕊酶应力 应变秘位移 萋 删 咖 猫 瑚 燃 蝴伪侧删 l p 啬越赠 万方数据 第5 期 熊运昌等 汽车轮毂轴管热挤压坯料加热温度的优化选择 建3 臻袋形互序筷其结穆蚕 F i g 3P r d i m i n a r ys h a p i n gw o r k i n gp r o c e d u r em o l d s t r u c m r ed r a w i n g 可完全表示出回转体的应力 应变 位移 因此所 研究的袖对称问题可以蕊纯秀类似乎面问题来处理 模拟时致二分之一鞠管盼平嚣图送行D E F O R M 有 限元分析 在后处理过程中进行镜面对称即可得到 完整的工件模拟 采用三维六面体单元 坯料表面 网格数为9 9 4 个 节点数为1 0 7 2 个 3 1 2 模具模型及蘸格越分 1 模具材料 上模 下模誊 料墩5 C r M n M o 与美圈牌号一M S I H 一1 3 1 4 5 0 1 8 5 0 F 8 0 0 一l o o o c 相当 为刚性体 模具结构参见图3 2 初始温度 上模预热温度一般应达2 0 0 3 0 0 左右 L 攘取2 5 0 下楱取3 0 0 3 模拟计算时 上模速度根据水压枕的速度 确定 在此取为2 0 0 m m s 下模静止不动 4 模具网格划分 上模网格单元数3 1 5 个 节点3 6 7 个 下模网格单元数4 2 9 个 节点5 0 9 个 3 1 3 边爨条 孚H 1 肇擦边界条件 根据轴管成形的机理 上 模与工件 工件与下模之间摩擦采用剪切摩擦模型 即弹塑性F E M 模型 或T r e s c a 模型 其表达式为 磁一嫩 罢 2 3 式中 m 为剪切摩擦因子 取0 3 是为剪切屈服强 度 盯为等效应力 2 传热边界条件 轴管成型过程为连续成形 接魅怒传热系数为1 1N s m 豫 热导率 4 8W m K 毙热容 4 8 0 j g K 3 2 模拟结果 其中 极限值 每个所得模拟参数的最大最小 值 如表2 所示 表2 不同毛坯温度下成形后各项参数的极限值 T a b l e2P a r a m e t e r sl i m i tv a l u ea f t e rf o r m i n gu n d e r d i f f e r e n tb l a n kt e m p e r a t u r e s 4 模拟结果分析及坯料加热温度的优 化选择 4 1 模拟结果分析 1 图4 为初锻温度第2 5 0 步模拟曲线图 从 圈4 a 可以看出 毛坯潼度不霹 按压之后所季霉的损 伤值有着楣钕的分布 鄂都在韧成形阶梯辘的半径 增大处和半径减小处 换言之 圆柱形毛坯材料在 挤压过程中 半径有突变的部位易出现较大程度的 损伤 这是因为亳坯金属材料在强大的挤压力 远 涎超过在其对应澄囊下的添一缡力 搏鼹T 晶格发 生滑移 位错开动 产生塑性变形 即微观上原子 发生了迁移 晶格发生了强烈的畸变 从宏观上表 现为毛坯材料发生明显的金属流动 在半径增大处 滚动前端的金属与被包裹的先前未浚魂的金属不麓 很好造结合成力整体 面在半径躐小处 金溪流动 的方向与毛坯所受的挤压力方向相反 使得流动部 分与未流动部分之间产q i 很大的摩擦作用 在成形 后两者也不能很好地结合成为整体 网此即出现了 掰谓酶撰痿现象 2 圈4 b 中应变最大的部位都出现在菡桂形坯 料半径减小处的外侧 丰要是因为这个部位的金属 主要在挤压时流渤 发生了较大的物质迁移 3 从图4 c 可以看出 初成形阶梯毒虫的应力主 要分布在半径增大处与半径藏小处 这是霞力这些 部位是变形最大的部位 金属处于强烈的热力学不 稳定状态 压力机的机械能有很大一部分转化为该 部位金属的畸变畿 因此产生了很大的内应力 4 对比罄4 荠参照表2 可知 在1 0 0 0 1 2 0 0 的范霞内 隧着毛还温凄的身高 成彩看的 损伤值逐渐增大 尤其是在1 1 0 0 以上 增大趋势 更为明显 主要是因为温度越高 金属流动越顺利 相对毛坯的整体性来说 损伤很大 万方数据 7 2 锻 压 鼓术第3 3 卷 匿4 不霹秘锻溢度篱2 5 0 疹凝檬翡蔽蘸 匐攒翁潼分带 b 莓魏建蜜努牵 c 等簸疲力势帮 固筹一主盎力 F i g 4T h e2 5 0t hs t e ps i m u l a t i o ne l i v eu n d e rd i f e r e n ti n i i a yf o r g L n gt e m p e r a t u r e s a D i a g r a mo fd a m a g ed i s t r i b u t i o n b D i a g r a mo fe f f e c t i v es t r a i nd i s t r i b u t i o n e D i a g r a mo fe f f e c t i v es t r e s sd i s t r i b m i o n 懒o p r i n d p a I s t r e s s s 对比图4 b 并参照淡2 可知 在1 0 0 0 1 2 0 0 的范围内 最大成交几乎在2 0 左右波动 且在1 0 0 0 左右 最大盛燮镶榻对较 6 对比匿4 c 并参照表2 可知 斑1 0 0 0 1 2 0 0 的范围内 随着毛坯温度的升i 讶 拉压应力 值都逐渐减 这是因为温度越高 金满较 乏效果 万方数据 繁s 期熊运瑟游 汽车轮毂辘罄煞捺运坯糕秀l 热瀑痰黪饶亿选择 越好 袁形后金瓣簸疃变粪囊越夺 4 2 坯糕溢度的拣健选择及实验验谖 综合评定几琐参数的影响 将毽坯温度控制在 1 0 0 左右最群予盼揍轴静成形及成彩盖除梯章鎏麓 力学稳定性和后续的加工 通过实验验证了一h 述模 羧铙佬送撵缮条兹寞实髓 实验参数翔下 热挤噩试验主要设备为5 0 0k W 1 0 0 0H z 中羰 加热炉 5 0 0 0k N 5 0 0 0 k N 3 0 0 0k N 2 0 0 0 k N 立式 黼注承歪枕 承骥税工俸速发为2 0 0 2 5 0m l n s 空程速度为3 0 0 3 5 0F i l m s 模具糖越为5 C r M n M o 模具表嚣毙澄 模其 的预热温度为2 0 0 3 0 0 左右 采用胶体水剂石墨 孰作为润辫剂 坯料材料为4 0M n B 直径为0 1 1 0m m 坯料 鸯瑟热漫度 1 1 0 0 1 1 5 0 将摇热囊燕惫漱度薛逐瓣袋次按工序熬久霆遘 模具内 开启设备 即可完成压璎 镦挤成形一 反 辚 糖整痰魏鳃王依 实验证明 邋过模拟优化所选择的坯料加热溺 囊参鼗是合理翁 突全憩够漾是辅管热按匿王艺鲢 嚣求 并髓保证辘管的曩量 5 结论 1 通过数值模拟分析了轴管热挤压过襁中 在1 0 0 0 1 2 0 0 酶蕊豳表 攒揍值 等效应力应 变 第一主应力等参数随着毛坯温度丹高时的变化 巍律 综合评定主述参数的影响 将亳坯温度控餐 在1 1 0 0 左右最利于阶梯轴静成形及成形后酚梯轴 的力学稳定性和后续的加工 2 实黼的貉筮实验与数德模拟结巢窃台较好 从蕊验证了数值模拟绺果的可靠性 为汽车轴管热 蓥压互艺的透一步优托设诗挺供了科学依据 参考文献 1 熊运昌 互玉林 汽辜轮毂轴黪笈台热挤压工艺酶研究等琏 薅D 热搬工工艺 2 0 0 5 2 3 9 4 2 瑟滨海 辚匿摸其麓筏设计手瓣 M j 豪 能拳工渣凄 版社 2 0 0 6 3 应富强 张更超 潘孝勇 三维有限元模拟技术在会桶攒性 菠藩中鳇庭鼹匿 羧蓬装巷慧潮造技术 2 0 0 3 3 8 5 l O 一1 3 4 薅杰 鬟玉蜂 壬梦寒 套警叉热按整残彩楚嫫襞襁对簸俘 终建彩辩影瓣研究0 孛戮榄簸工程 2 0 0 4 1 5 6 5 5 6 5 7 串图辊撼王援学会望擞工程势会2 0 0 9 霉凌攀寒薄动圣 鲻表 麓贫 鬣壤 序号 活葫硬疆名称 至要内窑时蠲驳系入联系地垃 电话 电子信豁 地点 交滚锻浚 堙基 攘褴理 第十一届全国魍健工程学术论 锻雁设备 特种轧制 删3 墨盒7 g 情生 1 0 0 0 8 3 北京海淀随学清路1 8 号塑性 r 程 1 年会蓑压 半霹态魏下等罄性或努会 0 1 0 6 2 9 2 0 8 5 4 d u a n y a c r e e s o r g 影技术 塑性工程学会瑚事 秘书长商讨辍性工程学会发展 制 胃1 嚣7 张债生同卜 2 上终扩大会谈定近麓王终箧标及瑟臻诗划 第翻瘸敬压装镰与制造技术 鞋锻造设备致勰建技术为2 5 0 0 2 2 济南经卡麓4 6 4 号漭意镑簸规摄磷 论鲮鹱垒交辇蠖羔整学会设 主 研辩近麓簸压嚣备的制 s 冀 6 太03 藤 鲁港究嚣 0 5 3 I 一8 7 9 7 9 2 0 8 c r u e t赫 备委兔届一次学术研讨及产 造及发展状况 z d s c o r n c i l 或c i r l e t a c a d s l n a C O I f 品信息交流会议 A s J a nw o r ks h o pi nm i c r o 纳米材料威形技术 微成形1 5 0 0 0 1 哈尔滨秘大商街9 2 号哈尔滨工业大 4r l a n of o r m