基于DEFORM的汽车轮毂轴管热挤压过程的数值模拟

1、锻 造FORGING2008年 第 2期1前言轮毂轴管(图 1 是汽车后桥上一个重要的保安 件 , 要承受各种复杂的交变应力与疲劳载荷 1。 因此 , 其工作环境的特殊性决定了其较高的质量要求和挤 压工艺参数的精确化。传统挤压工艺的制定主要是 建立在经验基础上 , 采用试错法不断调整工艺参数 和修改模具 , 不仅研发周期长 , 而且挤压件的质量难 以保证。 随着数值模拟技术的发展 , 可以采用计算机 对金属成形过程进行分析 , 掌握变形过程中各种场 量的变化情况。并可对变形过程中工件内部缺陷等 进行预测 , 对挤压工艺的制定具有重要的参考价值。 本文利用有限元软件 DEFORM 对轴管坯料的挤

2、压 过程进行了数值模拟。 并对挤压后工件的损伤、 应力 场、 应变场及其分布的原因进行了分析 , 为制定生产 工艺提供了参考 2。2建模及模拟条件应用 DEFORM 软件对汽 车 轮 毂 轴 管 热 挤 压 过 程的数值模拟 , 首先需建立有限元分析模型 , 如图 2所示。模型初始条件为 : 设定上下模为刚性模型 , 工件为弹性模型 ;The Numerical Simulation of Large Cylinder Forging inForging Process under High TemperatureXU Feixia , CUI Zhenshan , CHEN Wen , FU

3、 Qiang(Dept. of Plasticity Forming Eng., Shanghai Jiao Tong Univ., Shanghai 200030, China Abstr act:This text is based on the traditional shell forging technology for large scale cylinder at high tempera-ture.The relationships betw een anvil's movement and the rotation of the sustaining column i

4、n high-temperature forg-ing process of large cylinder forgings, and its influence on forgings dimension have been researched by finite element simulation. Besides, it raises a more accurate method for judging forging's precision by comparing the simulation re-sults w ith the forging in 3D softw

5、are.Keywor ds:Forging P Large-scale cylinder P Numerical simulation P Quality! 98! 60+10! 70! 88! 152! 6519590380625015图 1轮毂轴管零件图收稿日期 :2008-01-17作者简介 :温志高 (1967- 男 , 硕士 , 高级工程师 , 从事热挤压工艺技术研究文章编号 :1672-0121(2008 02-0058-03基于 DEFORM 的汽车轮毂轴管热挤压过程的数值模拟温志高(河南英威东风机械有限公司 , 河南 南阳 474674摘要 :本文建立了汽车轮毂轴管的有限元分析

6、模型 , 利用 DEFORM 软件模拟了工件热挤压过程 , 并分析 了工件的损伤、 应力场及应变场的分布情况和原因。结果表明将工件初始温度控制在 1000 左右最为合适 , 为实际的工艺制定提供了参考。关键词 :机械制造 ; 热挤压 ; 汽车轮毂轴管 ; 数值模拟 中图分类号 :TG376.2文献标识码 :B""""""""""""""""""""""""&

7、quot;""""""""""""""""""""582008年 第 2 期锻 造FORGING 模具材料 AISI-H-131450" 1850" (800 1000 , 工件材料取 SI 10431300" 2000" (700 1100 ; 变形具有对称性 , 工件与上下模具之间的摩擦因子取 m=0.3; 上模的下压速度为 200mm/s ; 设置上模

8、温度为 250 , 下模温度为 300 ,工件温度分别为 800 , 1000 和 1200 , 以便对比 分析 ; 上模网格单元 200个 , 下模网格单元 500个 ,工件网格单元 1000个 ; 模拟步长 0.8mm/步 3。3数值模拟结果及分析3.1工件不同初始温度下的损伤值图 3给 出 了 不 同 初 始 温 度 (分 别 为 800 、 1000 和 1200条件下的工件经热挤压后的损伤值及其分布情况。可以看出 , 工件初始温度为 800 和 1000 时 , 其热挤压的损伤主要分布在小半径柱 体中心线附近、小半径柱体与下模接触部位以及大半径柱体部分与下模接触部位。当工件初始温度为

9、1200 时 , 其损伤值与上述分布类似 , 损伤范围有所减小 , 但其损伤程度较大。 主要原因是工件在很高温 度时发生严重软化或者过烧 , 挤压时卷边、 折叠等现 象突出 (尤其是与模具接触部位 , 造成工件损伤严 重 4。初始温度为 800 时 , 工件的损伤范围比较大 , 主要是因为工件未发生 (或很少发生 软化 , 挤压时 在强大的挤压力作用下发生应力开裂损伤以及摩擦 损伤。因此 , 从工件的损伤角度看 , 在设计热挤压工 艺时 , 应将工件的加热温度控制在 1000 左右比较 合适。3.2工件不同初始温度下的等效应力场图 4给 出 了 不 同 初 始 温 度 (分 别 为 800 、

10、 1000 和 1200条件下的工件经热挤压后的等效 应力值及其分布情况。可以看出 , 工件初始温度为800 和 1000 时 , 其热挤压后的应力分布比较均匀 , 在半径不同的柱体部分都有应力分布 ; 而当工件 初始温度为 1200 时 , 其应力主要分布在工件与模 具接触部位 , 尤其是在半径过渡处出现了比较严重 的应力集中现象。这是因为工件在高温时产生动态再结晶 , 从而使变形抗力降低 , 工件内部的金属流 动流畅 , 而表面处的金属流动则受到较大的摩擦阻 力 , 尤其是在半径过渡处 , 金属流动更加复杂 , 折叠、 卷边现象很严重。 而在前两个初始温度下 , 工件的应 力范围比较均匀

11、(可通过热处理消除 , 但相比之下 ,1000 时工件各部分应力值普遍较小。主要是因为工件在 1000 时软化程度适中 , 金属的流动与变形 达到合适的幅度。因此 , 从工件的应力场分析 , 在设 计热挤压工艺时 , 将工件加热温度控制在 1000 左 右较好。3.3工件不同初始温度下的等效应变场图 5给 出 了 不 同 初 始 温 度 (分 别 为 800 、1000 和 1200条件下的工件经热挤压后的等效 应变值及其分布情况。可以看出 , 工件初始温度为图 2汽车轮毂轴管热挤压有限元分析模型图 3热挤压后的工件的损伤值及其分布(a t=800(b t=1000(c t=1200图 4热挤

12、压后的工件的应力值及其分布(a t=800(b t=1000(c t=120059锻 造FORGING2008年 第 2期800 和 1000 时 , 其热挤压后的应变值分布比较相似 , 即在半径过渡处变形程度较大 , 其他部位变形程 度较小。主要是因为该区域金属的流动受到模具的 约束 , 在强大的挤压力作用下被迫变形 , 相比之下 , 1000 的等效应变更小(最大值仅 1.83 , 更 值 得 在 生产实际中选用。而工件初始温度为 1200 时 , 挤 压后的应变值普遍较大 , 且主要分布在工件表面。 这 是因为工件软化后 , 在上模的压力作用下 , 工件向下 模的两侧壁流动 , 并向下流

13、动 , 而工件内部则主要为 流失金属 , 变形程度较小 , 从而造成了工件各部分变 形不均匀 , 对工件挤压后的性能有很大的负面影响。3.4比较分析对工件在三种不同初始温度下进行挤压后的结 果进行比较 (只取其最大值 见表 1所示。 不难看出 , 工 件 初 始 温 度 为 1000 时 挤 压 后 最 大 损 伤 值 不 是 最小 , 但应力应变均大幅度减小。因此 , 选用 1000 作为工件的初始温度较理想。4结论建立了汽车轮毂轴管的有限元分析模型 , 并利 用 DEFORM 软件模拟分析了轴管坯料在热挤压过 程中的损伤、 应力场以及应变场的分布情况。 分析结 果 表 明 将 工 件 初

14、始 温 度 控 制 在 1000 左 右 最 为 合 适。本文研究结果可为实际挤压工艺的制定提供有 效指导 5。【参考文献】1温志高 . 轮毂轴管热挤压新工艺 . 金属成形工艺 , 2002,(2 :40-41. 2吕 成 , 张立文 , 牟正君 , 等 .TC4钛合金锻件锻造过程三维热力耦合有限元模拟 . 锻压技术 , 2007,(1 :28-31.3张志明 , 吴符韵 , 等 . 热收口成形对模具寿命影响的研究 . 锻压技术 , 2007,(1 :60-61.4李传名 , 王向丽 , 闫华军 , 等编著 .DEFORM5.03金属成形有限元分析实例指导教程 . 北京 :机械工业出版社 ,

15、2006.5林高用 , 周 佳 , 张振峰 , 等 . 基于 DEFORM 2D 的纯铜管热挤压过程的数值模拟 . 铸造 锻压 , 2006,(5 :52-53.图 5热挤压后的工件的应变值及其分布(a t=800(b t=1000(c t=1200表 1三种不同温度下挤压后的工件性能对比温度 / 80010001200最大损伤 0.2700.3000.367最大应力 368.00220.32261.66最大应变1.971.832.41Numerical Simulation on Auto Axle Tube in Hot ExtrusionProcess based on DEFORMWE

16、N Zhigao(Henan Yingw ei Dongfeng M achinery Co., Ltd. Nanyang 474674, Henan China Abstr act:A finite element model of auto axle tube has been established and the hot extrusion process of auto axle tube has been simulated. Based on the simulated results, the distributions and causes of damage, stress field and strain field have been analyzed.The results show s that 1000 could be the most suitable for the initial temperature of w ork piece, w hich offers reference for actual process design.Keywor ds:Hot e