【乘用车万向节的数值模拟分析案例5600字】

乘用车万向节的数值模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u24755乘用车万向节的数值模拟分析案例 1180161.1弯曲数值模拟 1312291.1.1一次弯曲的数值模拟 1321021.1.2二次弯曲数值模拟和优化设计 2296581.2终锻模拟与优化 6153911.2.1终锻成形初次模拟 659821.2.3优化后的终锻成形模拟 911941.3成形工艺参数对最大成形载荷的影响 9118041.1.1摩擦系数 9211081.1.2始锻温度 10259331.1.3锻造速度 12182571.4模具磨损情况分析和寿命预测 13171651.5工艺方案验证 15220661.5.1设备选用 1517001.5.2试制材料和工艺参数 152221.5.3试制结果 151.1弯曲数值模拟1.1.1一次弯曲的数值模拟本文锻件坯料为铝合金6061塑性材料，模具为刚性材料(忽略模具变形)。锻件材料的刚粘塑性流动应力模型由来定义：其中，为等效应变，为等效应变速率，为变形温度。采用剪切摩擦模型，，其中，u为剪切摩擦因数（u=0.2），为剪切屈服强度。建模分析时还具有其他条件：坯料初始温度=460℃，四面格栅单元数50000，模具预热温度200℃，步距增加1mm，锻锤速度每秒60mm。图3-1中显示了提交的操作后的结果：可以看到一次弯曲后的坯料与弯曲模贴合，前端长叉弯角检测结果与终锻件一致，短叉形也已初步成型，已达到了预期的效果，可进行二次弯曲仿真分析。图1.1一次弯曲模拟结果1.1.2二次弯曲数值模拟和优化设计二次弯曲之后坯料的形状应很接近锻件，因此模具的弧度要完全根据锻件形状而定，使坯料形变后与最后的终锻模具达到最佳匹配。建立二次弯曲模具的上模和下模模型之后，生成STL文件，将一次弯曲模具的上模和下模替换下来，调整前处理界面，将模具和坯料的位置调整好，重新提交操作。如图1.2所示，经过二次弯曲初步模拟，得出结果，然后把二次弯曲成形的坯料放进终锻模具，检查两者是否匹配，如图1.3所示：图1.2二次弯曲的初步模拟结果图1.3坯料与终锻模匹配情况从图1.3中可以看出，二次弯曲后的坯料与模具的上下模的配合度并不高，接触面积较小，只有几个点。坯料的长叉头进入下模腔与下模接触，坯料尾部与下模面接触，其它部位则基本悬空，当终锻开始后，上模往下运动，最先接触上模的是坯料弯曲部位，若终锻进行下去，坯料与上模先接触的部位会先变形，造成坯料外形局部变形过大，完全破坏二次弯曲的弯梁弯曲度，最后坯料先变形的部位会与锻件外形完全不符，折叠现象严重，导致锻造失败；而且严重时还可能造成锻模卡死或坯料飞出锻模，造成事故。再次对以上两次弯曲成形工艺以及终锻时模具与坯料的匹配度分析，发现问题出在弯曲工艺。自由锻之后，坯料前端长分叉与弯曲下模在A处相接触(如图1.5a所示)，变形开始后，下模A处对坯料的分叉处产生了限制作用，同时还对A处产生了向上力，由于坯料靠近分叉根部的部位强度大，刚度好，而刚度接近头部则较差。经过CAE软件的速度场分析(如图1.4)可以看出，在向上力的作用下，金属根的流动速度很小，变形也比较小，头部金属的流动速度很大，变形程度很大，改变了该处的外形，造成了分叉向上的翘曲变形(如图1.5b)，导致坯料与终锻模的点接触。图1.4金属流动速度分析ab图1.5二次弯曲变形分析综上所述，这里坯料与终锻模的匹配度低主要是由于弯曲模设计缺陷所致，要解决缺陷问题必须从下模A点入手。将A处下模分三次分别下降5mm、10mm、15mm，上模增加5mm、10mm、15mm，这样既减少了下模对坯料的上模力和上模作用时间，又使上模与下模A的对应位置在弯曲变形后期对坯料的翘曲有限制成形作用。图1.6中显示了改进后的模具结构对比：图1.6模具结构变化对比图利用CAE-3D对改进型模具进行弯曲仿真，仿真结果与初始仿真结果进行局部对比，如图1.7所示：图1.7弯曲成形模拟局部对比图（从左到长右依次为增加0、5、10、15mm）根据该部位的成形效果，当弯曲模A部分减少5,10毫米时，仍存在不同程度的翘曲，而在增加15毫米时，翘曲已被完全校正，这从该部位的金属流速对比也可以看出，如图1.8所示,a为A处降低15mm,b为A处降低10mm,c为A处降低5mm,d为A处降低0mm。从图中可以看出，当A处减15mm时，分叉的箭头代表金属流动的方向，都是蓝色的，表明该处金属流动速度一致，方向一致，因此在弯曲结束时，这里没有翘曲。与其它方案相同部位的金属流动速度存在差异，这是造成翘曲的主要原因。在终锻模中放置经过优化设计和模拟弯曲的坯料，检查坯料与模具的匹配，如图1.9所示。a bcd图1.8金属流动速率对比图图1.9优化弯曲模具后坯料与模具的匹配效果1.2终锻模拟与优化实际上，坯料在经过自由锻和二次弯曲后，由于长期暴露于空气中，其温度迅速冷却，韧性增加，形变力需要更大，因为塑性随之降低了，最终成形难度也会增加。因此必须把坯料再加热，塑性降低，才能更好的产生形变继续完成锻造工艺。在数值模拟中，假设坯料在成形过程中不与周围环境热交换，坯料处于恒温状态，这样不需要进行再回炉加热，可以直接最终成型。1.2.1终锻成形初次模拟采用有限元数值模拟技术，预先掌握模膛内金属的流动情况，通过模拟预判锻件的充填和缺陷问题，改进工艺方案，达到预期的目的。本文对转向节的锻造工艺研究，首先要解决坯料在型腔中的充填问题。影响填充效果的模具参数有飞边梁部分、仓部尺寸、凹模内圆角半径等，将所建立的有限元模型导入CAE中，采用有限元数值模拟技术，掌握模膛内金属的流动情况，能够完善工艺方案。提交操作，得到锻件的充填仿真结果，图1.10中可以看出，锻件的几个小凸起已经成型，但飞边分布不均匀，前、后飞边基本都充满了飞边槽，而在锻件的中间几乎没有飞边产生。自由锻造坯料体积分布不合理，应改进金属体积的分配。图1.10第一次终锻模拟结果再通过CAE软件的后处理轮廓显示功能，就可以发现锻件的几个关键部位有填充不足之处。有些部位没有充填，并且没有产生飞边，说明此处的充填可能是由于缺少原料造成的。其它部位虽未有填塞，但相应的溢出的原料较多，飞边体积较大。通过分析得出结论，第一，坯料形状的设计不利于金属流进模膛深处；第二，飞边槽没有形成足够的阻力，导致金属流到飞边槽的阻力小于向模膛的阻力。这是其它部分填塞现象的主要原因。通过CAE软件分析观察，在自由锻模拟过程中，坯料的尾部凸包部分发生了折叠，这影响了之后锻造成型，而其它的飞边折叠产生的原因是对锻件性能没有影响，所以忽略不计。折叠缺陷是金属在成形流动过程中形成的一种表面氧化金属的汇合现象，模锻件折叠部位由锻件结构与外形能看出来，大多发生在锻件腹板和筋、筋和缘条部位。折叠缺陷产生的原因有：第一，锻件毛坯分属分布不均；第二，从金属流向考虑模压时，金属填充型腔时圆角处出现金属倒流，正流与倒流金属表面发生重合，进而形成折叠。通过CAE观察本文胚料折叠产生的部位及成型演示，得出结论：折叠部位模膛高度方向较深，金属填充时，模具圆角处金属流速小于凸包中心，流速差达50mm/sec左右，因此金属折叠产生，如图1.11所示。图1.11凸包处内外金属流速对比1.2.2模拟结果的优化设计通过分析这次模拟实验结果，锻造过程中出现一些缺陷不足，例如充填不畅、飞边、折边等，得出了三条优化方案：自由锻造之前，重新设计坯料形状，计算坯料的金属分布，减少填充型腔时胚料部分部位边料多以及无飞边等缺陷的出现。改善终锻模飞边槽桥面设计，增加金属向飞边槽流动的阻力，解决飞边槽尾部充填不足，飞边过大的缺点。优化飞边凹槽的桥，有三种方法：减小模腔和飞边槽之间的圆角半径如图1.12；减小桥的高度；增加桥的宽度。桥面高度与圆角半径较小，因此增加飞边槽的宽度对金属流动影响较大，可以起到更大的阻力作用。优化前的桥部设计优化后的桥部设计图1.12坯料与桥部的优化设计为消除金属折叠现象，必须在折叠部位适当增大在折叠部位的圆角半径，减小由模壁施加的金属流动速度的极限，从而凸壳金属的内部和外部流动速度差减小甚至趋于零。1.2.3优化后的终锻成形模拟对锻造工艺优化后，再次建模模拟，坯料填充型腔之后，飞边均匀分布，说明坯料金属体积分布较为合理。通过CAE软件的显示折叠功能，锻件成形过程中前凸包折叠已消失，说明此处增加模具圆角半径的优化方案成功。通过CAE对A处内外金属流动速度的进一步分析(如图1.13所示)，可以看出凸包根部金属的流动速度基本相同，说明此处并不会产生折叠现象。图1.13凸包处内外金属的流动速率1.3成形工艺参数对最大成形载荷的影响1.1.1摩擦系数为探讨摩擦系数对锻造成形的影响规律，在设定其它参数相同的条件下，分别设定摩擦系数0.1、0.2、0.3、0.4和0.5，模拟不同摩擦系数的条件下锻件终锻成形过程。得出最大压力负荷值见表1.1：表1.1最大成形载荷数值摩擦系数u0.10.20.30.40.5最大载荷/N1260000013400000139000001770000022200000将表格数据导入MATLAB进行三次曲线拟合，拟合公式为：L=ax3bx2cxd，可求得：a=8.3333e3，b=0.1429e3，c=0.2690e3，d=1.2860e3。因此曲线拟合公式为：L=8.3333e3x3+0.1429e3x2-0.2690e3x+1.2860e3，得到的最大成形载荷与摩擦系数的关系曲线见图1.14。从图中可以看出，曲线在摩擦系数较小的时候缓慢上升；曲线中摩擦系数为0.3时这一点为转折点，大于0.3时曲线上升速度骤然增加。通过以上分析，得出结论：摩擦系数小于0.3时，随着摩擦系数的增加，最大载荷增加缓慢，对其的影响较小；当摩擦系数大于0.3之后，最大载荷迅速增加，对其的影响越大。因此，为优化锻造工艺，减小对模具的损耗，应减少坯料与模具之间的摩擦系数，让其维持在0.3以下并尽量减小，或者对模具表面进行抛光和均匀涂抹优质润滑剂，这样也能减小摩擦系数。图1.14摩擦系数与最大成形载荷曲线1.1.2始锻温度锻造过程中对坯料加热温度的增加，其强度、韧性会相应的降低，塑性增加，更容易产生形变，因此，在不破坏坯料的前提下，尽可能提高加热温度，减少模具损耗。但铝合金材料安全温度范围窄，如果加热温度过高容易直接造成锻件报废。通过测试，6061铝合金最合适的加热温度为400—480℃。为研究始锻温度对最大成形载荷的影响规律，其他参数不变，将铝合金6061的加热温度设定为430℃、440℃、450℃、460℃、470℃和480℃，得出实验数据，制成表1.2：表1.2最大成形载荷数值加热温度/℃420430440450460470最大成形载荷L/T183017801630141013001260将表格数据导入进行三次曲线拟合，拟合公式为：L=ax3bx2cxdaX-17.14444X2+0.01287X3。得到的三次曲线，由图1.15可见，随着加热温度的升高，在420℃-430℃之间，最大载荷达到最大值；加热温度在430℃-460℃之间，最大成形载荷迅速下降，说明该温度区域有效减少了坯料的韧性；加热温度在460℃-470℃时，最大成形载荷下降趋势讯速缓下来；因此，铝合金6061的最合适的锻造加热温度在460℃-470℃之间，若超过这个温度，就会破坏坯料，这样既能最大限度的利用材料的塑性，提高模具的使用寿命。因此，在坯料进行终锻之前，应该再将坯料加热至460℃。图1.15坯料加热温度与最大成形载荷关系曲线1.1.3锻造速度在其它参数不变的条件下，分别取锻造成形速度为6mm/s、8mm/s、10mm/s、12mm/s、14mm/s四次模拟数据，以探讨锻造成形速度对成形过程最大载荷的影响规律，得出表1.3：表1.3最大成形载荷数值锻造速度（mm/s）68101214最大载荷L（T）12401270132013601490将表格数据进行三次拟合，方法同上。可得到拟合公式为：L=721.14286+170.47619X-18.48214X2+0.72917X31.16所示：图1.16锻造速度与最大成形载荷关系曲线在6~10mm/s的加载速率下，最大成形载荷缓慢增加，超过12mm/s后，切削量急剧增加，最大成形载荷值也随之提高。结果表明，随着锻造速度的提高，最大成形负荷的增加幅度也随之增大，在实际生产中，由于铝合金锻造速度过低，容易导致锻件晶粒粗大，因此在满足工厂设备条件的前提下，可控制锻造负荷速度为8-10mm/s最合适。1.4模具磨损情况分析和寿命预测在模具工作过程中，坯料和上下模相互挤压，由于塑性变形，金属在模膛内流动与上下模摩擦，使模具表面磨损，日久最终会导致模具失效。通过数值模拟得出模具的磨损速度与时间的关系曲线，可以直观的反应模具的磨损情况。模具磨损速率与时间的关系曲线分为三个阶段：跑合磨损阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段，见图1.17。跑合磨耗阶段是指模具工作时，坯料与模具真实接触面积较小，因此磨损率较高。随着模具表面逐渐被磨平，与坯料接触面积增加，模具磨损率逐渐降低，进入稳定磨损阶段。随着多次锻造过程，模具表面沟痕逐渐加深，当磨损深度超过几十微米时形成点蚀，模具与坯料接触面间的间隙逐渐扩大，磨损速率急剧增加，模具磨损深度急剧增加，出现金属剥落等现象，使模具报废。图1.17模具磨损深度与时间关系曲线据研究发现：模具的磨损极限值为60微米，当磨损程度超过此极限值后，模具磨损速率会急剧增加很快报废。由此得出公式：N*W=0.06（3-2）式中：N—模具磨损寿命W—成形一次模具的磨损量如图1.18所示，在转向节锻造模具的上下模取五个相同部位的点P1、P2、P3、P4、P5，分别是前、后弯杆的长、短杆，弯梁与尾部连接处，尾部凸包根部，尾部大圆孔边缘处，了解终锻成形时模具各部位的磨损情况，各部位的磨损值见表1.4。上模取点位置 下模取点位置图1.18所取点的