汽车前轴近净形辊锻数值模拟与成形规律的研究

摘要

本文对近净形辊锻进行了较为深入的理论探讨和三维有限元数值模拟,并进行了实验验证和工业应用.从分析前轴近净形辊锻的金属流动变形规律入手,对前轴近净形辊锻工艺的变形特点和变形难点进行了分析研究.主要对具有纵向突变形状的部位的弹簧座部位的成形进行了研究,指出了辊锻件的前壁和后壁,并分析了辊锻件变形流动和模具型槽的相互作用关系.运用共轭曲面原理,分析了模具型槽线和辊锻件轮廓曲面的几何关系,为准确设计前轴近净形辊锻模具型槽提供了理论依据.近净形辊锻过程存在着不均匀变形、展宽、毛坯与型槽在纵向的同期啮合、前壁难成形区的成形、辊锻件长度控制等方面的不确定因素,技术难度较大.本文中探讨了前轴近净形辊锻各道次孔型的选择与设计,变形量的合理分配原则,前滑、展宽等基本工艺参数的选定,四道次纵向匹配及长度尺寸的控制等有关问题.在上述研究基础上,对四个道次的辊锻模具建立了模型,采用三维刚塑性有限元程序DEFORM-3D模拟了前轴近净形辊锻工艺过程,分析了辊锻过程中金属变形的规律,研究了模具参数对成形质量的影响以及辊锻力矩与辊锻力的变化规律.通过汽车前轴近净形辊锻物理模拟和实验研究,解决了辊锻件流动成形过程中出现的问题,得到了理想的前轴近净形辊锻件.将模拟结果通过相应的工艺实验比较,吻合性较好,模拟结果对于改进辊锻工艺设计、提高模具设计水平具有指导作用.以理论分析和数值模拟结果为依托,从工艺选定到设备选型,为工厂新建了一条以加强型Ф1000mm辊锻机为辊锻设备,25000kN摩擦压力机为模锻设备的前轴近净形辊锻-模锻生产线,并于2004年7月投产,2004年11月通过由四川省经贸委主持的专家鉴定.该生产线以120MN热模锻压力机生产线约1/10的投资达到了如下节材降耗效果:以锻造YQ153A前轴锻件为例,和原3t锤掉头锻工艺相比,每件节省原材料10kg,每件综合成本降低92.54元,以每年生产10万件前轴计算,每年可节省钢材1000t,生产成本降低925.4万元.经济效益十分可观,推广应用前景良好.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1概述

1.2辊锻变形的技术特点

1.3辊锻技术的国内外研究与应用

1.3.1国外的研究与应用情况

1.3.2国内的研究与应用

1.4国内外前轴锻件生产技术状况

1.4.1汽车前轴锻件的工艺特点

1.4.2国外的前轴锻件生产技术的发展

1.4.3国内前轴的几种典型生产工艺

1.5金属塑性成形过程的模拟方法

1.5.1金属塑性加工中的主要研究方法

1.5.2有限元模拟在金属塑性加工中的应用

1.5.3辊锻成形过程模拟技术的特点

1.6本课题的选题意义和主要研究内容

1.6.1本课题的意义

1.6.2主要研究内容

第2章近净形辊锻金属流动成形规律研究

2.1引言

2.2辊锻的基本原理

2.2.1辊锻变形区主要参数

2.2.2金属在变形区内的流动规律

2.2.3辊锻过程中的前滑

2.3具有纵向突变截面形状的前轴近净形辊锻成形特点

2.3.1前轴辊锻的形状特点和辊锻变形过程

2.3.2纵向突变截面辊锻的基本方程

2.3.3纵向突变截面锻件辊锻变形分析

2.3.4前轴近净形辊锻模锻工艺理论依据

2.4前轴近净形辊锻前壁成形分析

2.4.1纵向突变截面锻件前壁成形的种类

2.4.2前轴近净形辊锻件的前壁部位

2.4.3前轴近净形辊锻成形过程A、C两部位前壁成形分析

2.4.4前轴近净形辊锻成形过程B、D两部位前壁成形分析

2.5前轴近净形辊锻后壁成形分析

2.5.1纵向突变截面锻件后壁成形的种类

2.5.2前轴近净形辊锻件的后壁部位

2.5.3前轴近净形辊锻成形过程b、d两部位后壁成形分析

2.5.4前轴近净形辊锻成形过程a、c两部位后壁成形分析

2.6近净形辊锻过程中的不均匀变形分析

2.6.1不均匀变形下辊锻件各部分之间的金属转移

2.6.2不均匀变形对近净形辊锻过程的稳定性的影响

2.7本章小结

第3章辊锻孔型系统设计与模具几何尺寸确定

3.1引言

3.2前轴近净形辊锻的技术性分析

3.2.1前轴近净形辊锻的关键技术

3.2.2前轴近净形辊锻的技术难点

3.3前轴近净形辊锻件的一般设计原理

3.3.1近净形辊锻件设计原则概述

3.3.2弯曲部分展直和截面设计

3.3.3圆角半径

3.3.4近净形辊锻件斜度的确定

3.3.5飞边与料头

3.4近净形辊锻孔型系统的设计和延伸率的确定

3.4.1前轴弹簧座近净形辊锻孔型系统的设计

3.4.2前轴近净形辊锻工字梁和头部的孔型系统

3.4.3各道次延伸率的选用原则

3.5模拟和实验典型件的近净形辊锻模具设计

3.5.1典型锻件

3.5.2热收缩率的选择和热锻件图的确定

3.5.3毛坯直径与各道次延伸率的选择

3.5.4近净形辊锻件图设计

3.5.5第3、2、1道辊锻件图设计

3.6前轴近净形辊锻模具与锻件啮合运动的几何分析

3.6.1模具型槽曲面与锻件轮廓的共轭关系

3.6.2共轭曲线方程

3.7由锻件轮廓曲线确定前轴近净形辊锻模具型槽

3.7.1锻件轮廓曲线为直线时的型槽轮廓曲线

3.7.2锻件轮廓曲线为圆时的型槽轮廓曲线

3.7.3锻件轮廓线为参数方程给出的任意曲线时型槽轮廓的确定

3.7.4锻件轮廓曲线由三次样条拟合时的型槽轮廓

3.8近净形辊锻模具型槽几何尺寸的确定

3.8.1模具安装资料

3.8.2近净形辊锻前滑值的影响因素分析

3.8.3辊锻模具图的设计

3.9本章小结

第4章数值模拟方案的制定与模型的建立

4.1引言

4.2数值模拟方案选定

4.3刚塑性有限元的基本理论

4.3.1刚塑性流动理论的基本假设和方程

4.3.2刚塑性有限元的变分原理

4.3.3刚塑性有限元的求解列式

4.3.4非线性问题的求解处理

4.4辊锻过程的参数化建模研究

4.4.1 Unigraphics(简称UG)简介

4.4.2自由形状建模过程中的方法和手段

4.4.3辊锻模的建模过程

4.4.4辊锻模建模的精度分析

4.4.5近净形辊锻模具几何模型

4.5本章小结

第5章前轴近净形辊锻过程数值模拟与结果分析

5.1引言

5.2有限元数值拟的基本条件及参数选择

5.3数值模拟中的技术问题及解决方法

5.3.1前轴辊锻模拟初期的接触问题

5.3.2约束问题

5.3.3网格重划分问题

5.3.4拖尾现象及消除

5.3.5模具型腔与辊锻件形状的对应问题

5.5模拟结果及讨论

5.5.1辊锻变形过程金属流动规律分析

5.5.2第1道典型截面的应力、应变的分析

5.5.3第2道增加约束前后的应力、应变的比较研究

5.5.4第2道弹簧座部位不均匀变形引起的纵向弯曲

5.5.5近净形辊锻中的飞边形成与特点

5.6辊锻扭矩及辊锻力分析

5.6.1辊锻扭矩分析

5.6.2辊锻力的模拟结果与分析

5.6.3前轴近净形辊锻的轴向力分析

5.7本章小结

第6章物理模拟、实验研究及工业应用

6.1引言

6.2实验条件

6.2.1实验用主要设备

6.2.2实验用辊锻模具

6.3实验过程

6.3.1加热和近净形辊锻实验过程

6.3.2后续验证工序

6.4物理模拟实验及效果

6.4.1采用物理模拟的必要性

6.4.2物理模拟试验要达到的主要目标

6.4.3物理模拟试验的准备

6.4.4物理模拟试验过程及效果

6.5近净形辊锻实验中遇到的问题与对策

6.5.1前轴弹簧座部位的近净形辊锻

6.5.2前轴工字梁部位的净形辊锻

6.5.3前轴近净形辊锻过程的稳定性问题

6.5.4前轴辊锻件长度控制

6.6前轴近净形辊锻-模锻实验件的尺寸和主要性能检测

6.6.1尺寸检测

6.6.2疲劳寿命试验结果

6.7前轴近净形辊锻的工业应用

6.7.1工艺流程的确定与设备选型

6.7.2生产线设备平面布置图

6.7.3前轴近净形辊锻-模锻生产线的应用效果

6.8前轴近净形辊锻的技术优势和推广应用前景

6.8.1前轴近净形辊锻的技术优势

6.8.2推广应用前景

6.9本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历