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金屬塑性有限元的發(fā)展歷程概述[ 05-05 10:05 ]

在金屬成形工藝方法中，金屬塑性加工是其重要的方法之一，金屬塑性加工具有效率高、節(jié)約原材料、可以有效地改善金屬力學(xué)性能和組織等優(yōu)點(diǎn)。因此，塑性加工被廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)之中，是制造業(yè)中的一個(gè)重要分支。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界四分之三的鋼材都需要經(jīng)過塑性加工后才能使用，在我們所熟知的汽車工業(yè)中鍛件和沖壓件數(shù)量約占汽車總零件數(shù)的五分之三以上，在航空航天、重型機(jī)械、軍工等工業(yè)領(lǐng)域也占有相當(dāng)大的比重。    傳統(tǒng)的金屬加工主要借鑒以往經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)的方法進(jìn)行工藝制定和工模具設(shè)計(jì)，因此，產(chǎn)品的新工藝和工模具的開發(fā)

終鍛時(shí)晶粒的變化情況[ 05-05 09:05 ]

圖5-8為終鍛結(jié)束時(shí)坯料的平均晶粒尺寸分布圖。從圖中可看出，有29.10%的區(qū)域還保持初始晶粒尺寸，較預(yù)鍛結(jié)束時(shí)的17.05%，還提高了11.95%。其主要原因是在終鍛時(shí)飛邊部位金屬由于金屬流動(dòng)受較大摩擦力緣故會(huì)產(chǎn)生大量變形熱從而使得該部位的金屬溫度升高，促進(jìn)了晶粒長大，從而使的鍛件的整體平均晶粒尺寸由預(yù)鍛結(jié)束時(shí)的151um上升至15 5um。但這部分大的晶粒主要在飛邊區(qū)，對鍛件的性能影響不大。圖5-9為終鍛結(jié)束時(shí)幾個(gè)典型截面上的平均晶粒尺寸分布。從圖中可以看出，終鍛結(jié)束時(shí)大頭部區(qū)域的平均晶粒尺寸主要在135~16

預(yù)鍛時(shí)晶粒的變化情況[ 05-05 08:05 ]

預(yù)鍛結(jié)束時(shí)坯料的平均晶粒尺寸分布如圖5-7所示。由圖可知，桿部區(qū)域的晶粒尺寸主要在100~110um之間，晶粒在預(yù)鍛時(shí)得到細(xì)化，對于提高連桿的疲勞強(qiáng)度十分有益。小頭部區(qū)域的晶粒也得到細(xì)化，其晶粒尺寸主要在135~145um之間。預(yù)鍛結(jié)束后，還保持初始晶粒尺寸的區(qū)域減小到17.05%，較輥鍛結(jié)束時(shí)減少了27.91%。預(yù)鍛結(jié)束后，坯料的整體平均晶粒尺寸為151um,較輥鍛結(jié)束時(shí)減小了7um。

優(yōu)化后連桿成形過程有限元模擬[ 05-04 10:05 ]

上節(jié)中所得的優(yōu)化輥鍛毛坯是按照優(yōu)化面積法所得，并且直接將其作為始毛坯進(jìn)行數(shù)值模擬，未考慮輥鍛過程的影響，因此需要對其進(jìn)行四道次輥鍛有限元模擬與預(yù)鍛、終鍛模擬，以保證數(shù)值模擬的可靠性。參照第三章的輥鍛工藝設(shè)計(jì)方法，對優(yōu)化后的毛坯進(jìn)行輥鍛工藝設(shè)計(jì)，得到輥鍛毛坯圖及輥鍛模具，建立有限元模型后，對優(yōu)化后方案進(jìn)行數(shù)值模擬，得到如圖4-17所示連桿成形圖。從圖中可以看出，終鍛件充滿，飛邊較為均勻，提高了材料利用率。

輥鍛坯料的優(yōu)化過程[ 05-04 09:05 ]

表4-1為桿部截面面積的修正變化情況。以第一次為例，鍛件桿部工字筋截面積為404.8mm2，修正前對應(yīng)的輥鍛毛坯桿部截面為邊長為23.1mm的正方形，面積為533.6mm2，則此時(shí)飛邊面積為128.8mm2。第一次修正時(shí)取修正系數(shù)“=0.2，修正飛邊25.8mm2，修正后桿部坯料截面面積為507.8mm2，對應(yīng)的方形邊長為22.6mm，建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬，桿部充填情況如圖4-15(a)所示。從圖4-15可看出第四次修正時(shí)桿部工字筋部位沒有充滿，第三次時(shí)桿部與大頭部過渡區(qū)飛邊幾乎沒有，而選擇第二次

輥鍛坯料的優(yōu)化方法[ 05-04 08:05 ]

本文采用文獻(xiàn)和中采用的修正截面面積法對桿部進(jìn)行優(yōu)化。修正截面面積法的主要思路是利用逆向計(jì)算，對毛坯的橫截面進(jìn)行循環(huán)修正，直到滿足保證終鍛件充滿的情況下飛邊最小。從式4-1可以看出，修正系數(shù)為0表示沒有修改，修正系數(shù)為1，表示飛邊全部消除。但并不是修正系數(shù)越大越好，過大的修正系數(shù)可能導(dǎo)致終鍛件充不滿。并且單次修正系數(shù)不宜過大，一般為0.2一0. 5之間，具體取值根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選取。計(jì)算得到對應(yīng)位置經(jīng)過修正的截面面積后，在對應(yīng)的毛坯截面上減去該修正的截面面積，反復(fù)修正，得到最優(yōu)化的坯料，提高材料利用率。

輥鍛坯料的優(yōu)化原理[ 05-03 10:05 ]

從圖4-11可以看出，大頭部端面兩個(gè)拐角部分的飛邊很小，可知該部位對應(yīng)的桿部金屬截面己接近到達(dá)臨界值，橫向上無優(yōu)化的空間;由于連桿大頭部的結(jié)構(gòu)的特殊性，在終鍛的開始階段，大頭部的兩端金屬就被擠壓到型腔外部，所以頭部區(qū)域的金屬無優(yōu)化的空間;小頭部的飛邊較為均勻，因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中大頭部先接觸上模，小頭部金屬是懸空向上接觸上模型腔，橫向上有發(fā)生偏移的可能，所以確保成形，不在小頭部進(jìn)行優(yōu)化;而桿部飛邊較大，仍然存在一定優(yōu)化空間，因此可以對輥鍛坯料桿部金屬進(jìn)行優(yōu)化。

終鍛過程的載荷分析[ 05-03 09:05 ]

圖4-14為原工藝的毛坯必65X157mm和理論計(jì)算毛坯必65 X 142mm的終鍛時(shí)成形載荷曲線，開式模鍛中分墩粗、成形、靠模階段，在靠模階段載荷明顯迅速增大，這與實(shí)際吻合。兩種工藝下的最大載荷力分別為:9.17X106N，8.12X106N。由于后者的輥鍛坯料減少，并且金屬分配更加合理，使得其在終鍛時(shí)的最大載荷比原工藝下降了約1.05X106N。模具受到的載荷降低，壽命提高。雖然通過設(shè)計(jì)所得的連桿成形結(jié)果能滿足工藝要求，仍然存在一定優(yōu)化空間。所以，可以對輥鍛制坯坯料的優(yōu)化提高材料利用率。但飛邊還不均勻，減少金屬

終鍛過程的應(yīng)力，應(yīng)變分析[ 05-03 08:05 ]

終鍛結(jié)束時(shí)坯料的應(yīng)力場分布如圖4-13  (a)所示。從圖中可以看出，在整個(gè)坯料上，應(yīng)力場分布較為均勻，應(yīng)力值較大的區(qū)域在大頭部邊緣的尖角處，符合金屬塑性流動(dòng)規(guī)律。終鍛結(jié)束時(shí)坯料的應(yīng)變場分步如圖4-13  (b)所示。從圖中可以看出，在終鍛時(shí)，工字筋部發(fā)生了充分的塑性變形，該區(qū)域的應(yīng)變值較大。

終鍛過程填充性分析[ 05-02 10:34 ]

坯料經(jīng)過四道次輥鍛制坯、預(yù)鍛、終鍛成形后得到終鍛件如圖4-12所示鍛件充填良好，飛邊較原工藝有所減少，無折疊等鍛造缺陷，符合設(shè)計(jì)要求。此時(shí)材料利用率為77.6%，較原工藝提高了8.1%。但是，從圖4-12中可以看出終鍛飛邊仍然不夠均勻，坯料的尺寸和還有減小的空間，輥鍛的工藝還可優(yōu)化。

預(yù)鍛過程中應(yīng)力應(yīng)變分析[ 05-02 10:25 ]

預(yù)鍛結(jié)束時(shí)坯料的應(yīng)力、應(yīng)變分布如圖4-11所示。從圖4-11（a）可以看坯料的應(yīng)力分布較為均勻，應(yīng)力較大的區(qū)域主要在大頭部的外端邊緣;從4-11 ( b)可以看出，桿部區(qū)域的應(yīng)變值最大，說明桿部區(qū)域經(jīng)過的充分的變形，對于改善內(nèi)部組織具有良好作用。

預(yù)鍛過程中溫度場分析[ 05-02 10:11 ]

預(yù)鍛結(jié)束時(shí)溫度場分布如圖4-10所示。從圖中可以看出，預(yù)鍛結(jié)束后坯料上的溫度分布在1000~1120之間，而40Cr的終鍛溫度為8000C，所以能夠滿足終鍛溫度要求。

連桿成形工藝的有限元模型[ 05-02 08:05 ]

根據(jù)連桿輥鍛制坯一一模鍛成形工藝特點(diǎn)和剛粘塑性有限元理論，分別建立如圖4-1,  4-2所示的輥鍛制坯過程有限元模型、模鍛過程有限元模型。具體設(shè)置為:坯料定義為塑性體，模具定義為剛性體;坯料材料為40Cr，對應(yīng)的國際牌號(hào)為AISI5140，模具材料為H13鋼;坯料初始溫度為1180℃。模具預(yù)熱溫度為250℃;輥鍛時(shí)，對工件端部進(jìn)行上下位移約束，鍛輥的角速度為6.6rad/s，預(yù)鍛時(shí)，采用速度控制，模具下行速度250mm/s(符合630t摩擦壓力機(jī))，終鍛時(shí)，采用速度控制，模具下行速度為400mm/s(符合

預(yù)鍛過程中坯料的變化情況[ 05-01 09:05 ]

預(yù)鍛過程中速度場分布如圖4-8所示。輥鍛坯料放入預(yù)鍛型腔中后，在上模下行過程中，先接觸大頭部，上模大頭部位型腔的連皮凸臺(tái)卡住坯料，起到定位的作用;在step250時(shí)，坯料開始充填型腔，由于兩邊頭部較高，中間桿部較矮，可以看出先成形大頭部和小頭部，最后成形工字筋部;在step250時(shí)，多余金屬排入飛邊，隨著飛邊厚度的減薄，橋口部金屬受壓向外流動(dòng)速度增大，這與開式模鍛成形特點(diǎn)相符。圖4-9是預(yù)鍛結(jié)束時(shí)坯料的充填情況。從圖中可以看出預(yù)鍛件無折疊缺陷其小頭部充滿、大頭部和部分工字筋部還未充滿，可在終鍛時(shí)進(jìn)行充滿。

輥鍛毛坯過渡區(qū)段長度尺寸的確定[ 05-01 08:05 ]

輥鍛毛坯過渡區(qū)段長度決定于毛坯的結(jié)構(gòu)，在各道次輥鍛時(shí)，過渡區(qū)的金屬體積保持不變。由公式(3-18)分別計(jì)算大頭部和桿部過渡區(qū)段、小頭部與桿部過渡區(qū)段輥鍛各道次后的長度尺寸如表3-2所示。根據(jù)表3-1, 3-2所示的長度尺寸，以及型槽截面尺寸相結(jié)合可得各道次輥鍛毛坯圖，如圖3-4所示。

輥鍛過程中輥鍛力矩分析[ 04-30 09:05 ]

輥鍛力矩是選擇輥鍛設(shè)備的重要依據(jù)，根據(jù)輥鍛力矩可以確定電動(dòng)機(jī)功率。圖4-7為各道次的力矩變化情況。從圖中可以看出，四道次的輥鍛力矩最大值分別為2.3X107N.mm,  1.8X107N.mm,  9.2X106N.mm,  6.1X106N.mm。隨著輥鍛道次的增加，最大輥鍛力矩逐漸減小。輥鍛力矩變化曲線隨著輥鍛過程的進(jìn)行發(fā)生變化，其變化趨勢與坯料變形狀態(tài)一致，與型槽形狀有關(guān)，中間桿部受壓發(fā)生變形時(shí)，壓下量大，輥鍛力矩達(dá)到最大。

輥鍛毛坯長度尺寸的確定[ 04-30 08:05 ]

由于輥鍛前后體積不變原則，所以依據(jù)公式(3-16 ) ,  (3-17)計(jì)算得桿部區(qū)段、小頭部區(qū)段各道次的坯料長度，如表3-1所示。

輥鍛過程中應(yīng)變分析[ 04-29 09:05 ]

圖4-6為輥鍛過程中應(yīng)變場分布的分布情況。從圖中可以看出，應(yīng)變的變化情況與應(yīng)力變化相對應(yīng)。隨著輥鍛道次的增加，應(yīng)變逐漸變大且趨于均勻;在有棱角處，如過渡區(qū)交匯的地方會(huì)出現(xiàn)等效應(yīng)變的極大值;經(jīng)過四道次輥鍛變形后，在應(yīng)變累加的作用下，桿部的應(yīng)變值最大且均勻，說明桿部金屬在輥鍛過程中經(jīng)過了充分發(fā)生了塑性變形，這對組織細(xì)化起到良好作用。

第四道次輥鍛毛坯的確定[ 04-29 08:05 ]

根據(jù)計(jì)算毛坯圖和己確定的型槽形狀，結(jié)合如下原則設(shè)計(jì)出第四道次輥鍛毛坯，如圖3-5 (d)。    ①根據(jù)沿鍛件長度上截面積大小的不同，劃分桿部區(qū)段，頭部區(qū)段等幾個(gè)特征段。    ②用直線代替截面圖上相應(yīng)的曲線，以便簡化模具結(jié)構(gòu)和易于計(jì)算。    ③為了模鍛時(shí)將毛坯易于放入鍛模中，同時(shí)避免由于坯料長而引起的鍛件端部出現(xiàn)折疊缺陷，輥鍛毛坯的端部區(qū)段長度(毛坯的大頭部和小頭部長度)的取值應(yīng)比鍛件相應(yīng)區(qū)段長度稍小。 &nbs

輥鍛過程中應(yīng)力分析[ 04-28 09:05 ]

圖4-5 (a)為第一道次變形過程中的應(yīng)力分布情況。setp 10所示工件中間被模具咬合后，在咬合力的作用下，中間桿部發(fā)生變形，形成應(yīng)力場。隨著變形的進(jìn)行，連桿小頭部坯料發(fā)生變形，也形成應(yīng)力場。由于桿部的變形量比小頭部的大，產(chǎn)生的應(yīng)力值較大。    圖4-5 (b)為第二道次變形過程中的應(yīng)力分布情況。桿部截面形狀在第二道次輥鍛中由橢圓形變成方形，由于壓下量大、方形型槽的上下端部與坯料的接觸面積小，產(chǎn)生了值為254MPa的最大等效應(yīng)力。小頭部截面形狀由橢圓形變成圓形，step70時(shí)金屬在