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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)中的一個重要分支。據(jù)統(tǒng)計，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)和試錯的方法進(jìn)行工藝制定和工模具設(shè)計，因此，產(chǎn)品的新工藝和工模具的開發(fā)

終鍛時晶粒的變化情況[ 05-05 09:05 ]

圖5-8為終鍛結(jié)束時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)束時的17.05%，還提高了11.95%。其主要原因是在終鍛時飛邊部位金屬由于金屬流動受較大摩擦力緣故會產(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)束時幾個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)束時大頭部區(qū)域的平均晶粒尺寸主要在135~16

預(yù)鍛時晶粒的變化情況[ 05-05 08:05 ]

預(yù)鍛結(jié)束時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)計方法，對優(yōu)化后的毛坯進(jìn)行輥鍛工藝設(shè)計，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，則此時飛邊面積為128.8mm2。第一次修正時取修正系數(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桿部工字筋部位沒有充滿，第三次時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)計經(jīng)驗(yàn)選取。計算得到對應(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和理論計算毛坯必65 X 142mm的終鍛時成形載荷曲線，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，符合金屬塑性流動規(guī)律。終鍛結(jié)束時坯料的應(yīng)變場分步如圖4-13  (b)所示。從圖中可以看出，在終鍛時，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)計要求。此時材料利用率為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，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，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，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卡住坯料，起到定位的作用;在step250時，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，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，過渡區(qū)的金屬體積保持不變。由公式(3-18)分別計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，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)計算毛坯圖和己確定的型槽形狀，結(jié)合如下原則設(shè)計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)和易于計算。    ③為了模鍛時將毛坯易于放入鍛模中，同時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時金屬在