某型号重卡前轴成形辊锻、模锻工艺数值模拟辅助设计及优化

论文摘要

前轴零件左右对称,但形状比较复杂,截面起伏较大,特别是前轴弹簧板、工字梁部位具有窄而深的截面,是一种锻造难度系数高的长轴类零件。作为重型卡车的保安件之一承受较大载荷,尤其是在重型卡车下坡急刹车时,前轴承受卡车总负荷的70%以上,对零件的强度和疲劳寿命有较高的要求。近十年来,我国高速公路的快速发展以及西部开发等基础建设因素的影响,重型卡车的需求量大幅增长。从2002年中、重型载货重卡年产量为41.7万辆,到2009年时突破了400万辆,重卡前轴出现了供不应求的局面,重卡前轴制造能力的不够已成为制约重卡产量增长的主要因素之一。重卡前轴锻造最为成熟的工艺是采用辊锻出坯→整体模锻,但该工艺对设备吨位要求高,万吨设备大部分源自进口,投资巨大,且不便于维修。上个世纪90年代我国自主研发了精密成形辊锻→局部模锻的重卡前轴锻造工艺,在辊锻工序完成占前轴总长度60%-80%的工字梁部位的成形,大大降低了模锻成形载荷,减少了模锻设备的投资,是一种符合中国国情的、适于大批量生产的前轴锻造工艺。采用成形辊锻工艺制造重卡前轴这样的大型复杂零件,成形质量的影响因素众多（如前滑、不均匀变形、展宽、孔型结构）,现有的辊锻理论无法准确的进行成形辊锻工艺和模具设计,很大程度上依赖于设计者的经验,往往造成设计结果与实际情况相差甚远,需要进行工艺调试解决这种差异。但在工程应用中遇到的一个共同的问题是前轴辊锻模具的修改次数多,修改量较大,造成现场工艺调试时间长,一般需要三个月以上,并且普遍存在需要对前轴锻件进行补焊和打磨来保证最终的成形质量。本文所研究的国外某型号前轴,对成形质量要求较高,不允许补焊和打磨处理,某公司已经耗费四年的时间进行成形辊锻工艺调试,但一直存在较多的成形质量问题不能解决,反复修改后的模具精度大幅下降,导致报废。本文针某公司在对美国某型号重卡前轴锻件前期成形辊锻、模锻工艺调试过程中出现的系列问题上开展研究。基于调研前期大量工艺调试数据和有限元模拟软件DEFORM,通过分析辊锻机转速、坯料温度、模具表面摩擦系数对锻件成形质量的影响,首次建立了精确和快速的前轴成形辊锻、模锻有限元分析模型,模拟结果与实际情况一致。对该前轴成形辊锻、模锻工艺的数值模拟仿真结果进行分析,找到前期工艺调试中锻件缺陷产生的原因,并研究不同工艺参数对锻件成形质量的影响规律。在此基础上,对成形辊锻工艺进行优化、对模具结构进行重新设计并首次提出了侧向辊压的新型模具孔型结构;然后在数值模拟层面上,实现了消除锻件成形缺陷;生产试制结果表明,该方法大大提高成形辊锻工艺与模具设计的准确度,采用优化后的新工艺方法及模具结构,实现辊锻过程的稳定性、消除了锻件成形缺陷、材料利用率达到88%。这种数值模拟辅助设计方法减少了修模次数、缩短开发周期、保证了最终产品的质量。从而显著节省了模具开发费用、降低生产成本并提高材料利用率、有利于快速的市场反应。该成形辊锻、模锻有限元分析模型可用于其它相似零件,为同类前轴的生产以及新型号前轴成形辊锻工艺的开发提供有效的技术支持。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 辊锻成形技术
• 1.2.1 辊锻变形基本原理
• 1.2.2 辊锻工艺的特点及分类
• 1.3 国内外重卡前轴成形工艺发展趋势及研究现状
• 1.3.1 国外重卡前轴成形工艺发展趋势及现状
• 1.3.2 国内重卡前轴成形工艺发展趋势及现状
• 1.4 课题背景
• 1.5 研究目的、内容及意义
• 1.5.1 本课题研究内容
• 1.5.2 本课题研究目的及意义
• 2 刚粘塑性有限元理论
• 2.1 刚粘塑性有限元基本理论
• 2.1.1 塑性力学的基本方程
• 2.1.2 刚粘塑性材料本构关系
• 2.1.3 刚粘塑性有限元变分原理
• 2.2 体积成形数值模拟软件简介
• 2.2.1 DEFORM 简介
• 2.2.2 DEFORM 主要功能
• 2.2.3 DEFORM 系统组成
• 2.3 本章小结
• 3 初始工艺方案数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 初始工艺方案选取及模具设计
• 3.2.1 初始工艺方案选取
• 3.2.2 辊锻件图纸设计
• 3.2.3 坯料尺寸的选取
• 3.2.4 辊锻道次的确定
• 3.2.5 辊锻件工步示意图
• 3.2.6 初始成形辊锻模具设计
• 3.3 工艺调试中锻件出现的主要缺陷
• 3.3.1 辊锻件折叠
• 3.3.2 工字梁部位充不满
• 3.3.3 终锻刮料与折叠
• 3.4 成形辊锻、模锻有限元分析模型的建立
• 3.4.1 工艺参数的影响分析
• 3.4.2 高仿真有限元分析模型的建立
• 3.5 锻件缺陷产生机理分析
• 3.5.1 辊锻件折叠的产生机理
• 3.5.2 工字梁充不满的产生机理
• 3.5.3 终锻件刮料与折叠的产生机理
• 3.6 本章小结
• 4 工艺优化
• 4.1 引言
• 4.2 调试缺陷的优化方案
• 4.2.1 辊锻件折叠缺陷的优化方案
• 4.2.2 工字梁部位充不满的优化方案
• 4.2.3 终锻件刮料与折叠的优化方案
• 4.3 本章小结
• 5 生产试制
• 5.1 引言
• 5.2 模具制造
• 5.2.1 模具材料的选择
• 5.2.2 模具制造流程
• 5.3 生产试制设备
• 5.4 试制结果
• 5.4.1 辊锻件折叠的优化情况
• 5.4.2 工字梁充不满的优化情况
• 5.4.3 终锻件刮料与折叠的优化情况
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间申请的专利目录