连杆衬套强力旋压有限元数值模拟及工艺参数研究

论文摘要

发动机连杆衬套是连接活塞销和连杆小头的部件，其作用是避免连杆小头与活塞销直接接触进行对磨，延长连杆的使用寿命。旋压工艺是一种适用于多品种生产的少、无切削加工工艺，具有制件尺寸精度高、表面质量好、材料利用率高、产品范围广、节能环保等特点，已经在机械、石油化工、军工和航空航天等领域得到了广泛的应用。所以为了提高连杆衬套的机械性能，连杆衬套的生产采用强力旋压工艺最为合适。强力旋压是一种非常复杂的塑性成形工艺，工艺参数多而复杂，在生产中对工艺参数的控制主要靠经验或者试制的方法，给生产带入了诸多的主观影响，致使生产中出现诸多缺陷如生产周期长、材料浪费、生产成本高等问题，所以对强力旋压工艺的成形过程和工艺参数进行研究是非常必要的。本文采用有限元数值模拟的方法对强力旋压成行的过程及其工艺参数进行了系统的研究，主要研究成果如下:本文以连杆衬套强力旋压为研究对象，基于金属塑性成形有限元平台SIMUFACT，在其旋压模块中，把芯模和旋轮视为刚体；利用软件中的管型件网格划分工具对坯料进行了网格划分；利用弹塑性理论确定了材料数据的设置；独特地把模具的运动加载到芯模上，施加了合适的边界约束，建立起了最大限度贴近实际的三维有限元模型。用弹塑性有限元法对强力旋压过程进行了模拟，获得了强力旋压稳定状态下应力应变的分布规律、旋压力的变化、材料的流动情况、材料的堆积情况，清楚地阐释了强力旋压工艺的成形过程。本文分别对筒形件无错距旋压和错距旋压工艺进行了研究，得到了无错距情况下旋轮工作角、旋轮圆角半径、模具进给速度、主轴转速、旋轮与芯模间隙、坯料温度、减薄率对连杆衬套强力旋压的影响规律；比较了筒形件错距旋压与无错距旋压的特点，得出了各自的优缺点及使用范围；得到了错距旋压中旋轮之间的轴向间距、径向间距对强力旋压的影响规律，为连杆衬套强力旋压中参数的选择提供了参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 有限元数值模拟技术的发展现状
• 1.2.1 有限元数值模拟技术的研究与发展
• 1.2.2 有限元数值模拟关键技术在旋压成形中的应用
• 1.3 本文的研究内容
• 2 连杆衬套强力旋压工艺介绍
• 2.1 旋压技术的发展
• 2.2 旋压工艺及其工艺特点
• 2.2.1 旋压成形的定义及基本方式
• 2.2.2 筒形件强力旋压的工艺特点
• 2.3 强力旋压主要工艺参数
• 2.3.1 芯模的形状
• 2.3.2 旋轮的结构
• 2.3.3 芯模与旋轮的间隙
• 2.3.4 旋轮间的轴向错距
• 2.3.5 减薄率
• 2.3.6 进给速度
• 2.3.7 主轴转速
• 2.3.8 进给比
• 2.3.9 旋压温度
• 2.4 本章小结
• 3 强力旋压有限元数值模拟基础
• 3.1 虚功方程
• 3.2 增量方程
• 3.3 弹塑性本构方程
• 3.4 有限元求解方程
• 3.5 本章小结
• 4 连杆衬套强力旋压的有限元数值模拟
• 4.1 连杆衬套样件的设计
• 4.2 工艺参数的确定
• 4.3 连杆衬套强力旋压数值模拟建模关键技术
• 4.3.1 几何模型构建
• 4.3.2 模型的简化
• 4.3.3 网格划分
• 4.3.4 接触边界条件处理
• 4.3.5 摩擦模型
• 4.3.6 材料模型
• 4.4 数值模拟结果与分析
• 4.4.1 旋压力的分布状况
• 4.4.2 应力应变的分布状况
• 4.4.3 材料的流动
• 4.4.4 材料的堆积分析
• 4.5 本章小结
• 5 工艺参数对无错距强力旋压成形的影响
• 5.1 旋轮工作角的影响
• 5.1.1 旋轮工作角对旋压力的影响
• 5.1.2 旋轮工作角对等效应力的影响
• 5.1.3 旋轮工作角对材料流动的影响
• 5.2 旋轮圆角半径的影响
• 5.2.1 旋轮圆角半径对旋压力的影响
• 5.2.2 旋轮圆角半径对材料流动的影响
• 5.3 台阶旋轮与双锥面旋轮的对比研究
• 5.3.1 台阶旋轮与双锥面旋轮分别对材料流动的影响
• 5.3.2 台阶旋轮与双锥面旋轮分别对旋压力的影响
• 5.4 旋轮进给速度的影响
• 5.4.1 旋轮进给速度对旋压力的影响
• 5.4.2 旋轮进给速度对材料流动的影响
• 5.4.3 旋轮进给速度对减薄率的影响
• 5.4.4 旋轮进给速度对等效应力的影响
• 5.5 主轴转速的影响
• 5.5.1 主轴转速对旋压力的影响
• 5.5.2 主轴转速对等效应力的影响
• 5.6 旋轮与芯模间隙的影响
• 5.6.1 旋轮与芯模间隙对旋压力的影响
• 5.6.2 旋轮与芯模间隙对减薄率的影响
• 5.6.3 旋轮与芯模间隙对材料流动的影响
• 5.7 坯料温度的影响
• 5.7.1 坯料温度对旋压力的影响
• 5.7.2 坯料温度对等效应力、等效应变的影响
• 5.7.3 坯料温度对材料减薄的影响
• 5.8 减薄率的影响
• 5.8.1 减薄率对等效应力、等效应变的影响
• 5.8.2 减薄率对材料隆起的影响
• 5.9 本章小结
• 6 错距强力旋压工艺参数的影响
• 6.1 旋轮有无错距比较
• 6.1.1 减薄效率比较
• 6.1.2 磨具的受力比较
• 6.2 错距旋压旋轮结构参数的确定
• 6.2.1 错距旋压旋轮结构参数对旋压力的影响
• 6.2.2 错距旋压旋轮结构参数对等效应力的影响
• 6.3 旋轮轴向间距的影响
• 6.3.1 旋轮轴向间距对等效应力的影响
• 6.3.2 旋轮轴向间距对等效应变的影响
• 6.3.3 旋轮轴向间距对材料隆起率的影响
• 6.4 旋轮径向间距的影响
• 6.4.1 旋轮径向间距对等效应力的影响
• 6.4.2 旋轮径向间距对等效应变的影响
• 6.4.3 旋轮径向间距对材料隆起率的影响
• 6.5 本章小结
• 7 工作总结与展望
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 今后工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果
• 致谢