汽车转向节半封闭式锻造工艺研究

论文摘要

转向节是汽车关键零件之一,作为安全件,它既支撑车体重量,又传递转向力矩并承受前轮刹车制动力矩,因此对其机械性能和形状结构要求非常严格,锻造难度大。但现有锻造工艺工序复杂,成品率低,成本高,劳动强度大。突出的问题表现在以精化毛坯为核心合理地选择变形方式,提高材料利用率和锻件尺寸精度,降低能耗和提高生产率。如何采用高效、节能的方法生产出优质的汽车转向节锻件,成为生产中急需解决的问题。本文以复杂零件的精密成形技术为指导思想,根据挤压和模锻成形理论,针对汽车转向节锻件的自身特点,分析模具失效形式和影响模具寿命的因素,研究了锻造生产中出现的充不满、折叠等缺陷产生原因,提出汽车转向节锻件的成形新工艺,即半封闭式锻造预成形——终锻——切边工艺。对转向节成形过程中重要的工艺参数如毛坯尺寸、锻件形状、模具结构等进行了优化对比分析,通过预成形形状设计优化解决了成形过程中的缺陷。以UG和DEFORMTM软件为工具,分别对半封闭式锻造预成形和终锻工序进行了三维热力耦合有限元分析,得到了成形过程中金属的流动情况、应力、应变、速度和温度场的分布情况以及行程——载荷曲线;研究了主要成形参数对金属流动和成形载荷的影响以及模具结构对应力、应变分布的影响,并以此为根据确定了主要成形工艺参数。最后,通过生产试验对参数选用的合理性与科学性进行了验证,对模拟结果与实验情况进行对比分析,总结了课题研究的成功经验。本工艺实现了金属坯料在热模锻压力机上半封闭式锻造预成形,改变了常规制坯工艺,从而简化了汽车转向节锻件的锻造工艺,降低了生产成本,为类似的枝杈类零件的成形提供了借鉴。通过本课题的研究,将转向节锻造工艺、有限元理论、数值模拟仿真技术及模具CAD技术结合起来,达到了缩短产品开发周期、提高模具寿命、降低生产成本等目的。本课题的研究成果为同类转向节锻件的生产以及相关的模具设计提供了理论和实践依据,并可直接用于生产指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的工程背景
• 1.2 国内外汽车转向节生产现状
• 1.3 国内外相关文献综述
• 1.4 主要研究方法
• 1.5 课题选题意义及主要研究内容
• 2 刚粘塑性有限元法理论
• 2.1 引言
• 2.2 刚粘塑性有限元法发展概况
• 2.3 金属热成形中的粘性问题
• 2.3.1 粘塑性基本模型（Bingham 体）
• 2.3.2 粘塑性本构方程
• 2.4 刚粘塑性模型
• 2.4.1 刚粘塑性基本假设
• 2.4.2 刚粘塑性基本方程
• 2.5 刚粘塑性变分原理
• 2.6 小结
• 3 汽车转向节模具失效研究
• 3.1 引言
• 3.2 汽车转向节模具失效形式
• 3.2.1 汽车转向节模具磨损失效
• 3.2.2 汽车转向节模具断裂失效
• 3.3 模具断裂失效研究
• 3.3.1 模具材质分析
• 3.3.2 裂纹产生过程分析
• 3.3.3 有限元模型参数设置
• 3.3.4 模具受力分析
• 3.4 本章小结
• 4 汽车转向节成形工艺分析
• 4.1 引言
• 4.2 精密模锻工艺设计流程
• 4.3 原生产工艺分析
• 4.3.1 折叠
• 4.3.2 充不满
• 4.4 半封闭式挤压成形工艺
• 4.4.1 挤压成形技术的发展概况
• 4.4.2 热挤工艺中的几个主要问题
• 4.4.3 半封闭式挤压成形时变形特点
• 4.4.4 半封闭式挤压的特点
• 4.5 影响转向节锻件尺寸精度因素
• 4.6 设备吨位的选择
• 4.7 下料尺寸确定
• 4.8 模具材料选用
• 4.9 模具制造技术
• 4.10 本章小结
• 5 半封闭式挤压成形工艺研究
• 5.1 引言
• 5.2 相关模拟分析参数设定
• 5.3 工艺方案
• 5.3.1 方案一
• 5.3.2 方案二
• 5.3.3 方案三
• 5.3.4 方案四
• 5.4 本章小结
• 6 转向节预成形工艺优化设计
• 6.1 引言
• 6.2 预制坯件形状的确定
• 6.3 预成形形状优化
• 6.4 坯料尺寸优化
• 6.5 不同挤压杆部圆角的模拟对比分
• 6.6 优化后模拟分析
• 6.7 本章小结
• 7 汽车转向节模锻生产试验验证
• 7.1 试验设备及模具
• 7.2 试验用的材料及试验参数
• 7.3 试验结果及分析
• 7.4 本章小结
• 8 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读学位期间发表的论文