汽车铝合金转向节锻造成形模拟与试验研究

论文摘要

随着汽车制造业的高速发展,汽车轻量化和性能要要求越来越严格,汽车零部件生产中,尺寸精度高、外形复杂的锻件所占比重越来越大。因此,开发材料利用率高并能节约能源的锻造新工艺,对于汽车零件制造业的发展极为重要。近年来,铝合金结构零件在汽车轻量化要求日益提高的情况下运用越来越广泛。将铝合金锻件运用到汽车转向系统中,不但可以满足汽车行驶过程中的强度要求,还因为重量的减轻提高其操纵性能。但是由于铝合金材料本身的特性,如锻造时变形抗力大、流动性差和外摩擦系数较大等导致铝合金锻件的成形困难,阻碍了其在汽车工业中的运用。转向节是汽车转向系统中的重要零件,既承载一定的车体重量,又在汽车行驶过程中承受交变载荷和刹车时的力矩,是汽车上的重要安全零件之一。转向节的主要工艺为锻造成形,因此组织性能和外形尺寸的要求非常严格,对于该类锻件锻造方法探索研究将对我国汽车工业的发展产生重要意义。本文研究的奥迪汽车铝合金转向节,外形极其复杂,主要依靠从国外进口,国内尚无成功的制造经验。在研究过程中,对该转向节原有的工艺方案进行了分析,运用所建立汽车铝合金转向节弯曲成形制坯过程和终锻成形过程的三维有限元模型,利用三维有限元数值模拟软件DEFORM-3D对汽车转向节锻造成形工艺进行系统分析,模拟其弯曲制坯和终锻成形过程,研究其缺陷产生的原因和演化机理。找出了影响工厂试制质量的关键因素,提出了既能满足产品精度要求,又能提高材料率、改善弯曲成形质量和终锻模具寿命的优化措施,改进了模锻工艺,使其趋向合理化。通过模拟验证,给出了二次弯曲成形模具的最优结构参数。本文的研究工作,结合了模锻工艺、有限元理论、数值模拟仿真技术及模具CAD技术,达到了缩短产品开发周期、提高模具寿命、降低成本等目的。得到的工作成果解决了奥迪轿车铝合金转向节的锻造成形难题,为同类锻件的生产提供了工艺参考,具有一定的指导意义。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铝合金在汽车上的应用及锻造成形特点
• 1.2.1 铝合金锻件在汽车上的应用和发展
• 1.2.2 铝合金锻造成形特点
• 1.3 国内外转向节生产工艺的研究现状
• 1.3.1 转向节研究现状概述
• 1.3.2 转向节典型生产工艺概述
• 1.3.3 热锻工艺需要注意的几个问题
• 1.4 有限元模拟在金属塑性成形中的应用
• 1.4.1 金属塑性成形过程研究方法
• 1.4.2 有限元模拟技术发展概况
• 1.4.3 有限元模拟技术在金属塑性成形中的应用
• 1.5 课题的主要研究内容及意义
• 2 转向节成形工艺方案制定和模具设计
• 2.1 汽车转向节锻造工艺分析
• 2.1.1 工艺分析
• 2.1.2 汽车转向节热锻件图的设计
• 2.2 终锻模具设计
• 2.2.1 模膛设计
• 2.2.2 飞边槽的设计
• 2.2.3 键槽和燕尾设计
• 2.2.4 钳口设计
• 2.3 转向节模锻工艺设计
• 2.3.1 模锻工艺方案设计
• 2.3.2 转向节模锻工艺方案的确定
• 2.3.3 最大成形载荷计算
• 2.4 转向节自由锻坯料形状及弯曲模具设计
• 2.4.1 自由锻坯料计算及设计
• 2.4.2 转向节的自由锻制坯
• 2.4.3 一次弯曲模具的设计
• 2.4.4 二次弯曲模具的设计
• 2.5 本章小结
• 3 转向节成形工艺数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 弯曲数值模拟
• 3.2.1 一次弯曲的数值模拟
• 3.2.2 二次弯曲数值模拟和优化设计
• 3.3 终锻模拟与优化
• 3.3.1 终锻模拟数值模型的建立
• 3.3.2 终锻成形初次模拟
• 3.3.3 初次模拟结果分析
• 3.3.4 模拟结果的优化设计
• 3.3.5 优化后的终锻成形模拟
• 3.4 模具磨损情况分析和寿命预测
• 3.5 成形工艺参数对最大成形载荷的影响
• 3.5.1 摩擦系数对最大成形载荷的影响
• 3.5.2 始锻温度对最大成形载荷的影响
• 3.5.3 锻造速度对最大成形载荷的影响
• 3.6 本章小结
• 4 工艺方案试验验证
• 4.1 引言
• 4.2 设备选用
• 4.3 试制材料和工艺参数
• 4.4 试制结果
• 4.5 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录