基于DEFORM的汽車輪轂軸管熱擠壓過程的數(shù)值模擬

1、鍛 造FORGING2008年 第 2期1前言輪轂軸管(圖 1 是汽車后橋上一個重要的保安 件 , 要承受各種復雜的交變應力與疲勞載荷 1。 因此 , 其工作環(huán)境的特殊性決定了其較高的質(zhì)量要求和擠 壓工藝參數(shù)的精確化。傳統(tǒng)擠壓工藝的制定主要是 建立在經(jīng)驗基礎(chǔ)上 , 采用試錯法不斷調(diào)整工藝參數(shù) 和修改模具 , 不僅研發(fā)周期長 , 而且擠壓件的質(zhì)量難 以保證。 隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展 , 可以采用計算機 對金屬成形過程進行分析 , 掌握變形過程中各種場 量的變化情況。并可對變形過程中工件內(nèi)部缺陷等 進行預測 , 對擠壓工藝的制定具有重要的參考價值。 本文利用有限元軟件 DEFORM 對軸管坯料的擠

2、壓 過程進行了數(shù)值模擬。 并對擠壓后工件的損傷、 應力 場、 應變場及其分布的原因進行了分析 , 為制定生產(chǎn) 工藝提供了參考 2。2建模及模擬條件應用 DEFORM 軟件對汽 車 輪 轂 軸 管 熱 擠 壓 過 程的數(shù)值模擬 , 首先需建立有限元分析模型 , 如圖 2所示。模型初始條件為 : 設(shè)定上下模為剛性模型 , 工件為彈性模型 ;The Numerical Simulation of Large Cylinder Forging inForging Process under High TemperatureXU Feixia , CUI Zhenshan , CHEN Wen , FU

3、 Qiang(Dept. of Plasticity Forming Eng., Shanghai Jiao Tong Univ., Shanghai 200030, China Abstr act:This text is based on the traditional shell forging technology for large scale cylinder at high tempera-ture.The relationships betw een anvil's movement and the rotation of the sustaining column i

4、n high-temperature forg-ing process of large cylinder forgings, and its influence on forgings dimension have been researched by finite element simulation. Besides, it raises a more accurate method for judging forging's precision by comparing the simulation re-sults w ith the forging in 3D softw

5、are.Keywor ds:Forging P Large-scale cylinder P Numerical simulation P Quality! 98! 60+10! 70! 88! 152! 6519590380625015圖 1輪轂軸管零件圖收稿日期 :2008-01-17作者簡介 :溫志高 (1967- 男 , 碩士 , 高級工程師 , 從事熱擠壓工藝技術(shù)研究文章編號 :1672-0121(2008 02-0058-03基于 DEFORM 的汽車輪轂軸管熱擠壓過程的數(shù)值模擬溫志高(河南英威東風機械有限公司 , 河南 南陽 474674摘要 :本文建立了汽車輪轂軸管的有限元分析

6、模型 , 利用 DEFORM 軟件模擬了工件熱擠壓過程 , 并分析 了工件的損傷、 應力場及應變場的分布情況和原因。結(jié)果表明將工件初始溫度控制在 1000 左右最為合適 , 為實際的工藝制定提供了參考。關(guān)鍵詞 :機械制造 ; 熱擠壓 ; 汽車輪轂軸管 ; 數(shù)值模擬 中圖分類號 :TG376.2文獻標識碼 :B""""""""""""""""""""""""&

7、quot;""""""""""""""""""""582008年 第 2 期鍛 造FORGING 模具材料 AISI-H-131450" 1850" (800 1000 , 工件材料取 SI 10431300" 2000" (700 1100 ; 變形具有對稱性 , 工件與上下模具之間的摩擦因子取 m=0.3; 上模的下壓速度為 200mm/s ; 設(shè)置上模

8、溫度為 250 , 下模溫度為 300 ,工件溫度分別為 800 , 1000 和 1200 , 以便對比 分析 ; 上模網(wǎng)格單元 200個 , 下模網(wǎng)格單元 500個 ,工件網(wǎng)格單元 1000個 ; 模擬步長 0.8mm/步 3。3數(shù)值模擬結(jié)果及分析3.1工件不同初始溫度下的損傷值圖 3給 出 了 不 同 初 始 溫 度 (分 別 為 800 、 1000 和 1200條件下的工件經(jīng)熱擠壓后的損傷值及其分布情況?？梢钥闯?, 工件初始溫度為 800 和 1000 時 , 其熱擠壓的損傷主要分布在小半徑柱 體中心線附近、小半徑柱體與下模接觸部位以及大半徑柱體部分與下模接觸部位。當工件初始溫度為

9、1200 時 , 其損傷值與上述分布類似 , 損傷范圍有所減小 , 但其損傷程度較大。 主要原因是工件在很高溫 度時發(fā)生嚴重軟化或者過燒 , 擠壓時卷邊、 折疊等現(xiàn) 象突出 (尤其是與模具接觸部位 , 造成工件損傷嚴 重 4。初始溫度為 800 時 , 工件的損傷范圍比較大 , 主要是因為工件未發(fā)生 (或很少發(fā)生 軟化 , 擠壓時 在強大的擠壓力作用下發(fā)生應力開裂損傷以及摩擦 損傷。因此 , 從工件的損傷角度看 , 在設(shè)計熱擠壓工 藝時 , 應將工件的加熱溫度控制在 1000 左右比較 合適。3.2工件不同初始溫度下的等效應力場圖 4給 出 了 不 同 初 始 溫 度 (分 別 為 800 、

10、 1000 和 1200條件下的工件經(jīng)熱擠壓后的等效 應力值及其分布情況。可以看出 , 工件初始溫度為800 和 1000 時 , 其熱擠壓后的應力分布比較均勻 , 在半徑不同的柱體部分都有應力分布 ; 而當工件 初始溫度為 1200 時 , 其應力主要分布在工件與模 具接觸部位 , 尤其是在半徑過渡處出現(xiàn)了比較嚴重 的應力集中現(xiàn)象。這是因為工件在高溫時產(chǎn)生動態(tài)再結(jié)晶 , 從而使變形抗力降低 , 工件內(nèi)部的金屬流 動流暢 , 而表面處的金屬流動則受到較大的摩擦阻 力 , 尤其是在半徑過渡處 , 金屬流動更加復雜 , 折疊、 卷邊現(xiàn)象很嚴重。 而在前兩個初始溫度下 , 工件的應 力范圍比較均勻

11、(可通過熱處理消除 , 但相比之下 ,1000 時工件各部分應力值普遍較小。主要是因為工件在 1000 時軟化程度適中 , 金屬的流動與變形 達到合適的幅度。因此 , 從工件的應力場分析 , 在設(shè) 計熱擠壓工藝時 , 將工件加熱溫度控制在 1000 左 右較好。3.3工件不同初始溫度下的等效應變場圖 5給 出 了 不 同 初 始 溫 度 (分 別 為 800 、1000 和 1200條件下的工件經(jīng)熱擠壓后的等效 應變值及其分布情況。可以看出 , 工件初始溫度為圖 2汽車輪轂軸管熱擠壓有限元分析模型圖 3熱擠壓后的工件的損傷值及其分布(a t=800(b t=1000(c t=1200圖 4熱擠

12、壓后的工件的應力值及其分布(a t=800(b t=1000(c t=120059鍛 造FORGING2008年 第 2期800 和 1000 時 , 其熱擠壓后的應變值分布比較相似 , 即在半徑過渡處變形程度較大 , 其他部位變形程 度較小。主要是因為該區(qū)域金屬的流動受到模具的 約束 , 在強大的擠壓力作用下被迫變形 , 相比之下 , 1000 的等效應變更小(最大值僅 1.83 , 更 值 得 在 生產(chǎn)實際中選用。而工件初始溫度為 1200 時 , 擠 壓后的應變值普遍較大 , 且主要分布在工件表面。 這 是因為工件軟化后 , 在上模的壓力作用下 , 工件向下 模的兩側(cè)壁流動 , 并向下流

13、動 , 而工件內(nèi)部則主要為 流失金屬 , 變形程度較小 , 從而造成了工件各部分變 形不均勻 , 對工件擠壓后的性能有很大的負面影響。3.4比較分析對工件在三種不同初始溫度下進行擠壓后的結(jié) 果進行比較 (只取其最大值 見表 1所示。 不難看出 , 工 件 初 始 溫 度 為 1000 時 擠 壓 后 最 大 損 傷 值 不 是 最小 , 但應力應變均大幅度減小。因此 , 選用 1000 作為工件的初始溫度較理想。4結(jié)論建立了汽車輪轂軸管的有限元分析模型 , 并利 用 DEFORM 軟件模擬分析了軸管坯料在熱擠壓過 程中的損傷、 應力場以及應變場的分布情況。 分析結(jié) 果 表 明 將 工 件 初

14、始 溫 度 控 制 在 1000 左 右 最 為 合 適。本文研究結(jié)果可為實際擠壓工藝的制定提供有 效指導 5?！緟⒖嘉墨I】1溫志高 . 輪轂軸管熱擠壓新工藝 . 金屬成形工藝 , 2002,(2 :40-41. 2呂 成 , 張立文 , 牟正君 , 等 .TC4鈦合金鍛件鍛造過程三維熱力耦合有限元模擬 . 鍛壓技術(shù) , 2007,(1 :28-31.3張志明 , 吳符韻 , 等 . 熱收口成形對模具壽命影響的研究 . 鍛壓技術(shù) , 2007,(1 :60-61.4李傳名 , 王向麗 , 閆華軍 , 等編著 .DEFORM5.03金屬成形有限元分析實例指導教程 . 北京 :機械工業(yè)出版社 ,

15、2006.5林高用 , 周 佳 , 張振峰 , 等 . 基于 DEFORM 2D 的純銅管熱擠壓過程的數(shù)值模擬 . 鑄造 鍛壓 , 2006,(5 :52-53.圖 5熱擠壓后的工件的應變值及其分布(a t=800(b t=1000(c t=1200表 1三種不同溫度下擠壓后的工件性能對比溫度 / 80010001200最大損傷 0.2700.3000.367最大應力 368.00220.32261.66最大應變1.971.832.41Numerical Simulation on Auto Axle Tube in Hot ExtrusionProcess based on DEFORMWE

16、N Zhigao(Henan Yingw ei Dongfeng M achinery Co., Ltd. Nanyang 474674, Henan China Abstr act:A finite element model of auto axle tube has been established and the hot extrusion process of auto axle tube has been simulated. Based on the simulated results, the distributions and causes of damage, stress field and strain field have been analyzed.The results show s that 1000 could be the most suitable for the initial temperature of w ork piece, w hich offers reference for actual process design.Keywor ds:Hot e