汽车前轴制坯辊锻工艺分析与三维数值模拟

条件 的变化 ， 如接触 面的摩擦 系数 、 速度等也对温度 的变化和分 布产生影 响。因此温度场计算模型确定如下 ： 分工件 内部 的变 部 形能和模具与工件之 间的摩擦 功将会转化为热能使工件升温 ， 同
时工 件 自由界 面 又通 过 热 辐射 和 ＿ 气 对流 散 热 ， 件 还 通 过 与 与空 工
德 国汉 诺 威 大 学 的 Ｄ ｏｅ教 授 做 了许 多 工 作 ，９ １年 提 出 的 ｅｇ １９
“ｅ ｍｅｔ软件 ， Ｓｍｇ ｎ” 至今仍在德 国应用１ 目前已开始应用光塑性等 ４ １ 。 物理模拟目 与有限元相结合的方法研究 回转成形 的三维变形规律
向节与车轮相连 ， 承受道路不平引起 的复杂 冲击载荷 ， 是汽车传
ｓ ａ ｆ ｌ， ｍ ｅ ｔ ｅ ｅ ｄ ｏｄｓ ｔ ｌｎ ｅ ｒ ａａ ｚｄ Ｔｉｐｏｉ ｓ ｄｐ ｎａｌ ｔ ｏ ｔｉｉ ｄｔ ｐ ｒ ｕ ｌ ａ ａ ａ ｓｆｒ ｌｇｄ ｅ ｌ ｅ． ｈ ｒ ｄ Ⅱ ｅｅｄｂ ｅ－ ｉ ｒ ｎ ｅ ｅ ａ ｒｆ ｄ ｉ ｎ ｌ ｔｕ ｏ ｏｉ ｉａ ｙ ｎ ｓ ｖｅ ｅｈ
： ｒｔａｂ ｉｆｒ ｎｅｓ ｄｎ ｅｄ ｏｍｉ ｅｈｎｓ ｎ ｅ ｃｉ ａｏａｌｐ ｒｍ ｔｒｆｒｈ ｒｃ ｉ ｅｉ ａ ｓｏ ｄｒｔ ｉ ｔ ｅ ｒ ｎ ｍ ｃａｉ ａｄｓｌ ｔｇｒｓ ｎ ｅ ａａ ｅｅｓｏ ｅ ｅｉ ｃ ｓ ｕ ｌ ｎ ａ ｇｈ ｆ ｇ ｍ ｅ ｎ ｅ ｂ ｔ ｐ －
３１坯料 的变 形 过程 ．
度 场 。从 图 ４温 度 场 分带 情况 可 以得 出 以下 结 论 ： 轴 在 辊 锻 过 前 利用 Ｄ Ｆ Ｒ 一 Ｄ模 拟 软 件 ，对 汽 车 前 轴 精 制 坯 辊 锻 成 形 程 中 ， ＥＯ Ｍ３ 工件纵向和横 向的温度分布都是不均匀的 ， 辊锻过程中变 过程进行 了三维热力耦合有 限元模拟计算 ， 如图 ２ 示 ， 所 坯料第 形 复 杂 的部 位 温度 较 高 ， 高达 到 １４ ￣ ， 原 始 温 度 １０ ￣升 最 ２ ０Ｃ 较 ２０Ｃ
？ ｍ ｃ ａ ｉ ｌｃ ｕ ｌｄ ｒ ｄ ｐａｔ ｎｔ ｅｅ ｅ ｔｍ ｔｏ．Ｔ ｅ ｍ ｔ ｏ ｒｃｓ，ｑ ｉ ｌｎ ｔ ｓ ａ ｄ ？ ｅｈ ｃ ｏｐｅ － ｌ ｉ ｆ ｉ ｌｍ ｎ ｅｈｄ ｈ ｅａ ｆ ｗ ｐ ｏｅｓｅ ｕｖ ｅ ｔｓ ｅｓ ｎ ｎ ａ ｓ ｃｉ ｅ ｌｌ ａ ｒ
截面左右形状对称 ， 上下起伏变化较大 ， 因此成形工艺模拟
轧 ５ 流动规律、 成形机理、 内部应力应变场及流动速度场等， 可望得到 必须 按 三维 有 限元 问题进 行 。 件 材料 ４ ＃钢材 料 的 流动应 力 是 应变 和 应变 速率 的函 数 。 即 较满意的解决 。文献口中应用模 拟技术 ， ， 研究了管材斜轧中前张 轧 制温 度 、
模具的接触面 向模具传热。结合现场条件 ， 轧件与环境 的对流换
热系 数取 为 ２ ｋ （ Ｋ）轧 件 与环 境 间 的辐 射换 热 系数 可 根 据 ０ Ｗ／ｍ ・ ， 辐射 定律 进 行 转换 ， 据常 用 材 料 的黑 度 值 ， 根 热辐 射 率 取 ０８ ， ． 模 ２
（ ）终成 形 辊 锻 温 度场 模 拟 图 ｃ 图 ３各 道 次 辊锻 过程 的 应 变场 模 拟 图
３３坯 料 温 度 场分 析 ．
具与工件之问的剪摩擦因数取 ０ 模拟工步分为制坯辊锻， Ａ。 预成形
如图 ４所示 ， 分别是前轴精制坯辊锻成形过程中工件 的温度 辊锻 ，终 成形 辊 锻 （ 制坯 辊锻 后 锻 件进 入 预成 形 辊 锻 时需 要 翻转 场 变 化 情 况 ， ４ａ 为 制坯 辊 锻 阶段 上 件 的 温度 场 ， ４ ｂ 为 预 图 （） 图 （） ９。预成形辊锻后锻件进入终成形辊锻时不需要再翻转 ９ 。。 ０， ０） 成形 辊锻阶段］ 件温度场 ， ４ ｃ 为终成形辊锻阶段工件 的温 二 图 （）
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２有限元模型的建立
辊锻成形技术是轧钢与锻造两种变形 方式交叉融合 而产生
具有鲜 明的特点 ， 它将轧钢常用 的定常孔型改变成沿 效、 精密、 清洁成形技术 ， 是先进制造技术的重要组成部分 是锻 的新技术 ， ， 使成形范围大大扩展 ， 也使变形 造行业应用最广的回转塑性加工技术 。 但要开发一种复杂零件的 轧辊周 向不断变化的辊锻型槽 ， 状 态 复杂 化 。 为 了更好 地 把握 辊 锻 变形 的特 点 和规 律 ， 到辊 锻 得 辊锻成形工艺 ， 仍需相当长的设计与调试周期 。这是 由于对成形 完成辊锻变形的三维模拟 ， 取整个 工件为 规律的认识仍处于经验阶段 ， 已有的轧制方面的研究成果只能提 成形过程的真实描述 ， 如图 １ 所示 ， 某型号前轴终成形辊锻件图。 供 方 向性 指导 ， 法提 供 较精 确 的计 算 方法 与 计算 结 果 。 复杂 轮 研究对象 ， 无
生产锻件的方法 ， 于连续局部变形 ， 属 工作过程平稳 、 快速 ， 设备 体积小 、 重量轻 ， 既适合大批生产又具有较大 的柔性 ， 是一种高 金属流动规律 、 应变等场变量的分布情况 ， 以及三道 次辊锻过程 为前轴精制坯辊锻工艺设计提供了理论依据。 辊锻成形在这一工艺中显得尤为重要。 辊锻成形是运用轧制方式 中模具的受载 睛况 ，
÷ｓ ｎｏｉ ｆｒｎ ｐｒｒｉ ｆ ｎａ ｅ ｉ ｌ ｇｏ ｉ ｅｏ ｎ ｏ ｒ ｔｘ ． ｏ ｒｌ ｎ ｇ ｇ ｆ ｍ ｇｆ ｏ ｌ
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Ｊ ｇ ｅ ｈ ｎＣ ｒｍ ｃＩｓｔｔ，ｉｇ ｅｈ ｎ３ ３ ０ ， ｈｎ ）。 ｘ Ｔ ｒｉｅＢａｅＣ ． ｔ， ｘ ０ ３ Ｃ ｉａ ｉ Ｄ Ｚ ｅ ｅａ ｉ ｎ ｔｕｅＪｎｄ ｚｅ ３ ４ ３ Ｃ ｉａ （Ｗｕ ｉ ｕｂｎ ｌ ｏ Ｌｄ Ｗｕｉ １ ２ ，ｈｎ ） ｎ ｉ ｄ ２４
和材料组织 胜能变化目 采用商品化软件 Ｄ ￣ｒ －Ｄ， 。 ｅ ｍ ３ 建立了前轴制
对前轴制坯辊锻 、 预成形辊锻和 动系统 的重要零件之一 ；前轴不 同位置的截面形状变化较大 ， 基 坯辊锻的 维有 限元模拟模型 ， 终成形辊锻进行模拟仿真， 分析 了前轴精辊成形过程中各道次的 于汽车前轴结构本身这一复杂特点 ， 要选择精辊—模锻这一特殊 工艺， 使弹簧座之间的部位辊锻成型 ， 以减少模锻设备吨位 ， 这样
第８ 期
李如雄等： 汽车前轴制坯辊锻工艺分析与三维数值模拟
１３ １
采 用 表 面一 面 （Ｔ ） 库仑 摩擦 来 模 拟接 触 。 定 义 轧辊 表 表 Ｓ Ｓ和 面 为 目 面 ， 件表 面为 接触 面 ， 辊 和轧件 间 的摩擦 系数 ／ ０ 。 标 轧 轧 ｘ ． －４ －
３数值 模 拟结 果 分 析
；
【 要】 摘 采用基于热力耦合的刚粘塑性有限 元法对汽车前轴制坯辊锻成形工艺 进行 了 模拟 ，分析 ｉ
？
÷ 了三道 次辊锻过程 中坯料 的金属 流动 、 温度 场、 具 受载情 况 ， 模 为进一 步 掌握前轴精 密制坯辊锻 成形机 ÷ 理、 制订合理 的工 艺参数 提供 了可靠的理论依 据。
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Baidu Nhomakorabea
关键词： 辊锻制坯； 前轴； 热力耦合； 有限元模拟 ｉ 【ｂｔ ｃ Ｂａ — ａｎ ｌｏ ｉ ｐｏ ｓｉ ｉｕｔ ｆ ｔ ｏｖｆ ｎａｅ ｓｇ ｈ ｍ 一 ； Ａ ｓａｔ ｌｋｍｋ ｇｏｆｒｎ ｒ ｅ ｍｌｅ ｏａ ｏ ｔｅｒ ｔｘ ，ｉ ｔｒｏ ｒ 】 ｎ ｉ ｒｌ ｇ ｇ ｃ ｓｓ ｓ ａｄ ｒｕｍ ｉ ｏ ｌｕｎ ｅ
廓辊锻件模具成形 曲面的设计仍然没有成熟的理论指导 ， 在工艺 调试过程中， 多次修改原始设计是不可避免的。
信息技术的发展 ， 数值模拟和物理模拟技术 的进步及不断出 现的大型商品化软件等 ，为开发新型工艺起 到了明显的促进作
图１ 前轴终成形辊锻件 图
用 。使过去几乎无法解决 的三维辊锻成形复杂变形问题 ， 如材料
机 械 设 计 与 制 造
１２ ｌ
Ｍａ ｈ ｎ ｒ Ｄｅ ｉｎ ｃ ｉｅｙ ｓｇ
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Ｍａ ｕｆｃ ｕ ｅ ｎ ａ ｔ ｒ
第 ８期 ２１ ０ ０年 ８月
文章编号 ：０ １ ３９ （０ ０ ０ — １２ ０ １０ — ９ ７ ２ １ ）８ ０ — ２ １
汽车前 轴制 坯辊锻 工 艺分析 与三 维数 值模 拟
共 ２ ７ 个 节 点 ，９４ ２ 单 元 ，模 具共 ２３ ６ 节 点 ， ５ ２０ ４ ９ ８个 个 ０ ７０ ５个 单 元 ， 件 的 温度 变 化受 工 件 材 料性 能 、 力 学 性 能 的 影 响 ； 工 工 热 加
（）制坯 辊 锻 应 变 场模 拟 图 ａ （ ）预 成形 辊 锻 应 变 场模 拟 图 ｂ
（＝ ｓｓ ） ｒ ，，
力与摩擦力对咬入 的作用及接触面产生过剩变形 的机理及非定
常工具与工件间塑性接触面的描述等问题。 在辊锻 Ｃ Ｄ研究上 ， 式 中： 一应力； —应变 ； ・ Ａ ｏ ｒ ８ ｓ —应变速率 ； ＿ Ｌ 车 件温度。
★来稿 日期 ：０９ １ — ２ ２０ — ０ １
前轴精制坯辊锻成形过程模 拟采 用基于热力耦 合的刚塑性
有 限 元法 。锻 件 材 料 为 钢 ， 始 坯料 尺 寸 为 中１５ ￣ ６ ｍｍ 的 原 ｍｍ ６ ０ １
圆柱体， 初始温度为 ｌ ０ ％。 ０ 模具 预热温度为 ３ ０ 将工件视为 ２ ０ ℃。 刚塑性体 。 模具假设为刚性体 。 其锻辊旋转速度为 ３ ｒ ｉ。 ０／ ｎ 坯料 ａ ｒ
李 如 雄 王金 铝
（ 景德镇 陶瓷学 院 机 电学院 ， 景德镇 ３ ３ ０ ）无锡透 平叶片有 限公 司 ， ３４ ３（ 无锡 ２ ４ ２ ） １ ０ ３
Ｂｌｎ － ａ ｋ ｍａ ｉｇ ｒ Ｉ Ｏ ｇｉｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ａ ｄ ｎ ｍｅ ｉａ ｉ ｌｔ ｎ ｏ 一Ｄ ｅ ｏ ｍａ ｉ ｏ ｋｎ ｏｌｆ ｒ ｎ ｒ ｃ ｓ ｎ ｕ ｒ Ｉ ｍｕａ ｉ ｆ ｃ ｓ ｏ ３ ｄ ｆｒ ｔ ｏｎ ｆ ｒ ａ ｔ ｍｏ ｉｅ ｆｏ ｔ ｘｅ ｕｏ ｔ ｒ ｎ ｌ ｖ ａ Ｌ ｕ ｘ ｎ Ｉ － ｉ ｇ， Ｒ ｏ ＷＡＮ ｎ １。 ｅａｔ ｎ ｆ ｃ ａ ｉ ｌ ｎ ｌｃ ｉ ｌ Ｇ Ｊ 一ｖ （Ｄ ｐ ｒ ｉ ｍｅ ｔ ｈ ｎｃ ｄＥｅｔｃ ， ｏ Ｍｅ ａａ ｒ ａ
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中图分类 号 ： Ｈ１ 文 献标识 码 ： Ｔ ６ Ａ
１ 言 引
前轴是汽车上最大最重的锻件 ， 汽车中的承锻件 ， 也是 它通 过弹簧座和钢板弹簧相连承受车身载荷 ， 通过两端拳头部位和转