前轴精制坯辊锻成形过程的数值模拟与优化

摘要

辊锻是金属塑性成形中的一种重要加工方法，这种工艺具有生产率高、工艺适应性强及设备投资小等优点。但要开发一种像前轴这样复杂锻件的精制坯辊锻工艺，仍需相当长的设计时间和调试周期，这是由于对辊锻成形规律的认识处于经验阶段，已有轧制方面的研究成果只能提供方向性的指导，无法提供精确的计算方法和计算结果。在工艺设计中，需要反复修改设计参数，大量人力物力的损失是不可避免的。随着信息技术的发展，传统的经验方法正逐步被金属成形过程中的有限元模拟所代替。有限元模拟技术可以预测坯料在模具中的流动状态、温度场、应力应变场随时间的变化趋势，已经成为防止锻件缺陷、优化工艺方案以提高锻件质量的强有力工具。 本文根据某型号前轴的锻件图设计出前轴三道次精制坯辊锻工艺、中间辊锻件及辊锻模具结构图，并对辊锻模具进行了参数化造型。由于前轴辊锻模具是复杂自由曲面之间的连接，两曲面之间的倒角成为了辊锻件以及辊锻模建模的难点；据此选用功能强大的Unigraphics(UG)软件进行参数化建模，保证在建模过程中始终保持关键部位的参数化，在模拟过程中易于修改模具参数。 采用DEFORM_3D软件对汽车前轴精制坯辊锻成形过程进行有限元模拟。对模拟初期的接触问题、咬入问题以及约束问题等进行了详细的解答。并通过调整分模线位置和增加接料台装置改进了企业原有工艺，在不明显改变辊锻过程坯料应力、应变以及模具载荷的情况下，克服了由于上下模具型槽不对称而导致辊锻件水平弯曲这一严重的质量缺陷。通过修改预成形辊锻模具参数化模型的中间工字梁部位对应的圆心角解决了精制坯辊锻模拟过程中出现的坯料超前或滞后模具型槽的问题。分析了工字梁部位金属填充不满的原因，并通过调整圆角参数解决此问题，优化了模具设计参数。最后分析了三道次整体辊锻过程中坯料的温度场、应变场、模具在各个方向上所受载荷以及坯料所受的辊锻力矩，为前轴工艺开发、设备选择提供了准确的理论依据。