发动机连杆热锻成形数值模拟及模具结构优化

摘要

连杆是轿车发动机的高性能零件之一，其作用是将活塞的往复直线运动转换为曲轴的旋转运动。连杆一般通过模锻工艺生产，锻件的力学性能和表面质量要求高、尺寸公差和重量公差窄。采用两模腔锻模生产发动机连杆不仅可以提高生产效率而且可以降低生产成本。但复杂的模腔布局容易使连杆锻件出现折叠、塌角等锻造缺陷。
　　本文所述热锻连杆的材质为非调质钢SVDH20S1。连杆棒料中频感应加热之后直接进入模锻工序，且模锻之前无需辊锻制坯，模锻之后锻件无需热处理。然而，采用两模腔锻模生产连杆时，最大的问题在于控制成形载荷和锻件质量，同时锻造中模具磨损也不容忽视。解决这些问题的途径通常是借助数值模拟对连杆热锻工艺进行分析并对模具进行优化。
　　基于有限元模拟分析了连杆热锻三工序。首先，设计了双模腔连杆锻模并提出了模腔中心距、模腔旋转角和中心飞边仓深度三个设计参数。其次，建立了三因素二水平正交试验方案并使用DEFORM3D软件执行模拟，结果表明：预锻1工序的成形载荷、折叠倾向和模具磨损深度在三个工序中均处于最高水平；模膛中心距和模膛旋转角是影响成形载荷和锻造缺陷的主因素；中心飞边仓深度主要影响终锻模具磨损。
　　采用响应面法对连杆预锻模具设计参数进行优化。使用中心复合设计法设计了试验方案，三因素为模膛中心距、模膛旋转角和飞边厚度，两个响应为预锻1最大成形载荷和最大模具磨损深度。执行数值模拟并建立样本集合，通过拟合得到响应面模型。方差分析显示两个预测模型的精度均达到93％以上。以预测模型为基础，通过非线性算法进行若干次迭代，得到了两个响应最小化时的因素优化组合。根据优化结果对连杆锻模和坯料进行再设计和有限元模拟，结果表明：成形载荷和模具磨损深度显著降低，锻件无内部和外部缺陷，为连杆的模具设计和热锻生产提供了参考。
　　采用UG软件分析了连杆锻模加工工艺并编制了锻模多轴铣加工的数控程序。最后，给出了连杆模锻生产线，并利用数控机床加工所得模具进行实际生产，获得了质量合格的连杆锻件。

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第一章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 锻造连杆的研究现状

1.3 锻造成形数值模拟的研究进展

1.4 课题研究内容及目的

1.5 课题研究的可行性

第二章 连杆多模膛模锻工艺及模具设计

2.1 引言

2.2 非调质钢热锻连杆

2.3 热锻连杆的工艺流程的对比和选择

2.4 1KD连杆锻件设计和模具设计

2.5 本章小结

第三章 基于DEFORM 3D的连杆热锻数值模拟

3.1 引言

3.2 锻模设计参数

3.3 热模锻工艺有限元模拟

3.4 模拟试验结果及对比分析

3.5 正交试验结果分析

3.6 本章小结

第四章 基于响应面法的连杆模具优化设计

4.1 引言

4.2基于响应面法的优化设计

4.3 优化实验方案的建立

4.4 响应面法模型的回归分析和方差分析

4.5 连杆坯料的优化设计

4.6 优化后的数值模拟和结果分析

4.7 本章小结

第五章 基于UG的连杆热锻模具加工

5.1 引言

5.2 锻模的高级铣削

5.3 连杆模具的数控编程

5.4本章小结

第六章 连杆热锻生产验证

6.1 引言

6.2 1KD连杆热锻生产线布置

6.3 1KD连杆实际生产验证

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢