气门热挤压成形过程模拟及其模具优化设计

摘要

气门是发动机“心脏”零件，随着发动机向高速、大功率方向发展所需气门规格、品种及数量也愈来愈多，对其质量要求愈来愈高。热挤压工艺生产气门锻件同其它生产工艺相比，具有工艺稳定性好，产品表面质量、尺寸精度高，产品结构、机械性能好，生产效率高等优点，是当今气门尤其是轿车气门生产的发展趋势。 根据我国轿车制造工艺的迅速发展和课题组承担的“气门热挤压技术和电动螺旋压力机研究”的需要,本论文着重进行了气门的热挤压成形工艺分析和成形过程模拟。气门热挤压工艺具有以上优点，但是也存在着缺点；如模具特别是凹模寿命低，加热质量要求严格。模具寿命低是当前气门热挤压生产中存在的主要问题，急需解决。 本文在阐述气门生产技术的现状及发展趋势的基础上，研究了热挤压工艺的变形特点，以及存在的问题。在分析金属塑性成形过程的基础上，阐述了刚—粘塑性材料模型，重点论述了一维粘塑性本构关系及复杂应力状态下的本构关系、动应力模型，以及刚粘塑性变形的变分原理和有限元列式，为气门热挤压成形的数值模拟打下了理论基础。 本文在分析传统的热挤压模具主要因磨损过快而影响其使用寿命的原因和机理的基础上，归纳了基于塑性成形理论的四种理论及半经验半理论的型腔轮廓设计方法，提出了基于序列二次规划法的优化理论的优化设计方法，设计了具有组合结构的热挤压和镦锻成形模具。 针对DCI11气门热挤压模具寿命过低的问题，利用上述成果，基于刚塑性有限元与热力耦合的思路，采用DEFORM商业软件对挤压和终锻成形过程进行数值模拟，获得气门锻件热挤压和终锻成形过程中的应力、应变及应变速率、损伤、温度分布和金属流动规律；预测了工件的成形状况、所产生的主要缺陷的形式、部位和原因。为优化气门热挤压工艺及提高模具寿命提供了定量与定性相结合的理论依据。