基于Forge的汽车空心转向轴旋锻成形数值模拟及工艺参数优化

摘要

转向轴是汽车转向系统的重要零部件之一,它的作用是将驾驶员作用于方向盘的力矩传递给转向器,在服役过程中要求它具有一定的刚度,抗疲劳性能和吸能功能.目前,转向轴的传统制造工艺复杂且材料利用率低.相比之下,利用旋转锻造技术制造出的汽空心车转向轴不仅能够减轻汽车自重实现汽车轻量化,还能实现节能减排.基于这一目的,本课题采用数值模拟手段和正交优化设计获得了旋转锻造成形汽车空心转向轴优化的工艺参数,并对试制产品的组织及性能进行了检测,研究情况如下:　　(1)根据相关图纸对零件、锻件结构进行分析,以体积不变原理制定出了相应的锻造工步,并设计出旋转锻造所用的模具.利用UG建立好相关的三维模形并导入模拟软件中,在设置好相关参数后进行空心转向轴旋转锻造成形的数值模拟.　　(2)在数值模拟过程中主要研究了锤头相对转角、锤头下压量、进锤速度、坯料轴向进给量对转向轴成形后材料折叠缺陷、锤头载荷、有效应变、有效应力的影响.结果表明:模具载荷主要受锤头径向下压量和轴向进给量的影响;材料的等效应力受锤头下压量、进锤速度、坯料轴向进给量的影响十分明显;同时锤头下压量、进锤速度以及轴向进给量对材料等效应变的影响也较大;锻件的转速对材料的等效应力和等效应变的影响规律没有明显的线性关系.　　(3)通过正交优化得到了最优工艺参数:锤头相对转角为18°,下压量为1㎜,进锤速度为5mm·s-1,坯料轴向进给量为0.5mm.随后在数值模拟软件中用该组工艺参数成形出了汽车全空心转向轴,通过对成形后模具的载荷、材料等效应变、材料等效应力以及折叠等缺陷的分析发现:通过最优工艺参数组成形出来的汽车全空心转向轴应力及应变分布合理,无材料折叠和裂纹等缺陷的产生,成形优化效果较好.　　(4)以最优工艺参数对转向轴进行了样品的试制,试制所得到的汽车全空心转向轴样品表面光洁圆整,各成形段过渡均匀,与模具贴合的表面质量好,旋锻成形的内齿形状规整;经检测,样品的静扭矩为320N·m,在加载为35N·m下低载疲劳测试中的样件发生断裂为4×105次,均达到了国家标准.将样品的几个关键成形部位取样进行了硬度的检测并在金相显微镜和扫描电镜下进行了组织的分析.经检测样品变形区的平均显微硬度约为201HV,明显高于未变形区的178HV;后续的微区组织的检测发现:一方面旋锻使组织的晶粒变得更加细小,材料致密度得到明显改善;另一方面通过旋转锻造使材料内部形成了具有择优取向的纤维组织,使变形区的组织具有很强的织构性,这会大大提高产品最终的性能.

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题背景及选题意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内外空心轴类的研究现状

1.2.2 旋锻成形工艺的发展状况

1.3 论文研究的内容和目标

第二章 理论基础及分析

2.1 旋转锻造工艺

2.1.1 旋转锻造原理

2.1.2 金属的流动

2.2材料刚粘塑性有限元理论

2.2.1 材料变形过程的基本假设

2.2.2 材料刚粘塑性的基本方程

2.2.3 材料粘塑性变分原理

2.2.4 刚粘塑性有限元变分原理

2.3旋转锻造过程解析性分析

2.3.1 空心转向轴的变形区域划分

2.3.2 空心转向轴在各个变形区的应变解析

2.3.3 空心转向轴在两个变形区的应力解析

2.4 本章小结

第3章 工艺参数对汽车空心转向轴旋转成形质量的影响

3.1 空心转向轴旋转锻造成形分析

3.2 模拟坏境设置

3.3 旋转锻造的工艺参数

3.3.1 锤头径向下压量对成形的影响

3.3.2 进锤速度对成形的影响

3.3.3 锻件的转速对成形的影响

3.3.4 锻件轴向进给量对成形的影响

3.4 本章小结

第4章 基于正交试验的旋锻成形参数优化

4.1 常用优化方法

4.2 正交试验设计

4.3 优化工艺参数的数值模拟及结果分析

4.4 本章小结

第5章 汽车全空心转向轴的物理实验研究

5.1 样件试制

5.2 疲劳性能检测

5.3 显微硬度检测

5.4 组织检测

5.4.1 金相分析

5.4.2 扫描电镜分析

5.4.3 EBSD分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果

附录