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上海交通大学 硕士学位论文 车轴套管热挤压缩径成形数值模拟研究 姓名：姚华明 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：邢渊 20060101 硕士学位论文 5 车轴套管热挤压缩径成形数值模拟研究 摘 要 车轴套管热挤压缩径成形数值模拟研究 摘 要 汽车传动轴套管的无芯整体热挤压缩径成形工艺以薄壁管缩径 理论为基础是塑性成形领域的前沿课题该工艺能够大大提高产 品的力学性能和使用寿命具有节能节材生产效率高成本低等特 点但是目前生产工艺还不够稳定在实际生产中有很多问题无法 解决加工参数的制定没有理论依据 本课题的研究意义在于提出无芯热挤压管材缩径过程中的材料 流动规律与各影响因素耦合作用的关系丰富和发展了涉及多学科 领域的热挤压缩径成形新理论有助于我国在热挤压缩径成形技术 领域的自主知识产权的建立对汽车传动轴套管热挤压缩径工艺的 制定起到切实有效的指导作用具有巨大的经济效益和社会效益 本文通过数值模拟与产品试验相结合的方法研究了各种工艺 参数对传动轴套管成形质量的影响为生产工艺参数的制定提供一 定理论依据在工艺参数研究的基础上模拟了不同模具方案的产 品成形过程通过对模拟结果的分析和与工厂试验结果的比较优 化了成形工艺方案将优化后的成形工艺方案进行了工厂产品试制 验证发现产品成形质量和稳定性较原方案有明显的提高和改善 关键字传动轴套管热挤压缩径数值模拟塑性成形 硕士学位论文 6 the fem analysis on forming an axle shaft sleeve by mandrelless hot-extruded tube sinking abstract the technology of forming an automotive axle spindle sleeve from one beam by mandrelless hot- extruded tube sinking, which is based on the theory of thin- walled tube sinking, is one of the advanced technologies in the research field of plastic forming. this technology can significantly improves products mechanical performance and operational life span and has such characteristics that save material, increase productive efficiency and reduce cost. but by now, the stability of process is so insufficient that many problems encountered during practical production cannot be solved, and moreover processing parameters are determined without theoretical instruction. putting forward the material running law of the forming process and impacts of processing parameters on the performance of product, developing the theory of hot- extruded tube sinking, and building up our national independent intelligent property right in the field of hot- extruded tube sinking technology are the purposes of this study. additionally, it is shows that the new study possesses obvious benefits both in society and economy. in this paper, the impact of processing parameters on the forming of axle spindle sleeve is studied by combinative method of fem and pilot production, and theoretical design data based on the impact study is provided to determine processing parameters. several die schemes are designed to simulate the product forming process by fem analysis. the processing scheme is optimized by comparing the results of fem analysis to the results of pilot production. great improvement is obtained both in 硕士学位论文 7 the stability of process and the quality of product. key words: axle spindle sleeve, hot- extruded tube sinking, fem simulation, plastic forming 硕士学位论文 3 上海交通大学学位论文原创性声明上海交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式 标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名姚华明 日期 2006 年 2 月 22 日 硕士学位论文 4 上海交通大学学位论文版权使用授权书上海交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规 定同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版允许论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密保密在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名姚华明 指导教师签名邢渊 日期2006 年 2 月 22 日 日期2006 年 2 月 22 日 硕士学位论文 1 第一章 绪论第一章 绪论 1.1 引言引言 汽车传动轴套管俗称桥壳如图1- 1所示是一个重要的保安件在汽车 的行驶过程中除承受整个车身及车载货物的重量还要承受由于路况的变化 而引起的各种复杂的交变应力因此传动轴套管成形质量的好坏直接影响 着车辆的行驶安全而对汽车传动轴套管质量影响最直接的无疑是其成形工艺 图 1-1 汽车传动轴整体套管 fig.1- 1 integral axle shaft sleeve 汽车传动轴套管属于薄壁壳形零件从图中可以看出该零件中间部分呈矩 形状等壁厚而且长度较长两端部是形状相同的变直径变壁厚圆管段且长 度较短端部与中部矩形段之间通过一段方圆过渡段连接 由于整个零件具有细长中空外形复杂以及壁厚不均等特征使得整体 成形该零件比较困难根据汽车传动轴套管的左右对称性传统的成形工艺是 先将整体套管分段成多个部分分别成形再通过焊接工艺联接成整体传统汽 车轴套生产工艺的研究主要集中在成形难度较高的端部变直径变壁厚圆管段 因此习惯上称为汽车半轴套生产工艺图1- 2所示的零件就是采用传统的半轴 套生产工艺生产的某型号小型车半轴套产品 图 1-2 汽车半轴套产品 fig.1- 2 rear automotive axle shaft sleeve 采用分段成形后再焊接的传统工艺生产的整体汽车传动轴套管在联接部位 硕士学位论文 2 不可避免的会存在各种焊接缺陷从而使得该部位的强度和性能低于母体为 了保证整个套管的承载能力往往需要增加各部分壁厚从而使得整个套管的 重量大为增加因此采用传统工艺生产的整体套管的重量一般都比较大既浪 费了材料又不利于现在汽车减重节能的发展趋势正是在此背景之下该领 域众多的专家学者和科研人员纷纷开始投入到整体成形汽车传动轴套管新工 艺的研究中来 薄壁管无芯热挤压缩径成形工艺是成形汽车传动轴套管的一种新工艺是 塑性成形领域的前沿课题以往该工艺的研究主要应用在汽车的小型低强度轻 合金零件领域而将其应用于成形大直径高强度合金钢管形零件的研究尚处于 起步阶段传动轴套管无芯整体热挤压缩径成形工艺的特征及其对模具和设备 的要求与低强度轻合金零件有明显不同轻合金管件的成形理论和技术要应用 到汽车传动轴套管中还需要作进一步的改进 能有效实现产品寿命周期协同设计智能化设计与可制造性模拟的计算机 数值模拟仿真技术是缩短产品开发周期降低成本减少产品开发风险加 速形成我国汽车零部件自主开发能力的共性关键技术随着计算机软硬件技术 的不断发展基于有限元理论的计算机数值模拟技术为此项技术的研究提供了 便利有效的手段和工具引入计算机数值模拟技术可以实现汽车传动轴套管无 芯整体热挤压缩径成形工艺的实验与计算机模拟相结合的研究方法 1.2 国内外研究概况国内外研究概况 自第一辆现代汽车诞生到现在已经有100多年的时间汽车传动轴套管始终 是汽车不可或缺的部件之一汽车传动轴套管的形式和成形工艺随着汽车的更 新换代而不断发展进步 1.2.1 国外研究概况国外研究概况 在汽车发展的早期汽车传动轴采用实心轴没有传动轴套管的结构汽 车的承载主要依靠实心传动轴第二次世界大战以后世界汽车工业进入了大 发展时期各种新技术新工艺和先进生产设备不断问世并被广泛应用到汽车 生产之中汽车传动轴套管开始作为车身的承载部件出现在汽车底盘上在这 一时期的传动轴套管结构和形状相对简单制造工艺比较粗糙相对注重生产 和应用技术而对汽车传动轴套管的成型原理和理论的研究则比较少 进入二十世纪七十年代人们对汽车传动轴套管的成形理论进行了大量的 研究其间不但研究出了多种新的成形工艺方法和专用生产设备还在成形理 论方面取得了丰硕的成果但此时所有的成形工艺和理论研究都只限于半轴套 使用坯料一般都是圆柱形棒料 硕士学位论文 3 美国一直以来是世界汽车业的中心在整体成形汽车传动轴套管的工艺和 理论研究方面开始最早在上世纪80年代美国就已经研究出薄壁管有芯热挤 压缩径成形工艺和三辊楔形模旋压横轧成形工艺并且成功研制出了相应的专 用设备在实际生产中得到了广泛的应用从而大大提高了汽车传动轴套管的 产品质量和生产效率此后日本法国和德国等国家也进行了大量的相关研 究在使用圆管坯料生产汽车传动轴套管方面取得了不少的研究成果目前 在这些汽车生产强国被广泛采用的稳定成熟的传动轴套管整体成形工艺主要有 两种有芯热挤压缩径成形工艺和旋压成形工艺薄壁管无芯热挤压缩径成形 工艺在近年成为研究热点但由于其相应的成形理论研究还不足于解决实际生 产中遇到的所有问题使得该工艺的稳定性不是太高 1.2.2 国内研究概况国内研究概况 由于我国制造技术的落后和该领域理论研究的投入不足使得我国汽车传 动轴套管的生产到目前为止还停留在上世纪六七十年代的工艺水平几乎90% 的传动轴套管都是采用分段成形后再焊接的传统工艺生产的但是该工艺的生 产效率和材料利用率低生产成本高此外由于采用了焊接工艺产品质量 得不到保证往往存在各种焊接缺陷这种传统工艺生产的汽车传动轴越来越 不能满足我国汽车工业的发展需求 因此在近年也有部分企业开始尝试采用先进的整体成形工艺以期改变 目前产品市场竞争力不足的现状目前已有一些国内企业成功地应用了旋压工 艺进行汽车传动轴套管的整体成形与此同时国内塑性成形领域的部分学者 也开始关注薄壁管热挤压缩径成形工艺这一前沿课题开始致力于汽车传动轴 整体热挤压缩径成形新工艺的研究目前国内汽车传动轴套管的成形工艺方法 有很多但还是以分段焊接成整体的成形工艺为主按照工艺使用毛坯类型的 不同大致可以将汽车传动轴套管的成形工艺分为使用圆钢坯料和使用薄壁管坯 料两类表1- 1列出了各种工艺方案的优缺点和实施年代 表 1-1 汽车轴套成形工艺 坯料工艺特征优缺点使用设备产品类型实施年代坯料工艺特征优缺点使用设备产品类型实施年代 胎模锻 产品为盲孔生产率 太低工人劳动量大 1t蒸空自由 锻锤 半轴套1997 模锻锤模锻 产品为盲孔生产率 低 3t模锻锤 半轴套1998 热挤压 产品为通孔工人劳 动强度大投资少 2500kn曲 柄压力机 半轴套1970 圆钢圆钢 镦挤成形 产品为通孔二火锻 造 20000kn油 压机 半轴套2000 硕士学位论文 4 平锻成形 产品为通孔平锻机 设备投资大从长远 考虑有竞争性 12500kn平 段机 半轴套1988 多条自动线上 成形 自动生产线投入太大 自动生产 线 半轴套1996 三辊楔形模旋 压横轧成形 生产率高工艺复 杂设备投入大 三辊楔形 旋压设备 整体轴套2000 薄壁管有芯热 挤压缩径成形 生产效率高单工序 成形产品质量高 设备投入大 专用设备整体轴套2004 薄壁管 薄壁管无芯热 挤压缩径成形 生产效率高 薄壁管 薄壁管无芯热 挤压缩径成形 生产效率高设备投 入少 设备投 入少产品质量好 普通油压机整体轴套 产品质量好 普通油压机整体轴套2005 1.3 研究内容和意义研究内容和意义 汽车传动轴套管的无芯整体热挤压缩径成形工艺以薄壁管缩径理论为基 础是塑性成形领域的前沿课题但是目前生产工艺还不稳定在实际生产中 有很多问题无法解决加工参数的制定没有理论依据研究的目的就是通过数 值模拟和参数优化研究各种工艺参数对传动轴套管成形质量的影响为生产 工艺参数的制定提供一定理论依据 1) 研究内容研究内容 本文采用理论分析与试验结合的方法建立汽车传动轴套管整体热挤压缩径 成形的真实力学本构关系利用有限元方法对热挤压缩径成形进行数值模拟和 分析获得零件成形过程的应力分布状况和材料流动规律以及模具受力状况 并在卧式油压机上进行真实试验验证获取各种试验数据进一步地调整和优 化成行工艺参数研究的主要内容是 a) 研究汽车传动轴热挤压缩径成形过程中材料的流动规律 b) 研究材料性能变形速率摩擦条件加热温度模具形状成形次 数等因素对零件变形和形位尺寸精度的影响 c) 研究成形过程中模具材料的破坏机理并优化模具结构和材料 d) 研究热挤压缩径成形对金属材料的内部组织力学性能等的影响 2) 研究意义研究意义 相比传统的汽车传动轴生产工艺无芯整体热挤压缩径成形工艺具有生产 效率高整体力学性能好节约材料及设备投资少等优点因此本课题的研究 意义主要有 a) 采用无芯整体挤压缩径成形技术成形汽车传动轴套管填补了国内空 缺 b) 系统地提出无芯热挤压管材缩径过程中的材料流动规律与各影响因素 硕士学位论文 5 耦合作用的关系 c) 研究成果将有助于建立和发展涉及多学科领域的热挤压缩径成形新理 论建立我国在热挤压缩径成形技术领域的自主知识产权并将对热 挤压缩径的工艺制定起到切实有效的指导作用具有巨大的经济效益 和社会效益 3) 研究方法研究方法 首先进行广泛深入地调研与系统地国内外科技文献检索包括internet网 上信息检索并与国内外知名的学术研究机构和设备的生产使用厂家进行 学术交流和实际应用合作不断获取国内外该领域和方向的最新动态 以金属管缩径变形理论为基础采用理论分析和试验结合的方法建立汽车 传动轴套管整体热挤压缩径成形的真实力学本构关系利用有限元方法对热挤 压缩径成形进行数值模拟和分析获得零件成形过程的应力分布状况和材料流 动规律以及模具受力状况并在卧式油压机上进行真实试验验证获取各种试 验数据用于工艺方案的优化 4) 技术路线4) 技术路线 理论数据收集试验数据获取数学模型建立采用有限元方法进行模拟 修改参数满意塑性本构模型特性参数计算计算结果回归与分析成果 归纳与总结 5) 实验条件5) 实验条件 a) 汽车传动轴套管整体热挤压缩管成形试验在3台630t卧室油压机带有 夹紧装置或在两台水压机上进行通过中频感应加热炉对材料进行加 热原材料为20mn2, 17812的钢管压机速度60mm/s,润滑剂采用机 油石墨粉重量比2:1模具表面糙度1.6 m,模具预热温度200c左 右生产过程中通过水冷却使模具温度始终保持在350c左右另外为 保证图纸尺寸要求允许多次加热但最多不超过三次允许多次成 形但最多不超过三次 b) 用热成形模拟机确定材料不同温度下的真实应力应变关系 c) 用红外线测温仪对材料温度梯度进测定 硕士学位论文 6 第二章 成形工艺过程及其内容第二章 成形工艺过程及其内容 2.1 工艺过程说明工艺过程说明 汽车传动轴套管无芯整体热挤压缩径成形工艺的成形过程如图 2- 1 所示 以 图 1- 1 所示零件为例第一步准备长管坯料再根据设计工艺在挤压设备上将 一端的变直径部分成形接着按同样的工序成形另一端最后将中间的圆管段 成形为矩形状 图 2-1 套管整体成形过程 fig.2- 1 process of forming an axle shaft sleeve from one beam 由上述成形过程分析可知该工艺的技术难点主要是如何设计合理的加工 工艺以保证能在挤压设备上将管坯经缩径后成形出满足产品形状和尺寸的端部 变直径圆管段该工艺虽然也是分先后成形传动轴套管的两个端部但由于挤 压缩径成形的特点可以由一根管形坯料来生产整体式传动轴套管而多数传 统的锻造成形工艺都不具备用一段坯料来生产整体式传动轴套管的特点与传 统成形工艺一样利用传动轴套管左右两端对称的特点在研究无芯整体热挤 压缩径成形工艺时也只需考虑一端因此本课题在研究过程中所有的成形 工艺的研究将针对一侧端部的变直径圆管段进行 2.2 成形原理成形原理 由上节说明可以看出汽车传动轴套管的无芯整体热挤压缩径成形工艺的成 形原理应当属于薄壁管缩径挤压成形而薄壁管缩径挤压成形是当前塑性成形 领域的前沿课题和研究的热点其成形过程大致可以分为四个阶段刚性滑入 阶段缩径变形阶段反向弯曲阶段和稳定流动阶段 硕士学位论文 7 1) 刚性滑入阶段刚性滑入阶段 图 2-1 刚性滑入阶段 1凹模2管坯a凹模锥孔半角 fig.2- 2 stage of rigid leading 1female die; 2pipe blank; ahalf taper angle of female die 管坯在接触凹模后如图 2-2 所示在凹模锥形孔壁的引导下向凹模锥形 孔内滑入到管坯端部外圆周完全与凹模锥形孔壁接触之后就进入刚性滑入阶 段刚性滑入完成之后才开始进入缩径过程但是管坯与凹模锥形孔模面能作 刚性滑入不是无条件的其能顺利进行的动力学条件是 tgatg)90( 2- 1 式中 a凹模锥孔半角 摩擦角 由上式可知必然存在一临界角 a 临 由于轴向压力的作用管坯开始进入 锥孔要产生少量的弯曲和周向压缩变形增加了刚性滑入的难度故 a 临要比 上式的理论计算值小如果锥孔半角 aa 临,管坯将无法向凹模锥形孔内滑动而 发生周向失稳因此凹模锥孔半角 a 一定要小于 a 临 从理论上可以证明必定 存在一个最佳凹模锥孔半角 a 佳 且不同的管材有不同的 a 佳与 a临 但二者间的 定量描述有待进一步的实验研究 硕士学位论文 8 2) 缩径变形阶段缩径变形阶段 当管坯沿锥形孔小端即凹模出口方向运动时管坯直径不断变小故圆周 圆周必然为压缩变形而厚度方向与轴向均为拉伸变形随着缩径量的增加 应变 图 2-2 缩径变形阶段 fig.2- 3 stage of tube sinking 硬化愈来愈严重导致成形力急剧增加当未变形区的变形抗力达到其屈服极 限时就会发生轴向塑性失稳而使零件报废降低凹模锥孔表面粗糙度并采用 合适的润滑剂可以明显地减小未变形区的变形抗力若将管坯在凹模出口处 与入口处的直径之比称为缩径比则值愈小发生轴向塑性失稳的可能性 愈大将未变形区的变形抗力达到其屈服极限时的缩径比称为极限缩径比 极 当总缩径比大于极限变形比即 总极时 表明一次缩径不能达到所需尺寸 必须分多道工序进行且要求每道工序的缩径比小于其极限缩径比 极 3) 反向弯曲阶段反向弯曲阶段 硕士学位论文 9 图 2-3 反弯曲阶段 fig.2- 4 stage of reversed bending 当管坯端部自凹模锥孔小端挤出后如图 2- 4 所示并不是紧贴凹模定径 区的模壁向前移动而是仍沿锥孔斜壁方向向前移动一小段距离后再向外翻转 而贴向定径区模壁这种反弯曲现象不仅是由弹性回弹造成的更主要的是管 子外壁金属受凹模锥形孔表面摩擦作用使其流动方向与轴向送进方向相反 而内壁金属处于自由状态导致管坯变形区内外金属流动不均匀的结果实验 表明管壁愈薄反弯曲现象愈严重 4) 稳定流动阶段稳定流动阶段 当有相当量的金属流入定径区之后如图 2- 5 所示缩径变形过程就进入 了稳定变形阶段此时各个区域的尺寸和形状基本保持不变 图 2-4 稳定流动阶段 fig.2- 5 stage of steady running 硕士学位论文 10 2.3 成形过程的应力分析成形过程的应力分析 薄壁管无芯挤压缩径成形过程比薄壁管拉抜成形过程复杂得多本文根据 主应力法比较详细地推导了薄壁管无芯挤压缩径过程应力分布 在薄壁管无芯挤压缩径成形过程中薄壁管任意截面的壁厚与直径相比很 小沿壁厚的应力变化可以忽略不计忽略钢管的弹性变形一般不会造成多大 计算误差可以认为当管端达到模具出口处时缩径过程已由非稳态过程转变为 稳态过程如图 2- 6(a)所示锥形模具的半角为薄壁管中径由 d1=2r1减少 到 d2=2r2 在任意半径 r 处作用在模具内部微元体上的应力状态如图 2- 6(b)所示 其中 q 为轴向应力即此应力平行于模具表面为周向应力p 为模具与管 子接触面上的法向应力对应的摩擦应力为p为摩擦系数为图示 更加直观本文规定压应力为正拉应力为负 (a)锥模结构图 (b)微元体应力状态图 图 2- 6 薄壁管挤压缩径过程受力图 fig.2- 6 force diagram of extruded tube sinking 本文采用类似薄壁管拉拔成形过程的应力应变状态分析方法来研究薄壁管 无芯挤压缩径成形过程有 硕士学位论文 11 =+ = 0)1 ( )( cos bt dr rqtd r t p 2- 2 式中b=ctg 对于薄壁管来说壁厚的变化量可以忽略不计即 dt/dr 趋于 0由方程(2- 2)可得 0)1 (=+bq dr dq r 2- 3 严格来说p 不是主应力轴向应力也与端面上非均匀分布的剪应力相关 模具与管子接触面法向应力 p 比周向应力 和轴向应力 q 小得多对于一般的 摩擦系数可以忽略不计剪应力的影响应力主轴的方向不变由于周向应力 在数值上大于轴向应力 q因此 压应力q压应力p压应力令 12q3p如果管壁太薄过大的周向应力 可能导致薄壁管沿轴 向起皱失稳 由于 3p 可以忽略不计因此 vonmises 屈服准则可写成 2 2 221 2 1 y 2- 4 这里y 为理想刚塑性材料的屈服应力 对于同一应力状态tresca 屈服准则表达式为 13y对于大多数工程 材料来说vonmises 屈服准则比 tresca 屈服准则更精确一些然而当主应 力的大小顺序已经知道时应用 tresca 屈服准则可以使数学运算更简单在薄 壁管无芯挤压缩径成形过程中三个主应力的大小顺序已知为了兼顾上述两 个屈服准则的优点本文采用一种所谓的修正 tresca 屈服准则 my= 21 2- 5 式中m 为一个可调整的常熟由最小二乘法计算得出对于平面应变状态 m=1.1 在实际应用过程中应变硬化对壁厚的影响很小因此对于应变强化材料 用平均屈服应力代替(2- 5)式的 y 能保证足够的精度修正 tresca 屈服准则为 myp = 2- 6 得 my代入2- 3式整理可得 硕士学位论文 12 r dr bmyq dq = +)1 ( 2- 7 对(2- 7)式积分并利用边界条件在模具出口处rr2d2/2qq2=0由此 可得 )1)(1 ( 2 r r bm y q += 2- 8 在计算模具入口处的轴向应力值时不能忽略模具入口处的圆弧过渡部分 的摩擦和弯曲的作用因为它们对缩径成形过程有重要的影响模具入口处的 轴向应力为 )1 ( 4 )1)(1 ( 1 2 max + += r yt r r bmyq 2- 9 于是实际所需的缩径成形力 f 为 max11 qtdf= 2- 10 由式(2- 10)可以看出在其它条件相同时缩径成形力 f 随着摩擦系数的增 加壁厚的增加而增加存在一个凹模锥角最佳值此时缩径成形力 f 值最小 并且最佳凹模锥角随摩擦系数的增加而增加 2.4 成形过程的壁厚变化规律成形过程的壁厚变化规律 结合汽车传动轴套管热挤压缩径成形的特点本文只讨论直线锥模部分的 壁厚变化规律这也是壁厚变化最大的部分假设管坯为理想刚塑性材料von mises 应力应变增量关系为 + = + = 23 2 )( 23 2 )( 21 332 32 111 dd t dt d dd r dr d m m 2- 11 式中平均应力()3/ 321 += m 如果管材满足体积不可压缩条件则有 0 321 =+ddd 2- 12 由方程(2- 10)可得 硕士学位论文 13 () () 2 2 / / 32 1 21 3 1 3 + + = rdr tdt d d 2- 13 由于0 3 = p整理(2- 13)式得到 r dr q q t dt + = 2 2- 14 由my= 1及)/1)(1 ( 22 rrbmyq+=可得 ()()r dr rbrb r t dt + = 2 11 3 1 2- 15 对方程(2- 15)积分得 ()()rrbrb cr t + = 1 3 2 11 2- 16 式中c 为积分常数根据边界条件在模具入口处rr1tt1由此可得 壁厚 t 与半径 r 的关系为 ()() ()() r rbrb rbrb r rt t + + = 1 3 2 21 1 1 11 11 2- 17 在模具出口处rr2tt2代入(2- 17)式可得知出口处的壁厚值 ()() r r rbrb r tr t + = 1 3 2 21 1 12 2 2 11 2- 18 若令管子无芯挤压缩径过程中出口处与入口处的直径比为 12/ r r d =管壁厚 度之比为 12/t t t =则有 () () r d d dt bb + = 1 3 2 11 2- 19 图 2- 7 说明了 t 与 d 二者之间的关系由于薄壁管无芯挤压缩径变形时轴 硕士学位论文 14 图 2-7 厚度比与直径比的关系图 fig.2- 7 relationship between thickness ratio and diameter ratio 向压力 q 为压应力图 2- 6(b)中的微元体处于三向受压状态在实际缩径极限 范围内(0.7150 主滑块挤压速度mm/s3060 主滑块满负荷挤压速度mm/s1225 主滑块回程速度mm/s150 顶出力kn1200 顶出行程mm200 定出前进速度mm/s50 顶出退回速度mm/s100 垂直夹紧力kn2000 夹紧滑块行程mm350 垂直夹紧滑块有效尺寸mmmm700800 固定夹紧台有效尺寸mmmm700800 固定夹紧台中心线至工作台左端平面距离mm1200 滑块中心线距地面高度mm1000 固定夹紧台上平面至主滑块中心线距离mm4000.3 固定夹紧台上平面至夹紧滑块下平面最大距离mm1100 工作介质yb- n46 抗磨液压油 工作介质压力mpa25 电机功率kw240 3) 性能特点性能特点 机身整体框架结构其主要构件均为优质钢板q235一级焊接结构 各大构件焊后经震动时效处理以消除内应里焊缝打磨平整无焊渣和流疤现 象机身整体外观平整美观 主滑块采用斜楔式外 45导轨调整精度高刚性好调整后不易发生精 度跑偏现象导轨固定侧经淬火处理硬度在 hrc55 以上导轨滑动侧选用新 硕士学位论文 16 型减磨材料锌基合金耐磨性能良好使用寿命为铜基合金的 1.5 到 2 倍 由于滑块为水平运动故主滑块下部设置四个滚轮用来支撑主滑块重量降 低滑块导轨的磨损量 2.5.1.2 加热设备的要求加热设备的要求 由于采用的是热挤压缩径成形因此加热设备是必不可少的虽然成形用 的管坯的壁厚相对于管坯直径要小的多属于薄壁管但壁厚的绝对值却不是 很小一般在 10mm 以上因此不适宜用表层加热的高频感应加热设备和加 热时间过长的低频感应加热设备而应该采用中频感应加热设备 此外感应加热设备的加热腔的尺寸要适合加工过程中各个工序管坯的加 热加热腔的长度要略长于传动轴套管变直径的圆管端部的长度 2.5.2 材料要求材料要求 汽车传动轴套管按其用途属于结构用钢管但它与一般结构钢管相比又有 其特点如 1) 尺寸规格特殊根据汽车的型号吨位传动轴套管的外径规格为 77 77.5115116120mm均属于专用的非标准规格系列 2) 尺寸公差较一般结构管要求高 3) 内径有公差要求并规定内径需进行通棒检查 4) 合金结构钢的机械只规定检查布氏硬度值 5) 钢管以定尺或倍尺供货 6) 钢管外表面需经机械加工 此外不同型号汽车传动轴套管均有质量特性指标如解放和东风 牌卡车有如下 6 项质量特性指标 1) 钢管的尺寸及允许偏差外径 0 . 1 5 . 0 77+ mm内径 5 . 1 5 . 0 57+ mm壁厚不均 1.5mm 2) 钢管的弯曲度1.5/1000 3) 钢管长度按倍尺交货 4) 钢管材质为 45mn2 5) 钢管热轧状态交货其布氏硬度hb的压痕直径为 4.13.7mm 6) 钢管内径需进行通棒检查圆棒尺寸为55mm700mm 由于要整体成形汽车传动轴套管因此该工艺所用管坯的长度要大于传动 轴套管的长度管坯直径和壁厚值的确定要视具体传动轴套管的产品形状和尺 寸并且经过分析计算之后选用现有规格但又由于传动轴套管要承载整个车身 硕士学位论文 17 的重量管坯的壁厚值不宜小于 10mm否则其强度和刚度得不到保证同时 易引起传力区失稳现象的发生 根据国家颁布的 gb3088- 82 汽车半轴套用无缝钢管专用标准我国汽车传 动轴套管用钢管牌号主要有 4545mn240cr 和 20crni3a 这 4 种但近年也 有采用其它牌号钢如 20mn2来生产汽车传动轴套管的本文进行的汽车传 动轴成形工艺的研究和有限元模拟也将采用 20mn2 作为管坯材料 2.5.3 主要工艺参数主要工艺参数 汽车传动轴套管热挤压缩径成形工艺较单次变径挤压缩径成形复杂得多 必须综合考虑成形温度摩擦条件成形速度和成形次数等诸多因素的影响 2.5.3.1 成形温度成形温度 温度是热加工中一个非常重要的因素它不但直接影响材料的力学性能 微观组织及流动而且还关系到能源消耗等成本问题 由于该工艺的本质还是金属的塑性变形因此在选择加热温度时主要考虑 温度对材料变形抗力的影响原则是选择在变形抗力变得较小的温度或越过较 大变形抗力的温度进行加工 金属的加热温度与变形抗力的关系曲线的总趋势是温度越高变形抗力 越低但有些钢材在一定的温度范围内变形抗力会随着温度的升高而有回升 的现象这就是蓝脆现象如图 2- 8 所示当材料出现在蓝脆的温度范围与应 变速率有密切关系当应变速率增加时蓝脆区域向温度高的方向移动但变 形抗力的数值会相对有所减小由于汽车传动轴套管所用材料属于低合金高强 度结构钢一般都存在蓝脆现象因此在成形过程中材料的加热温度应该避 开所用材料的蓝脆温度范围 硕士学位论文 18 图 2-8 15 钢在应变速率为 6/s 时温度与变形抗力的关系 fig.2- 8 relation between temperature and anti- forming force 2.5.3.2 摩擦条件摩擦条件 在汽车传动轴套管热挤压缩径加工过程中凹模型腔与变形金属产生摩擦 的部位可以分为abc三段如图2- 9所示不同于实心柱体挤压加工其中 a段和c段的摩擦可以忽略不计因为管坯缩径过程中处于a段的金属还没有 达到塑性屈服其与模具内壁之间的接触面积和压力都比较小因此摩擦力可 以忽略不计如2.2节中所述管缩径成形过程中会出现反弯曲现象当金属进 入定径区c时并不紧贴模壁所以c段的摩擦也可以忽略 图 2-9 成形过程的摩擦副 fig.2- 9 friction pair of forming process 在缩径段b b,金属因直径减小而产生快速流动,摩擦副一个是模具的工作面 另一个是粘性流动的金属变形体两者之间的摩擦称为塑性摩擦虽然界面间 有润滑剂作为隔离层但由于变形体产生塑性变形和流动致使摩擦副表面面 积接触率接近于100%尽管在接触面上不存在摩擦体绝对接触但实际接触面 积比一般机器摩擦大得多 因此在薄壁管缩径成形工艺中主要考虑产生缩径变形段的摩擦其摩 硕士学位论文 19 擦模型的选择将在后续章节中加以讨论 2.5.3.3 成形速度成形速度 由于成形中的高温高压高摩擦的特性在刚性滑入阶段可能产生粘着 滑移现象粘着现象的出现会影响产品质量粘着现象的产生是与多种因素 有关的但主要是取决于加载速度成形速度与粘着现象的关系无法通过有限 元软件进行模拟研究只能借助于实际试验而本文由于试验条件的限制在 考虑成形速度时将依据传统经验速度越大越容易产生粘着现象因此本文 进行模拟研究时相关的成形速度值一般不超过 300mm/s 2.5.3.4 成形次数成形次数 由于管缩径成形的特点成形次数一方面取决于该种管材的极限缩径比 极 见 2.2 节另一方面还取决于管材一定缩径比和工况条件下的变形极限变 形极限是指在确定的缩径比下由于摩擦加工硬化等因素的存在使得该工 步的缩径成形不可能一直进行下去如果管坯长度不受限制当变形进行到一 定程度时因抗力过大而使管材传力区发生轴向失稳或屈服从而使缩径过程无 法进行 本文将依据工厂的产品试验及管缩径的有限元模拟研究结果来最终确定汽 车传动轴套管的成形次数及其工序 2.5.4 模具的初步要求模具的初步要求 按照成形性质来分本工艺所用模具应该属于热挤压模具在生产过程中 长时间的承受高温高压强摩擦及循环载荷的冲击作用导致模具使用寿命 低且损耗大通常模具费用占生产成本的 1015因此延长模具使用寿 命降低模具成本该工艺的一个重要组成部分 1) 对模具材料的初步要求对模具材料的初步要求 由于工作条件恶劣一般要求模具材料满足如下要求 a) 具有足够的高温强度即使模具材料在 500以上温度范围的成形过程 中能承受高温高压作用不发生屈服变形和断裂保证挤压制品获得 所需尺寸精度 b) 具有良好的抗磨损性能即在高温强摩擦条件下模具材料能抵抗金 属制品长时间的高速的激烈的摩擦作用而不过早出现磨损尤其 对模具工作带表面更为重要 c) 具有足够高的抗疲劳性能在成形过程中模具能成承受周期性循环载 荷作用而不发生断裂损坏因此模具材料必须具备良好的抗冲击韧性 d) 具有良好的导热性能由变形金属产生的大量变形热及模具与变形金属 硕士学位论文 20 之间产生的摩擦热直接传递给模具导致温度升高为防止模具局部出 现过烧显现模具材料应具有良好的导热性能能向外快速的散发 热量 e) 具有良好的热处理淬透性和可氮化性即模具材料在热处理过程中应 保证模具的强度力学性能均匀一致同时模具在使用过程中可多次 进行表面氮化处理提高模具表面强度和耐磨性 除此之外模具材料还应具有良好的抗回火稳定性良好的抗腐蚀性较 低的膨胀系数良好的工艺制造性能以及价格的合理性等 2) 模具材料的合理选择模具材料的合理选择 热挤压模具材料主要是在含碳量为 0.30.45的钢中添加 crw mnv 等合金元素的高合金亚共析钢添加合金元素的作用是提高模具的高温 强度耐热性抗热磨损等性能 目前我国用于热挤压生产的模具材料基本上是 3cr2w8v4cr5mosiv1 等高温耐热钢 2.6 本章小结本章小结 本章简要的论述了汽车传动轴套管热挤压缩径成形工艺过程的成形原理 分析了成形过程中材料的应力应变状况并且给出了成形过程的壁厚变化规律 此外还对工艺要求和内容进行了比较详细的说明功包括设备要求材料要求 工艺参数及模具的初步要求 硕士学位论文 21 第三章 长车轴套管缩径成形的数值模拟的基本原理及 技术问题处理 第三章 长车轴套管缩径成形的数值模拟的基本原理及 技术问题处理 在金属塑性有限元法中根据被模拟对象的变形特点建立合理的理论模 型选择适宜的求解方法是模拟真实与否的关键金属塑性成形过程是一个具 有物理非线性几何非线性和边界条件非线性的非常复杂的大塑性变形过程 成形的影响因素也比较复杂对其进行理论分析一般是比较困难的而基于 deform 数值模拟软件的刚塑性有限元法由于具有避免了成形过程中的几何非线 性适应性强计算效率高等优点广泛应用于金属塑性成形过程的模拟分析 中 在阅读有关 deform- 2d 参考资料后我们知道要在 deform- 2d 这样一个有 限元分析系统里面成功且准确地对汽车传动轴套管的成形过程进行模拟就必 须进行模拟系统的正确建立和参数及边界条件的合理设置 3.1 刚塑性有限元法的基本理论刚塑性有限元法的基本理论 3.1.1 刚塑性材料的基本假设刚塑性材料的基本假设 金属塑性成形过程中材料的塑性变形过程十分复杂为了便于用刚塑性有 限元法模拟分析轴承内圈輾扩的成形过程作出如下主要假设 1) 不计材料的弹性变形 2) 不考虑体积力(重力)的影响 3) 材料均质 4) 轴承材料的变形服从 levymises 流动理论对管缩径成形可以认为 材料的变形流动满足各向异性屈服准则及相关联的流动法则 5) 加载条件给出刚性区与塑性区的界限 塑性变形区应满足的基本方程和边界条件有 1) 平衡方程平衡方程 , 0 ij j = 3- 1 式中 ij 是变形体内的应力分量 2) 本构关系本构关系 ijij = & & 2 3 3- 2 硕士学位论文 22 式中 ij 为塑性区内偏应力分量 ijij & & 3 2 =称为等效应变速率 ijij 3 2 =为相应于等效应变的等效应力 3) 几何方程几何方程(协调方程协调方程) () ijjiij, 2 1 +=& 3- 3 式中 i 为物体内速度分量 ij & 为应变速率张量 4) mises 屈服条件屈服条件 . 2 1 2 u u s sk= 3- 4 式中k是变形过程的函数 对于硬化材料按阶段硬化处理即在同个增量步内 k 值恒定但在不同 增量步中 k值有变化 5) 体积不变条件体积不变条件 0= ijij & 3- 5 6) 边界条件边界条件 边界条件分为力边界条件和速度边界条件分别为 在力面, ij x y 上 _ .i ijj nf= 3- 6 在速度面 v s 上 _ jj vv= 3- 7式 中 _ i f 为力边界上给定的力矢量 j v 为速度边界上给定的速度分量 硕士学位论文 23 3.1.2 刚塑性材料的本构关系模型刚塑性材料的本构关系模型 在用有限元数值模拟分析材料变形过程时要知道材料应力一应变关系 只有在利用上述关系确定每个增量步内的等效应力之后才能由已知的应变(率) 分量求得应力分量 刚塑性有限元常用的应力应变(应变率)关系有以下三种 1) += m y & 1 0 3- 8 2) ( ) m c & = 3- 9 3) ( )ck n += 3- 10 式中 kc 0 y 均为材料常数 m为应变速率敏感性指数 n为材料硬化指数 本章采用式(3- 10)所示的本构关系 3.2 刚塑性有限元基本原理刚塑性有限元基本原理markov 变分原理变分原理 刚塑性有限元变分原理(variational principle)是构造有限元方法的基础它 根据能量泛函取主值时的真实速度场求解场变量具体地对于图 3- 1 所示的 刚 图 3-1 刚塑性体的变形情况 fig.3- 1 deformation on rigid- plastic object 塑性体其体积为 v表面积为 s一部分表面 f s 上给定力 _ i f另一部分表面 v s 上给定速度 _ i v则在满足几何条件(3- 5)式体积不变条件(3- 7)式和边界条件 (3- 9)式的一切容许速度场 中使泛函 硕士学位论文 24 _ _ ii jje dvfv ds = (3- 11) 取极小值值即0 =所得出的 i v 必为满足要求的真实速度场这一描述即 为刚塑性材料的完全广