对涡轮增压器叶轮和齿圈的锻造加工过程进行模具优化设计

对涡轮增压器叶轮和齿圈的锻造加工过程进行模具优化设计由美国俄亥俄大学机械工程系主席、高等教育博士——杰伊·谷那山克勒和该大学的两个博士学生曼亚德·欧莫黑博和法兰德·欧慕法迪共同完成。概要：本项目的目的是为美国的两个不同的汽车锻造产品公司进行两种复杂产品（涡轮叶轮和齿圈）的初锻及终锻过程的模具优化设计。涡轮叶轮必须保证最低有效塑性应变不小于0.5，以增加韧性和抗断裂能来支持非常高的离心应力。这对于应变分布以及晶粒尺寸尽可能均匀的分布在整个成品中也是很重要的，从而获得最佳的机械性能的Al2618涡轮。晶粒尺寸的优化是由确定最优平均温度和应变率（由参数使用齐纳Hollomon）来进行的。第二项目是优化环形齿圈模具设计，以便减少锻造次数和由于过多溢料造成的材料浪费。该软件使用是MSC.SuperForge的Simufact.forming前身，它能够在最后阶段检查模具充填、缺损成型与模具接触干涉。它也可以使用Superforge–FV（有限体积）仿真判断和显示各种有用的参数，例如:有效塑性应变，等效应变率，有效应力，材料流量，温度，力与时间的关系和最终形状。它的结论是该软件可以有效地用于优化锻造工艺，最大限度地提高机械强度，减少废料及材料锻造阶段，从而降低整体制造成本。1.简介：这个项目的目标是为两个复杂汽车锻造产品进行初锻及终锻的模具优化设计。第一部分是一个铝制的涡轮增压器叶轮（或涡轮）。这零件有极高的转速（可达10万转），可以迅速从开始加速到具有很高的离心应力。新的预制毛坯模具都必须经过设计，从而使这部分有效塑性应变在静态金属区可达到到一个大于0.5的值。由于屈服强度会增加静态金属区低而有效的塑性应变，所以也可以通过优化初锻毛坯模具得到增加这也导致了在各地形成了近乎统一的有效塑性应变产品。参考图1，可见，一个AA2618合金材料的扁平毛坯在初锻使用时的旋转部分。参考图2，最终被用于获取有效塑性应变大于0.5的最终产品的模具轮廓。然而，这并不会导致整体均匀塑性应变大于0.5。此产品相关的一个问题是存在低塑性应变区，即显示在图1和图2中金属蓝色的区域也被称为静态金属区（DMZ）[1]。图1-扁平模具轮廓变形图2最终模具产品轮廓我们的目标是从AA2618到整个制造过程中实现锻造转动部分力学性能最佳。锻造操作的主要优势是通过减少工件多相组织来获得热量;，因为腔融合孔隙被淘汰。另一个目标是优化齐纳霍洛曼参数，Z由平均温度和应变率最优确定，以便得到一个材料晶粒尺寸指示。齐纳霍洛曼率和参数的增大，同时在有效塑性变形平均应变速率增大而锻造时间减少。它也可通过降低锻造温度来增加。粗柱状晶粒被较小的等轴晶粒所取代，晶粒再结晶可以使其延展性和韧性有所增加。这将直接减少了锻件的强度，但是，增加其中一个初坯模的应变幅度将能够一直保持材料的强度。第二部分是一个齿圈[2]，这里的目的是减少锻造阶段的工序，同时减少材料浪费。有限元仿真模拟在预测变形流动模式上发挥了重要的作用，提高了产品质量。然而，有限元法的主要作用是运用经验验证完成的模具在设计关系或工程实践[3]中是否合理。通常情况下，为了达到最佳的性能需要进行多次初锻，直到从最初的简单形状锻造为具有形位公差和金属成形工艺的复杂几何外形为止。锻造预成形设计是通过使用类似模具设计的程序进行反向变形模拟，并在最终产品外形以及材料性能要求基础上确定模具的形状和工艺参数。因此，锻造前使用反向模拟模具设计的方法将对模锻设计过程有着很大的重要。优化整个锻造过程中通过使用充分的和适当的预锻形式以获得所需的锻造属性，如实现合适的模具填充，减少材料浪费，减少模具磨损，取得良好的晶粒流动性和满足条件所需的负载[3]。UBET（上限单元技术）是用于获取反向模拟最佳方法，另外有限体积法（Simufact.forming软件）是用来做正向模拟及验证设计。UBET已开发并被许多研究人员使用，例如李等。[4]使用UBET锻造负荷分析：模具填充、锻件的有效应变和有无溢料间隙。该方案同时适用于轴对称和非轴对称闭塞模锻造以及有肋腹式腔的平面应变封闭模锻本研究从所取得的成果进行了比较实验，并获得了一个良好的结果。这个预先设计的方法是由刘，等研究出的，它结合了有限元为基础的模拟和UBE为基础的逆向模拟。[5]。布拉姆利，[6]，已运用TEUBA，这是一个UBET为基础的用于锻造成形反向模拟设计的计算机程序这种方法是以最终所需外形和模具反向流速为基础的方式，在模具的材料最深切的终锻腔形成一个自由边界，在一定的工步内材料反向流进去然后模具钢坯分开这就完成了锻造的预成形。赵，等。[7]运用有限元的模具逆向跟踪方法进行了通用涡轮盘过程的锻模设计。最后，米·莫翰里波和杰伊·谷那山克勒[8]使用UBET反向模拟环件轧制和锻造齿圈。齿圈项目在这个文件里做了报告。在UBET理论中可以找到许多优秀的文献，所以不在这里重复。2。涡轮分析[1]有限元分析（FEA）技术的发展已经为改良模具、设备设计和改善材料性能提供了重要的联系。代码输入到有限元，包括材料特性的工件（流程应力和热性能）和工具/工件界面（摩擦和传热属性），以及工件与模具的几何形状。对于典型的输出包括预测成形载荷，应变，应变率和温度等值线图，及模具变形。这种模型的研究方法是：1。模型如预成形（镦模等）的固体坯料边缘首先在CAD软件制成和上下模具闭模锻造一样。该模型导出的三维有限元分析技术，如FV的（有限体积）分析（模拟）通过SUPERFORGE[9]可发现实际锻造模具的旋转部分在设计中的缺陷。2。要着力优化预成形设计。3。确定最佳的预成形设计和基于最优化结果完成的效果，并验证此方法的适用性。在闭塞模锻过程中最重要的方面是预成形或（初锻模）设计，以达到足够的金属分布。有了正确的预成形设计，无缺陷金属流动和完整的模具填充可以实现在终锻造过程中金属损耗和溢料减至最低。决定这预成形结构并涉及到金属流动的了解是一个特别艰难的任务。三维造型软件SolidEdge的是用于建立零件，毛坯及模具。SolidEdge中可以经过选择找到一部分模拟的体积。SolidEdge的选项提供了布尔运算，其中一个特定的形状，可减去或添加到其他形状上。在本研究中，上模和下模都没有进行布尔运算。SimufactSUPERFORGE用来模拟锻造工艺。3。有限体积方法传统的有限元网格划分时，尽力跟踪变形材料。然而，当采用有限体积法，使用有限体积固定参照系来划分网格，这样毛坯材料就可通过网格。能量，材料的质量和动量从一个部件传到另一个部件。有限体积法是通过体积元素在空间相交的点来进行网格划分。下坯模的物质能在整个网格分析时运动。因此，经过固定体积元素的物质运动是由有限体积求解器做出的。模具就像运用有限元划分网格法在模拟锻造材料流程边界时一样工作。材料的应力包括有限元分析时加在模具表面的压力。在有限体积法里，网格必须足够大，以覆盖发生变形后的工件材料。基本的有限元网格也就像一个容器而材料不能离开的网格。根据有限体网格足以进行分析应力波反射和应力恢复。有限体积法的计算机模拟模型，有利于毛坯材料内在的锻造变形，由于这种独特的操作。此外，重划网格技术通常被认为是基于3-D有限元模拟锻造方法的主要瓶颈，所以就完全消除了[9,10]。裤图3遇-上每模、虎下模搂和工唇件血了解称不同石预成数形设访计的校最小辜塑性婆应变暂对模旱具的晋影响衰是很断重要活的骄，骆根据句数翻值范污围匆比较梅来确裙定阴一致必的工狱件有颤效塑沙性应缘变。麻十大禁几何巾预成甚形段模具背设计敌用来挣分析裙工件芒的有或效塑揪性应哗变之，即毅最小阳有限放塑性惜应变市的最住大值桶和最裂小值预。这桌个口最低茧范围亚就是联特殊以预成榴形无时测最昌合适你的有骑效塑蛋性应封变糖范围贪。庙表1姓显示袍了时10忧种不废同的浆预成怠形几梨何设叙计方辛式炊。在脂预成此形水设计继时使桥用最冈好的笑几何喝方法盛有助节于提藏高最丙低有堪效塑碌性应蒙变，脚也使业工件签更加辛均匀车。垄在预桥成形贫设计担时最扩好设蠢计一宋个凸医起的写圆锥赞以便粥能够认穿透答金属辱死区勇（D瞎MZ悦）。豪表1四：瓶象坯所紫有的感测试隙案例干设计淋案例腔＃说基明设用计一系平瓶联坯模可具2熊暴里忘指怪秃瓶倦坯平妖陪盈沫阁挨厘仔疯朵与期上模惜恒耽寨今汇础摇助惧突霉出环聋誉今则曲坑就少散其单弃位和漆瓶坯绍热闪蚀杰尾尼狼富匪盈下子模与矛凯尸收刘搏垒广鉴环些刻杨事三抚海施沸羊检客接瓶绵坯平励如况羡怜位专即花与皱上模欠瞒糊垂邻井福邀眼渡凸愿锥汁舌罢顽撕旧苦拆娘单殿位和恨瓶坯牙凡另州椅暮普但惠励张下蝇模与莲挺筝限闻葵棚浊净锥建刻狭臭4匪介陶住点州营赞瓶眉坯平脸强肌勾津个更祥娘棋与利上模牌宽枕庆爪自究喊赚基针角1韵2荣°蜡环猎夺忘杨狮悲迟凸夕锥底狐况房沟皮永惕尘单啊位和膛瓶坯泽野段抢阻解煎文译港下认模与联蜡摊拆券脚于乒矮基咽角4里3传°绩敢丹闭凶棒烟锥膊的一仆来克歉验庸养透邻圆允锥睁个5溉黄沃踩芽岔煌按瓶伸坯平榴钉唯编肠烤滩弓搏恨与去上模跳份便末虾因踏脂催基瓶角1庸8研°乎影惹锯羽谈地抢隙凸罚锥共昏镇没期您剥灭她单关位和节瓶坯点寻壳虾帅纽含结称决下呈模与谜件谎厉朋垫极腰浆基菊角4桂3犁°欺常姐汪姨控咸锥扇的一翻称竞订凳镜仔固援圆浑锥笔跟6砌裕宪羡内爸倚览瓶跳坯平呀斯递太犁鄙朱将串较供与抹上模捏铅搁帽庆趟悄鸭块基谱角2涨6挖°伤紧吩杂甘臂雁深扁凸路锥花珍滤博滚姐脸俩蹈单南位和艘瓶坯遮跌升凯键迫棋变首抛下跑模与寒秩凤葬突赔华脚鬼基欠角4重3略°少饮庭馒汁丽钟锥菜的一饶昏娘厚振撞眯烟杂圆愚锥遇笨7睬盖辅报挖秒液行单痰级乒什首灿芽争悦瓶畅坯平膝姥奇谦洲锻万禾凯挣上验下悬浸渠粒叛候牌析谨死网亡与朴10戚°乒虾映怨奖甘洋基堡角旱像略齿限崇迹届仇凸宰锥闪烤8运读注愉谋级滋片瓶客坯平展元泡熄除误粘夫治即上士下洪灶馆必鞠界挠牺饮死孕亡与腹18碑°和纹材复删日姥基乐角赔控勒穴圾仁嚷甘高凸隆锥焰橡9伟绸劫替始朝豆两况阶段污悬皆表超第遮迟瓶塌坯平冻肉灭酱喊痕近匆睁低心死亡条，钉拣焦奇荒落飘决雅与惨上模很殖昆拥末趋棋哗诵基小角1猎0谦°舅封客裳庸邮冬剃糕凸坊锥停积1尚0修刷佛朱轮弱两贱阶段丸友飘椒垦副坡驾瓶茧坯平屿敏浊搏涛鹅炮笼喇低惯死亡阔，撇话讯爆洲灿纠矩知罪与岛上模刷础死污既煮主炸左基宋角1敲8丑°倍竿夫能咱万傅蚊丑凸注锥跑表2觉中列梨出了已有效病塑性怕应变盼的最夜大值艺到最获小值飘之间缝的不毕同数跑据渗。这到些数各据达是给表1份中1拾0种幅不同扒的模敲拟模狡具预忧成形蝇设计四收集押来的为。模应具温尾度，像钢坯纯温度竖和界堆面摩汪擦因洁素在壁所有叮过程屋中是这不变相的承。工概件温菠度为歌42特5℃裙，初硬始模么具温治度2扶50滴℃，兄摩擦岔系数扭为0三.8误。豪表2闭：在颂瓶坯控模具敢设计背变更蝶有效有值塑碧性应风变获欺得浮最高明最低股范围游不同歉畅粥马路疤。友爽斩辩合展瓶坯端1迷扮复酒1勉7.秘76赚锣攻寸酒0辽.4谁02寸和志马领1狠3.奶74鞭圆葛悦悲1痰.0央89绒客貌驼给节钻瓶坯芝2涝粪犁控1默.7冰22贞熊斗毕裕0雷.3系84杀贩悦昨择1针.3浸38绒照裳垮游1蓬.0笑53剃骗枪泛振们化瓶坯允3忽悠饰妙1升.7洋45端栽窄盘庭0聪.5木33锐乘刘邻蝴1村.2傲12槽让欺静岛1瑞.1对39给徒瓜第摸角葛瓶坯杨4假餐赛田1元.7址95扛记忍何第0抹.6嘉81唇侦还伏刃1乘.1勤14报都判嫩咳1牙.2兴38该道缩捕上袜能瓶坯男5劈愈约拨1照.8远02蚊亿嚼战递0勇.6洗82级聋吩鼓垒1渴.1宾20磁矿吃著魔1晒.2覆03支息床帖勒崖浙瓶坯更6贡炊软霉2萌.0鹿31烦拨泰沃显0湿.6显85浮换压械移1按.3曾46之懂爱剪将1取.3言58折肠肤偿它稻疏瓶坯键7佳咳隔很1唉.7当17稳抗尸框卷0美.7堪82迹细公同调0器.9位35街援吨期钳1挂.2鸣49柿丘心次捞牧鄙瓶坯爹8戚级烤隔1运.7裙37据租伐召0铸.7独9构捏毒鞠0档.9幻47情辰可慈行1椅.2殃63愉蝶炒温乒触腹瓶坯晒9裙促艇款1询.7厌92厌顺仰挥抱0怒.7增32毫扮窗壤鲜1傻.0斤60累峰泳欺纺1预.2塞6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