发动机连杆热锻成形数值模拟及模具结构优化

发布时间：2017-10-27 22:23

  本文关键词：发动机连杆热锻成形数值模拟及模具结构优化

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【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DEFORM 3D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。
【关键词】：连杆 热锻 正交试验 有限元模拟 响应面法 非线性算法
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG316;U466
【目录】：

• 中文摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 课题背景13-14
• 1.2 锻造连杆的研究现状14-16
• 1.3 锻造成形数值模拟的研究进展16-22
• 1.3.1 塑性成形理论的发展16-18
• 1.3.2 刚粘塑性有限元理论18-20
• 1.3.3 锻造模拟软件简介20-22
• 1.4 课题研究内容及目的22-23
• 1.5 课题研究的可行性23-25
• 第二章 连杆多模膛模锻工艺及模具设计25-36
• 2.1 引言25
• 2.2 非调质钢热锻连杆25-28
• 2.2.1 热锻连杆材料的分类25
• 2.2.2 非调质钢热锻连杆材料的发展25-26
• 2.2.3 非调质钢连杆性能的影响因素26-28
• 2.3 热锻连杆的工艺流程的对比和选择28-30
• 2.3.1 连杆热锻方式的分类28-29
• 2.3.2 连杆的热锻工艺流程对比29-30
• 2.4 1KD连杆锻件设计和模具设计30-35
• 2.4.1 1KD连杆锻件的设计30-31
• 2.4.2 1KD连杆锻模模膛的布局方式31-32
• 2.4.3 1KD连杆锻模的初步设计32-34
• 2.4.4 坯料的初步设计34-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第三章 基于DEFORM 3D的连杆热锻数值模拟36-60
• 3.1 引言36
• 3.2 锻模设计参数36-39
• 3.2.1 模膛中心距和旋转角36-39
• 3.2.2 模具中心飞边仓深度39
• 3.3 热模锻工艺有限元模拟39-43
• 3.3.1 热锻模拟的正交试验方案设计39-41
• 3.3.2 有限元模拟参数的设置41-42
• 3.3.3 有限元模型的建立42-43
• 3.4 模拟试验结果及对比分析43-51
• 3.4.1 热锻成形载荷对比分析43-45
• 3.4.2 热锻成形缺陷对比分析45-48
• 3.4.3 锻模磨损深度对比分析48-51
• 3.5 正交试验结果分析51-59
• 3.5.1 极差分析和方差分析的原理51-52
• 3.5.2 成形载荷正交试验结果分析52-56
• 3.5.3 折叠角正交试验结果分析56-57
• 3.5.4 磨损深度正交试验结果分析57-59
• 3.5.5 模具设计参数的最优组合59
• 3.6 本章小结59-60
• 第四章 基于响应面法的连杆模具优化设计60-84
• 4.1 引言60
• 4.2 基于响应面法的优化设计60-65
• 4.2.1 实验设计方法60-63
• 4.2.2 响应面法的数学模型63-65
• 4.3 优化实验方案的建立65-69
• 4.3.1 设计变量、优化目标和约束条件66-67
• 4.3.2 响应面模型的建立67-69
• 4.4 响应面法模型的回归分析和方差分析69-79
• 4.4.1 响应面模型的回归分析69-71
• 4.4.2 响应面模型及其方差分析71-75
• 4.4.3 因素水平组合寻优75-79
• 4.5 连杆坯料的优化设计79
• 4.6 优化后的数值模拟和结果分析79-83
• 4.6.1 成形载荷分析80
• 4.6.2 锻造缺陷分析80-82
• 4.6.3 模具磨损分析82
• 4.6.4 成形过程分析82-83
• 4.7 本章小结83-84
• 第五章 基于UG的连杆热锻模具加工84-92
• 5.1 引言84
• 5.2 锻模的高级铣削84-87
• 5.2.1 模具高级铣概述84-85
• 5.2.2 锻模设计及加工工艺分析85-87
• 5.3 连杆模具的数控编程87-91
• 5.3.1 CAM编程的一般步骤87
• 5.3.2 锻模的型腔铣加工87-88
• 5.3.3 模膛的五轴等高切削88
• 5.3.4 顶出孔的点位加工88-89
• 5.3.5 后处理器的建立和NC程序输出89-90
• 5.3.6 实际数控加工的连杆锻模90-91
• 5.4 本章小结91-92
• 第六章 连杆热锻生产验证92-95
• 6.1 引言92
• 6.2 1KD连杆热锻生产线布置92-93
• 6.2.1 1KD连杆热锻生产设备配置92-93
• 6.2.2 非调质钢坯料的加热规范93
• 6.2.3 连杆锻件冷却方式93
• 6.3 1KD连杆实际生产验证93-94
• 6.4 本章小结94-95
• 第七章 总结与展望95-97
• 7.1 总结95-96
• 7.2 展望96-97
• 参考文献97-102
• 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102-104
• 致谢104-105

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 杨艳慧;刘东;贺子延;罗子健;;基于响应面法(RSM)的锻造预成形多目标优化设计[J];稀有金属材料与工程;2009年06期

2 蒋鹏,冯建华,刘伟文,缪桃生;一种复杂弯曲长轴类件制坯辊锻工艺设计与调试[J];锻压技术;2004年03期

3 林新波,李荣先,柳百成,熊守美,张质良;利用有限元仿真技术优化模具结构[J];锻压技术;2005年02期

4 颜峰;杨伟宁;蒋鹏;;非调质钢曲轴锻造热模拟试验分析[J];锻压技术;2010年04期

5 缪桃生;蒋鹏;;非调质钢在汽车曲轴、连杆锻件上的应用研究[J];锻压技术;2010年06期

6 缪桃生;薛燕菁;蒋鹏;;胀断连杆锻造工艺开发研究[J];锻压技术;2011年03期

7 孙劲松;;UG NX在锻模加工中的应用[J];锻压技术;2012年03期

8 颜峰;;锻造生产线效率提升的研究[J];锻压技术;2013年06期

9 刘雅辉;刘淑梅;于秋华;;轿车连杆热锻模具结构设计改进[J];锻压技术;2014年03期

10 岳海军;;连杆锻件的生产工艺与质量控制[J];机械工程师;2009年10期

中国重要会议论文全文数据库 前4条

1 缪桃生;;喷丸强化在连杆上的应用[A];第三届华东六省一市塑性工程学术年会论文集[C];2005年

2 缪桃生;;连杆四种锻造工艺的比较[A];第三届华东六省一市塑性工程学术年会论文集[C];2005年

3 陈思联;刘正东;董瀚;兰德年;;高品质特殊钢技术开发——介绍国家科技支撑计划重点项目《高品质特殊钢技术开发》[A];2008年全国炼钢——连铸生产技术会议文集[C];2008年

4 缪桃生;薛燕菁;;精锻连杆锻造工艺及生产线的配置[A];第3届全国精密锻造学术研讨会论文集[C];2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 焦雨潇;汽车行业零配件伙伴型供应商评价与选择研究[D];浙江大学;2007年

2 曹品金;基于响应面法的锻造预成形优化设计方法研究[D];山东大学;2013年

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本文编号：1105482