发动机气门热锻模热机复合疲劳失效分析

发布时间：2017-11-03 01:19

  本文关键词：发动机气门热锻模热机复合疲劳失效分析

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【摘要】：气门是汽车配件中的一个重要零件。气门成形过程中,模具工作环境恶劣,尤其是凹模R根部表面区域,由于承受周期性变化的高应力、摩擦力和热应力等,使模具表面易发生磨损、拉伤甚至开裂,导致模具寿命降低,增大了气门成形过程中的生产成本,降低了生产效率。因此有必要对气门热锻模成形过程中的受力情况和温度分布进行研究,找到其发生失效的主要原因。同时需要寻求一种更便捷有效的方式来准确的预测其寿命状况,为实际生产提供指导。本论文以成形气门的失效凹模分析统计数据为基础。通过有限元软件MSC. Marc对不同成形时间和冷却时间下的成形过程进行模拟,并根据结果文件对凹模进行低周疲劳寿命分析。实现以模拟的方法替代具体的实验操作对锻模进行受力分析和疲劳失效分析。最后提出合理的改善措施以提高模具的实际使用寿命并通过模拟进行验证分析。具体研究内容有：1)对工厂的失效模具进行统计。结果表明：凹模的主要失效形式有起皱、开裂、拉伤、变形等；失效基本都发生在凹模的R部位；凹模的平均寿命在1100次左右。通过显微电镜、SEM扫描电镜对取样进行失效分析,分析结果表明失效发生的主要原因是凹模R部位产生了接触疲劳、冷热疲劳、疲劳裂纹和磨损等。2)通过有限元软件MSC. Marc对气门成形过程进行热-机耦合模拟分析,研究成形过程中凹模的应力、应变、温度变化情况,并研究了不同成形时间和冷却时间对凹模受力和温度的影响。结果表明：高应力和高温度主要集中于凹模的R部位,最大值分别为1300MPa和500℃左右；成形时间的长短对温度的影响较小,应力值则随着成形时间的延长而下降,在1s时得到最小值；冷却时间的长短对内应力值的影响较小,温度则随着冷却时间的延长而降低,在超过10s后下降趋势较小。3)根据模拟所得结果文件通过MSC. Fatigue软件对凹模进行热机复合疲劳寿命分析。研究了不同成形时间和冷却时间下凹模的疲劳寿命情况。结果表明：低寿命区集中于凹模的R部位,最低疲劳寿命值为1151次；随着成形时间的越长凹模疲劳寿命呈上升趋势,直到1s后疲劳寿命无明显变化；冷却时间在10s内时寿命值相差不大,超过l0s后疲劳寿命值反而所有降低。4)为提高凹模寿命,根据统一强度理论重新设计了一套组合凹模,并通过有限元软件进行模拟分析。结果表明：组合凹模间合理的过盈配合能有效提高模具的疲劳寿命,改善后凹模的疲劳寿命提高至1889次,与整体凹模的疲劳寿命值相比提高60%左右。
【关键词】：气门热锻模 热机耦合 疲劳寿命 组合凹模
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG315.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 引言14
• 1.2 相关内容国内外研究现状14-18
• 1.2.1 气门成形加工14-15
• 1.2.2 锻模失效分析15-16
• 1.2.3 模具疲劳模拟分析16-18
• 1.3 课题来源及主要研究内容18-19
• 1.3.1 课题来源18
• 1.3.2 课题研究的目标与主要内容18-19
• 1.4 本章小结19-20
• 第二章 气门热锻模具及其失效分析20-38
• 2.1 模具失效概述20-21
• 2.2 模具失效分析方法概述21
• 2.3 气门热锻模的寿命统计21-25
• 2.4 主要失效类型与试样分析25-37
• 2.4.1 表面起皱26-32
• 2.4.2 开裂或微小裂纹32-35
• 2.4.3 凹模R部位变形35-36
• 2.4.4 凹模R部位拉伤36-37
• 2.5 本章小结37-38
• 第三章 气门成形过程数值模拟38-58
• 3.1 有限元法及软件介绍38-40
• 3.2 有限元模型建立40-44
• 3.3 模拟结果分析与讨论44-51
• 3.3.1 等效应力分布规律45-47
• 3.3.2 温度分布规律47-49
• 3.3.3 应变分布规律49-51
• 3.4 不同成形时间的影响51-54
• 3.5 不同冷却时间的影响54-57
• 3.6 本章小结57-58
• 第四章 凹模热机复合疲劳寿命分析58-69
• 4.1 MSC.Fatigue软件介绍58-59
• 4.2 疲劳寿命估算方法59
• 4.3 凹模疲劳寿命分析59-64
• 4.3.1 疲劳求解参数59-60
• 4.3.2 模具材料60-61
• 4.3.3 加载载荷61-62
• 4.3.4 疲劳结果分析62-64
• 4.4 成形时间对凹模疲劳寿命的影响64-66
• 4.5 冷却时间对凹模疲劳寿命的影响66-68
• 4.6 本章小结68-69
• 第五章 模具结构改进分析69-81
• 5.1 模具改进方法选择69-70
• 5.2 组合凹模设计70-71
• 5.3 针对组合凹模的成形过程模拟71-77
• 5.3.1 预应力分析72
• 5.3.2 成形过程模拟72-73
• 5.3.3 成形过程中应力和温度分布规律分析73-77
• 5.4 组合凹模的疲劳寿命预测77-80
• 5.5 本章小结80-81
• 结论与展望81-84
• 参考文献84-88
• 攻读学位期间发表的学术论文88-90
• 致谢90

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