金属塑性有限元的发展历程概述[ 05-05 10:05 ]

在金属成形工艺方法中，金属塑性加工是其重要的方法之一，金属塑性加工具有效率高、节约原材料、可以有效地改善金属力学性能和组织等优点。因此，塑性加工被广泛地应用于制造业之中，是制造业中的一个重要分支。据统计，全世界四分之三的钢材都需要经过塑性加工后才能使用，在我们所熟知的汽车工业中锻件和冲压件数量约占汽车总零件数的五分之三以上，在航空航天、重型机械、军工等工业领域也占有相当大的比重。    传统的金属加工主要借鉴以往经验和试错的方法进行工艺制定和工模具设计，因此，产品的新工艺和工模具的开发

终锻时晶粒的变化情况[ 05-05 09:05 ]

图5-8为终锻结束时坯料的平均晶粒尺寸分布图。从图中可看出，有29.10%的区域还保持初始晶粒尺寸，较预锻结束时的17.05%，还提高了11.95%。其主要原因是在终锻时飞边部位金属由于金属流动受较大摩擦力缘故会产生大量变形热从而使得该部位的金属温度升高，促进了晶粒长大，从而使的锻件的整体平均晶粒尺寸由预锻结束时的151um上升至15 5um。但这部分大的晶粒主要在飞边区，对锻件的性能影响不大。图5-9为终锻结束时几个典型截面上的平均晶粒尺寸分布。从图中可以看出，终锻结束时大头部区域的平均晶粒尺寸主要在135~16

预锻时晶粒的变化情况[ 05-05 08:05 ]

预锻结束时坯料的平均晶粒尺寸分布如图5-7所示。由图可知，杆部区域的晶粒尺寸主要在100~110um之间，晶粒在预锻时得到细化，对于提高连杆的疲劳强度十分有益。小头部区域的晶粒也得到细化，其晶粒尺寸主要在135~145um之间。预锻结束后，还保持初始晶粒尺寸的区域减小到17.05%，较辊锻结束时减少了27.91%。预锻结束后，坯料的整体平均晶粒尺寸为151um,较辊锻结束时减小了7um。

优化后连杆成形过程有限元模拟[ 05-04 10:05 ]

上节中所得的优化辊锻毛坯是按照优化面积法所得，并且直接将其作为始毛坯进行数值模拟，未考虑辊锻过程的影响，因此需要对其进行四道次辊锻有限元模拟与预锻、终锻模拟，以保证数值模拟的可靠性。参照第三章的辊锻工艺设计方法，对优化后的毛坯进行辊锻工艺设计，得到辊锻毛坯图及辊锻模具，建立有限元模型后，对优化后方案进行数值模拟，得到如图4-17所示连杆成形图。从图中可以看出，终锻件充满，飞边较为均匀，提高了材料利用率。

辊锻坯料的优化过程[ 05-04 09:05 ]

表4-1为杆部截面面积的修正变化情况。以第一次为例，锻件杆部工字筋截面积为404.8mm2，修正前对应的辊锻毛坯杆部截面为边长为23.1mm的正方形，面积为533.6mm2，则此时飞边面积为128.8mm2。第一次修正时取修正系数“=0.2，修正飞边25.8mm2，修正后杆部坯料截面面积为507.8mm2，对应的方形边长为22.6mm，建立有限元模型进行数值模拟，杆部充填情况如图4-15(a)所示。从图4-15可看出第四次修正时杆部工字筋部位没有充满，第三次时杆部与大头部过渡区飞边几乎没有，而选择第二次

辊锻坯料的优化方法[ 05-04 08:05 ]

本文采用文献和中采用的修正截面面积法对杆部进行优化。修正截面面积法的主要思路是利用逆向计算，对毛坯的横截面进行循环修正，直到满足保证终锻件充满的情况下飞边最小。从式4-1可以看出，修正系数为0表示没有修改，修正系数为1，表示飞边全部消除。但并不是修正系数越大越好，过大的修正系数可能导致终锻件充不满。并且单次修正系数不宜过大，一般为0.2一0. 5之间，具体取值根据设计经验选取。计算得到对应位置经过修正的截面面积后，在对应的毛坯截面上减去该修正的截面面积，反复修正，得到最优化的坯料，提高材料利用率。

辊锻坯料的优化原理[ 05-03 10:05 ]

从图4-11可以看出，大头部端面两个拐角部分的飞边很小，可知该部位对应的杆部金属截面己接近到达临界值，横向上无优化的空间;由于连杆大头部的结构的特殊性，在终锻的开始阶段，大头部的两端金属就被挤压到型腔外部，所以头部区域的金属无优化的空间;小头部的飞边较为均匀，因为在实际生产中大头部先接触上模，小头部金属是悬空向上接触上模型腔，横向上有发生偏移的可能，所以确保成形，不在小头部进行优化;而杆部飞边较大，仍然存在一定优化空间，因此可以对辊锻坯料杆部金属进行优化。

终锻过程的载荷分析[ 05-03 09:05 ]

图4-14为原工艺的毛坯必65X157mm和理论计算毛坯必65 X 142mm的终锻时成形载荷曲线，开式模锻中分墩粗、成形、靠模阶段，在靠模阶段载荷明显迅速增大，这与实际吻合。两种工艺下的最大载荷力分别为:9.17X106N，8.12X106N。由于后者的辊锻坯料减少，并且金属分配更加合理，使得其在终锻时的最大载荷比原工艺下降了约1.05X106N。模具受到的载荷降低，寿命提高。虽然通过设计所得的连杆成形结果能满足工艺要求，仍然存在一定优化空间。所以，可以对辊锻制坯坯料的优化提高材料利用率。但飞边还不均匀，减少金属

终锻过程的应力，应变分析[ 05-03 08:05 ]

终锻结束时坯料的应力场分布如图4-13  (a)所示。从图中可以看出，在整个坯料上，应力场分布较为均匀，应力值较大的区域在大头部边缘的尖角处，符合金属塑性流动规律。终锻结束时坯料的应变场分步如图4-13  (b)所示。从图中可以看出，在终锻时，工字筋部发生了充分的塑性变形，该区域的应变值较大。

终锻过程填充性分析[ 05-02 10:34 ]

坯料经过四道次辊锻制坯、预锻、终锻成形后得到终锻件如图4-12所示锻件充填良好，飞边较原工艺有所减少，无折叠等锻造缺陷，符合设计要求。此时材料利用率为77.6%，较原工艺提高了8.1%。但是，从图4-12中可以看出终锻飞边仍然不够均匀，坯料的尺寸和还有减小的空间，辊锻的工艺还可优化。

预锻过程中应力应变分析[ 05-02 10:25 ]

预锻结束时坯料的应力、应变分布如图4-11所示。从图4-11（a）可以看坯料的应力分布较为均匀，应力较大的区域主要在大头部的外端边缘;从4-11 ( b)可以看出，杆部区域的应变值最大，说明杆部区域经过的充分的变形，对于改善内部组织具有良好作用。

预锻过程中温度场分析[ 05-02 10:11 ]

预锻结束时温度场分布如图4-10所示。从图中可以看出，预锻结束后坯料上的温度分布在1000~1120之间，而40Cr的终锻温度为8000C，所以能够满足终锻温度要求。

连杆成形工艺的有限元模型[ 05-02 08:05 ]

根据连杆辊锻制坯一一模锻成形工艺特点和刚粘塑性有限元理论，分别建立如图4-1,  4-2所示的辊锻制坯过程有限元模型、模锻过程有限元模型。具体设置为:坯料定义为塑性体，模具定义为刚性体;坯料材料为40Cr，对应的国际牌号为AISI5140，模具材料为H13钢;坯料初始温度为1180℃。模具预热温度为250℃;辊锻时，对工件端部进行上下位移约束，锻辊的角速度为6.6rad/s，预锻时，采用速度控制，模具下行速度250mm/s(符合630t摩擦压力机)，终锻时，采用速度控制，模具下行速度为400mm/s(符合

预锻过程中坯料的变化情况[ 05-01 09:05 ]

预锻过程中速度场分布如图4-8所示。辊锻坯料放入预锻型腔中后，在上模下行过程中，先接触大头部，上模大头部位型腔的连皮凸台卡住坯料，起到定位的作用;在step250时，坯料开始充填型腔，由于两边头部较高，中间杆部较矮，可以看出先成形大头部和小头部，最后成形工字筋部;在step250时，多余金属排入飞边，随着飞边厚度的减薄，桥口部金属受压向外流动速度增大，这与开式模锻成形特点相符。图4-9是预锻结束时坯料的充填情况。从图中可以看出预锻件无折叠缺陷其小头部充满、大头部和部分工字筋部还未充满，可在终锻时进行充满。

辊锻毛坯过渡区段长度尺寸的确定[ 05-01 08:05 ]

辊锻毛坯过渡区段长度决定于毛坯的结构，在各道次辊锻时，过渡区的金属体积保持不变。由公式(3-18)分别计算大头部和杆部过渡区段、小头部与杆部过渡区段辊锻各道次后的长度尺寸如表3-2所示。根据表3-1, 3-2所示的长度尺寸，以及型槽截面尺寸相结合可得各道次辊锻毛坯图，如图3-4所示。

辊锻过程中辊锻力矩分析[ 04-30 09:05 ]

辊锻力矩是选择辊锻设备的重要依据，根据辊锻力矩可以确定电动机功率。图4-7为各道次的力矩变化情况。从图中可以看出，四道次的辊锻力矩最大值分别为2.3X107N.mm,  1.8X107N.mm,  9.2X106N.mm,  6.1X106N.mm。随着辊锻道次的增加，最大辊锻力矩逐渐减小。辊锻力矩变化曲线随着辊锻过程的进行发生变化，其变化趋势与坯料变形状态一致，与型槽形状有关，中间杆部受压发生变形时，压下量大，辊锻力矩达到最大。

辊锻毛坯长度尺寸的确定[ 04-30 08:05 ]

由于辊锻前后体积不变原则，所以依据公式(3-16 ) ,  (3-17)计算得杆部区段、小头部区段各道次的坯料长度，如表3-1所示。

辊锻过程中应变分析[ 04-29 09:05 ]

图4-6为辊锻过程中应变场分布的分布情况。从图中可以看出，应变的变化情况与应力变化相对应。随着辊锻道次的增加，应变逐渐变大且趋于均匀;在有棱角处，如过渡区交汇的地方会出现等效应变的极大值;经过四道次辊锻变形后，在应变累加的作用下，杆部的应变值最大且均匀，说明杆部金属在辊锻过程中经过了充分发生了塑性变形，这对组织细化起到良好作用。

第四道次辊锻毛坯的确定[ 04-29 08:05 ]

根据计算毛坯图和己确定的型槽形状，结合如下原则设计出第四道次辊锻毛坯，如图3-5 (d)。    ①根据沿锻件长度上截面积大小的不同，划分杆部区段，头部区段等几个特征段。    ②用直线代替截面图上相应的曲线，以便简化模具结构和易于计算。    ③为了模锻时将毛坯易于放入锻模中，同时避免由于坯料长而引起的锻件端部出现折叠缺陷，辊锻毛坯的端部区段长度(毛坯的大头部和小头部长度)的取值应比锻件相应区段长度稍小。 &nbs

辊锻过程中应力分析[ 04-28 09:05 ]

图4-5 (a)为第一道次变形过程中的应力分布情况。setp 10所示工件中间被模具咬合后，在咬合力的作用下，中间杆部发生变形，形成应力场。随着变形的进行，连杆小头部坯料发生变形，也形成应力场。由于杆部的变形量比小头部的大，产生的应力值较大。    图4-5 (b)为第二道次变形过程中的应力分布情况。杆部截面形状在第二道次辊锻中由椭圆形变成方形，由于压下量大、方形型槽的上下端部与坯料的接触面积小，产生了值为254MPa的最大等效应力。小头部截面形状由椭圆形变成圆形，step70时金属在