基于DEFORM-3D的镁合金齿轮热锻成形工艺优化.pdf

第 卷 第 期太原科技大学学报.年 月 .文章编号:()收稿日期:基金项目:国家重点研发计划()作者简介:刘俊杰()男硕士研究生助教主要研究方向为材料成形技术基于 的镁合金齿轮热锻成形工艺优化刘俊杰段兴旺刘宝胜(.朔州陶瓷职业技术学院 陶瓷材料分析与应用系山西 怀仁.太原科技大学 材料科学与工程学院太原)摘 要:以经均匀化处理后的铸态 镁合金的本构模型和动态再结晶()模型为基础基于 软件进行二次开发通过正交试验设计研究了铸态 镁合金直齿锥齿轮的最优热锻成形工艺参数并对其进行验证和分析 结果表明最优的工艺参数组合为:模具温度为 坯料温度为 摩擦因子为 模具速度为 /在该工艺下进行热锻成形锻件大部分区域发生完全动态再结晶()齿形处平均晶粒尺寸小于 锻件成形效果良好关键词:镁合金二次开发热锻成形正交试验数值模拟中图分类号:文献标识码:./.近年来节能减排、结构轻量化受到各国的重视 发展满足结构性能的轻量化材料已成为研究热点 镁及其合金作为最轻的金属结构材料具有广泛的应用前景 目前镁合金制品大多为压铸件其力学性能较差缺陷较多 而变形镁合金的微观组织细小且均匀同时拥有优良的综合力学性能但镁属于密排六方晶体结构在室温进行塑性变形较为困难在高温下又易造成晶粒粗大和表面氧化塑性变形产品极少 直齿锥齿轮作为重要的传动机构其服役环境差承受载荷大磨损严重因此对其组织和性能有较高的要求 研究镁合金直齿锥齿轮的热锻成形工艺对完善镁合金塑性成形体系实现结构轻量化有重要的意义 有学者已对镁合金齿轮的锻造工艺做了研究 等采用有限元模拟技术研究了 镁合金齿轮的预锻和终锻工艺讨论了不同形状的模具对预锻工艺的影响并确定了最佳的模具形状 等基于两阶段成形技术研究了铸态 镁合金在 下的齿轮锻造工艺认为锻造 镁合金齿轮的最佳温度范围为 李南南研究了预挤压态 镁合金齿轮的锻造成形工艺并对加工路径进行了优化 王晨通过数值模拟方法研究了 镁合金齿轮的热锻成形工艺并对其工艺进行了实验验证本文采用 软件作为数值模拟平台基于 软件对铸态 镁合金的 动力学模型和 晶粒尺寸模型进行二次开发然后基于正交试验设计对 镁合金直齿锥齿轮的模锻成形工艺进行优化分析获得最佳的热锻成形工艺参数组合 材料实验结果及模型在我们之前的研究中对商用铸态 镁合金在 下均匀化处理 经均匀化处理后合金的 平 均 晶 粒 尺 寸 为 同 时 采 用 热模拟试验机对均匀化后的合金进行等温热压缩试验试验温度分别为 、应变速率分别为 、变形量为 (真应变为 )获得经均匀化处理后合金的双曲正弦本构模型、动力学模型、晶粒尺寸模型分别为:()()()()()()()()模型的二次开发采用 软件进行有限元模拟并在其平台上进行二次开发 将所构建的流变应力模型导入 材料库中获得材料的应力应变曲线用于后续模拟工作 但是 软件自带的微观组织演变模型并不适用本文所构建的模型 因此为了精确模拟 镁合金在热塑性变形过程中的微观组织演变过程需要将构建的 动力学模型和 晶粒尺寸模型进行二次开发并耦合到 中进行热塑性变形数值模拟二次开发完成后在 的前处理中点击 中的 选项自定义用户变量 自定义用户变量如表 所示表 自定义用户变量 用户变量含义初始值()等效应变()体积分数()平均晶粒尺寸()晶粒尺寸 直齿锥齿轮热锻成形工艺优化 直齿锥齿轮几何模型表 为直齿锥齿轮的标准化参数 基于表 的数据采用 三维造型软件对直齿锥齿轮进行三维造型 根据直齿锥齿轮的形状特点取/模型即一个齿进行模拟以提高计算效率 采用绝对方式进行网格划分 为 最大网格尺寸为 表 直齿锥齿轮标准化参数 参数名称参数值参数名称参数值齿数 齿顶高/模数 齿根高/轴夹角/全齿高/压力角/齿宽/分锥角/齿厚/齿顶高系数 齿顶间隙数 径向变位系数 齿根圆角半/大端分度圆直径/大端齿顶圆直径/正交试验方案设计镁合金塑性变形过程中模具温度、坯料温度、摩擦因子和模具速度是影响镁合金热锻成形的主要因素 在正交试验方案设计过程中对模具温度、坯料温度、摩擦因子和模具速度进行工艺优化数值模拟 表 为正交试验因素水平表 由表 可知本次试验包含 个水平和 个因素因此选用()型正交表进行设计计算表 试验因素水平表 水平因素模具温度/坯料温度/摩擦因子 模具速度/通过对正交设计结构矩阵的计算如表 所示得到 组不同的锻造工艺参数 采用 有限元分析软件对表 中的每组工艺参数组合表 正交试验方案 编号因素模具温度/坯料温度/摩擦因子模具速度/()试验方案第 卷第 期 刘俊杰等:基于 的镁合金齿轮热锻成形工艺优化进行数值模拟计算 试验因素外的其它参数要严格控制其一致性 本正交试验采用最大成形载荷作为优化指标找到 镁合金直齿锥齿轮最优的锻造工艺参数组合 正交试验结果分析表 为基于有限元模拟结果和正交试验所得到的数据 表中 表示水平号为 时所对应的试验结果之和 /其中 为水平数 为极差为 的最大值与最小值之差 值反应了因素对试验指标的影响程度 值越大说明该因素对试验指标的影响程度越大 由表 可知各因素对最大成形载荷的影响程度为:模具温度 摩擦因子 模具速度 坯料温度表 正交试验结果分析 编号最大成形载荷/吨因素最大成形载荷分析 模具温度/坯料温度/摩擦因子 模具速度/()因素主次 优方案 图 为各因素与最大成形载荷之间的关系曲线 由图 可知模具温度与最大成形载荷呈负相关模具温度越高最大成形载荷越小 当模具温度位于 时最优的模具温度为.当坯料温度位于 时最优的坯料温度为 当摩擦因子位于 之间时最优的摩擦因子为.当模具温度位于 /时最优的模具速度为 /图 各因素与最大成形载荷的关系曲线 最优试验方案模拟验证该正交试验是以最大成形载荷为试验指标所设计的 因此在不考虑其它因素的前提下单纯的对成形载荷进行优化 试验过程中成形载荷越小越好成形载荷越小成形所需设备越小模具寿命越长 由表 可知最优的工艺参数组合为:模具温度为 坯料温度为 摩擦因子为 模具速度为 /将此最优工艺参数组合输入 软件中进行数值模拟并对其进行验证和分析图 为最优方案数值模拟锻件图 由图 可知锻件成形质量良好齿形已完全充满锻件外形精确有少量毛刺图 最优方案数值模拟锻件图 图 为采用最优工艺参数组合进行数值模拟时的成形载荷随时间变化曲线 由图 可知最大成形载荷为 通过与表 中的试验数据进行对比分析可知该成形载荷比正交试验方案的成形载荷都要小 太原科技大学学报 年图 载荷时间曲线 图 为直齿锥齿轮在锻造过程中的温度分布如图()所示在镦粗变形阶段坯料心部温度最高与模具接触的坯料上下面温度最低 随着变形的继续如图()所示坯料心部温度逐渐降低在齿成形处温度较高 如图()所示在锻造完成后锻件的温度基本接近模具温度图 锻造过程温度分布 图 为直齿锥齿轮在锻造过程中的等效应变分布 由图()可知在镦粗变形阶段坯料心部的等效应变最大约为 属于大变形区与模具接触的端面等效应变最小约为 属于难变形区“鼓肚”位置的等效应变介于二者之间属于小变形区 随着变形的继续如图()所示齿开始成形齿成形处的等效应变最大 在锻造结束后如图()所示齿形的局部和毛刺处的等效应变较高齿轮中间部分的等效应变梯度较小变形较为均匀图 锻造过程等效应变分布 图 为直齿锥齿轮在锻造过程中的 体积分数分布 由图()可知在镦粗变形阶段图 锻造过程再结晶体积分数分布 坯料心部的 体积分数为约为 基本发生完全 难变形区的 体积分数约为 程度较低或未开始 小变形区的 体积分数介于二者之间已发生部分 随着变形的继续如图()所示高 体积分数区域向难变形区进一步扩展整体 体积分数有较大的提高 程度进一步提高 在锻造完成后如图()所示锻件的大部分区域发生了完全 只有与模具接触的局部区域 体积分数相对较低没有发生完全 这与图 等效应变的分布是一致的图 为直齿锥齿轮在锻造过程中的平均晶粒尺寸分布 由图()可知在镦粗变形阶段坯料心部的大变形区的平均晶粒尺寸最小小于 难变形区的平均晶粒尺寸最大接近初始晶粒尺寸小变形区的平均晶粒尺寸介于二者之间 随着变形的继续如图()所示锻件心部平均晶粒尺寸较小平均晶粒尺寸较大的区域为与模具接触的位置 这是因为该处摩擦较大变形程度较低导致 程度较低平均晶粒尺寸较大 在锻造完成后如图()所示齿形处的平均晶粒尺寸最小小于 锻件心部的晶粒得到进一步的细化这与图 中等效应变分布和图 中 体积分数分布是一致的图 锻造过程平均晶粒尺寸分布 第 卷第 期 刘俊杰等:基于 的镁合金齿轮热锻成形工艺优化 结论()镁合金直齿锥齿轮的最优热锻成形工艺参数组合为:模具温度为 坯料温度为 摩擦因子为 模具速度为 /()采用最优工艺方案可获得成形质量良好的锻件锻件大部分区域发生完全 锻件齿形处平均晶粒尺寸小于 参考文献:郑斯泽.汽车轻量化技术.科技与创新():.():.():.李南南.镁合金塑性加工控形控性一体化研究.江苏扬州:扬州大学.王晨.镁合金 热变形特性及锥齿轮热锻成形研究.上海:上海交通大学.():.():.陈魁.试验设计与分析.北京:清华大学出版社 ():/:太原科技大学学报 年