摘 要

装配式凸轮轴制造工艺具有高精度、低成本、高生产效率等特点，解决了凸轮轴对各部分材料性能要求不一的问题，可以实现柔性设计，同时，凸轮轴制造的自动化水平提高，是凸轮轴制造工艺发展的方向。凸轮的精密成形技术是装配式凸轮轴技术的核心，对于钢制凸轮片，采用精密锻造的工艺方法制造，可以减少切削加工余量，提高材料利用率，得到质量好、性能优的零件，同时，可实现大批量生产，提高生产效率。因此，研究凸轮片的精密锻造工艺，对装配式凸轮轴的发展具有十分重要的意义。

本文针对椭形凸轮片，借助DEFORM-3D有限元数值模拟软件，对其温锻成形过程进行模拟分析，并进行预锻件优化设计，在此基础上，探究成形工艺参数对其成形过程和模具磨损的影响规律，为椭形凸轮片实际生产提供理论依据。本文主要在以下几个方面展开研究：

(1)针对椭形凸轮片零件，在对其工艺性分析的基础上，结合终锻件形状，初步设计预锻件形状，利用Pro/Engineer Wildfire(Pro/E)软件，建立预锻模具和终锻模具的三维几何模型。

(2)基于刚塑性有限元基本理论，借助DEFORM-3D软件平台，建立椭形凸轮片温锻成形三维有限元模型，通过数值模拟，分析预锻和终锻成形过程中金属流动规律。

(3)在初步设计的预锻件形状的基础上，结合终锻成形过程中金属流动规律，对预锻件形状进一步优化设计，确定合理的预锻件及预锻模具设计方案，使预锻凸轮片大端和小端金属分配合理，在终锻成形时，能够得到表面质量好(没有毛刺、金属填充效果好)的锻件，并且可以降低终锻成形载荷。

(4)在最佳的预锻成形方案下，探究成形工艺参数(变形速度、坯料初始温度、润滑条件)对椭形凸轮片预锻和终锻成形过程的影响规律，为实际生产中成形设备和工艺参数的选择提供参考依据。

(5)基于Archard磨损模型，建立椭形凸轮片温锻模具磨损的有限元模型，通过模拟计算，分析终锻模具的磨损特点，并对影响模具磨损的主要因素(模具材料初始硬度、模具预热温度、润滑条件)进行探究，为模具设计和成形工艺参数选择提供一定理论基础。

关键词：凸轮片；温精锻；数值模拟；模具磨损

Abstract

The manufacturing process of assembled camshaft has the characteristics of high precision, low cost, high productivity and so on, which solves the problem that the different parts of the camshaft have the different requirements to the material properties, so flexible design can be achieved. At the same time, it improves the automation level of the camshaft manufacturing and is the trend of the development of the camshaft manufacturing. The precision forming technology of cam lobe is the core of assembled camshaft technology. For steel cam, using the precision forging process can reduce machining allowance, improve material utilization, and obtain the parts with high quality and performance. As a result, it has an important significance to study the precision forging process of the cam lobe for the development of the assembled camshaft.

As for oval cam, warm forging process of the cam is simulated with the help of finite element numerical simulation software. On the basis of this, it researches on the influence of process parameters on the forming process and die wear, which provides a theoretical basis for the actual production of oval cam. The paper mainly focuses on the following aspects:

(1) On the basis of the analysis of oval cam’s technics and combined with the shape of finish-forging, three-dimensional model of the pre-forming die and finish-forging die are designed by using Pro/Engineer Wildfire.

(2) Based on the basic theory of rigid plastic finite element method, warm forging process of the cam is simulated with the help of finite element numerical simulation software. By means of numerical simulation, the flow pattern of metal in the process can be obtained.

(3) Combined with the metal flowing law, the design of pre-forging die is further optimized. And the best design, which can make the metal distribution in reason, can be got according to the results of numerical simulation. Under the premise of getting good forgings, the finish-forging load can be reduced by using the best design of pre-forging scheme.

(4) Based the best design of pre-forging scheme, this paper analyses the main process parameters of warm precise process of cam, such as the speed of deformation, the beginning temperature of bar, and the lubrication condition.

(5) The thermal mechanical coupling analysis of warm die forging process for oval cam was done based on Archard theoretical model. The influence of different hardness of die material, temperature of dies, and lubrication condition on the forging die wear were analyzed. All of those mentioned above have significant influences on precision forging process.

Key Words: Cam Lobe; Warm Precise Forging; Numerical Simulation; Die Wear

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究目的和意义 1

1.2 课题相关研究进展 1

1.2.1 装配式凸轮轴的发展现状 1

1.2.2 精密锻造技术 3

1.2.3 数值模拟在精密塑性成形中的应用 4

1.2.4 DEFORM软件 4

1.3 课题的主要研究内容 5

第2章 凸轮温锻成形工艺分析及有限元数值模拟 6

2.1 引言 6

2.2 凸轮零件工艺性分析 6

2.3 凸轮温锻成形模具设计 7

2.3.1 凸轮锻件图设计 7

2.3.2 模具设计 7

2.4 刚塑性有限元理论 9

2.5 凸轮温锻成形有限元分析模型的建立 10

2.5.1 几何模型 10

2.5.2 材料模型 10

2.5.3 网格划分 11

2.5.4 接触和摩擦问题 12

2.5.5 模拟控制参数的设置 12

2.6 凸轮温锻成形数值模拟结果分析 12

2.6.1 预/终锻速度场分析 12

2.6.2 预/终锻应力场分析 13

2.6.3 预/终锻应变场分析 14

2.6.4 预/终锻温度场分析 15

2.6.5 预/终锻成形载荷分析 16

2.7 本章小结 17

第3章 凸轮温锻数值模拟参数优化 18

3.1 引言 18

3.2 凸轮预锻件优化设计 18

3.2.1 不同圆心距L对凸轮终锻成形影响 18

3.2.2 不同预锻件凸台高度h对凸轮终锻成形影响 20

3.2.3 不同预锻件大端和小端半径对凸轮终锻成形影响 21

3.2.4 不同预锻件凸台形状对凸轮终锻成形影响 22

3.3 凸轮温锻数值模拟工艺参数优化 23

3.3.1 变形速度对凸轮温锻成形的影响 23

3.3.2 坯料初始温度对凸轮温锻成形的影响 26

3.3.3 润滑条件对凸轮温锻成形的影响 29

3.4 本章小结 31

第4章 模具磨损分析 32

4.1 引言 32

4.2 模具磨损模型 32

4.2.1 Archard磨损模型 32

4.2.2 模具磨损有限元模拟 32

4.2.3 基于模具磨损的寿命预测 33

4.3 模具磨损与工艺参数的关系 34

4.3.1 模具材料硬度对模具磨损的影响 34

4.3.2 模具预热温度对模具磨损的影响 35

4.3.3 润滑条件对模具磨损的影响 36

4.4 本章小结 37

第5章 结论与展望 38

参考文献 40

致 谢 42

第1章 绪论

1.1 课题的研究目的和意义

近年来，随着汽车工业的持续迅猛发展，汽车保有量大幅增长，汽车零部件的高性能、轻量化、低成本和节能环保已成为汽车工业发展的趋势，同时，汽车已然成为全球能源损耗与污染物排放的主要来源^[1-2]。汽车的节能环保是全球研究的重点之一，而汽车的节能环保又与发动机密切相关，因此，在保证发动机性能的前提下，轻量化和节能环保是提高其竞争力的有效途径。凸轮轴是发动机的三大关键摩擦副之一，是发动机配气机构中气门传动最关键的零部件^[3]，其关系到发动机运转的精度和平稳性，进而影响汽车的性能。因此，凸轮轴的设计和制造在汽车工业的发展中有着重要的地位。

装配式凸轮轴技术^[4]的出现和发展，打破了单一的传统整体式凸轮轴制造工艺的现状。传统的整体式凸轮轴多采用铸造或者锻造的方法加工而成，凸轮轴各部分材料性能一致，很难满足不同部位对其材料性能的要求。与传统的整体式凸轮轴制造工艺相比，在满足其对抗扭强度、耐磨性和运动平稳性的要求的前提下，装配式凸轮轴在柔性设计、材料的合理选择利用、轻量化以及低生产成本等方面的优势逐渐显现出来^[3][5]。因此，装配式凸轮轴有很大的市场竞争力，是凸轮轴制造技术的新进展。