摘 要

目前我国汽车产业处于飞速发展阶段。日益提高的生活水平，制造行业的飞速进步，国家政策的大力扶持使得我国汽车日益普及并受到各行各业的关注，我国已然成为汽车制造大国；随着汽车行业的发展，人们对汽车质量的要求也不断提高，这就对汽车及零部件的制造工艺提出了更高的要求；热锻作为汽车复杂轴类零件的主要成形工艺，其主要优势为成形生产的锻件强度高、韧性好、精度高、复杂度高、生产率高等；由于热锻工艺较为复杂，模具设计是关键，要考虑零部件的成形质量以及设备模具的磨损寿命等因素；为了能够在模具设计阶段就能避免不必要的设计缺陷，CAD/CAE技术被运用到了热锻工艺中，借助他们，我们可以预测热锻时锻件成形质量以及模具磨损程度，从而找到理论上最佳的工艺参数，节约生产成本提高生产效率。

本文以某汽车前轴工字梁的热锻过程为研究对象。根据前轴热锻工艺设计出符合要求的热锻模具，并通过模拟仿真技术得到其相应的模膛和工字梁的温度场以及应力分布，从而分析出该热锻过程最佳的工艺参数得到最优化的热锻方法。首先根据给定的前轴工字梁的相关尺寸参数，设计出符合要求的锻件以及锻模；然后绘制出模具以及锻件的三维模型；之后通过CAE软件DEFORM对热锻这一过程进行模拟，仿真分析的主要研究对象为预锻温度以及锻造速度，研究它们对锻件成型以及模具损耗的影响；设置以上两个研究对象为变量，在多组模拟后，通过对模拟数值的比对，得到最优化的锻造温度（1200℃）以及锻造速度（40mm/s），为实际生产过程中的热锻过程提供有价值的参考。

关键词：热锻、热锻模具、工艺优化、数值模拟

Abstract

At present, China's automobile industry is in a rapid development stage. Rising living standards, the rapid progress of manufacturing industry, the vigorously support of national policy making, becoming increasingly prevalent in China's automobile and got the attention of all walks of life, our country has become a car manufacturing power; With the development of the automobile industry, people's demand for the quality of automobile has been constantly improved, which puts forward higher requirements for the manufacturing process of automobile and parts. Hot forging, as the main forming process of complex shaft parts, is characterized by high strength, good toughness, high precision, high complexity and high productivity. Due to the complexity of hot forging process, mold design is the key factor to consider the forming quality of parts and the wear life of the equipment mold. In order to be able to in the mold design stage can avoid unnecessary design flaws, the CAD/CAE technology has been applied to the hot forging process, with the help of them, we can predict when the hot forging forming quality and mould wear degree, so as to find the best process parameters, theoretically to save the cost of production to improve production efficiency.

In this paper, through the analysis of the hot forging process of the front axle of a car, the temperature field and stress distribution of the die bore and the I-beam are obtained by the simulation technology, and the optimum process parameters of the hot forging process are analyzed. First, according to the related dimension parameters of the given front axle, the forging and forging die, including pre forging, final forging and three stages of billet are designed, and then the 3D model of the die and the forging is designed. Then the hot forging process is simulated by the CAE software DEFORM, and the simulation process is set up. The temperature and forging speed are simulated with two variables, and the influence of the above two variables on the die loss and the forming of the forging is studied. Finally, the optimum forging temperature and forging speed are obtained through the comparison of the simulated numerical values, and the simulation of the above two variables is simulated. It provides a valuable reference for the hot forging process in the actual production process.

Key Words: Hot forging, Hot forging die, Process optimization, Numerical simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.1.1汽车行业的发展情况 1

1.1.2热锻工艺在汽车零部件上的应用 1

1.1.3数值模拟技术在热锻工艺上的作用 2

1.2国内外研究现状 2

1.2.1热锻模的发展现状与趋势 2

1.2.2热锻模拟仿真技术的发展现状与趋势 3

1.3课题研究内容与目标 3

第2章 汽车前轴热锻模具设计 5

2.1零件工艺性分析 5

2.2热锻模具总体设计流程 6

2.3热锻模设计与模具寿命的关系 6

2.4热锻模设计方案的确定 8

2.4.1锻件图的制定 8

2.4.2变形工步、工步图设计以及毛坯尺寸的计算 10

2.4.3制坯模膛的设计（拔长、滚压） 14

2.4.4终锻模膛的设计 16

2.4.5预锻模膛的设计 17

第3章 锻造过程有限元仿真分析数学基础 19

3.1. 刚塑性有限元法 19

3.2. 锻造过程塑性成形模拟算法基础 20

3.2.1插值问题 20

3.2.2模拟软件中的算法流程 21

第4章 汽车前轴热锻过程的模拟仿真 22

4.1. DEFORM软件分析内容 22

4.2 DEFORM-3D模拟分析 22

4.2.1模拟方案设计 22

4.2.2模拟过程 23

4.3模拟结果分析 33

4.3.1预锻温度的影响 33

4.3.2锻造速度的影响 41

第5章 总结与展望 46

参考文献 47

致谢 49

第1章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.1.1汽车行业的发展情况

目前来讲，我国虽然为汽车行业大国，但主要的发展侧重于制造和销量方面，从某种程度上来讲这既是优势也是劣势，从优势方面讲，我国占据了较大份额的汽车市场，销量上有利于刺激行业发展；但从劣势方面来讲，我国汽车行业的核心技术与汽车大国相比还有一定的差距，没有足够强的核心竞争力。因此汽车人在骄傲和自豪的同时也应该对我国汽车行业的地位有一个较为客观的认知。

从近两年的国家对汽车行业的扶持政策来看，主要的发展趋势为研发属于本国的核心技术，在核心技术领域增强我国汽车的竞争力。而从2018北京汽车展上我国自主品牌的表现来看，这种从市场向技术转变的尝试是有一定成效的，吉利，长城等自主品牌的表现并不亚于国外老牌汽车企业。然而仔细研究的话可以看出一定的端倪，即我国自主品牌现在研发的汽车基本为纯电动汽车，这其实与燃油车技术核心竞争力不足有关，美、德以及日系车目前的研究重点均放在了混动车方面，考虑到需要要避其锋芒，我国的自主品牌另辟蹊径，将研究重心放在了纯电动车上面，并取得了一定的成果。

1.1.2热锻工艺在汽车零部件上的应用

热锻工艺，就是工件在金属再结晶温度以上进行的锻造^[1]。主要应用在成形比较复杂的零件上，可以减少金属变形抗力，从而降低锻压力，进而再降低设备吨位^[2]；同时也可以使坯料内部结构改变，在热锻过程中经过再结晶，使得较为粗糙的组织转变成为细小的晶粒组织，并改善缺陷的结构，从而提高工件的机械性能。热锻模具一般寿命比较短^[3,4]，这一原因是由热锻时的工况，工件的设计，热处理的条件，预成形体的形状以及做工情况等条件所决定的^[5,6]。生产时，由于与锻模接触的坯料或锻件的温度非常高，锻模的工作状态基本上都是在高温，高冲击强度，高磨损下进行的^[7,8]，所以这就要求锻模需要具有很好的高温强度，高温耐磨性以及高温抗变形能力等^[9]。参考相关资料和文献可以了解到在高温锻造生产过程中磨损致使模具失效的情况高于70%^[10,11]。