初始條件對(duì)粉末連桿鍛造致密過程影響的模擬研究

劉揚(yáng)柏，吳長(zhǎng)水，魯 勝，凌憲政，鄧增輝

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海 201620；2.上海工程技術(shù)大學(xué) 材料學(xué)院，上海 201620)

初始條件對(duì)粉末連桿鍛造致密過程影響的模擬研究

劉揚(yáng)柏1，吳長(zhǎng)水1，魯 勝1，凌憲政1，鄧增輝2

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海 201620；2.上海工程技術(shù)大學(xué) 材料學(xué)院，上海 201620)

為研究在不同初始條件(初始相對(duì)密度、摩擦因子)下對(duì)粉末連桿鍛造致密過程的影響，運(yùn)用塑性變形有限元軟件DEFORM-3D對(duì)粉末連桿鍛造過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬研究；研究結(jié)果表明，不同初始條件對(duì)粉末連桿鍛造成形致密過程具有重要影響：(1)連桿鍛造過程受到的等效應(yīng)力集中在桿身部位，連桿兩頭的等效應(yīng)力相對(duì)較小，說明其鍛造過程各處所受等效應(yīng)力不均勻，成形密度也不均勻；(2)初始相對(duì)密度較小的預(yù)鍛坯鍛造結(jié)束時(shí)，連桿大頭處的材料不能達(dá)到致密，初始相對(duì)密度大的預(yù)成形坯，終鍛致密效果好；(3)摩擦因數(shù)越大，連桿表面的材料流動(dòng)阻力就越大，連桿大小兩頭就越難達(dá)到致密，說明摩擦因子對(duì)連桿相對(duì)密度分布均勻性有較大影響；通過對(duì)粉末連桿鍛造致密過程影響的研究，為粉末連桿預(yù)鍛坯和模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)及粉末鍛造連桿的成形規(guī)律提供一定理論依據(jù)。

粉末連桿；初始條件；鍛造成形；致密；數(shù)值模擬

0 引言

在面臨國(guó)內(nèi)外激烈的汽車行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)及能源危機(jī)不斷加深的國(guó)際環(huán)境下，促使汽車產(chǎn)業(yè)正朝著高效率、高品質(zhì)、低能耗、輕量化的主流趨勢(shì)發(fā)展[1-2]。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，而連桿作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一[3]，它的工作環(huán)境十分復(fù)雜，承受強(qiáng)烈的高溫、交變載荷，其承受的負(fù)荷與連桿本身質(zhì)量成一定比例關(guān)系，而實(shí)際情況下各個(gè)氣缸連桿的質(zhì)量很難達(dá)到完全一樣，需要配重然后做動(dòng)平衡分析。粉末鍛造連桿不僅力學(xué)性能可以達(dá)到普通模鍛連桿、尺寸成形精度高、材料利用率高及可實(shí)現(xiàn)粉末鍛造材料的高致密度化等優(yōu)點(diǎn)外，主要還有連桿質(zhì)量偏差小的優(yōu)點(diǎn)。粉末鍛造連桿采用粉末坯料的稱重法[4-6]，即在金屬制粉過程可以通過對(duì)每根連桿制粉進(jìn)行精確稱重，使得每一連桿制粉過程質(zhì)量相同，相對(duì)普通鍛造連桿的質(zhì)量偏差約為2.5%，粉末鍛造連桿僅約為0.5%，所以采用粉末鍛造連桿基本無需再對(duì)各缸連桿配重。因此，在研究傳統(tǒng)的連桿的基礎(chǔ)上，探求新型輕量化連桿以減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、機(jī)械損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率具有重要的意義，目前大部分除采用高強(qiáng)度鋼及鋁合金等輕質(zhì)材料來替代傳統(tǒng)鋼鐵材料外,粉末冶金材料為發(fā)動(dòng)機(jī)連桿提供了新的發(fā)展方向[7]。本文通過對(duì)粉末連桿鍛造致密過程影響的研究，為粉末鍛造連桿的成形規(guī)律提供一定理論依據(jù)。

1 預(yù)鍛連桿及鍛造模具模型的建立

1.1 粉末鍛造塑性成形的理論基礎(chǔ)

(1)

而多孔體粉末材料在閉式模鍛成形過程因體積不斷縮小，密度逐漸增大，故遵循質(zhì)量不變條件[8-10]，可用公式表示為:

Vd=V0d0

(2)

式中，V0、d0為初始條件下的體積和密度；V、d為粉末材料變形中的體積和密度。

εd+εv=0

(3)

將(1)式代入上式中，得質(zhì)量不變條件為:

ε1+ε2+ε3=εv

(4)

也可寫成:

(5)

式中,dε1、dε2、dε3為3個(gè)主應(yīng)變?cè)隽浚沪褳榉勰┎牧系南鄬?duì)密度。

1.2 模型的建立

根據(jù)合作廠家生產(chǎn)的連桿作出如圖1所示的連桿零件工程圖，并標(biāo)注出連桿的主要尺寸。再根據(jù)終鍛連桿工程圖設(shè)計(jì)出連桿預(yù)鍛坯，及在閉式鍛模中的裝配情況，如圖2所示。鍛造過程是上模以一定的速度向下運(yùn)動(dòng) ，下模固定不動(dòng)，達(dá)到對(duì)連桿鍛造致密的效果。

圖1 連桿零件工程圖

圖2 連桿預(yù)鍛坯三維圖

2 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在粉末連桿鍛造成形數(shù)值模擬時(shí)，選用不同摩擦因子μ、初始相對(duì)密度ρ0等初始條件的預(yù)成形燒結(jié)坯。將預(yù)鍛坯導(dǎo)入DEFOEM軟件中，用自帶網(wǎng)格劃分功能生成網(wǎng)格如圖3所示，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)為24000，網(wǎng)格類型為四面體類型。考慮到連桿大頭、小頭結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，而且鍛造過程成形困難，如果這些部位的四面體網(wǎng)格過于粗大，將會(huì)造成該部位的體積失真和計(jì)算精度的下降，所以對(duì)連桿大頭和小頭部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化加密處理，與桿身相對(duì)細(xì)化比例為0.01。設(shè)置預(yù)鍛坯的初始相對(duì)密度ρ0為0.8，溫度T為900℃，摩擦因子μ為0.25，鍛造速度為0.1mm/s，同時(shí)在連桿預(yù)鍛坯的兩頭最外側(cè)和中間部位選取3個(gè)跟蹤點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖3 預(yù)鍛坯網(wǎng)格劃分及跟蹤點(diǎn)選取

通過對(duì)連桿鍛造的數(shù)值模擬可知：連桿預(yù)鍛坯鍛造成形致密過程呈現(xiàn)不均勻性。整只連桿靠近中心部位密度較高，桿身部分所受等效應(yīng)力大，成形密度高，致密效果好；連桿大頭、小頭部位所受應(yīng)力應(yīng)變小，成形密度低，致密化效果差，特別是連桿的最兩端部位最難達(dá)到致密。

由圖4等效應(yīng)力變化云圖可看出：當(dāng)鍛造下壓率為40%時(shí)，連桿預(yù)鍛坯受到的等效應(yīng)力集中在連桿桿身部位，并且靠近中間位置，約為400MPa，連桿兩頭所受到的等效應(yīng)力比較小，約為210MPa；當(dāng)鍛造下壓率為60%時(shí)，連桿預(yù)鍛坯受到的等效應(yīng)力由下壓率40%時(shí)位置相對(duì)集中，逐漸向連桿兩頭擴(kuò)展，但主要還是分布在桿身部位，連桿大小兩頭外側(cè)的等效應(yīng)力相對(duì)較小，約為240MPa。鍛造過程連桿的相對(duì)密度變化，由圖5相對(duì)密度等值線分布圖可知：連桿鍛造時(shí)的相對(duì)密度變化情況與等效應(yīng)力變化趨勢(shì)類似，即桿身部位相對(duì)密度變化較快，而連桿兩頭則相對(duì)較慢。

圖4 等效應(yīng)力變化云圖

圖5 相對(duì)密度等值線分布

圖6是在連桿預(yù)鍛坯上選取的3個(gè)跟蹤點(diǎn)位置處的等效應(yīng)力、相對(duì)密度變化的曲線。兩幅圖中，點(diǎn)1、點(diǎn)3的曲線變化情況非常接近，且都低于點(diǎn)2處數(shù)值。點(diǎn)2處的等效應(yīng)力和相對(duì)密度隨時(shí)間平緩上升，約在100s時(shí)，相對(duì)密度均迅速增大至接近致密。此時(shí)點(diǎn)2處材料不能繼續(xù)被壓縮，因而等效應(yīng)力也隨之迅速增大，該處材料開始往連桿兩端橫向流動(dòng)。隨著鍛造過程的繼續(xù)，桿身部分的材料被擠壓流向連桿兩端，所以連桿兩端的相對(duì)密度和等效應(yīng)力開始迅速增大。由于連桿大頭、小頭壁相對(duì)桿身部分占用材料較少，所以該部位相對(duì)密度很快就能達(dá)到接近致密狀態(tài)。

2.1 初始相對(duì)密度對(duì)粉末鍛造連桿成形致密的影響

在其他條件保持不變的條件下(溫度T為900 ℃，摩擦因子μ為0.25，鍛造速度為0.1mm/s)，分別取初始密度為ρ0=0.6、ρ0=0.65、ρ0=0.7進(jìn)行模擬計(jì)算，鍛造下壓率為60%，模擬結(jié)果如下圖所示。由圖7可知，粉末連桿鍛造成形時(shí)，初始相對(duì)密度ρ0對(duì)材料的成形致密有一定影響，但其影響不明顯，其影響主要在連桿大頭、小頭處材料的致密程度；然而在相同的軸向應(yīng)變下，初始相對(duì)密度ρ0大的預(yù)鍛坯，成形相對(duì)密度大，致密效果好。反之，初始相對(duì)密度ρ0小的預(yù)鍛坯，致密效果差。因此，采用較大的初始相對(duì)密度ρ0的預(yù)鍛坯是提高鍛造成形致密的途徑之一。

圖6 跟蹤節(jié)點(diǎn)相對(duì)密度、等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線圖

圖7 不同初始密度終鍛致密效果云圖

圖8(a)是不同初始密度預(yù)鍛坯在鍛造過程，跟蹤點(diǎn)3處材料相對(duì)密度隨時(shí)間的變化曲線，由該圖可知：初始密度為0.6的預(yù)鍛坯鍛造結(jié)束時(shí)，跟蹤點(diǎn)3處的材料沒有達(dá)到致密，該處相對(duì)密度提高約41.67%；初始密度為0.65、0.7的預(yù)鍛坯鍛造結(jié)束時(shí)。跟蹤點(diǎn)3處的材料均達(dá)到致密。圖8(b)是不同初始密度預(yù)鍛坯在鍛造過程，跟蹤點(diǎn)1處材料等效應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，相對(duì)密度較大的等效應(yīng)力變化曲線位于相對(duì)密度較小的等效應(yīng)力變化曲線上方；鍛造終了時(shí)，鍛造連桿等效應(yīng)力的大小趨于一致。

(a)相對(duì)密度變化曲線 (b)等效應(yīng)力變化曲線圖8 跟蹤點(diǎn)處的相對(duì)密度、等效應(yīng)力變化

說明雖然初始相對(duì)密度ρ0大的預(yù)鍛坯有利于連桿鍛造成形過程達(dá)到致密，但是增大預(yù)鍛坯的相對(duì)密度將會(huì)帶來鍛造壓力的增大。因此應(yīng)選擇相對(duì)密度大小合適的連桿預(yù)鍛坯，使連桿鍛造成形密度均勻且成形應(yīng)力較小。

2.2 摩擦因子對(duì)粉末鍛造連桿成形致密的影響

在其他條件保持不變的條件下(溫度T為900℃，初始相對(duì)密度為0.65，鍛造速度為0.1 mm/s)，改變摩擦因子μ，分別在μ=0.12、μ=0.25和μ=0.35下進(jìn)行模擬計(jì)算，鍛造下壓率為60%，模擬結(jié)果如下圖所示。結(jié)合圖9、圖10可知：摩擦因子μ越大，在相同變形量情況下預(yù)鍛坯的相對(duì)密度分布越不均勻，鍛造終了時(shí)連桿大頭、小頭的相對(duì)密度值越小；摩擦因子μ越大，材料的斷裂極限應(yīng)變值越小，出現(xiàn)斷裂裂紋越早。主要是因?yàn)槟Σ亮υ龃螅B桿鍛造過程中材料橫向流動(dòng)阻力變大，這種現(xiàn)象對(duì)連桿成形很不利。因此，在實(shí)際鍛造中可以改變潤(rùn)滑條件，從而提高成形極限和致密效果，可以推遲裂紋的產(chǎn)生。

圖9 不同摩擦因子終鍛致密效果云圖

圖10 跟蹤點(diǎn)處的相對(duì)密度、等效應(yīng)力變化

3 結(jié)論

(1)連桿鍛造成形致密過程總體呈現(xiàn)不均勻性。整只連桿靠近中心部位密度較高，桿身部分所受等效應(yīng)力大，成形密度高，致密效果好；連桿大頭、小頭部位所受應(yīng)力應(yīng)變小，成形密度低，致密化效果差。

(2)初始相對(duì)密度ρ0大的預(yù)鍛坯，各處成形相對(duì)密度大，致密效果好；反之，初始相對(duì)密度ρ0小的預(yù)鍛坯，致密效果差。

(3)摩擦因子μ越大，在相同變形量情況下預(yù)鍛坯的相對(duì)密度分布越不均勻，鍛造終了時(shí)連桿大頭、小頭的相對(duì)密度值越小。

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Simulation Study on Influence of Initial Conditions onDensification Process of Powder Forging

Liu Yangbo1,Wu Changshui1,Lu Sheng1，Ling Xianzheng1，Deng Zenghui2

(1.School of Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China;2.School of Materials, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

In order to study the effect of different initial conditions (initial relative density, friction factor) on the compacting process of powder connecting rod forging process, the plastic deformation finite element software DEFORM-3D was used to simulate the process of powder connecting rod forging. The results show that different initial conditions have an important effect on the compacting process of powder connecting rod forging. (1) The equivalent stress of connecting rod forging process is concentrated in the shaft part, and the equivalent stress of the two ends of the connecting rod is relatively small, which indicates that the equivalent stress is uneven and the forming density is not uniform in all parts of the forging process; 2) The initial relative density of small forging forging at the end of the big rod at the end of the material can not reach the dense, the initial relative density of the preform, the final forging densification effect; (3) the greater the friction factor, connecting rod The greater the resistance of the surface material flow, the greater the size of the connecting rod is more difficult to achieve compact, indicating that the friction factor on the relative density of the rod has a greater impact on uniformity. Through the research on the influence of the densification process of the powder connecting rod, the optimization design of pre forging billet and the die and the forming rule of the powder forging rod are provided.

powder connecting rod; initial condition; forging forming; density; numerical simulation

2016-08-23；

2016-11-02。

上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(15KY0616)。

劉揚(yáng)柏(1991-)，男，江西贛州人，碩士，主要從事先進(jìn)制造工藝方向的研究。

1671-4598(2017)03-0140-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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