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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于数值模拟的火车衬板锻造工艺研究 姓名：魏星 申请学位级别：硕士 专业：数字化材料成形 指导教师：莫健华 20070530 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘摘 要要 随着计算机技术的快速发展和有限元理论的深入研究，以及应用计算机进行有 限元求解水平的不断提高，在完善的金属塑性成形理论研究的基础上，应用有限元 数值模拟在金属塑性成形领域进行金属成形过程的模拟分析已逐渐成为一种重要的 工程辅助设计手段，并愈来愈受到工程应用人员的重视。 本文基于三维刚塑性有限元法的理论基础，分析了目前在锻造成形过程中进行
2、 有限元法数值模拟分析的相关关键技术的解决方法；对模拟分析锻造成形过程的有 限元分析软件 Deform3D 的应用进行了深入探讨；对株洲汽车零部件实业有限公司 锻造分公司生产的 45 号钢衬板锻件进行工艺研究，并应用 Deform3D 对其锻造过程 进行计算机数值模拟分析。 全文的研究完成了衬板加工过程中的辊锻制坯和闭式模锻成形过程的数值模 拟。通过对模拟结果的分析与比较，获得了坯料变形过程的成形载荷、几何形状变 化规律和相关的力学特性以及成形件能量消耗情况，并分析了锻件成形过程中容易 产生缺陷部位。此外，详细研究了在模锻过程中模具的桥部结构参数变化对该衬板 成形条件的影响，归纳了模具的桥部结
3、构对成形参数影响的规律。 最后，将模拟的结果与实际生产中的真实情况对比，衬板成形过程中塑性变形 的基本情况与实际吻合。通过模拟分析，得到的金属流动规律、成形载荷数据以及 桥部结构尺寸的数据，对工艺制定、模具优化设计和设备选取等具有实际指导意义。 关键词：关键词：塑性成形 锻造 有限元 数值模拟 桥部结构 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract Along with the rapid development of computer technology and deeply study of finite eleme
4、nt theory, it is being an important assistant means to simulate metal forming with finite element numerical value simulation in metal plastic forming area on the basis of complement theory study of metal plastic forming. As a result, finite element numerical value simulation will become a universal
5、solution in the engineering area and it will be widely used by engineers. In this thesis, a laconic analysis of the solutions of relative key technique of the application of finite element numerical value simulation in the forging forming area by using the available three-dimensional rigid plastic f
6、inite element theory is submited. A deep discussion of the applications of the finite element analysis software Deform3D in forging process at the present time is also presented. The numerical value simulation and analysis of forging process of a pad part, which was manufactured by Zhuzhou auto part
7、 Ltd. with no.45 steel, is made in the end. In this thesis, two kinds of finite element analysis simulation of forging process, which include twice rolling forging processes to make billet and once mould forging process to form the finishing part billet, are studied and performed. The load on billet
8、, the geometry shape transformation of billet, relative mechanics characteristic and the wastage of forming energy during its forming period are gained through the whole simulation. In this thesis, it also makes an analysis of the area where flaw trends to emerge during the forming process. Furtherm
9、ore, a study on how the dimensions of the mould bridge structure impacts the forming process is made. On the basis of the data and analysis acquired above, several rules of mould bridge structures influences on forming parameters are summarized in the end. Compared with the actual production, the ma
10、in forming things in the simulation is very similar with that in the actual production. The flow rules of the metal, forming load and the parameters of the mould bridge structure can be used as references to help making technics route, designing and optimizing mould structure and choosing equipments
11、. Key words： Plastic Forming Die Forging Finite Element Analysis Numerical Simulation Bridge Structure II 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权
12、书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论绪论 1.1 课题提出及研究意义课题提出及研究意
13、义 火车提速是当今铁路发展一个大的趋势，对于火车上的各种零件的性能要求也 越来越高。本文所研究的某 45 号钢锻件是株洲汽车零部件实业有限公司锻造分公司 生产的应用于火车上的一个橡胶垫衬板。由于其工作环境的特殊性，在锻造生产时， 不仅要保证设计所要求的形状和尺寸，对锻件的质量、机械性能和工作可靠性都有 较高的要求；同时为节省材料降低废品率，对预制坯料尺寸设计和预制坯模具设计 的要求严格。 在锻造生产过程中发现，由于锻件头部形状复杂，导致预制坯中间部分金属流 动距离增大，整体变形不均匀；如果预制坯模具尺寸设计不当，终锻件的形状将达 不到设计要求，造成巨大飞边浪费，并且很容易在局部（端部形状顶点，
14、亦称死角， 即金属最难流到的部位）引起锻造缺陷的产生。 经过几次工艺试验发现，如果预制坯两端尺寸太大而中间细小，锻件的头部复 杂形状成形效果良好，但轴向金属浪费严重，并且由于中间和端部尺寸差距较大会 在局部产生金属皱褶；如果制坯两端尺寸太小而中间尺寸较大，锻件头部的成形效 果就会变差，甚至会出现严重的金属充不足现象，同时径向靠近锻件中部飞边浪费 严重。 采用传统的手工方法对模具尺寸进行修正，并进行试验试制，不仅费时费力， 也很容易造成模具的损坏，造成巨大的额外损失。通过计算机有限元模拟传统加工 过程，不仅能预测零件成形缺陷，也能虚拟加工现场，在没有实际设备参入的情况 下评测某种加工方法，开发某
15、种新的加工工艺。从 1960CloughR W第一次提出有限 元法，到现在历经 40 年，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题， 分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展 到流体力学、传热学、电磁学等领域。在有限元应用领域不断扩展、求解精度不断 提高的同时，有限元也从分析比较向优化设计方向发展13。 针对以上情况，本文利用有限元数值模拟的方法，在计算机上虚拟实现该锻件 的预制坯成形和终锻成形的仿真过程，通过对变形过程中锻件金属的充型情况以及 应力场和飞边分布情况的分析，对锻造缺陷产生的原因进行研究，并在此基础上通 1 华 中 科 技 大 学 硕 士
16、学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 过修改相关参数而确定合适的预制坯尺寸和较准确的模具尺寸，为生产工艺的制定 提供参考1。 1.2 相关研究进展及发展趋势相关研究进展及发展趋势 随着计算机硬件的飞速发展和有限元理论的深入研究，塑性有限元法数值模拟 在物质上和理论上已经日趋成熟，在国内外的经济发展中拥有广阔的发展前景。从 80 年代起，随着金属体积成形的有限元模拟研究成为国际的热点，国内外的学者就 将其应用于锻造成形中，特别是对二维问题到三维问题的研究工作做了大量的工作。 目前，对金属塑性成形过程的计算机模拟大都简化为平面应变问题，这与实际变形 过程不符。大多数塑性成形过程是三维非稳态过程，因而要想获得精确的场量信息， 必须进行三维有限元模拟
