基于汽車(chē)連桿微觀組織均勻性的優(yōu)化的研究

李曉剛等

摘 要：使用DEFORM-3D軟件對(duì)汽車(chē)連桿的加工工藝流程進(jìn)行了數(shù)值模擬，然后采用了高溫奧氏體晶粒尺寸均勻性的單目標(biāo)優(yōu)化方案，并建立了四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)表，對(duì)毛坯經(jīng)過(guò)楔橫軋后的預(yù)鍛與精鍛過(guò)程進(jìn)行了相關(guān)模擬。進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬和正交實(shí)驗(yàn)方法的結(jié)合對(duì)于鍛件的研發(fā)和生產(chǎn)具有一定的參考意義，為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和實(shí)際生產(chǎn)提供了一種合理的解決方案。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；正交試驗(yàn)；單目標(biāo)優(yōu)化；高溫奧氏體晶粒

1.連桿數(shù)值模擬模型的建立

1.1加工工藝流程

將加熱的金屬毛坯自動(dòng)軸向送入一對(duì)旋向相同的裝有楔形成形模具的軋輥中，模具逐漸擠壓被輥軋的金屬，把它延伸為所要求的截面形狀。楔橫軋制坯后，采用熱模鍛壓力機(jī)成形工藝進(jìn)行預(yù)鍛與終鍛，再將制好的坯料切除飛邊，

1.2 模型的建立

本文主要對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿熱鍛造過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，材料選取F45V非調(diào)質(zhì)鋼，模擬參數(shù)見(jiàn)表1-1。

2.模擬結(jié)果分析

圖1-1所示為連桿在熱鍛造過(guò)程中的微觀組織分布云圖，預(yù)鍛后壓槽處由于變形量較大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶完成度較高，使晶粒尺寸較小，100um左右，而連桿處基本未受擠壓，并沒(méi)有發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，仍然為原始晶粒尺339um。

3.鍛件高溫奧氏體晶粒尺寸均勻性的優(yōu)化

對(duì)于連桿微觀組織優(yōu)化的改進(jìn)，本文采用正交實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)鍛壓成形過(guò)程中多因素多水平對(duì)終鍛件的微觀組織均勻性進(jìn)行優(yōu)化。為得到機(jī)械性能優(yōu)良的連桿鍛件，優(yōu)化鍛件最終的奧氏體晶粒尺寸的均勻程度，采用晶粒尺寸均勻因子概念，建立了目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式：

3.1 正交實(shí)驗(yàn)表設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)仍然采用四因素（初始晶粒尺寸、變形溫度、上模速度、摩擦因子）四水平的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不考慮彼此間的交互作用，采用正交表 ，計(jì)算出各條件下晶粒尺寸均勻因子，選出最優(yōu)解。正交實(shí)驗(yàn)表如表1-2。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

對(duì)正交實(shí)驗(yàn)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬可以得到各因素對(duì)奧氏體晶粒尺寸均勻性的影響大小依次是：初始晶粒尺寸>變形溫度>摩擦因子>上模速度。

4.優(yōu)化前后模擬結(jié)果對(duì)比

圖1-2所示為汽車(chē)連桿工藝流程的數(shù)值模擬優(yōu)化前后對(duì)比圖，圖（a）、（b）分別對(duì)應(yīng)為工藝流程優(yōu)化前后的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分布圖?？梢钥闯鰞?yōu)化后動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的完成度不高，圖（c）、（d）分別對(duì)應(yīng)為工藝流程優(yōu)化前后的平均晶粒尺寸分布圖，沒(méi)有經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化的連桿均勻因子計(jì)算值為5806.9，而通過(guò)優(yōu)化后，計(jì)算連桿的均勻因子為823.3，比其余16組模擬結(jié)果中的均勻因子都要小，圖中連桿整體顏色較為單一，即意味著微觀組織越均勻，可以得出優(yōu)化后的連桿微觀組織更為均勻，機(jī)械性能更好。

5小結(jié)

結(jié)果表明，初始晶粒尺寸的大小對(duì)于最終微觀組織的均勻程度影響較大，因此合理地控制初始晶粒尺寸，有利于連桿機(jī)械性能的提升。

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