对涡轮增压器叶轮与齿圈进行模具优化设计

对涡轮增压器叶轮和齿圈的锻造加工过程进行模具优化设计由美国俄亥俄大学机械工程系主席、高等教育博士杰伊谷那山克勒和该大学的两个博士学生曼亚德欧莫黑博和法兰德欧慕法迪共同完成。概要：本项目的目的是为美国的两个不同的汽车锻造产品公司进行两种复杂产品（涡轮叶轮和齿圈）的初锻及终锻过程的模具优化设计。涡轮叶轮必须保证最低有效塑性应变不小于0.5，以增加韧性和抗断裂能来支持非常高的离心应力。这对于应变分布以及晶粒尺寸尽可能均匀的分布在整个成品中也是很重要的，从而获得最佳的机械性能的Al2618涡轮。晶粒尺寸的优化是由确定最优平均温度和应变率（由参数使用齐纳Hollomon）来进行的。第二项目是优化环形齿圈模具设计，以便减少锻造次数和由于过多溢料造成的材料浪费。该软件使用是MSC.SuperForge的Simufact.forming前身，它能够在最后阶段检查模具充填、缺损成型与模具接触干涉。它也可以使用Superforge FV（有限体积）仿真判断和显示各种有用的参数，例如:有效塑性应变，等效应变率，有效应力，材料流量，温度，力与时间的关系和最终形状。它的结论是该软件可以有效地用于优化锻造工艺，最大限度地提高机械强度，减少废料及材料锻造阶段，从而降低整体制造成本。1.简介：这个项目的目标是为两个复杂汽车锻造产品进行初锻及终锻的模具优化设计。第一部分是一个铝制的涡轮增压器叶轮（或涡轮）。这零件有极高的转速（可达10万转），可以迅速从开始加速到具有很高的离心应力。新的预制毛坯模具都必须经过设计，从而使这部分有效塑性应变在静态金属区可达到到一个大于0.5的值。由于屈服强度会增加静态金属区低而有效的塑性应变，所以也可以通过优化初锻毛坯模具得到增加这也导致了在各地形成了近乎统一的有效塑性应变产品。参考图1，可见，一个AA2618合金材料的扁平毛坯在初锻使用时的旋转部分。参考图2，最终被用于获取有效塑性应变大于0.5的最终产品的模具轮廓。然而，这并不会导致整体均匀塑性应变大于0.5。此产品相关的一个问题是存在低塑性应变区，即显示在图1和图2中金属蓝色的区域也被称为静态金属区（DMZ）1。图1-扁平模具轮廓变形 图2最终模具产品轮廓我们的目标是从AA 2618到整个制造过程中实现锻造转动部分力学性能最佳。锻造操作的主要优势是通过减少工件多相组织来获得热量;，因为腔融合孔隙被淘汰。另一个目标是优化齐纳霍洛曼参数，Z由平均温度和应变率最优确定，以便得到一个材料晶粒尺寸指示。齐纳霍洛曼率和参数的增大，同时在有效塑性变形平均应变速率增大而锻造时间减少。它也可通过降低锻造温度来增加。粗柱状晶粒被较小的等轴晶粒所取代，晶粒再结晶可以使其延展性和韧性有所增加。这将直接减少了锻件的强度，但是，增加其中一个初坯模的应变幅度将能够一直保持材料的强度。第二部分是一个齿圈2，这里的目的是减少锻造阶段的工序，同时减少材料浪费。有限元仿真模拟在预测变形流动模式上发挥了重要的作用，提高了产品质量。然而，有限元法的主要作用是运用经验验证完成的模具在设计关系或工程实践3中是否合理。通常情况下，为了达到最佳的性能需要进行多次初锻，直到从最初的简单形状锻造为具有形位公差和金属成形工艺的复杂几何外形为止。锻造预成形设计是通过使用类似模具设计的程序进行反向变形模拟，并在最终产品外形以及材料性能要求基础上确定模具的形状和工艺参数。因此，锻造前使用.反向模拟模具设计的方法将对模锻设计过程有着很大的重要。优化整个锻造过程中通过使用充分的和适当的预锻形式以获得所需的锻造属性，如实现合适的模具填充，减少材料浪费，减少模具磨损，取得良好的晶粒流动性和满足条件所需的负载3。UBET（上限单元技术）是用于获取反向模拟最佳方法，另外有限体积法（Simufact.forming软件）是用来做正向模拟及验证设计。UBET已开发并被许多.研究人员使用，例如李等。4使用UBET锻造负荷分析：模具填充、锻件的有效应变和有无溢料间隙。该方案同时适用于轴对称和非轴对称闭塞模锻造以及有肋腹式腔的平面应变封闭模锻本研究从所取得的成果进行了比较实验，并获得了一个良好的结果。这个预先设计的方法是由刘，等研究出的，它结合了有限元为基础的模拟和UBE为基础的逆向模拟。5。布拉姆利，6，已运用TEUBA，这是一个UBET为基础的用于锻造成形反向模拟设计的计算机程序这种方法是以最终所需外形和模具反向流速为基础的方式，在模具的材料最深切的终锻腔形成一个自由边界，在一定的工步内材料反向流进去然后模具钢坯分开这就完成了锻造的预成形。赵，等。7运用有限元的模具逆向跟踪方法进行了通用涡轮盘过程的锻模设计。最后，米莫翰里波和杰伊谷那山克勒8使用UBET反向模拟环件轧制和锻造齿圈。齿圈项目在这个文件里做了报告。在UBET理论中可以找到许多优秀的文献，所以不在这里重复。2。涡轮分析1有限元分析（FEA）技术的发展已经为改良模具、设备设计和改善材料性能提供了重要的联系。代码输入到有限元，包括材料特性的工件（流程应力和热性能）和工具/工件界面（摩擦和传热属性），以及工件与模具的几何形状。对于典型的输出包括预测成形载荷，应变，应变率和温度等值线图，及模具变形。这种模型的研究方法是：1。模型如预成形（镦模等）的固体坯料边缘首先在CAD软件制成和上下模具闭模锻造一样。该模型导出的三维有限元分析技术，如FV的（有限体积）分析（模拟）通过SUPERFORGE9可发现实际锻造模具的旋转部分在设计中的缺陷。2。要着力优化预成形设计。3。确定最佳的预成形设计和基于最优化结果完成的效果，并验证此方法的适用性。在闭塞模锻过程中最重要的方面是预成形或（初锻模）设计，以达到足够的金属分布。有了正确的预成形设计，无缺陷金属流动和完整的模具填充可以实现在终锻造过程中金属损耗和溢料减至最低。决定这预成形结构并涉及到金属流动的了解是一个特别艰难的任务。三维造型软件SolidEdge的是用于建立零件，毛坯及模具。SolidEdge中可以经过选择找到一部分模拟的体积。SolidEdge的选项提供了布尔运算，其中一个特定的形状，可减去或添加到其他形状上。在本研究中，上模和下模都没有进行布尔运算。SimufactSUPERFORGE用来模拟锻造工艺。3。有限体积方法传统的有限元网格划分时，尽力跟踪变形材料。然而，当采用有限体积法，使用有限体积固定参照系来划分网格，这样毛坯材料就可通过网格。能量，材料的质量和动量从一个部件传到另一个部件。有限体积法是通过体积元素在空间相交的点来进行网格划分。下坯模的物质能在整个网格分析时运动。因此，经过固定体积元素的物质运动是由有限体积求解器做出的。模具就像运用有限元划分网格法在模拟锻造材料流程边界时一样工作。材料的应力包括有限元分析时加在模具表面的压力。在有限体积法里，网格必须足够大，以覆盖发生变形后的工件材料。基本的有限元网格也就像一个容器而材料不能离开的网格。根据有限体网格足以进行分析应力波反射和应力恢复。有限体积法的计算机模拟模型，有利于毛坯材料内在的锻造变形，由于这种独特的操作。此外，重划网格技术通常被认为是基于3-D有限元模拟锻造方法的主要瓶颈，所以就完全消除了9,10。图3-上模、下模和工件了解不同预成形设计的最小塑性应变对模具的影响是很重要的，根据数值范围比较来确定一致的工件有效塑性应变。十大几何预成形模具设计用来分析工件的有效塑性应变，即最小有限塑性应变的最大值和最小值。这个最低范围就是特殊预成形时最合适的有效塑性应变范围。表1显示了10种不同的预成形几何设计方式。在预成形设计时使用最好的几何方法有助于提高最低有效塑性应变，也使工件更加均匀。在预成形设计时最好设计一个凸起的圆锥以便能够穿透金属死区（DMZ）。表1：瓶坯所有的测试案例设计案例说明设计一平瓶坯模具 2 Preform flat 瓶坯平 upper die with 与上模 protruding ring 突出环 and preform flat 单位和瓶坯 lower die with an 下模与 engraved ring 环刻 3 三 Preform flat 瓶坯平 upper die with 与上模 protruding cone 凸锥 and preform flat 单位和瓶坯 lower die with an 下模与 engraved cone 锥刻 4 4 Preform flat 瓶坯平 upper die with a 与上模 12 base angle 基角12 protruding cone 凸锥 and preform flat 单位和瓶坯 lower die with a 下模与 43 base angle 基角43 frustum of a 锥的一 circular cone 圆锥 5 5 Preform flat 瓶坯平 upper die with a 与上模 18 base angle 基角18 protruding cone 凸锥 and preform flat 单位和瓶坯 lower die with a 下模与 43 base angle 基角43 frustum of a 锥的一 circular cone 圆锥 6 6 Preform flat 瓶坯平 upper die with an 与上模 26 base angle 基角26 protruding cone 凸锥 and preform flat 单位和瓶坯 lower die with a 下模与 43 base angle 基角43 frustum of a 锥的一 circular cone 圆锥 7 7 Single stage 单级 preform flat 瓶坯平 upper and lower 上下 dies with a 10 死亡与10 base angle 基角 protruding cones 凸锥 8 8 Preform flat 瓶坯平 upper and lower 上下 dies with an 18 死亡与18 base angle 基角 protruding cones 凸锥 9 9 Two stage 两阶段 preform flat 瓶坯平 lower die and 低死亡， upper die with a 与上模 10 base angle 基角10 protruding cone 凸锥 10 10 Two stage 两阶段 preform flat 瓶坯平 lower die and 低死亡， upper die with an 与上模 18 base angle 基角18 protruding cone 凸锥 表2中列出了有效塑性应变的最大值到最小值之间的不同数据。这些数据是表1中10种不同的模拟模具预成形设计收集来的。模具温度，钢坯温度和界面摩擦因素在所有过程中是不变的。工件温度为425，初始模具温度250，摩擦系数为0.8。表2：在瓶坯模具设计变更有效值塑性应变获得最高最低范围不同 Av. 马路。 Preform 1 瓶坯1 1.776 17.76 0.402 0.402 1.374 13.74 1.089 1.089 Preform 2 瓶坯2 1.722 1.722 0.384 0.384 1.338 1.338 1.053 1.053 Preform 3 瓶坯3 1.745 1.745 0.533 0.533 1.212 1.212 1.139 1.139 Preform 4 瓶坯4 1.795 1.795 0.681 0.681 1.114 1.114 1.238 1.238 Preform 5 瓶坯5 1.802 1.802 0.682 0.682 1.120 1.120 1.203 1.203 Preform 6 瓶坯6 2.031 2.031 0.685 0.685 1.346 1.346 1.358 1.358 Preform 7 瓶坯7 1.717 1.717 0.782 0.782 0.935 0.935 1.249 1.249 Preform 8 瓶坯8 1.737 1.737 0.79 0.79 0.947 0.947 1.263 1.263 Preform 9 瓶坯9 1.792 1.792 0.732 0.732 1.060 1.060 1.262 1.262 Preform 10 瓶坯10 1.744 1.744 0.782 0.782 0.962 0.962 1.263 1.263 经过第一个及第二个锻造阶段，设计分析出10种不同预成形方法，并获得最终产品。从这项研究可以得出结论，用与上下平模均为锥度为10的圆锥体预成形设计的两个阶段，是增加最小有效塑性应变的最佳时期，同时有利于最后阶段的充模和均布。在研究不同制品的工件温度，模具温度和摩擦因素后，下列值认为是最理想的：工件温度425，模具温度250，接触摩擦系数为0.3。这些数值适用于最佳平均应力和最高的最小应变。最后的模拟结果显示在图4。图4：用10锥角预成形的最小塑性应变这三个图分别对应第一预成形阶段、第二预成形阶段和最后阶段获得的外形。最终的外形图上的箭头指向静态金属区的最小有效塑性应变，但它们的有效应变都大于0.75。图5显示了用齐纳-霍洛曼参数计算的结果。根据参数均匀化和不能有太大的变动范围来选取齐纳-霍洛曼参数的最佳值。这是因为，上下层的Z值应力是相同的;齐纳霍洛曼参数公式为：在上面的表达式里，Q是变形活化能，161kj/mode,R为气体常数，8.314j/mode-K,T为绝对温度。图5：齐纳-霍洛曼参数4。验证结果为验证研究所得的结果，将试验的结果与模拟的结果进行了比较。比较显示研究结果是正确的，因此，模具工业实验成果已经完成，以便与模拟进行比较。工件的尺寸的和充模在模拟的实验结果与实际的进行比较。（实验结果用来验证用有限体积方法进行模拟锻造的计算结果。）把因模拟而获得的工件的尺寸与实际实验的比较是很重要的。为了验证结果有多好，根据研究工作并经过三个锻造成形阶段获得实际产品。通过模拟在进行分析在许多方面是有益的。不用经过实际试验就可在模拟中获得实际的结果。模拟也减少各种不同的实验费用，节省材料费用，而且不用花费有价值的实验时间。（所有的实际锻造实验过程都在皇后城锻造有限公司进行）。图6：行业获得了最后的结果和阶段的瓶坯通过实验得到的结果与模拟获得有着密切的联系，因此，验证了用有限体积法获得锻造工件的理论。有限体积法模拟结果与实验结果的高度和直径误差范围在初锻时为1.311-8.055，在终锻时为0.030-6.019。因此，有限体积法模拟结果与实验的结果非常相似。误差的出现可能是由于边缘和角落的模具尺寸或因工作过程中的人为误差造成。所以，有限体积法是在模拟初锻和终锻过程的好方法。5。齿圈分析2逆向模拟是使用体积映射方法通过扭转边界界面速度并获得经计算得出几何形状的坯来进行的，相当于上模通过一个相反的增量向后（向上）运动。该程序显示在下面的流程图中（图7），这个过程的主要步骤可以概括如下：最终产品的几何形状，模具装订和加工条件，用来建立反变形仿真的初始UBET模型。从最终的外形开始（充模）。根据变更模面的斜度用直线元素把最终的外形分割为一系列的矩形和三角形。使用体积映射方法推出第二步可允许的界面速度。逆向采取更新工件的几何形状和基于前一步中界面速度得到的模具位置。这个过程反复进行，直至所需的模具达到分离。当得到满意的结果时停止程序，这时逆向模拟终止。然后有限元正向模拟有序进行来验证逆向模拟得出的预成形制品。图7。锻造预成形设计的流程图表2启动与最终的形状 落后的模拟 远期模拟 满足条件 提高瓶坯 无 是的 停止 验证 6。结果与讨论锻造齿圈毛坯要考虑汽车的差异。体积映射技术是用来确定使用反向模拟锻造出最佳中间形状。最后工件被分割成一系列矩形和三角形元数组成的近似轮廓。它的目的是从目前的工作要达到经过优化和减少齿圈毛坯锻造工艺的正确锻造方法，优化的项目有以下几点：（1）减少在多步齿圈毛坯锻造材料浪费，（2）减少锻造（和材料处理）工序次数，从3降到2，（3）初始毛坯温度从约2100F降为约1800F。上述任务是通过使用体积映射方法及反复正向模拟有限元分析齿圈的锻造工艺进行反向模拟完成的。通常情况下，一些预成形是需要的，以获得从最初的简单形状到具有金属成型工艺中最佳性能和几何公差要求的最终复杂几何外形2。齿圈坯锻造过程是一个多阶段的锻造过程，这三个阶段目前已经参与加工最终零件。目前这三个阶段是使用Simufact.forming进行模拟的，以便验证商业软件。二维（轴对称）和三维锻造模拟就是为这个目的进行的。为了减少锻造（和材料处理）阶段次数，仅需两个阶段的预成形设计就可获得所需的最终外形。这将减少材料处理的成本和时间，以及材料的浪费。基于体积映射法，可得到允许的界面速度，以及根据逆向模拟得到的第二阶段的预成形出的几何外形。所用的材料为不锈钢AISI-4337，并在约2100F温度下进行初锻然后温度降为约1800F。体积映射方法得到预成形毛坯（图8）要经过SIMUFACT.FORMING正向计算模拟来验证。一些正向计算模拟包括二维（轴对称）和3维模拟锻造过程是为优化齿圈锻造工艺而进行的。成形温度从约2100F降为约1800F，这将大大增加模具的寿命。此外，锻造的消耗量可使体积收缩从约5下降至约17.5。5到约10的体积收缩可以获得0.1到0.2的与加工余量。锻造成形过程可以使用体积减少10的无溢料精密锻造（案例-1），如图9。在仅有0.02的加工余量净锻造成形过程中可获得高达17.5%的体积减少量。第1个锻造阶段是用初始棒料（钢坯）的比率（高度比直径）进行预成形。二维和三维净成形锻造（案例-2）的模拟结果分别显示在如图10和图11中。下模的两个阶段（案例-3）是用圆形袋子制作的，这样操作者就可以把工件放在下模的中心，如图12。锻造齿圈毛坯要考虑汽车的差异。体积映射技术是用来确定使用反向模拟锻造出最佳中间形状。最后工件被分割成一系列矩形和三角形元数组成的近似轮廓。体积映射技术的发展要达到最佳化几何预成形锻造，尽