外文翻译--对涡轮增压器叶轮和齿环的锻造加工过程进行模具优化设计 中文版

本科生毕业设计 (论文 ) 外 文 翻 译 原 文 标 题 a a 文 标 题 对涡轮增压器叶轮和齿 环 的锻造 加工过程进行模具优化设计 共 13 页 第 1 页 译文标题 对涡轮增压器叶轮和 齿环 的锻造加工过程进行模具优化设计 原文标题 a a 者 名 杰伊谷那山 克勒 国 籍 美国 原文出处 、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 齿环 ）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 增加韧性和抗断裂 能 力用来 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 才能 获得 具有 最佳 机械性能的 轮 。晶粒 尺寸 的 优化是由确定最优平均温度和应变率（由 使用 齐纳 来进行的 。第二项目是优化 齿环 模具设计， 目的是 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 的 是 身， 它能够 在最后阶段 检查 模具 填 充 、缺损成型与模具接触干涉。 它也可以 通过 精密锻造有限元 仿真 来 判断和显示各种 重要 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 。 结果显示 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。 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） 。 涡轮 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 毛坯 模具都必须 经过 预先 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 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 金 材料的扁平毛坯在初锻使用时的 旋转部分 变形情况 。参考图 2，最终被用于获取有效塑性应变大于 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 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（ 共 13 页 第 2 页 图 1 平模变形轮廓 图 2 最终平模变形轮廓 我们的目标是从 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 。 另一个目标是优 化 齐纳霍洛曼参数，最优 Z 由 平均温度和应变率 确定 ， 从而 得到一个材料 晶粒尺寸指示 。齐纳霍洛曼率和参数的增大， 同时使 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 齿环 ，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 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 的 ，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作用 。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 。 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（ 件）是用来做 正向 模拟及验证设计。 开发 并被许多 研究人员 使用 ，例如李等。使用 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 基础 的 逆向 模拟。布拉姆利，已 运用 是一个 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 运用 有限元的 模具逆向 跟踪方法 对 通用涡轮盘过程 进行 锻 共 13 页 第 3 页 模 设计 。最后，米 莫翰里波 和 杰伊谷那山克勒 使用 向 模拟环件轧制和锻造 齿环 。 齿环 项目 在 这个文件 里做了报告。在 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 有限元分析（ 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 具有 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。 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 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 （ 有限 体积） 分析（模拟） 通过发现 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。 对 涉及 到 金属流动 的 预成形结构的 了解是一个特别艰难的任务 。 三维造型软件 于 建立 零件， 毛 坯及模具。 可以 经过选择找到一部分模拟的体积。 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 。 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 时， 毛坯材料就可通过网格。 材料的质量和动量从一个 部 件传 到另一个 部件 的过程中产生能量 。 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 的 。 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 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 ， 这是一种 独特的操作。 此 外， 重划 网格 技术 通常被认为是 基于 3限元模拟锻造方法的主要瓶颈 ， 所以就完全消除了 。 共 13 页 第 4 页 图 3 上模、下模和工件模型 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（ 表 1 预成形设计的所有情形 方案 描述 设计 1 平模预成形 2 用凸起环预成形上平模用凹陷环预成形下平模 共 13 页 第 5 页 3 用凸起圆锥预成形上平模用凹陷圆锥预成形下平模 4 用 12底角的凸起圆锥预成形上平模用 43底角 的圆锥截面预成形下平模 5 用 18底角的凸起圆锥预成形上平模用 43底角 的圆锥截面预成形下平模 6 用 26底角的凸起圆锥预成形上平模用 43底角 的圆锥截面预成形下平模 7 用 10底角的凸起圆锥一步预成形上下平模 8 用 18底角的凸起圆锥一步预成形上下平模 共 13 页 第 6 页 9 两次过程都用 10底角圆锥预成形上下平模 10 两次过程都用 18底角圆锥预成形上下平模 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 表 2 不同预成形设计得到的有效塑性应变值 方案 1 最大值 最小值 差值 平均值 案 2 案 3 案 4 案 5 案 6 案 7 案 8 案 9 案 10 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 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。 共 13 页 第 7 页 图 4 用 10圆锥角预成形出的有效塑性应变图 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 图 5 显示了用 齐纳 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 最佳值 。这是因为，上下层 的 Z 值应力 范围是： 1012 Z 1012。 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/ 为 气体常数， 为绝对温度。 图 5 齐纳 共 13 页 第 8 页 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 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 生产中的预成形件与最终制件图 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 在终锻时为 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 进行 模拟 初 锻 和终锻过程 的 好方法 。 5 齿环 分析 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 型。 共 13 页 第 9 页 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 6结 果与讨论 锻造 齿环 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 齿环 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 齿环 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 2100 F 降为约 1800 F。 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 齿环 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 。 齿环 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 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 共 13 页 第 10 页 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 在约 2100 F 温度下进行初锻然后温度降为约 1800 F。 体积 映射方法得到 预成形毛坯 （图 8） 要经过 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 齿环 锻造工艺而进行的 。成形温度从约 2100 F 降为约 1800 F，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 5 到 约 10 的 体积 收缩 可以 获得 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 如图 9。 在仅有 加工余量净锻造成形过程中可获得高达 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 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 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 齿环 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， 尽量减少材料的使用， 同时考虑 减少 锻造的过程 。 借助 2 维 （轴对称）和三维电脑模型 来模拟锻造过程 （正模拟），并确保 正确充模 。仿真结果表明，该方法可以成功地确定最佳的锻造过 程中的中间（预制件）的形状。 各种 重要 工艺参数，如中间几何 外形 ，最佳 棒料毛坯的高宽比 ，成形温度，成形载荷 是由模拟结果 来确定的 。 图 8 体积映射法 得到的预成形 图 9 无溢料精密 锻造（案例 共 13 页 第 11 页 图 10 净成形锻造（案例 维模拟 图 11 净成形锻造（案例 维模拟 图 12 在下 模中心净成形锻造（ 案例 7结论： 在 预成形初锻时要考虑减少材料的使用和减少 齿环 毛坯锻造的工序（生产中的现实问题） 。 用 二维（轴对称）和三维电脑模型（使用 模拟锻造过程（正 向 模拟），并确保 正确充模 。仿真结果表明，该方法可以成功地确定 锻造工艺 的 最佳中 间件 （ 预制件 ） 的 形状 。从模拟结果可以得出这样的结论 这个成熟的 方法 可以用 来确定各工艺参数的意义，如中间几何 外形 ，最佳 棒料毛坯的高宽比 ， 成 形 温度，成形载荷。此外， 经过 模拟 的 不同 工艺参数 被优化后 ， 下面所有项目将实现 ： 锻造阶段 从 3 个阶段削减到 2 个 阶段，最后的 齿环 毛坯 形状 经 体积映射 法 得到的完全充模预制件。 初始坯温度可降低到 1800 F 最后阶段使用无 溢料 精密锻造， 可使 材料损耗可降至 10左右。 最后阶段可以进行使用净成形锻造 使 材料浪费 减少 到 约 综上所诉 ，可以得出结论，该方法有减少锻造阶段数目 的能力 。这将减少材料处理，材料浪费 以及降低 大容量生产该产品的运营成本 。 共 13 页 第 12 页 8鸣谢 作 者要感谢 皇后城 锻造有限公司，美国 轮轴 及制造公司和 造行业协会 的 技术和财政支持， 以及 前俄亥俄州立大学获得博士学位的学生 ，现在他们已成为 沙特阿拉伯 两所大学 中的教授但 地址不详 ，才能 进行研究这些项目。 参考文献 1. of a a 004 2. . 2003 3. T., S., H., 1995. 4. .,H.,.,H.,.,B., “A by 2(1997) 3715. .,w.,.,“by a 4 (1998) 2186. .,N., “16 (2001) 627. .,.,.,.,V., “of a 4 (1998) 1938. 0, 2006, 9. s 1998 ( 共 13 页 第 13 页 指 导 教 师 评 语 外文翻译成绩： 指导教师签 字： 年 月 日 注： 1. 指导教师对译文进行评阅时应注意以下几个方面：翻译的外文文献与毕业设计（论文）的主题是否高度相关，并作为外文参考文献列入毕业设计（论文）的参考文献；翻译的外文文献字数是否达到规定数量（ 3 000 字以上）；译文语言是否准确、通顺、具有参考价值。 2. 外文原文应以附件的方式置于译文之后。