基于汽车连杆微观组织均匀性的优化的研究

李晓刚等

摘 要：使用DEFORM-3D软件对汽车连杆的加工工艺流程进行了数值模拟，然后采用了高温奥氏体晶粒尺寸均匀性的单目标优化方案，并建立了四因素四水平正交实验表，对毛坯经过楔横轧后的预锻与精锻过程进行了相关模拟。进一步验证了数值模拟和正交实验方法的结合对于锻件的研发和生产具有一定的参考意义，为新产品开发和实际生产提供了一种合理的解决方案。

关键词：数值模拟；正交试验；单目标优化；高温奥氏体晶粒

1.连杆数值模拟模型的建立

1.1加工工艺流程

将加热的金属毛坯自动轴向送入一对旋向相同的装有楔形成形模具的轧辊中，模具逐渐挤压被辊轧的金属，把它延伸为所要求的截面形状。楔横轧制坯后，采用热模锻压力机成形工艺进行预锻与终锻，再将制好的坯料切除飞边，

1.2 模型的建立

本文主要对汽车发动机连杆热锻造过程进行数值模拟，材料选取F45V非调质钢，模拟参数见表1-1。

2.模拟结果分析

图1-1所示为连杆在热锻造过程中的微观组织分布云图，预锻后压槽处由于变形量较大，动态再结晶完成度较高，使晶粒尺寸较小，100um左右，而连杆处基本未受挤压，并没有发生动态再结晶现象，仍然为原始晶粒尺339um。

3.锻件高温奥氏体晶粒尺寸均匀性的优化

对于连杆微观组织优化的改进，本文采用正交实验与数值模拟相结合的方法，对锻压成形过程中多因素多水平对终锻件的微观组织均匀性进行优化。为得到机械性能优良的连杆锻件，优化锻件最终的奥氏体晶粒尺寸的均匀程度，采用晶粒尺寸均匀因子概念，建立了目标函数表达式：

3.1 正交实验表设计

本次实验仍然采用四因素（初始晶粒尺寸、变形温度、上模速度、摩擦因子）四水平的实验设计，不考虑彼此间的交互作用，采用正交表 ，计算出各条件下晶粒尺寸均匀因子，选出最优解。正交实验表如表1-2。

3.2 数值模拟结果分析

对正交实验表中数据进行数值模拟可以得到各因素对奥氏体晶粒尺寸均匀性的影响大小依次是：初始晶粒尺寸>变形温度>摩擦因子>上模速度。

4.优化前后模擬结果对比

图1-2所示为汽车连杆工艺流程的数值模拟优化前后对比图，图（a）、（b）分别对应为工艺流程优化前后的动态再结晶分布图。可以看出优化后动态再结晶的完成度不高，图（c）、（d）分别对应为工艺流程优化前后的平均晶粒尺寸分布图，没有经过工艺优化的连杆均匀因子计算值为5806.9，而通过优化后，计算连杆的均匀因子为823.3，比其余16组模拟结果中的均匀因子都要小，图中连杆整体颜色较为单一，即意味着微观组织越均匀，可以得出优化后的连杆微观组织更为均匀，机械性能更好。

5小结

结果表明，初始晶粒尺寸的大小对于最终微观组织的均匀程度影响较大，因此合理地控制初始晶粒尺寸，有利于连杆机械性能的提升。

参考文献：

[1]刘娟.镁合金锻造成形性研究及数值模拟[D].上海交通大学博士学位论文，2008.

[2]管靖.锻造成形过程微观组织优化设计方法研究[D].山东大学博士学位论文，2008.

[3]蔺永诚，陈明松，钟掘.42CrMo钢的热压缩流变应力行为[J].中南大学学报（自然科学版），2008，39（3）：550-553.