基于汽車連桿微觀組織均勻性的優化的研究

李曉剛等

摘 要：使用DEFORM-3D軟件對汽車連桿的加工工藝流程進行了數值模擬，然后采用了高溫奧氏體晶粒尺寸均勻性的單目標優化方案，并建立了四因素四水平正交實驗表，對毛坯經過楔橫軋后的預鍛與精鍛過程進行了相關模擬。進一步驗證了數值模擬和正交實驗方法的結合對于鍛件的研發和生產具有一定的參考意義，為新產品開發和實際生產提供了一種合理的解決方案。

關鍵詞：數值模擬；正交試驗；單目標優化；高溫奧氏體晶粒

1.連桿數值模擬模型的建立

1.1加工工藝流程

將加熱的金屬毛坯自動軸向送入一對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，采用熱模鍛壓力機成形工藝進行預鍛與終鍛，再將制好的坯料切除飛邊，

1.2 模型的建立

本文主要對汽車發動機連桿熱鍛造過程進行數值模擬，材料選取F45V非調質鋼，模擬參數見表1-1。

2.模擬結果分析

圖1-1所示為連桿在熱鍛造過程中的微觀組織分布云圖，預鍛后壓槽處由于變形量較大，動態再結晶完成度較高，使晶粒尺寸較小，100um左右，而連桿處基本未受擠壓，并沒有發生動態再結晶現象，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化

對于連桿微觀組織優化的改進，本文采用正交實驗與數值模擬相結合的方法，對鍛壓成形過程中多因素多水平對終鍛件的微觀組織均勻性進行優化。為得到機械性能優良的連桿鍛件，優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，建立了目標函數表達式：

3.1 正交實驗表設計

本次實驗仍然采用四因素（初始晶粒尺寸、變形溫度、上模速度、摩擦因子）四水平的實驗設計，不考慮彼此間的交互作用，采用正交表 ，計算出各條件下晶粒尺寸均勻因子，選出最優解。正交實驗表如表1-2。

3.2 數值模擬結果分析

對正交實驗表中數據進行數值模擬可以得到各因素對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.優化前后模擬結果對比

圖1-2所示為汽車連桿工藝流程的數值模擬優化前后對比圖，圖（a）、（b）分別對應為工藝流程優化前后的動態再結晶分布圖。可以看出優化后動態再結晶的完成度不高，圖（c）、（d）分別對應為工藝流程優化前后的平均晶粒尺寸分布圖，沒有經過工藝優化的連桿均勻因子計算值為5806.9，而通過優化后，計算連桿的均勻因子為823.3，比其余16組模擬結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，可以得出優化后的連桿微觀組織更為均勻，機械性能更好。

5小結

結果表明，初始晶粒尺寸的大小對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，有利于連桿機械性能的提升。

參考文獻：

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