专业工程论文范文篇一
1 绪论
1.1 引言
重型汽车作为汽车工业的重要分支，同样具备上述特点，其主要从事公路货运，属于耐用消费品，并且同时具有生产资料的属性，广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，重型汽车在整个汽车行业中的地位和作用不可替代[ 4]。 随着国家改革开放的深入，我国重型汽车行业凭借产品运输效率高、经济效益好等优势获得了较快的增长[5]。近年来，随着整个行业的发展，我国实施限制车辆超载，加之随后实施的车辆改为征收燃油税，进一步促进了我国重型车辆向着载重重型化、车辆轻量化的高端市场方向发展[6]。 重型汽车是高技术含量的生产工具，每年都需要投入大量资金进行新产品及零部件的开发。世界上大的重型汽车企业都具有更新技术储备的能力，每隔几年都会推出换代产品，在发动机、底盘、驾驶室、传动系统、悬架系统等方面全部改进[7]。我国的重型汽车行业尚缺少整车开发能力，只能在局部小修小补；自主开发能力滞后，主要以引进国外技术或产品为主。在悬架系统方面，我国虽然从上世纪 50 年代已经开始了对空气悬架的研究工作，但受限于设计及制造等种种复杂因素的影响，一直未能拥有较为成熟的生产工艺[8]，主要依靠进口国外技术或产品来弥补这一缺陷。随着汽车的普及，人们对汽车的安全性、行驶平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性的需求越来越高，要求汽车上采用更为舒适的空气悬架系统代替钢板悬架系统，空气悬架系统的研究会越来越被重视，将成为汽车研究领域的一个重要方面，我国在这方面的研究也将越来越完善，空气悬架系统必将迎来一个快速发展期[9]。
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1.2 空气悬架系统及推力杆国内外研究现状
空气悬架系统于 1847 年在美国拉开研究发展的序幕，并于 1944 年被美国通用公司在客车上试用，验证了其优越性，再经过近 10 年的研究完善后，开始批量生产装有空气悬架系统的客车，并在随后几年将空气悬架技术引用到牵引车上[16]。到上世纪 60 年代，美国和德国的大部分重型汽车都使用了空气悬架系统，法、英、意、日等国家也开始了对空气悬架的研究工作[17]。目前，国外的空气悬架系统已经应用的相当广泛，在豪华商业客车的使用率已几乎达到 100%，在重卡及挂车上的使用率也超过了 80%，同时一些豪华轿车上也大量采用空气悬架系统[18]。由于空气悬架有着其他悬架系统无法比拟的优点，随着空气悬架系统的大量应用，对空气悬架系统的研究也在逐渐深入。 推力杆作为空气悬架系统中的导向机构中的重要组成部分，在国外对推力杆的研究过程中，其受力分析和结构上的设计已经非常成熟，并形成了完整的设计分析流程。一些国外知名品牌如曼集团、梅赛德斯‐奔驰、世冠汽车等多轴重型汽车的推力杆总体设计中，运用现代先进设计方法，对推力杆结构的设计、尺寸的大小、材料选取及根据不同车型进行参数的调整与匹配，从而使推力杆实现轻量化和最佳化。
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2 推力杆球头径向挤压成形工艺方案设计
2.1 引言
推力杆球头径向挤压工艺是以减少球头内部缺陷，提高其力学性能，降低加工成本为最终目的。本文主要根据球头自身结构特点设计了径向挤压的成形方案，并结合一些资料和参考文献制定工艺参数，使成形后的零件达到尺寸精度高、组织均匀、综合性能好的要求。推力杆球头径向挤压成形工艺采用的是径向挤压单通道侧向成形的方案，该方案成形原理如图 2.2 所示，首先在感应炉中将坯料加热至要求的挤压温度，然后迅速将坯料转移至模具中，压机上缸向下位移，使凸模与坯料接触后，以特定的速度向下挤压，坯料开始沿模具侧向变形。当凸模下压到一定位置后，塑性变形过程基本结束，最后使凸模复位，将工件从模具中取出，即得到尺寸精度较高的推力杆球头挤压件。以上原则结合“三图”定温制定合适的挤压温度。根据 Fe‐Fe3C 相图，得到温度范围上限（0.85～0.9）T0，下限为比相变温度高 50～70℃，T0为 45 钢固相线温度 1475℃，相变温度为 727℃[47]。在合金塑性图中以断面收缩率和镦粗时第一个裂纹出现时的最大压缩率两个指标来衡量金属热加工塑性，根据图 2.3 的碳钢塑性图可以给出具体的温度范围，45 钢在 800～1200℃是塑性最好，变形抗力最小。由于高温热挤压，可以不用考虑金属再结晶的问题，因此根据以上因素可以确定推力杆球头挤压前温度为 1000℃，在此温度下可以保证金属挤压成功率以及零件的组织和性能[48]。
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2.2 推力杆球头径向挤压成形工艺方案
2.2.1推力杆球头材料选择
推力杆球头要承受纵向力以及扭矩，因此要求其在保证强度的同时，拥有较好的韧性，再因为球头径向挤压成形需要坯料金属有良好的塑性变形能力，所以推力杆球头成形时坯料采用的是热轧后退火态 45 钢这种材料[39]。与原铸造工艺所用材料相比，退火态 45 钢强度低，塑性好，可以满足径向挤压成形的需要，在零件成形后，采用调质工艺处理，使零件的强度和韧性满足最终要求。退火态 45 钢物理性能如表 2.1[40]。由图 1.4 可以看到，推力杆球头形状比较复杂，整体形状不对称，内腔呈管状，靠上部位有一个弹片卡槽，底部有一圈凸缘，用来固定橡胶及球铰。球头外部铆接部位存在螺纹，不能直接用挤压手段成形。因此根据挤压成形特点，推力杆球头挤压件形状可设计应充分考虑挤压工艺特性和机械加工工艺要求。热挤压零件的尺寸余量、公差基本根据零件的最大轮廓尺寸来查表选取，零件在各个方向上的机加工余量大致相同。推力杆球头内腔尺寸不一，为了使模具结构尽量简化，因此取最小内径为内部轮廓，单边余量可定为 0.5mm，球头外部对尺寸精度要求不高，因此外径单边余量为 2mm，球头连接部位以螺纹最大外径尺寸为准，外径余量为 2mm。高度方向余量为 5mm[41]。推力杆球头以径向挤压为成形工艺，一般需设计分型面进行卸料[42]。合理的分型面可以减少金属流动阻力，使零件更容易脱模，根据推力杆球头结构特点，采用沿中心线垂直分型，分型面穿过整个零件。
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3推力杆球头径向挤压成形工艺有限元分析
3.1 引言 ...... 19
3.2 刚塑性有限元基础 ...... 19
3.3 Simfact.forming 简介 .... 22
3.4 推力杆球头有限元模型的建立 .... 23
3.4.1 推力杆球头物理模型的建立 ........ 23
3.4.2 边界条件的确定 .... 24
3.5 推力杆球头有限元模拟结果及分析 ........ 25
3.6 推力杆球头成形过程中出现的问题及优化方案 ........ 29
3.7 本章小结 .... 30
4 推力杆球头优化方案及数值模拟分析
4.1 引言 ....... 31
4.2 坯料优化 ..... 31
4.2.1 最大挤压力 ...... 32
4.2.2 等效应力分布 ........ 33
4.2.3 损伤分布 .... 33
4.2.4 推力杆球头坯料优化方案 ...... 34
4.3 模具结构优化 ......... 34
4.4 本章小结 ..... 39
5 推力杆球头径向挤压模具设计
5.1 引言 ...... 40
5.2 模具材料选择 ........ 40
5.3 径向挤压模具设计 ...... 41
5.4 本章小结 .... 47
6 推力杆球头径向挤压物理模拟实验
6.1 引言
推力杆球头径向挤压工艺与其他径向挤压工艺相比具有金属流动不对称，坯料特殊等特点。即使严格的制定了工艺方案，并对工艺参数进行优化，成形过程进行有限元分析，但数值模拟过程中对模具和坯料的刚塑性假设、一些边界条件的近似处理和摩擦条件的理想化处理等设定，使模拟结果是否与实际成形时相吻合难以保证，而实际生产或实验时存在的一些不可预知性因素，导致零件成形结果与模拟结果总会存在差异。因此为了对推力杆球头径向挤压成形工艺方案及有限元数值模拟优化后的工艺参数进行验证，本章设计了球头径向挤压成形物理仿真实验[84]。 挤压成形物理仿真实验主要采用简易模具配合铅试样对球头的挤压成形过程模拟，其目的在于以极小的成本模拟其成形工艺，验证零件成形时的金属流动情况、成形效果是否与模拟吻合。为以后工艺实验提供重要依据和参考。
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结论
本文对重型汽车空气悬架系统推力杆球头的成形工艺进行了改进与优化，将其由铸造工艺改为径向挤压工艺，通过有限元数值模拟软件对挤压成形过程进行了分析优化，得出推力杆最优工艺参数，并利用物理模拟实验对成形工艺验证，得出以下结论：
（1） 对推力杆球头的结构和铸造工艺进行分析，讨论了铸造工艺的优缺点，提出了采用径向挤压工艺成形该零件的方案，对新工艺成形过程中可能出现的问题做出预测。并结合推力杆球头的结构特点，制定了径向挤压工艺的工艺方案和工艺参数；
（2） 采用 Simufact.forming 有限元软件对球头径
