摘 要

装配式凸轮轴是一种新的凸轮生产技术，与传统的一体式凸轮轴相比，装配式凸轮轴采用新型组合式设计与制造模式，使凸轮产品的使用性能提高，明显改善发动机的燃油经济性，降低了排放，减少了振动，同时拥有产品精度高、生产效率高、制造成本低的优点，具有广阔的市场前景。因而对凸轮轴关键技术--凸轮片精密成形技术进行研究具有重要意义。

本文以方形凸轮片为例，先对凸轮片预锻件形状进行优化以得到成形质量最好的终锻件，在此基础上对工艺参数进行优化，最后对终锻上模模具磨损进行分析和寿命预测。得到的主要结论如下：

①影响预锻件外形的因素主要包括三个方面：预锻件外轮廓形状、预锻件凸台形状、预锻件凸台高度。通过分析各个模拟方案的终锻件成形质量和载荷，发现预锻件外轮廓圆弧部分半径最佳为R=14，预锻件凸台形状最佳为方案b，预锻件凸台高度最佳为h=2.5mm。

②工艺参数主要包括：变形温度、加载速度、润滑条件。在前面得到的最佳方案的基础上，对每种工艺参数分别设置三种方案，模拟后通过分析应力场、应变场、温度场、速度场以及载荷曲线，确定变形温度选择 850℃为最佳，加载速度选择v=20mm/s为最佳，摩擦因子选择0.25最为适合。

③在前面得到的最佳方案基础上，基于Archard摩损模型对终锻上模模具磨损情况进行分析，并对模具寿命进行预测。然后分析了模具硬度、模具温度、润滑条件对模具磨损的影响。最终结果显示终锻上模模具寿命约为2804件。模具硬度越高模具磨损越小，但考虑到模具硬度过高就会导致模具韧性差，因而模具硬度要适中选择HRC55较为合适。随模具温度升高，模具磨损先迅速减小后缓慢增大，在温度为300℃时磨损最小。润滑条件越好，磨损越小，在工作条件允许的情况下适当减小摩擦因子可以减少模具磨损。

关键词：装配式凸轮轴、凸轮片、精密锻造、数值模拟、预锻件形状、模具磨损

Abstract

Compared with the conventional operation of manufactoring camshaft, the assembled camshaft, which embraces the latest combined design and that of manufactory method, could improve the usage quality of the product significantly, decrease the cost of the fuel, reduce the emission of the gas and ease the machinery vibration at the same time. Furthermore, due to the advantages like the high accuracy of the product and high efficiency of the process, the technology of assembled camshaft holds a profound market prospective. Thus, the quintessence process when manufactoring cam, which is called precision forming of cam, is of vital importance in academic research.

This paper take a example of square cam, first, make a optimization of the shape of pre-forging to gain the best finished forging. And on this basis, make another optimization of technological factors. finally, make a wear analysis and life prediction of the top die in final forging. The main conclusions as listed as follows:

①The shape of the pre-forging is affected by the 3 determined factors: the shape of the pre-forging external profile, the shape of the boss in the pre-forging, the height of the boss in the pre-forging. Through predicting the loan and analysing the quality of the forging process, we find that the best radium of the arc part on the external profile of pre-forging equals 14mm. And the best shape of the boss in the pre-forging shows in programme B.The best height of the boss in the pre-forging is 2.5mm.

②Technological factors mainly include the temperature of blank, the loading speed, the lubrication condition. Based on the previous best programme, we set three programmes for every technological factors. After the numerical simulation, we analyze the stress field, strain field, temperature field, velocity field, and the process of forming load - stroke curves of forgings. And we confirm that the best temperature of blank is 850℃, the best loading speed is 20mm/s, the proper friction factor is 0.25.

③Based on the previous best programme, we try to analyze the wear of the mold and predict the life of the top die which is used in the final forging. Then we analyze the hardness and temperature of the die, the lubrication condition, which account for the wear of the die. Consequencely, the outcome indicates the life of the die is 2804 pieces. With the increasing of the hardness of the die, the wear of the die decrease proportionately. Considering that too high hardness would result in bad

toughness, HRC 55 is the proper hardness. With the increasing of the temperature of the die, the wear declines rapidly then increasing slightly, and reaches its lowest point at 300℃. The better lubrication condition would lead to less wear of the die.If the manufactary condition is permitted, decreasing the fabric factor properly could decrease the wear.

Key words: assembled camshaft, cam, precision forging, numerical simulation, the shape of the pre-forging, wear of the die.

目 录

第1章 绪论 1

1.1选题的意义和根据 1

1.2装配式凸轮轴制造技术发展现状 1

1.3装配式凸轮轴的特点 2

1.4凸轮片的精密成形技术 3

1.4.1精密锻造成形技术 3

1.4.2有限元数值模拟技术在精锻成形中的应用 3

1.5本文主要研究内容 4

第2章 凸轮片精锻成形工艺性分析与模具型腔设计 5

2.1凸轮片精锻成形的工艺性分析 5

2.2凸轮片冷、温、热精锻成形的比较与选择 6

2.3凸轮片精锻成形的模具型腔设计 7

2.3.1冲孔连皮的设计 7

2.3.2热锻件尺寸设计 7

2.3.3预锻模具型腔设计 9

2.3.4终锻模具型腔设计 10

2.4本章小结 11

第3章 凸轮片温精锻成形数值模拟及预锻件优化 12

3.1凸轮片温精锻成形数值模拟模型的建立 12

3.1.1材料的选择 12

3.1.2坯料网格划分 13

3.1.3边界条件设置 14

3.1.4模拟控制参数的设置 14

3.1.5接触和摩擦问题 15

3.1.6有限元模型建立 15

3.2预锻件形状优化方案设计 16

3.2.1预锻件圆弧形状优化方案设计 16

3.2.2预锻件凸台形状优化方案设计 17

3.2.3预锻件凸台高度优化方案设计 18

3.3预锻件形状优化的数值模拟结果分析 18

3.3.1预锻件外轮廓圆弧半径优化的数值模拟结果分析 19

3.3.2预锻件凸台形状优化的数值模拟结果分析 20

3.3.1预锻件凸台高度优化的数值模拟结果分析 22

3.4本章小结 24

第4章 凸轮片温精锻成形工艺参数优化选择 25

4.1变形温度的优化选择 25

4.2加载速度的优化选择 28

4.3润滑条件的优化选择 32

4.4本章小结 35

第5章 终锻模具磨损预测与分析 36

5.1模具磨损模拟模型的建立 36

5.2工艺参数对磨损量的影响 39

5.2.1模具硬度对磨损量的影响 39

5.2.1模具温度对磨损量的影响 40

5.2.1润滑条件对磨损量的影响 40

5.3本章小结 41

第6章 结论与展望 42

参考文献 44

致谢 46

第1章 绪论

1.1选题的意义和根据

在发达国家工业化进程中，汽车工业一直发挥着重要作用^[10]，并随着我国工业化的发展，汽车工业凭借其强大的优势已经成为我国国民经济的支柱产业。汽车中最核心部分就是发动机，汽车节能和排放与发动机有着密不可分的关系。当今社会大力提倡节能环保，当然发动机也不例外，因而汽车工业对发动机零部件的设计和制造提出了更高的要求。作为发动机的主要传动件，凸轮轴的设计和制造必将会引起人们广泛关注^[16]。而传统的凸轮轴制造技术由于其工艺复杂、浪费材料多、重量重等缺点已经不能满足人们提出的节能环保和轻量化的使用需求。新型的装配式凸轮轴技术由于其工艺更简单、产品精度高、节约材料、质量轻、效率高、成本低等一系列优势，正越来越受到人们的关注^[6]。并且随着装配式凸轮轴制造技术的逐渐完善，装配式凸轮轴以传统凸轮轴所不具备的优势，已广泛应用于汽车领域，拥有十分广阔的发展前景。

凸轮片制造技术是装配式凸轮轴制造的关键技术之一，同时它也是影响装配式凸轮轴生产效率及制造成本的最主要因素。凸轮片一般在发动机配气机构中起作用，工作时发动机配气机构的气门间歇性会开启，因此凸轮片会受到周期性冲击载荷。正因为这样，凸轮片的表面耐磨损、耐点蚀和耐胶着性能必须要满足使用要求^[1]。因此，研究凸轮片的精密成形特点和成形工艺过程，提高凸轮片的使用质量，这对装配式凸轮轴新工艺的发展具有重要意义。

1.2装配式凸轮轴制造技术发展现状

如今，装配式凸轮轴的应用主要还是在高性能的发动机上^[15]。装配式凸轮轴制造新技术正在被世界上许多汽车制造厂家使用着，但由于它们对装配式凸轮轴的掌握方法和程度不同，使用装配式凸轮轴的类别也不同。