第一章 绪 论
1.1 选题依据和意义
近年来，因环境保护的需要，开发低能耗、无污染发动机并使其达到成本低、轻型化已成为趋势。发动机是汽车的核心部分，不同的发动机类型决定了汽车的最终性能，凸轮轴作为发动机的五大关键零部件（缸体，缸盖，曲轴，连杆，凸轮轴）之一，其制造直接影响了整车性能，因此对凸轮轴的制造工艺提出了较高的要求。凸轮轴的设计与生产过程的高质量、高效率、低成本、低能耗是提高产竞争力的主要途径，在保证凸轮轴性能要求的前提下，应尽可能简化其加工工艺、减轻重量、提高材料利用率。为实现上述目的，凸轮轴的设计，要求结构紧凑、重量轻，能承受较高接触压力，有更好的耐胶着、耐点蚀、耐磨损的能力，传统整体凸轮轴加工工艺（铸造式凸轮轴、锻造式凸轮轴、直接用圆钢切削）在此方面己经无计可施，因此加工技术的变革成为必然的发展趋势。装配式凸轮轴制造工艺是近二十年发展起来的新技术，以打破常规，构思新颖、经济和社会效益显著为特点应运而生，满足了现代企业发展的要求。
装配式凸轮轴将凸轮轴的设计、材料选择、性能优化三者恰当结合起来，具有设计灵活，产品轻量化、降低成本、优化材料、提高发动机性能等方面性能显著，极具市场竞争力，是凸轮轴制造技术上的新突破。凸轮的制造工艺是影响装配式生产效率及制造成本的最主要因素。采用传统的机械加工技术成形凸轮将彻底丧失装配式凸轮轴的技术优势，其弊病为：1）材料利用率低；2）机械加工时间长，能耗大，生产效率低；3)切削加工切断金属流线，使凸轮强度下降，使用寿命低，因此传统的毛坯加工技术很难满足现代化生产的需要，凸轮的精密成形技术在很大程度上制约着装配式凸轮轴的发展。采用近净精密成形工艺成形凸轮可大幅度降低成本，可视具体材料及形状要求，采用精密塑性成形工艺精密成形凸轮，简化凸轮切削加工过程，节省工时，降低成本，凸轮的精密成型技术成为滚花式装配凸轮轴技术的关键问题。
凸轮的精密塑性成型技术在节材，优化凸轮型线，提高生产效率，实现装配可行性等方面起着关键性的作用。因此，研究凸轮的精密成型技术，对装配式凸轮轴新工艺的发展具有重要意义。本论文关于凸轮精密塑性成型技术的研究内容，是国家“十五”科技攻关课题“装配式凸轮轴加工技术与自动化装备开发”（2003BA213C）的重要组成部分。
1.2 装配式凸轮轴制造技术及发展现状
装配式凸轮轴(亦称组合式轮轴)是将凸轮轴分成凸轮、芯轴、轴颈等若干个可装配件(见图 1.1),分别进行材料优化及精益加工,再组装成整体凸轮轴的新型组合设计与现代制造模式。装配式凸轮轴制造方法为预先成型凸轮，然后将凸轮、轴颈、中空芯轴装在一起，凸轮一般采用碳钢或粉末烧结材料,芯轴则采用冷拔无缝钢管。碳钢凸轮可进行精密塑性成形。并进行高频淬火或渗碳处理。装配式凸轮轴主要加工工艺流程见图 1.2
凸轮与芯轴的连接技术，凸轮与轴颈的装配技术及装配设备，凸轮的精密成形是装配式凸轮轴的关键技术。传统凸轮轴制造方法有如下 3 种：
（1） 铸造式凸轮轴毛坯：此方法主要实用于冷硬铸铁，淬火铸铁材料等。冷硬铸铁凸轮轴使用冷模，铸造技术已十分成熟，可获得较满意的外形，具有较好的耐磨性，主要用于摇臂驱动配气机构和挺杆结构。但由于产品质量不易保证，成品率不高，多用于小型的单双缸凸轮轴制坯，大型的多缸凸轮轴用此工艺制坯的不多。为了使发动机性能更佳，近年开发了重熔冷硬铸铁，淬火球墨铸铁等多种形式的凸轮轴，但由于成本等问题其应用范围还仅限于个别领域。
（2） 锻造式凸轮轴毛坯：此方法主要以碳钢为主进行热锻，凸轮部分采用高频淬火，产品外形和质量均比较好，由于它的耐点蚀性能好，多与气门顶置式（OHV）机构的挺杆组合使用，也有与摇臂配合应用于柴油发动机凸轮轴上置式（OHC）结构的。由于锻造式凸轮轴无法实现减轻重量的目标，发展潜力很小，而且需要大型锻压设备和专用的模具，生产成本较高，材料利用率较低，通常只在某些大型企业中采用。
（3） 直接用圆钢切削：这种方法生产效率低，材料利用率也低，金属纤维不连续，但由于不需大型设备，工艺简单，过去许多工厂采用该方式生产。
第二章 热力耦合分析有限元基本原理与技术问题处理
2.1 引言
在金属塑性成形模拟过程中，根据被研究对象的变形特点，建立合理的理论模型，选择合适的求解方法是模拟结果准确与否的关键。凸轮温锻其主要特征是金属材料的塑性变形远远大于弹性变形，故可以忽略变形的弹性部分。而刚塑性有限元法基于小变形情况下的几何方程，同时考虑塑性变形时的体积条件，忽略了材料变形时的弹性部分，用小变形的计算方法处理大变形的塑性加工问题，恰恰符合凸轮温锻成形的特征。故本文采用刚塑性有限元法来模拟凸轮温锻成形过程。在温锻过程中，工件在发生变形的同时温度也发生着变化。一般金属材料的力学性能随着温度的变化发生明显的改变。由于实际工件变形通常是很不均匀的，因而由变形产生的变形功热在工件内部的分布也是不均匀的。若模具温度较低，工模接触界面的传导换热将导致工件局部温度的急剧下降，同时工件对周围环境的辐射和对流换热也会产生热量损失，从而使得工件内部产生较大的温度梯度。分布不均的温度对材料的变形抗力影响很大，从而进一步影响金属的流动特性，所以在分析金属成形问题中考虑温度的影响非常重要。因此，对于凸轮温精锻成形过程，必须在进行变形分析的同时分析其温度场的变化，并且考虑二者之间的相互影响作用，即变形和传热的藕合分析。
近几十年来，随着计算机技术的飞速发展和数值计算方法的日益完善，基于刚塑性/刚粘塑性有限元模拟技术已被成功地用于分析各种金属塑性成形过程，并在塑性成形领域的应用越来越广泛。但随着模拟范围的逐步扩大和模拟问题的逐步深入以及模拟实际问题自身的复杂性，均给数值模拟带来许多新的难题，使其在应用中仍存在许多具体问题和数学处理上的困难。在有限元数值模拟系统的开发过程中，会涉及到一些关键问题的处理。这些关键问题处理的恰当与否直接关系到求解的精度和计算效率，甚至影响到计算结果的收敛与否，从而影响到数值模拟计算的精确性、可行性、可靠性和有效性。本章基于体积成形软件 DEFORM，研究凸轮温精锻成形热力藕合有限元模拟过程中关键技术的处理。
第三章 凸轮温精锻热力耦合有限元......................31-40
3.1 模型建立 .....................31-32
3.1.1 材料模型..................... 31-32
3.1.2 其他模拟条件..................... 32
3.2 凸轮成形热力学量场..................... 32-38
3.3 坯料的尺寸与锻造载荷..................... 38-40
第四章凸轮成形工艺分析..................... 40-61
4.1 凸轮材料及锻造力学性能..................... 40-43
4.2 凸轮成形工艺方案的确定..................... 43-46
4.3 凸轮的锻件图设计..................... 46-48
4.4 凸轮温锻模具的预锻部分设计..................... 48-52
4.4.1 模具材料的选择..................... 48-49
4.4.2 预锻部分的凹模设计..................... 49-51
4.4.3 预锻部分的凸模设计..................... 51-52
4.5 凸轮温锻模具的终锻部分设计..................... 52-53
4.5.1 终锻部分的凹模设计..................... 52
4.5.2 终锻部分的凸模设计..................... 52-53
4.6 凸轮温锻模具模架部分设计..................... 53-61
结论
凸轮精锻成形是当今精密塑性加工领域广泛关注的研究课题，传统的凸轮成形工艺载荷大，成形精度低，常常出现各种缺陷。因此寻找并研究合理的工艺方案，可以为凸轮精锻工艺实用化提供理论指导。本文在综合分析研究国内外凸轮成形工艺方案的基础上，提出凸轮温精锻成形工艺方案，即在温精锻的温度条件下，先是预锻成形，然后是终锻成形。确定合理工艺方案，合理设计模具结构是本论文的主要内容。
本文主要工作及结论如下：
1）采用 CATIA 建立三维模型，利用 DEFORM 对温锻过程进行三维有限元热力耦合数值模拟，通过数值模拟得到了各个瞬时的锻件应变场、应力场、速度矢量分布、温度场以及成形过程的位移载荷曲线等信息，进而掌握了塑性变形和材料流动规律，为温锻成形凸轮的模具设计提供了理论依据。
2）在数值模拟的基础上，确定合理的温锻温度，选用合理的温锻模具材料、坯料加热方法，温锻用润滑剂。根据金属在模具型腔内的流动状态，设计预锻及终锻模具型腔。完成模架，模具润滑及冷却结构的设计。
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