随着工业污水增多、汽车尾气过量排放、资源衰竭等环境与能源危机的出现,节能减排和可持续发展已成为世界各国人民的共识。作为一种能耗、污染都相对较高的行业,汽车零部件制造业面临着快速发展与节能减排的双重挑战。纵观国内外发展趋势,具有低耗、高效、节材优势的精密锻造成形技术是汽车零部件制造业的重要发展方向。汽车用中空薄壁件结构复杂、小特征多、变径比大,一般需要多工序精密成形,当各工序变形量、变形形状分配不当时,会导致成形缺陷的产生和尺寸精度超差。此外,在精密锻造成形过程中,坯料经历不同程度的高温和剧烈变形,造成锻件显微组织分布的不均匀性。目前,关于中空薄壁类汽车零部件的精密成形工艺研究较少,一些关键技术难点和基础科学问题尚未突破。基于以上背景,本文以典型中空薄壁件—差速器半轴法兰为研究对象,利用数值模拟和精锻实验等手段,对材料热流变行为、预成形与工艺参数优化设计、显微组织演变规律等方面开展了研究工作,旨在为中空薄壁件精密成形提供理论指导,进一步提高锻件质量、降低生产成本,实现汽车零部件的节材、低耗、高效精密成形,具有重要的理论意义和工程应用价值。本课题的主要研究内容和结论如下:(1)在不同温度和应变速率条件下,开展了等温热压缩实验,研究了汽车零件常用材料40Cr钢的高温热流变行为。基于摩擦修正的流动应力应变数据,建立了基于应变补偿的Arrhenius模型,基于Avrami模型的动态再结晶方程以及动态再结晶晶粒尺寸方程。高的应变速率有利于获得均匀的晶粒组织,而随着温度的上升,发生动态再结晶的晶粒数量逐渐增加,晶粒的长大也逐渐明显。对比模拟与实验结果发现两者基本一致,说明所构建的本构方程和动态再结晶方程能够为后续精密锻造成形的数值建模提供准确的基础数据。(2)基于构建的40Cr钢本构方程和动态再结晶方程,建立了半轴法兰初始工艺方案的数值模型,模拟发现锻件存在充不满和折叠等成形缺陷。根据缺陷成因、金属流动规律、预锻件体积分配原则,对预锻件的形状和尺寸进行了优化设计,设计了基于反挤压、正挤压、复合挤压的多种预锻件方案,并基于数值模拟确定了最优的预锻件形状尺寸。优化后,半轴法兰的成形工艺由三道工序缩减为两道工序,缩短了生产流程,提高了生产效率,并有效避免了缺陷的产生。对优化工艺方案进行了实验研究,分析了坯料、预锻件、终锻件不同位置处的显微组织特点,发现坯料的带状偏析组织经过预成形、内腔成形后得到了有效改善,但半轴法兰不同位置的显微组织仍然存在不均匀性。(3)为了实现半轴法兰的形性协调控制,对其工艺参数进行多目标优化设计。确定了摩擦因子、坯料温度、挤压速度、模具温度4个工艺参数为设计变量,以及动态再结晶体积分数、模具载荷和模具磨损量3个指标为优化目标。应用Box-Behnken方法设计了29组参数组合方案,并根据29组方案的模拟结果建立了优化目标的响应曲面模型。分析了变量因素对响应曲面及其等高线的影响,发现坯料温度对3个优化目标的影响最明显,挤压速度和摩擦因子具有明显的交互作用,模具温度影响最不明显。结合粒子群算法,在可行变量空间内对3个目标的综合函数进行寻优,得到最优工艺参数组合:摩擦因子为0.34,坯料温度为1030℃,挤压速度为35 mm/s,模具温度为293 ℃。对最优的工艺参数组合进行了验证,锻件的再结晶体积分数提高了9.56%,模具最大载荷与模具最大磨损量也得到了相应的降低。