十字軸鍛造成型工藝與模具設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

.....十字軸鍛造成形工藝研究及模具設(shè)計(jì)摘要近幾年,隨著經(jīng)濟(jì)和汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展,十字軸作為傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分,應(yīng)用越來(lái)越廣泛,地位也越來(lái)越重要。本文主要以十字軸為研究對(duì)象,十字軸是汽車(chē)底盤(pán)中的一個(gè)十分重要的傳力零件,產(chǎn)品質(zhì)量要求高,形狀復(fù)雜。以目前國(guó)內(nèi)普遍應(yīng)用的熱鍛工藝為研究前提,運(yùn)用UG、DEFORM-3D軟件系統(tǒng)的研究十字軸的成形過(guò)程和模具設(shè)計(jì)。首先采用UG或Pro/E三維造型軟件對(duì)十字軸進(jìn)行三維實(shí)體化造型。利用DEFORM-3D有限元模擬軟件對(duì)十字軸的成形過(guò)程進(jìn)行模擬。分析應(yīng)力狀態(tài)和載荷-行程曲線?；谀M結(jié)果,分析十字軸預(yù)鍛成形過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題,提出模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)建議。從數(shù)學(xué)模型上給出了指導(dǎo),得出了優(yōu)化的工藝參數(shù),設(shè)計(jì)出合理的模具型腔。利用UG的實(shí)體造型功能建立十字軸的三維模型。關(guān)鍵詞：十字軸；數(shù)值模擬；預(yù)鍛變形；有限元；成形工藝.....StudyonFormingProcessandDieDesignforCrossingShaftABSTRACTInrecentyears,withthedevelopmentofeconomyandautomotiveindustry,asthemainbasisofmechanicalparts,thecrossshaftofanever-increasingstatusisalsobecomingincreasinglyimportant.Thisarticlemainlytakescrossshaftastheresearchobject.Thecrossshaftisautomobilechassisofaveryimportantforcetransmissionparts,productsofhighqualityrequirements,complexshape.UG,DEFORM-3Dasaplatform,andhasdonesomeresearchonmoulddesignandFEMsimulation,onthebaseofforgehotprocesswhichiswidelyusedinlocalplant.First,usingUGorPro/Ethree-dimensionalmodelingsoftwarefor3Dmodelingofthecrossshaft.ThefiniteelementsimulationsoftwareDEFORM-3Disusedtosimulatetheformingprocessofthecrossshaft.Andanalysisthestressdistributionandthemetalload-tripcurve.Accordingtotheresultofthesimulation,theprobleminthePre-forginghasbeenanalysedwithsomeinstructivesuggestionsfordiedesigningputforward.Guidanceisgivenfromthemathematicalmodel,thentheoptimizedparameters,designofmouldcavityandreasonable.Athree-dimensionalmodelofcrossshaftusingasolidmodelingfunctionofUG.KeyWords:crossshaft；numericalsimulation；Pre-forgingprocess；finiteelementmethod；formingprocess目錄TOC\o"1-3"\u摘要IABSTRACTII引言-1-第1章緒論-2-1.1研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)-2-1.2研究意義〔價(jià)值及主要內(nèi)容-3-第2章設(shè)計(jì)研究方案-4-2.1對(duì)課題的認(rèn)識(shí)-4-2.2課題的研究方法-5-2.3熱模鍛成形工藝-6-模鍛的特點(diǎn)-6-模鍛的分類(lèi)-6-開(kāi)式模鍛工藝-6-2.4影響金屬成形的因素-7-2.5UG簡(jiǎn)介-8-UG產(chǎn)品概述-8-UG主要技術(shù)特點(diǎn)-9-本課題有關(guān)UG的運(yùn)用-9-2.6DEFORM-3D簡(jiǎn)介-10-DEFORM的特點(diǎn)-10-DEFORM模型的建立-10-第3章十字軸模具設(shè)計(jì)-12-3.1十字軸鍛件幾何尺寸分析-12-3.2終鍛模的設(shè)計(jì)-14-分模面的制定-14-模塊的結(jié)構(gòu)-14-飛邊的選用-14-鎖扣設(shè)計(jì)-15-坯料體積計(jì)算-17-3.3預(yù)鍛模的設(shè)計(jì)-18-第4章十字軸模具總裝配圖-22-4.1模架的選取-22-4.2熱模鍛壓力機(jī)的選用-26-4.3模具總裝配圖-27-第5章結(jié)論與展望-29-致謝-30-主要參考文獻(xiàn)-31-附錄-32-插圖清單TOC\t"插圖"\c圖2-1常見(jiàn)十字軸零件圖和模鍛件圖-4-圖2-2十字軸零件圖-5-圖2-3十字軸冷鍛件圖-5-圖3-1十字軸冷鍛件圖尺寸-12-圖3-2十字軸熱鍛件圖尺寸-13-圖3-3十字軸熱鍛件三維圖-14-圖3-4飛邊的結(jié)構(gòu)形式-15-圖3-5四角鎖扣-15-圖3-6終鍛模上模-16-圖3-7終鍛模下模-16-圖3-8坯料-17-圖3-9成形過(guò)程金屬流動(dòng)模型-18-圖3-10坯料鐓粗-18-圖3-11傳統(tǒng)工藝下的預(yù)鍛模腔-19-圖3-12改進(jìn)后的預(yù)鍛型腔-20-圖3-13傳統(tǒng)工藝下預(yù)鍛結(jié)束和終鍛結(jié)束-20-圖3-14改進(jìn)后預(yù)鍛結(jié)束和終鍛結(jié)束-20-圖4-1中間導(dǎo)柱模架-22-圖4-2中間導(dǎo)柱上模座-23-圖4-3中間導(dǎo)柱下模座-24-圖4-4A型導(dǎo)柱和導(dǎo)套-25-圖4-5模具總裝配三維圖-27-圖4-6十字軸模具裝配圖-28-表格清單TOC\h\z\t"表格"\c表4-1中間導(dǎo)柱上模座結(jié)構(gòu)參數(shù)-23-表4-2中間導(dǎo)柱下模座結(jié)構(gòu)參數(shù)-24-表4-3導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)參數(shù)-25-表4-4導(dǎo)套結(jié)構(gòu)參數(shù)-26-..引言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們對(duì)物質(zhì)上的需求,再加上國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈,各國(guó)在努力發(fā)展自身經(jīng)濟(jì)的同時(shí),在關(guān)乎本國(guó)自身安全的領(lǐng)域也紛紛馬不停蹄的研究開(kāi)發(fā),在這些領(lǐng)域中,最重要的莫屬制造業(yè)了,一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的發(fā)展水平,技術(shù)含量,直接影響到這個(gè)國(guó)家的整體命運(yùn)。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)的制造業(yè)發(fā)展水平還有一定差距,還需要大量引進(jìn)先進(jìn)技術(shù),這使我國(guó)的發(fā)展從根本上看處在被動(dòng)地位,因此可以說(shuō)對(duì)制造業(yè)的發(fā)展研究就顯得重中之重。本課題是在這個(gè)大的背景賦予的精神下深入到我們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€(gè)常見(jiàn)領(lǐng)域展開(kāi)研究的,近幾年,我國(guó)汽車(chē)制造業(yè)可以說(shuō)是我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的代表,大部分國(guó)外廠商的注入,國(guó)有品牌的崛起,共同滿(mǎn)足著我國(guó)國(guó)民對(duì)私家車(chē)日益增長(zhǎng)的需求。而汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)中的十字軸正是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中必不可少的組成部分,而且承擔(dān)著重要分量的安全責(zé)任。在傳動(dòng)裝置中,載荷對(duì)結(jié)構(gòu)有很高的要求,人們對(duì)速度、穩(wěn)定性的追求,使載荷不斷的增大,在結(jié)構(gòu)上不可避免的產(chǎn)生應(yīng)力集中,而十字軸的軸頭尺寸又相對(duì)很小,這樣,就使十字軸成為汽車(chē)安全穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素,也因此對(duì)其加工制造的工藝有較高的要求。而DEFORM-3D是一種基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng),專(zhuān)門(mén)用于分析各種金屬成形過(guò)程中的三維流動(dòng),提供很有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù),及有關(guān)成形過(guò)程中的材料和溫度流動(dòng),通過(guò)模擬處理,可以從一定的程度預(yù)見(jiàn)工藝過(guò)程和效果,并在模擬中改進(jìn)工藝,從而為實(shí)際生產(chǎn)提供最大的便利,節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間,空間,節(jié)約成本。計(jì)算機(jī)廣泛發(fā)展以來(lái),實(shí)際生產(chǎn)與數(shù)字化聯(lián)系日益緊密,各國(guó)紛紛大力發(fā)展數(shù)字化技術(shù),可以說(shuō)將實(shí)際生產(chǎn)數(shù)字化會(huì)從根本上改變制造業(yè)的生產(chǎn)模式和管理模式,有上千年歷史的制造業(yè)也進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)期。因此實(shí)際生產(chǎn)數(shù)字化的重要性不言而喻。緒論研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)萬(wàn)向聯(lián)軸器,具有傳遞扭矩大、使用壽命長(zhǎng)、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。主要應(yīng)用于軋機(jī)主傳動(dòng)和輔機(jī)傳動(dòng),也適用于起重、礦山、工程、車(chē)輛運(yùn)輸、石油、船舶、造紙機(jī)械及其它重型機(jī)械行業(yè)。特別對(duì)冶金工業(yè)的技術(shù)改造及機(jī)械產(chǎn)品的更新?lián)Q代提供了有利條件,采用這種新型機(jī)械基礎(chǔ)條件將會(huì)大幅度提高作業(yè)率而獲得很大的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)目前常用的聯(lián)軸器有：梅花萬(wàn)向接軸、滑塊萬(wàn)向接軸、弧形齒接軸及十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器。梅花萬(wàn)向接軸和弧形齒接軸許用傾角小；滑塊式萬(wàn)向接軸潤(rùn)滑條件差；十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、效率高、許用傾角大、潤(rùn)滑維護(hù)簡(jiǎn)便。十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器具有廣闊的市場(chǎng),年需求量很大。按目前情況分析,不算進(jìn)口,其年銷(xiāo)售量也在二億人民幣左右。因國(guó)內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定,再者有些大型設(shè)備中的主傳動(dòng)軸一時(shí)還無(wú)法達(dá)到要求,故失去了一部分市場(chǎng)。這部分市場(chǎng)所占數(shù)量雖然不大,但產(chǎn)值卻很高,約占總銷(xiāo)量的30％左右。為了減少進(jìn)口和擴(kuò)大出口,增加年銷(xiāo)售量,對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品須進(jìn)行不斷的改進(jìn),提高其技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量,最大限度的占有市場(chǎng)。由于十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器的應(yīng)用范圍在不斷地?cái)U(kuò)大,而它本身又是更換件,都需備品備件,其需求量也會(huì)逐年增加。十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器的主要構(gòu)件由主、被動(dòng)叉頭與十字包組成,傳遞動(dòng)力的中間受力元件為十字軸。列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器有5513SWC型整體叉頭十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器、3241SWP型剖分軸承座十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器和3242SWZ型整體軸承座十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器。SWP型剖分軸承座十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器和SWZ型整體軸承座十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器,對(duì)十字軸的裝配比較方便,同時(shí)為十字軸的尺寸設(shè)計(jì)提供了較大的選擇空間,但由于連結(jié)的環(huán)節(jié)較多,工作中故障率較高,使工作的可靠性受到影響,因此選擇時(shí)受到限制,應(yīng)用較少；SWC型整體叉頭十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器中的十字軸<十字包>采用無(wú)螺栓聯(lián)接,由于連接環(huán)節(jié)減少,降低了故障率,工作比較可靠,因此使用較普遍。十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器我國(guó)已制訂了三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：即3241-91《SWP型剖分軸承座十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器》、/T3242-93《SWZ型整體軸承座十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器》和5513-91《SWC型整體叉頭十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器》,這是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用范圍最廣、用量最大的三種不同結(jié)構(gòu)形式的十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器。如德國(guó)的GWB公司和Voith公司分別生產(chǎn)SWP型和SWC型,日本的Koyo公司ПAJico公司分別生產(chǎn)SWZ型和SWP型,而美國(guó)和意大利則生產(chǎn)SWB型、SWZ型和SWP型。從我國(guó)制訂的三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),無(wú)論是對(duì)聯(lián)軸器的性能參數(shù)還是有關(guān)主要件的材料力學(xué)性能、熱處理、尺寸偏差、形位公差、表明粗糙度等技術(shù)要求均作了規(guī)定,其技術(shù)水平已達(dá)到國(guó)外先進(jìn)國(guó)家同類(lèi)產(chǎn)品的水平。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的主要技術(shù)指標(biāo)為：回轉(zhuǎn)直徑為φ100～φ1200mm,可傳遞轉(zhuǎn)矩為2.5～9000kN.m,軸線傾角為5°～25°,伸縮量達(dá)1000mm。國(guó)外對(duì)SWC型十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器的研究要早于我國(guó),其中西德Voith公司SW和CW系列產(chǎn)品,在技術(shù)上是十分先進(jìn)的,對(duì)于一些尺寸的確定也經(jīng)過(guò)了慎重的選擇。甚至已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軋鋼機(jī)等產(chǎn)品中,它對(duì)冶金工業(yè)的技術(shù)改造及機(jī)械產(chǎn)品的更新?lián)Q代提供了有利條件,西方工業(yè)先進(jìn)國(guó)家采用這種新型機(jī)械基礎(chǔ)條件已經(jīng)產(chǎn)生了大幅度提高作業(yè)率而獲得很大的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐證明,十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器的主要失效形式為十字軸的斷裂、軸頸表面出現(xiàn)塑性壓痕或點(diǎn)蝕剝落以及叉頭根部破壞。顯然,這是由于軸頸上載荷引起的應(yīng)力超過(guò)了材料的彎曲應(yīng)力極限與接觸應(yīng)力極限所致或者叉頭根部彎曲應(yīng)力不足。因此,為了延長(zhǎng)聯(lián)軸器的使用壽命,應(yīng)該降低軸頸危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力和軸頸表面的接觸應(yīng)力,或者改變中間受力元件的受力狀態(tài),這就需要從力學(xué)的角度對(duì)萬(wàn)向聯(lián)軸器進(jìn)行分析。鑒于十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器這種非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式,無(wú)法用經(jīng)典的彈性力學(xué)通過(guò)求解微分方程而得到其解析解,而有限元方法則避免了求解微分方程,它與CAD系統(tǒng)結(jié)合,使設(shè)計(jì)者可以在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)的剛、強(qiáng)度分析、疲勞壽命分析等各種性能分析,從而取代了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中"設(shè)計(jì)—驗(yàn)證—設(shè)計(jì)"的循環(huán)。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程只需要在最后階段進(jìn)行必要的驗(yàn)證性試驗(yàn),這就極大地提高了工作效率,縮短了設(shè)計(jì)周期,降低了設(shè)計(jì)成本。十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器,從國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)看,一方面是如何提高它的承載能力和質(zhì)量,延長(zhǎng)使用壽命；另一方面是如何擴(kuò)大它的應(yīng)用范圍,以滿(mǎn)足多種機(jī)械設(shè)備的需要。為此除對(duì)結(jié)構(gòu)、聯(lián)接方式等方面進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)外,還應(yīng)對(duì)其主要部件提出更高的要求。在新的設(shè)計(jì)中,對(duì)結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、變形等均將采用有限元分析,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使其設(shè)計(jì)更為先進(jìn)合理。研究意義〔價(jià)值及主要內(nèi)容十字軸是汽車(chē)底盤(pán)中的一個(gè)十分重要的傳力零件,在交通運(yùn)輸、冶金、重型機(jī)械等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用,產(chǎn)品質(zhì)量要求高,形狀復(fù)雜,十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器能夠很好地適應(yīng)傳動(dòng)軸間的較大角位移,而且具有傳遞扭矩范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、維修保養(yǎng)方便等特點(diǎn),是一種重要的傳動(dòng)部件,其加工方法有機(jī)加工、熱鍛、冷擠等。利用切削加工方法加工十字軸類(lèi)零件,生產(chǎn)工序多,效率低,材料浪費(fèi)嚴(yán)重,并且切削加工不僅不能強(qiáng)化軸肩部位的強(qiáng)度還會(huì)破壞零件的金屬流線結(jié)構(gòu),不易采用。冷擠壓生產(chǎn)十字軸類(lèi)零件,尺寸精度高、力學(xué)性能好、生產(chǎn)工序少、材料利用率高、生產(chǎn)效率高。但冷變形所需設(shè)備噸位大,模具易磨損,對(duì)擠壓設(shè)備要求較高,與熱模鍛相比,模具設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑、工藝等都復(fù)雜的多。采用熱模鍛方式十字軸類(lèi)零件,模具設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,開(kāi)發(fā)費(fèi)用低,壽命長(zhǎng)。因此,本文擬采用熱模鍛方法成形某型號(hào)十字軸。本文主要完成以下工作：<1>熟悉零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用要求,對(duì)零件的鍛造工藝進(jìn)行分析,制定成形工藝方案,明確模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)。<2>繪制鍛件圖,確定分模面位置。進(jìn)行毛坯計(jì)算,計(jì)算成形力選擇成形設(shè)備。<3>設(shè)計(jì)計(jì)算鍛造模具各工作部分尺寸,設(shè)計(jì)導(dǎo)向及卸料裝置,完成模具材料選擇等工作,并繪制模具圖。設(shè)計(jì)研究方案對(duì)課題的認(rèn)識(shí)隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展,現(xiàn)階段生產(chǎn)十字軸的加工方法主要有機(jī)加工,熱鍛,冷擠壓等。利用機(jī)加工方法生產(chǎn)十字軸,生產(chǎn)工序較多,造成生產(chǎn)過(guò)程中效率低下,材料嚴(yán)重浪費(fèi),不利于大批量生產(chǎn),再加上機(jī)加工生產(chǎn)出來(lái)的十字軸的力學(xué)性能和金屬內(nèi)部的流線結(jié)構(gòu)上受到了限制和破壞,所以一般不易采用此種方法加工。利用熱鍛方法生產(chǎn)十字軸,其變形抗力低,能量消耗少,由于金屬在加熱變形過(guò)程中,在加工硬化過(guò)程的同時(shí),也存在著回復(fù)或再結(jié)晶的軟化過(guò)程,就是其塑性變形容易進(jìn)行。一般情況下其塑性、韌性好,產(chǎn)生斷裂的傾向性減少,熱鍛一般不易產(chǎn)生織構(gòu),十字軸的擇優(yōu)取向性較小。但是熱鍛也有其不足,加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生氧化、脫碳等缺陷,加工后十字軸的表面不是很光潔,尺寸也不如冷擠壓生產(chǎn)的精確,而且,由于加工結(jié)束后,十字軸內(nèi)部溫度難于均勻一致,所以熱加工后的十字軸組織、性能常常不如冷擠壓加工的均勻。利用冷擠壓方法生產(chǎn)十字軸,雖然彌補(bǔ)了熱鍛的不足,生產(chǎn)十字軸的生產(chǎn)工序少,可獲得理想的表面粗糙度和尺寸精度,材料利用率高、生產(chǎn)效率高,成形十字軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織均勻,有合理的纖維流線分布,但進(jìn)行冷擠壓加工所需要的條件很高,比如,需要的設(shè)備噸位大,模具很容易磨損,整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中,從模具設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑到工藝工序的安排都很復(fù)雜,而從我國(guó)基本國(guó)情的角度出發(fā),在我國(guó)目前的科學(xué)技術(shù)水平下,還是有相當(dāng)?shù)睦щy,從另一個(gè)角度上說(shuō),開(kāi)發(fā)這樣的生產(chǎn)過(guò)程反而會(huì)提高十字軸生產(chǎn)的總成本,國(guó)內(nèi)使用的還不普遍,而在我國(guó)普遍采用熱鍛方式加工十字軸,我們有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)。所以,本課題將以熱鍛十字軸零件〔如圖2-1為研究對(duì)象,對(duì)十字軸熱鍛成形工藝特別是預(yù)鍛成形工藝進(jìn)行研究。圖2-1常見(jiàn)十字軸零件圖和模鍛件圖課題的研究方法本課題是通過(guò)借鑒大量的十字軸的傳統(tǒng)加工方法,利用有限元模擬軟件,模擬十字軸的成形過(guò)程,通過(guò)學(xué)習(xí)文獻(xiàn)中關(guān)于模擬十字化的分析方法分析計(jì)算模擬結(jié)果等找到工藝缺陷,并依據(jù)所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn),再通過(guò)模擬對(duì)比,如此反復(fù),直到達(dá)到工藝的最優(yōu)化。首先,通過(guò)三維造型軟件對(duì)傳統(tǒng)熱鍛十字軸零件進(jìn)行三維實(shí)體化造型。通過(guò)有限模擬軟件,對(duì)十字軸熱鍛成形過(guò)程進(jìn)行模擬,分析變形過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變分布,載荷變化和金屬流動(dòng)情況,找出不足、缺陷。進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。再通過(guò)三維造型軟件對(duì)改進(jìn)后的熱鍛十字軸零件進(jìn)行三維實(shí)體化造型。再通過(guò)有限模擬軟件,分析改進(jìn)后的情況,實(shí)現(xiàn)工藝的最優(yōu)化。如圖2-2為本課題十字軸零件圖,圖2-3為本課題十字軸鍛件圖。圖2-2十字軸零件圖圖2-3十字軸冷鍛件圖本課題十字軸成形工藝主要分四階段：下料,模鍛,切邊,機(jī)加工。其中模鍛又分為預(yù)鍛和終鍛兩個(gè)過(guò)程。本課題十字軸成形工藝中,坯料所用材料為20CrMnTi。加熱設(shè)備選用額定功率為30kW,最高工作溫度為1350攝氏度,爐膛尺寸為400mm×300mm×250mm的箱式電阻爐。模具的預(yù)熱溫度為200攝氏度。坯料在1200攝氏度下在預(yù)鍛模中進(jìn)行預(yù)鍛成形。成形后移入開(kāi)式終鍛模中在800攝氏度下進(jìn)行終鍛成形,等模具打靠完畢,再將帶飛邊的終鍛件移入切邊模中,去除飛邊,這樣十字軸就初步成形了,然后再對(duì)其進(jìn)行機(jī)加工后處理,最終成品。熱模鍛成形工藝由于本課題是研究十字軸的預(yù)鍛成形和模具改進(jìn),那么首先要解決的,就是充分理解加工十字軸所用的工藝,熱模鍛成形工藝,只有了解、掌握了這個(gè)工藝,才能為這個(gè)課題的完成打下基礎(chǔ)。模鍛的特點(diǎn)首先,本課題的十字軸是通過(guò)模鍛成形的,模鍛就是使金屬坯料在沖擊力或壓力作用下,在模鍛模腔中被迫塑性流動(dòng)成形,從而獲得鍛件的一種工藝方法,與自由鍛相比,通過(guò)模鍛可以生產(chǎn)形狀較為復(fù)雜的零件,而且不論是尺寸、形狀的精度都比自由鍛要高,最為重要的是,比起自由鍛,不論從材料利用率還是生產(chǎn)效率,還是表面質(zhì)量來(lái)說(shuō),都要好,由于模鍛中的金屬是在模具的模腔中流動(dòng)的,一定會(huì)受到某些方向的限制,所以,變形抗力會(huì)很大,因此相同尺寸的毛坯,成形所需的設(shè)備噸位要更大些。而從模具上來(lái)說(shuō),生產(chǎn)一套模具所要求的不論從設(shè)備還是技術(shù)層面都要比生產(chǎn)一個(gè)零件要高,這樣模鍛相比自由鍛來(lái)說(shuō),前期投資比較大,準(zhǔn)備周期比較長(zhǎng),所以模鍛主要用于在大批量的生產(chǎn)中小型鍛件中,十字軸的生產(chǎn)正符合這些特點(diǎn)。模鍛的分類(lèi)根據(jù)成形溫度,模鍛分為熱鍛和冷鍛,本課題采用熱鍛,熱加工可以使工件變形抗力低,使其塑性變形容易進(jìn)行,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生回復(fù),再結(jié)晶,提高了成形件的力學(xué)性能。根據(jù)終鍛模具的不同,將模鍛工藝分為開(kāi)式模鍛和閉式模鍛。開(kāi)式模鍛是指金屬沿工件分模面的周?chē)纬蓹M向飛邊,上模和下模間的間隙不斷變化,而閉式模鍛恰恰相反,金屬沿工件分模面的周?chē)鷽](méi)有橫向飛邊產(chǎn)生,上模和下模間的間隙不發(fā)生變化。本課題所采用的是開(kāi)式模鍛,這就要注意飛邊和間隙對(duì)十字軸成形的影響。開(kāi)式模鍛工藝開(kāi)式模鍛過(guò)程可分為鐓粗、充滿(mǎn)模腔、擠出飛邊和打靠四個(gè)階段。第一階段是鐓粗階段,坯料處于下模模腔,上模開(kāi)始與坯料接觸的瞬間,上模對(duì)坯料進(jìn)行壓縮,坯料的高度在減小,根據(jù)體積不變假設(shè),相應(yīng)的直徑就在增大,此階段金屬的流動(dòng)受到的限制比較小,所需的變形力也就不會(huì)很大。在此過(guò)程中,整個(gè)坯料都是變形區(qū)。第二階段是充滿(mǎn)模腔階段,金屬被擠入模腔后,毛坯的側(cè)面鼓起來(lái)與凹模的側(cè)壁開(kāi)始接觸,到整個(gè)側(cè)表面與模壁貼合且模腔間隙完全充滿(mǎn)為止,在這個(gè)階段中,變形金屬的流動(dòng)受到了模壁的阻礙,變形力開(kāi)始顯著增大。在此階段,變形區(qū)仍然遍布整個(gè)坯料。第三階段是擠出飛邊階段,由于為了更好的控制金屬的流動(dòng)性,使出現(xiàn)的飛邊不至于影響成形過(guò)程中金屬的流動(dòng)阻礙金屬填充模腔,因此,在終鍛型槽上開(kāi)有飛邊槽,部分金屬在壓力作用下沿分模面流入飛邊槽形成飛邊,由于飛邊外的金屬薄,冷卻快,造成模腔周?chē)蝗Φ牧鲃?dòng)阻力大,迫使金屬在模腔內(nèi)流向尚未充填的部位,直到完全填滿(mǎn),為了達(dá)到這一目的,飛邊槽一般有兩個(gè)部分組成,一個(gè)橋部,一個(gè)倉(cāng)部,橋部主要用來(lái)使飛邊減薄,阻礙金屬流動(dòng),迫使金屬充滿(mǎn)型槽,而倉(cāng)部就是用來(lái)容納多余的金屬,以免金屬流到分模面上,影響上下模打靠。但對(duì)于整個(gè)開(kāi)式模鍛過(guò)程,此時(shí)鍛件的高度仍然高于最終要求的成形高度。第四階段是打靠階段,隨著上下模具的運(yùn)動(dòng),飛邊越來(lái)越小,飛邊內(nèi)的金屬溫度較低,阻力增大,為了將型槽的多余金屬排入飛邊槽,需要更大的打擊力,所需的能量也將消耗整個(gè)成形所需能量的很大部分。在此階段,變形區(qū)已經(jīng)縮小為模鍛件的中心部分區(qū)域了。通過(guò)整個(gè)過(guò)程的描述,我們可知第二階段是鍛件成形的關(guān)鍵階段,而第四階段則是模鍛變形力最大階段,那么研究鍛件成形問(wèn)題,主要是研究充滿(mǎn)型腔的階段；計(jì)算變形力就要按第三階段的變形區(qū)域考慮,當(dāng)然是第三階段越小越好。因?yàn)榇蚩侩A段小的話,就可以減少所流出的飛邊金屬,減小模鍛所需要的載荷,減小設(shè)備的能量損耗,模具損耗,這樣就會(huì)延長(zhǎng)模具壽命,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。影響金屬成形的因素從開(kāi)式模鍛變形金屬變形過(guò)程分析,影響金屬成形的主要有兩大方面,內(nèi)部因素就是終鍛前坯料的形狀和尺寸,這主要取決于鍛造時(shí)金屬的變形量；還有坯料本身成分和溫度是否均勻,成分和溫度不均勻?qū)?huì)引起材料變形應(yīng)力不均勻。而在外部這個(gè)方面,主要是終鍛模腔的尺寸和形狀、飛邊槽尺寸,設(shè)備工作速度對(duì)金屬變形的影響。就模腔的尺寸和形狀來(lái)說(shuō),金屬以鐓粗的方式比以壓入的方式充滿(mǎn)模腔容易,金屬在模腔中遇到的阻力主要與變形金屬和模壁間的摩擦系數(shù)有關(guān),模腔表面的粗糙度低、潤(rùn)滑效果好時(shí),金屬在模腔內(nèi)變形時(shí)所受到的摩擦阻力就小,有利于填充模腔。金屬在模腔中遇到的阻力還和模鍛斜度有關(guān),與無(wú)模鍛斜度相比,為了便于模鍛后取出而設(shè)計(jì)的模腔內(nèi)壁模鍛斜度不利于金屬擠入填充,因?yàn)榻饘偬畛淠Ｇ坏倪^(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)變截面的擠壓過(guò)程,金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài),為了填充過(guò)程的順利進(jìn)行,必須有一定的擠壓力,模鍛斜度越大所需擠壓力越大。圓角半徑對(duì)金屬流動(dòng)的影響很大,半徑小時(shí),金屬經(jīng)過(guò)圓角半徑流入模具時(shí)要消耗較多的能量,不易填充模腔,而圓角半徑過(guò)大時(shí),不僅會(huì)增加金屬消耗和機(jī)械加工量,還會(huì)造成金屬過(guò)早流失,使模腔充不滿(mǎn)。模腔的寬度和深度也影響著金屬在模腔中的流動(dòng),模腔越窄,金屬流向模腔時(shí)所受阻力就越大,溫度降低的也越顯著,充滿(mǎn)模腔越困難,在其他條件相同的情況下,模腔越深時(shí),填充也越困難。模具溫度較低時(shí),金屬流入模腔后,冷卻的較快,流動(dòng)應(yīng)力升高,填充模腔困難。模鍛前,模具一般要預(yù)熱200到300攝氏度。注意不能過(guò)高,會(huì)影響模具強(qiáng)度。影響金屬成形的外部因素中,最主要的就是飛邊槽的影響,鑒于飛邊槽兩部分不同的作用,設(shè)計(jì)飛邊槽時(shí)最主要的任務(wù)是合理確定飛邊槽橋部的寬度和高度,橋部阻止金屬外流主要是靠坯料與橋部上下間的摩擦力,根據(jù)金屬塑性變形規(guī)律,減小飛邊厚度或增加飛邊寬度都可以提高飛邊阻力,但同時(shí)也增加了模鍛的成形力,為了保證金屬順利填充模腔,希望飛邊橋部阻力大些,但阻力過(guò)大,會(huì)使模鍛成形的動(dòng)力不足,對(duì)模鍛錘會(huì)造成因打擊能量不足而上下模不能打靠,因此,飛邊槽的設(shè)計(jì)要根據(jù)情況而定。同時(shí)還要考慮飛邊槽橋部的阻力與飛邊部分坯料金屬的溫度的關(guān)系。如果變形過(guò)程中此處的溫度降低很快,阻力會(huì)急劇增加。在模鍛過(guò)程中,上模和下模逐漸接近,飛邊槽橋部間的高度不斷減小,隨著模鍛的進(jìn)行,上下模間的距離從大變小,產(chǎn)生的飛邊阻力也從小變大,開(kāi)始時(shí)大量金屬流入飛邊槽,到最后隨著飛邊的增多,阻力加大,后產(chǎn)生的飛邊量在減少。因此,要減少飛邊消耗,應(yīng)設(shè)法較早建立足夠大的飛邊阻力?？梢酝ㄟ^(guò)改變分模面位置,把飛邊設(shè)計(jì)在變形較困難的端部,初期,中間部位金屬的變形受到模壁限制,就容易向模腔流動(dòng),充滿(mǎn)模腔,減少飛邊金屬的消耗。再次,影響金屬成形的外部因素還有設(shè)備工作速度的影響。一般說(shuō)來(lái),設(shè)備工作速度高時(shí),金屬變形速度也快,金屬變形的慣性和變形熱效應(yīng)突出。由于溫度較高,氧化皮軟化,摩擦系數(shù)有所降低,這時(shí)的氧化皮在某種程度上具有潤(rùn)滑劑的功能。在模鍛時(shí)正確利用這些因素,有利于金屬充滿(mǎn)模腔,得到外形復(fù)雜、尺寸精確的鍛件。模具對(duì)金屬變形的影響也尤為重要。為了保證鍛件的形狀和尺寸精度,設(shè)計(jì)熱鍛模具時(shí)應(yīng)考慮鍛件和模具的熱收縮,根據(jù)金屬塑性成形理論,塑性變形時(shí)金屬主要朝著最大主應(yīng)力的方向流動(dòng)。在三向壓應(yīng)力的情況下,金屬主要朝著最小阻力方向流動(dòng)。因此,對(duì)一個(gè)待加工的模鍛件,通過(guò)設(shè)計(jì)不同的制坯工步如預(yù)鍛,就可控制金屬的變形方向,完成對(duì)毛坯的塑性加工。此外,變形體內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)是在外力作用下產(chǎn)生的,一般外力通過(guò)模具施加在坯料上,坯料變形的反作用力也由模具承擔(dān),合理的模具設(shè)計(jì)還應(yīng)該使鍛件變形時(shí)的流動(dòng)阻力盡可能小,使模具的載荷分布均勻,降低模具的峰值應(yīng)力,由于金屬的塑性與應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系密切,壓應(yīng)力的個(gè)數(shù)越多,靜水壓應(yīng)力數(shù)值越大,材料的塑性越好。UG簡(jiǎn)介UG產(chǎn)品概述Unigraphics〔簡(jiǎn)稱(chēng)UGS軟件由美國(guó)麥道飛機(jī)公司開(kāi)發(fā),于1991年11月并入世界最大的軟件公司—EDS〔電子資訊系統(tǒng),該公司通過(guò)實(shí)施虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)〔VPD的理念提供多極化的、集成的、企業(yè)級(jí)的軟件產(chǎn)品與服務(wù)的完整解決方案。同以往使用較多的AutoCAD等通用繪圖軟件比較,UG直接采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)、矢量化和關(guān)聯(lián)性處理、三維建模同二維工程圖相關(guān)聯(lián)等技術(shù),大大節(jié)省了用戶(hù)的設(shè)計(jì)時(shí)間,從而提高了工件效率。UG的應(yīng)用范圍特別廣泛,涉及汽車(chē)與交通、航空航天、日用消費(fèi)品、通用機(jī)械以及電子工業(yè)等領(lǐng)域。其中在美國(guó)航空航天工業(yè)已安裝了15000多套UG軟件,并且該軟件占有幾乎俄羅斯航空市場(chǎng)和北美汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)。同時(shí),美國(guó)通用汽車(chē)、波音、GE噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等公司都是UG軟件的重要用戶(hù)。自從1990年UG軟件進(jìn)入中國(guó)以來(lái),得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,在汽車(chē)、航天、軍工、模具等諸多領(lǐng)域大展身手,現(xiàn)已成為我國(guó)工業(yè)界主要使用的大CAD/CAE/CAM軟件。UG主要技術(shù)特點(diǎn)UGNX5實(shí)現(xiàn)了CAD/CAE/CAM三大系統(tǒng)緊密集成,用戶(hù)在使用UG強(qiáng)大的實(shí)體造型、曲面造型、虛擬裝配及創(chuàng)建工程圖等功能時(shí),可以使用CAE模塊進(jìn)行有限元分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真模擬,以提高設(shè)計(jì)的可靠性；根據(jù)建立起的三維模型,還可以由CAM模型直接生成數(shù)控代碼用于產(chǎn)品加工。隨著UGNX版本的不斷更新,其操作界面也不斷改進(jìn),絕大多數(shù)功能都可通過(guò)按鈕操作來(lái)實(shí)現(xiàn),并且在進(jìn)行對(duì)象操作時(shí),具有自動(dòng)推理功能。特別是在NX5的整個(gè)界面以及對(duì)話框中增加了多個(gè)面板,同時(shí),在各個(gè)模塊中執(zhí)行每一個(gè)操作步驟時(shí),在繪圖區(qū)上方的信息欄和提示欄中將提示操作信息,便于用戶(hù)做出正確的選擇,便于用戶(hù)上手。本課題有關(guān)UG的運(yùn)用在本課題中,使用UG主要是用來(lái)制作模擬所用的模具,包括傳統(tǒng)工藝下的預(yù)鍛模具,對(duì)預(yù)鍛改進(jìn)后的預(yù)鍛模具,還有終鍛模具,當(dāng)然,還要做模擬所用的坯料。針對(duì)本課題所需的實(shí)體造型,主要需要掌握以下幾種功能菜單的操作。草圖操作：通過(guò)草圖操作,可以在一個(gè)自定義的平面上進(jìn)行二維制圖,一般用來(lái)完成,零件簡(jiǎn)單截面的繪制?；鶞?zhǔn)平面操作：通過(guò)基準(zhǔn)平面操作,可以在已有基準(zhǔn)平面的基礎(chǔ)上,以其為參照,建立新的基準(zhǔn)平面,以此來(lái)滿(mǎn)足在設(shè)計(jì)過(guò)程中,隨著視圖的變換,設(shè)計(jì)所需方向性的改變。拉伸、回轉(zhuǎn)操作：通過(guò)拉伸、回轉(zhuǎn)等同類(lèi)型操作可將二維制圖依據(jù)設(shè)計(jì)的需要轉(zhuǎn)化成三維立體造型。邊倒圓、面倒圓操作：此類(lèi)操作,是將對(duì)面之間的陡峭邊倒圓,在選定面組間添加相切圓角面等,是在三維實(shí)體中對(duì)細(xì)節(jié)特征的編輯。鏡像體操作：通過(guò)鏡像體操作,可是實(shí)體相對(duì)于一個(gè)基準(zhǔn)面產(chǎn)生鏡像對(duì)稱(chēng)。復(fù)合曲線操作：通過(guò)復(fù)制其他曲線和邊來(lái)創(chuàng)建曲線。最重要的是布爾操作,特征的布爾運(yùn)算操作用于確定在建模過(guò)程中多個(gè)實(shí)體之間的合并關(guān)系。布爾操作中的實(shí)體對(duì)象分別稱(chēng)為目標(biāo)體和工具體。目標(biāo)體是用戶(hù)首先選擇的需要與其他實(shí)體合并的實(shí)體或片體對(duì)象,工具體是用來(lái)修改目標(biāo)體的實(shí)體或片體對(duì)象。在完成布爾運(yùn)算操作后,工具體將成為目標(biāo)體的一部分。布爾運(yùn)算操作包括求和、求差和求交運(yùn)算,求和運(yùn)算是將兩個(gè)或更多個(gè)實(shí)體的體積合并為單個(gè)體。求差運(yùn)算是從一個(gè)實(shí)體的體積中減去另一個(gè)的,留下一個(gè)空體。求交運(yùn)算是創(chuàng)建一個(gè)體,它包含兩個(gè)不同的體共享的體積。最后為了給模擬做準(zhǔn)備,還會(huì)用到一些測(cè)量性的操作。DEFORM-3D簡(jiǎn)介DEFORM的特點(diǎn)DEFORM-3D是美國(guó)Battell研究院開(kāi)發(fā)的一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng),用于分析金屬成形及其相關(guān)工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝。在模擬過(guò)程中,按照變形前后體積不變?cè)瓌t,能夠?qū)Τ尚芜^(guò)程的三維金屬流動(dòng)做過(guò)程模擬分析。主要功能如下：模擬分析自由鍛、模鍛、積壓、軋制、擺碾、平鍛、輾鍛等多種塑性成形工藝過(guò)程；模擬和分析冷、溫、熱塑性成形問(wèn)題；模擬和分析多工序塑性成形問(wèn)題。DEFORM是一個(gè)模塊化的模擬系統(tǒng),包括有限元模擬器、前處理器、后處理器和用戶(hù)處理器四大模塊。DEFORM-3D有著很好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。模擬引擎在大變形金屬流動(dòng),行程載荷和產(chǎn)品缺陷預(yù)測(cè)等方面同實(shí)際生產(chǎn)相符保持著很高的精度。自動(dòng)網(wǎng)格生成器可以基于特定的分析過(guò)程控制局部單元尺寸優(yōu)化完成網(wǎng)格劃分。依據(jù)分析成形過(guò)程特點(diǎn),網(wǎng)格生成器在有精度要求的區(qū)域生成質(zhì)量更優(yōu)的單元,降低了整體的計(jì)算規(guī)模和運(yùn)算要求。由用戶(hù)自定義的局部網(wǎng)格密度控制為較高層次用戶(hù)提供了更加靈活的方法。DEFORM-3D不僅提供了完善的分析功能,而且采用了直觀的圖形用戶(hù)界面。并提供了諸如切除飛邊的布爾運(yùn)算等3D幾何模型處理的功能。FEM引擎同樣可用于剪切和裁邊的模擬計(jì)算。即使是更為復(fù)雜的機(jī)加工也可以進(jìn)行模擬。通過(guò)模擬分析變形過(guò)程的金屬流動(dòng),有助于本課題在分析十字軸的預(yù)鍛成形過(guò)程中,強(qiáng)化工藝參數(shù),通過(guò)改進(jìn)模具設(shè)計(jì),優(yōu)化預(yù)鍛成形效果,提高十字軸產(chǎn)品質(zhì)量。DEFORM模型的建立〔1定義幾何特征：根據(jù)模鍛的理論和所研究的問(wèn)題,設(shè)計(jì)出相應(yīng)的模具,輸出DEFORM-3D軟件可以識(shí)別的STL文件或其他可用的二進(jìn)制文件。PRO/E、UG等三維CAD軟件,均可用來(lái)設(shè)計(jì)模具,并生成DEFORM可前處理文件格式。本課題所用UG生成STL文件?！?邊界條件的設(shè)定：根據(jù)DEFORM軟件的要求和模擬實(shí)驗(yàn)的目的,需要設(shè)定的邊界條件有：對(duì)上模的速度控制的輸入；坯料溫度和模具溫度；坯料材料；坯料和模具的材料性能,一般,坯料設(shè)為塑性,其他件設(shè)為剛性,忽略其彈性變形；設(shè)定所有件與坯料間的接觸關(guān)系；坯料和模具間的摩擦系數(shù)；模具完成整個(gè)變形過(guò)程所用的步數(shù)、每步的壓下量；材料成形方向平行于軸面金屬流動(dòng)的速度?！?前處理：依據(jù)DEFORM的"Pre-Processor"所提示的步驟,建立前處理。在前處理過(guò)程中,材料參數(shù)、網(wǎng)格劃分、運(yùn)動(dòng)設(shè)立、特性等幾個(gè)比較重要的參量,有些參量在模擬過(guò)程中是要不斷地修改的,特別是網(wǎng)格的重新劃分,對(duì)模擬運(yùn)算影響比較大,往往需要幾次反復(fù)才能成功,是比較費(fèi)時(shí)的。在前處理初始條件的建立中,一定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可以少走彎路。〔4模擬運(yùn)行：模擬運(yùn)行實(shí)質(zhì)上是一個(gè)計(jì)算過(guò)程,點(diǎn)擊RUN進(jìn)行DEFORM運(yùn)算模擬,在模擬過(guò)程中,可以觀察同步信息,監(jiān)控模擬過(guò)程?！?后處理過(guò)程：計(jì)算機(jī)在計(jì)算程序運(yùn)行結(jié)束后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理,并且用較直觀的方法輸出數(shù)據(jù)的過(guò)程,這就是DEFORM的后處理過(guò)程。在本課題中,通過(guò)分析等效應(yīng)力應(yīng)變、載荷、金屬流動(dòng)方向等對(duì)比不同方案下十字軸成形狀態(tài)并得出結(jié)論,值得注意的是,在對(duì)比中,所用參數(shù)范圍應(yīng)該相同,不論是效果圖還是曲線圖?！?參數(shù)的調(diào)整：在計(jì)算機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,由于參數(shù)設(shè)置的不當(dāng),比如網(wǎng)格劃分不恰當(dāng),剛性面與工件脫離等,模擬時(shí)就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤,需要調(diào)整。在調(diào)整過(guò)程中,主要調(diào)節(jié)的地方是網(wǎng)格、剛性面、傳熱面、邊界條件,DEFORM軟件模擬的關(guān)鍵就是邊界條件的設(shè)置,其中網(wǎng)格的重新劃分是關(guān)鍵。網(wǎng)格化處理時(shí),一般選擇網(wǎng)格單元數(shù)在8000-20000之間,不能太多也不能太少。一些邊界條件的設(shè)置也需有個(gè)合適值,總之,參數(shù)的調(diào)整是得到一個(gè)理想的運(yùn)行不可缺少的過(guò)程。十字軸模具設(shè)計(jì)十字軸鍛件幾何尺寸分析圖3-1十字軸冷鍛件圖尺寸如圖3-1,是本課題所用十字軸冷鍛件圖尺寸,從圖中可以看出,本課題所要成形的十字軸是由兩個(gè)直徑大一點(diǎn)的圓柱以相互成90度,對(duì)稱(chēng)套在一起的,在其外側(cè)再接直徑小一點(diǎn)的圓柱,然后在相套圓柱交接處,上下挖出平面為正方形的平臺(tái),這樣,一個(gè)十字軸的特征圖就成形了。特別注意,根據(jù)尺寸圖所給尺寸,可以看出制作特征圖的成形順序,當(dāng)兩個(gè)圓柱套在一起后,要在銜接處先開(kāi)圓角,平緩過(guò)渡,然后再挖平面,如果順序不同,可能會(huì)使銜接處由于多條曲線相交而不能開(kāi)圓角,再次,要注意挖的正方形平臺(tái),也應(yīng)該以圓角的形式過(guò)渡,因?yàn)?對(duì)與模鍛來(lái)說(shuō),產(chǎn)生小的里面是困難的,就算模具是垂直的,在成形后也會(huì)由于金屬流動(dòng)而成一定圓角。本十字軸設(shè)計(jì)中坯料所用材料為20CrMnTi,密度ρ=7.85g/cm3。鍛件的形狀復(fù)雜系數(shù)為：S=Md/Mn〔Md為鍛件質(zhì)量,Mn為外輪廓包容體質(zhì)量。Mn=14πd2Mn=14×3.14×102.22×26×7.85×10在UG中分析菜單欄下用測(cè)量體命令測(cè)得十字軸體積為Vd=81195.72mm3,Md=ρVd=637.39〔gS=Md/Mn≈0.38,為2級(jí)形狀復(fù)雜系數(shù)S2。模鍛力的計(jì)算：P=k1k2FP—模鍛力〔kN。k1—鋼種系數(shù),低合金結(jié)構(gòu)鋼k1=1。k2—金屬變形抗力系數(shù)〔kN/cm2,開(kāi)式模鍛k2=〔46～73kN/cm2,閉式模段k2=〔60～80kN/cm2。F—鍛件投影面積〔含按倉(cāng)部的12計(jì)算的飛邊根據(jù)UG圖計(jì)算出鍛件投影面積為：F=12473.6mm2,模鍛力：P=73×124.736=9105.728kN。熱鍛件圖按冷鍛件圖尺寸增加1.5%的收縮率繪制,如圖3-2和圖3-3。圖3-2十字軸熱鍛件圖尺寸圖3-3十字軸熱鍛件三維圖終鍛模的設(shè)計(jì)分模面的制定分模面的選擇的基本要求是保證鍛件能從模膛中順利的取出來(lái),因此應(yīng)選擇在十字軸鍛件最大橫截面處,即選擇在上下對(duì)稱(chēng)中心線位置分模。模塊的結(jié)構(gòu)由于模膛較淺〔最深處只有13.4mm,可以采用矩形鑲塊結(jié)構(gòu),上下模塊分為模塊體與鑲塊,在鑲塊上加工出模膛,鑲塊可一次性使用不翻新。根據(jù)鍛件尺寸,可選用模塊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格L×B×H/mm為：240×240×130。鑲塊承壓面強(qiáng)度校核：該件在16MN級(jí)熱模鍛壓力機(jī)上模鍛,P=F/A=16000×1000/57600≈277.8MPa式中：F—熱模鍛壓力機(jī)的標(biāo)稱(chēng)壓力,kNA—模塊底面的有效承壓面積mm2小于允許的極限值〔300MPa,故可以采用。飛邊的選用飛邊槽的結(jié)構(gòu)形式如圖3-4。圖3-4飛邊的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)本十字軸的形狀及尺寸大小,選擇常用的飛邊槽結(jié)構(gòu)形式c,按15MN級(jí)并確定飛邊槽尺寸如下：h=1.6mm,b=8mm,B=4mm,l=22mm,r1=1mm,R=2mm。鎖扣設(shè)計(jì)為了避免引起鍛模錯(cuò)移,導(dǎo)致鍛件產(chǎn)生錯(cuò)差,并加速熱模鍛壓力機(jī)導(dǎo)軌和模具導(dǎo)柱導(dǎo)套的磨損。常在鍛模模塊上設(shè)置鎖扣來(lái)平衡錯(cuò)移力,保證鍛件精度和便于模具安裝、調(diào)整等。鎖扣可分為兩大類(lèi),一類(lèi)是平衡鎖扣〔也稱(chēng)形狀鎖扣,主要用于具有落差的鍛件；另一類(lèi)是普通鎖扣,普通鎖扣又可分為圓形鎖扣,縱向鎖扣,側(cè)面鎖扣,和四角鎖扣。圓形鎖扣一般用于齒輪件、環(huán)形件,這些鍛件的特點(diǎn)是根據(jù)鍛件的外形很難確定錯(cuò)移的方向；縱向鎖扣一般用于長(zhǎng)軸類(lèi)鍛件,用以防止上、下?？v向錯(cuò)移和相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；側(cè)面鎖扣用于防止上、下模相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和前后左右的錯(cuò)移；四角鎖扣的作用與側(cè)面鎖扣相似。如圖3-5所示為四角鎖扣的相關(guān)尺寸參數(shù)如下所示：圖3-5四角鎖扣鎖扣高度：H=25鎖扣寬度：B=37.5鎖扣長(zhǎng)度：L=50a=5oR1=5R2=R1+2=7R3=R6=3R4=R5=5十字軸終鍛模上模鑲塊如圖3-6所示,終鍛模下模鑲塊如圖3-7所示。圖3-6終鍛模上模圖3-7終鍛模下模坯料體積計(jì)算V=〔Vd+Vf+Vt×<1+δ％>式中：V—坯料體積,mm3Vd—鍛件〔包括沖孔連皮體積,mm3Vt—機(jī)加工和工藝余量體積,mm3δ—金屬加熱損耗率,〔在電阻爐中加熱δ=1.0～1.5。Vf—飛邊體積,mm3,對(duì)短軸類(lèi)零件等于飛邊槽容積的1/2,即：Vf=LzFf=0.5LzFc式中：Lz—鍛件周長(zhǎng),mmFf—飛邊面積,mm2Fc—飛邊槽截面積,mm2Vf=0.5×370.64×97.36≈18042.76〔mm3V=〔81195.72+18042.76+0×<1+1.5％>≈100727.06〔mm3根據(jù)計(jì)算出的坯料體積V確定坯料直徑?？紤]到坯料在鐓粗時(shí)不致產(chǎn)生彎曲,備料方便以及節(jié)省材料,應(yīng)使坯料長(zhǎng)度L與與直徑D之比值L/D=1.5～2.2。由此,坯料直徑D可在下列范圍內(nèi)選擇：D’=〔0.83～0.953=〔0.83～0.953≈38.62～44.20〔mm計(jì)算出D’后,依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)盡力選用本廠常用的規(guī)格D。選取D=40mm然后求出下料長(zhǎng)度L：L=1.27V/D2=1.27×100727.06÷402≈80mm圖3-8圖3-8坯料V—計(jì)算出的坯料體積,mm3L—下料長(zhǎng)度,mmD—下料直徑,mm坯料長(zhǎng)度L與與直徑D的比值：L/D=80/40=2,滿(mǎn)足條件。坯料如圖3-8。預(yù)鍛模的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)工藝預(yù)鍛模具,在預(yù)鍛階段總會(huì)或多或少產(chǎn)生飛邊,不利于十字軸的最后成形,預(yù)鍛飛邊的出現(xiàn),不僅浪費(fèi)了材料,還造成終鍛所需打擊力的提高十字軸類(lèi)零件在鍛造成形過(guò)程中,坯料在模具的壓力下,會(huì)發(fā)生變形,向髖部和軸部流動(dòng)。預(yù)模腔內(nèi)壁存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),因而存在摩擦力,摩擦力的存在阻礙金屬的流動(dòng),但由于坯料受到的豎直方向的力,足以抵抗摩擦力,因而,坯料首先充填髖部,然后再充填軸部。金屬流動(dòng)情況如圖3-9所示,在充填模膛過(guò)程中,如果型腔的造型不合理<比如存在比較大的軸肩差、不合適的圓角>,金屬的流動(dòng)就會(huì)受到抑制,最終不能很好的充填軸部型腔,而髖部的金屬,會(huì)以預(yù)鍛飛邊的形式流出。產(chǎn)生預(yù)鍛飛邊的另一個(gè)原因就是坯料尺寸過(guò)大,坯料尺寸可以取根據(jù)預(yù)鍛模膛和終鍛模膛體積計(jì)算,在目前采用的工藝,無(wú)論怎么修改坯料的尺寸,都會(huì)產(chǎn)生預(yù)鍛飛邊,僅僅是飛邊大小的問(wèn)題,這也是現(xiàn)在生產(chǎn)中所存在的問(wèn)題。那么要消除飛邊就要改變預(yù)鍛模腔外形設(shè)計(jì)。通過(guò)改變預(yù)鍛型腔的外形,使終鍛時(shí)所用的預(yù)鍛件不僅沒(méi)有飛邊,還能與終鍛模腔有更大的接觸面積,這樣,就能降低加工載荷,節(jié)約能量,減少開(kāi)式模鍛第二階壓下量,使金屬更好的填充模腔,最重要的使坯料在成形過(guò)程中受力均勻,消除終鍛件的應(yīng)力集中。圖3-10坯料鐓粗圖3-9圖3-10坯料鐓粗圖3-9成形過(guò)程金屬流動(dòng)模型如圖3-11可以看出,傳統(tǒng)工藝下的預(yù)鍛型腔外形并不合理,預(yù)鍛型腔的作用,就是實(shí)現(xiàn)坯料的預(yù)成形,為終鍛提供方便,因而,預(yù)鍛型腔的幾何形狀可以在一定程度上變化,來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)鍛無(wú)飛邊、終鍛所需能量降低的目的,預(yù)鍛型腔外形的修改,有下面幾個(gè)原則：1、對(duì)于不影響最終成形的幾何部分,可以通過(guò)恰當(dāng)?shù)膱A角過(guò)渡來(lái)降低預(yù)鍛中的金屬流動(dòng)阻力；2、預(yù)鍛型腔的修改,必須在幾何外形上保證坯料在模膛中的定位和放置；3、預(yù)鍛型腔的體積不能小于終鍛型腔的體積。本文基于上述目的,秉持上述原則,在傳統(tǒng)預(yù)鍛模腔的基礎(chǔ)上針對(duì)部分地方做出修改、優(yōu)化,最終確定了改進(jìn)后的預(yù)鍛模腔〔如圖3-12。改進(jìn)預(yù)鍛模腔與傳統(tǒng)模腔不同之處,在于改進(jìn)模腔髖部的拐角用圓弧進(jìn)行了過(guò)渡,這樣就是金屬在流動(dòng)到拐角處,不在因?yàn)楹艽蟮淖枇Χ绊懫淞鲃?dòng),同時(shí),也就減少了在這個(gè)部位飛邊擠出的可能。另外,本文在型腔內(nèi)部借助改進(jìn)的拐角,挖出了一個(gè)帶弧度的凹臺(tái),用來(lái)使原始坯料和模具面接觸,縮短了預(yù)鍛時(shí)第二階段的壓下量,使坯料更容易填充型腔,也從另一方面減小了飛邊產(chǎn)生的可能,最重要的就是,通過(guò)預(yù)測(cè)無(wú)飛邊預(yù)鍛件成形幾何特征,確定預(yù)鍛型腔圓角,使預(yù)鍛件能夠最大程度的與終鍛模腔接觸,深入。同時(shí),對(duì)坯料進(jìn)行鐓粗,鐓粗高度不宜過(guò)小亦不宜過(guò)大,適當(dāng)?shù)溺叴诌@樣更有利于坯料在型腔內(nèi)成型并且更大程度的減小了飛邊產(chǎn)生的可能,如圖3-10。鐓粗后坯料的高度為H=55mm。圖3-11傳統(tǒng)工藝下的預(yù)鍛模腔圖3-12改進(jìn)后的預(yù)鍛型腔圖3-13傳統(tǒng)工藝下預(yù)鍛結(jié)束和終鍛結(jié)束圖3-14改進(jìn)后預(yù)鍛結(jié)束和終鍛結(jié)束從圖3-13和圖3-14中可以看出,運(yùn)用改進(jìn)后的模具進(jìn)行預(yù)鍛成形后,預(yù)鍛件不再有飛邊存在,整個(gè)預(yù)鍛件過(guò)渡合理,在整個(gè)預(yù)鍛過(guò)程中,坯料的形狀處在圓滑狀態(tài),盡可能的減少了突然變形,提高了坯料的成形性,因此,不再有飛邊產(chǎn)生,同時(shí)降低了載荷,使鍛件預(yù)成形效果好,終鍛時(shí),金屬便能很好的填充終鍛模腔。十字軸模具總裝配圖模架的選取擬選用中間導(dǎo)柱模座,圖4-1為中間導(dǎo)柱模架,〔GB/T2851,5,技術(shù)條件按/T8050—1999的規(guī)定。圖4-1中間導(dǎo)柱模架圖4-2為中間導(dǎo)柱上模座,其各部分結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表4-1,材料為HT200,規(guī)定凹模周界L＝240mm,B＝240mm,厚度H＝80mm的中間導(dǎo)柱上模座。圖4-3為中間導(dǎo)柱下模座,其各部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4-2所示,材料為HT200,規(guī)定凸模周界L＝240mm,B＝240mm,厚度H＝85mm的中間導(dǎo)柱下模座。圖4-2中間導(dǎo)柱上模座凹模周界HhL1B1SRl2D<H7>D1<H7>LB基本尺寸極限偏差基本尺寸極限偏差24024080153803303155510050+0.025050+0.0250表4-1中間導(dǎo)柱上模座結(jié)構(gòu)參數(shù)圖4-3中間導(dǎo)柱下模座凸模周界HhL1B1SRl2d<R7>d1<R7>LB基本尺寸極限偏差基本尺寸極限偏差24024085153803303155510035+0.025-005040+0.0250表4-2中間導(dǎo)柱下模座結(jié)構(gòu)參數(shù)圖4-4A型導(dǎo)柱和導(dǎo)套A型導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖4-3,其各部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表4-3,材料選用20鋼,熱處理要求滲碳深度0.8～1.2mm,硬度58～62HRC,技術(shù)條件按/T8070—1995的規(guī)定。在圖4-3中,R*的值可由制造廠家決定,沒(méi)有固定的數(shù)值。直徑d=40mm,公差帶h5,長(zhǎng)度L=210mm的A型導(dǎo)柱可標(biāo)記為"導(dǎo)柱A20h5×120GB/T2861.1"。 A型導(dǎo)套結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖4-4,其各部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表4-4,材料選用、熱處理、硬度要求和技術(shù)條件與A型導(dǎo)柱相同。在圖4.4中,R*的值可由制造廠家決定,沒(méi)有固定的數(shù)值。直徑d=40mm,公差帶H6,長(zhǎng)度L=115mm,H=43mm的A型導(dǎo)套可標(biāo)記為"導(dǎo)套A20H6×115×43GB/T2861.6"。dL基本尺寸極限偏差〔h5〔h6左導(dǎo)柱400-0.0110-0.016210右導(dǎo)柱450-0.0110-0.016210表4-3導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)參數(shù)dD<r6>LHba基本尺寸極限偏差基本尺寸極限偏差〔H6〔H7左導(dǎo)套40+0.0110+0.025055+0.060+0.0401154341右導(dǎo)套45+0.0160+0.025060+0.060+0.0401254841表4-4導(dǎo)套結(jié)構(gòu)參數(shù)熱模鍛壓力機(jī)的選用熱模鍛壓力機(jī)采用機(jī)械剛性傳動(dòng),曲柄連桿機(jī)構(gòu)也是剛性連接的,因此滑塊具有強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的性質(zhì),滑塊行程次數(shù)固定,速度和加速度則按一定規(guī)律變化。因而在熱模鍛壓力機(jī)上易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)。熱模鍛壓力機(jī)直接采用電力機(jī)械傳動(dòng),因而傳動(dòng)效率比較高。工作時(shí)封閉高度不變,滑塊具有固定的上下止點(diǎn),在鍛造過(guò)程中滑塊每次行程都能使鍛件得到相同的高度。另外,熱模鍛壓力機(jī)具有較高的剛度,因此模鍛件的尺寸精度較高。熱模鍛壓力機(jī)工作時(shí)工藝力并不傳給地基,僅在滑塊接觸工件時(shí)略有沖擊,因此對(duì)基礎(chǔ)沒(méi)有劇烈的沖擊和振動(dòng),不需要強(qiáng)大的安裝基礎(chǔ)。熱模鍛壓力機(jī)采用短而粗的整體連桿剛度大的偏心軸,縮短曲軸支撐間距,降低機(jī)身高度加大機(jī)身截面,采用剛度大的裝模高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),整體剛度高,,減少機(jī)器變形提高鍛件精度?；瑝K的行程次數(shù)高減少了模鍛過(guò)程中熱毛坯與模具的接觸時(shí)間,有利于提高模具壽命,使毛坯保持較高的鍛造溫度降低了變形抗力。具有解除"悶車(chē)"裝置。通過(guò)上一章的計(jì)算我們得出模鍛力：P=9105.728kN從而可以按下式選擇熱模鍛壓力機(jī)的標(biāo)稱(chēng)壓力：Fg≥P/〔0.70～0.75或P≤〔0.70～0.75Fg式中： Fg—熱模鍛壓力機(jī)的公稱(chēng)壓力,kNF—模鍛件在鍛造溫度下的鍛造力,kN所以：Fg≥13008kN因此,根據(jù)《鍛造模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)》表12.20～表12.24選擇公稱(chēng)壓力為16000kN的MP系列熱模鍛壓力機(jī)。模具總裝配圖如圖4-4為十字軸模具總裝配圖的主視圖、上視圖和正三軸測(cè)圖。圖4-5為十字軸模具的部分尺寸及相關(guān)組件。圖4-5模具總裝配三維圖圖4-6十字軸模具裝配圖結(jié)論與展望畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì),本次程設(shè)計(jì),是徘徊于理論與實(shí)踐之間的一段旅程,是回望在課堂與課下之間的一絲脆鈴,是升華間不懂與朦朧之間的一抹陽(yáng)光。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì),紙張上文字不再艱澀難懂,一個(gè)個(gè)的文字拼湊起來(lái)的豐滿(mǎn)的線條,布滿(mǎn)在金屬塊的表面,再配上喜悅的心情,旅途的風(fēng)景再多么地糟糕,心情還是愉悅的。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì),想到了上課時(shí)一次有一次問(wèn)過(guò)老師的問(wèn)題今天不再是浮云,想到了課本上許許多多未曾出現(xiàn)的新知識(shí),今天我卻發(fā)現(xiàn)了,想到了今天能夠和同學(xué)坐在一起翻著同樣的書(shū)、討論著千奇百態(tài)的問(wèn)題,那未來(lái)又算得了什么。我不敢確定我的能力提高了多少,但我能確定的是我比以前懂得了不少。我不知道我還有多少專(zhuān)業(yè)知識(shí)不夠了解甚至不曾了解,但我知道我今天每一點(diǎn)的努力都是靠近知識(shí)盡頭的一步。綜合運(yùn)用本專(zhuān)業(yè)所學(xué)課程的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí),鞏固與擴(kuò)充了模具制造等課程所學(xué)的內(nèi)容,體現(xiàn)出自己?jiǎn)为?dú)設(shè)計(jì)模具的能力以及綜合運(yùn)用知識(shí)的能力,體會(huì)了學(xué)以致用,突出自己勞動(dòng)成果的喜悅心情。等等這些益處,不再是空話。通過(guò)這次系統(tǒng)的十字軸鍛造模具設(shè)計(jì),我擺脫了單純的理論知識(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài),與實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)合鍛煉了自己綜合運(yùn)用所學(xué)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力,同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專(zhuān)業(yè)能力水平,而且通過(guò)對(duì)整體的掌控,對(duì)局部的取舍,以及對(duì)細(xì)節(jié)的斟酌處理,都使我的能力得到了鍛煉,經(jīng)驗(yàn)得到了豐富,并且意志品質(zhì)力,抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升。這些也正是我們進(jìn)行此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的所在。本文對(duì)十字軸的預(yù)鍛成形過(guò)程中遇到一些問(wèn)題進(jìn)行了應(yīng)用性的研究和分析,改進(jìn)了十字軸成形過(guò)程中預(yù)鍛模具。在課題的進(jìn)行過(guò)程中,得到了許多的寶貴經(jīng)驗(yàn),對(duì)課題流程和方向有了更進(jìn)一步的把握,提高了進(jìn)一步從事類(lèi)似方向的能力和水平。但是由于自身知識(shí)儲(chǔ)備、時(shí)間、研究環(huán)境等各方面因素的限制,還有許多等待進(jìn)一步完善和發(fā)展的工作。影響十字軸鍛造成形的因素有很多,比如模具結(jié)構(gòu)、鍛造溫度、設(shè)備工作速度、潤(rùn)滑條件等,對(duì)于其他方面可進(jìn)一步研究。在對(duì)預(yù)鍛工藝進(jìn)行改進(jìn)時(shí),除了對(duì)型腔形狀的改進(jìn)外,還可對(duì)模具分布和其它工藝性步驟進(jìn)行探索和研究。本課題僅僅對(duì)十字軸的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,可以說(shuō)實(shí)際生產(chǎn)和數(shù)字化聯(lián)系還有待進(jìn)一步發(fā)展,可進(jìn)一步研究制造業(yè)全過(guò)程的數(shù)字化技術(shù),為實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)字信息化奠定基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)這次十字軸的鍛造模具設(shè)計(jì),讓我更加熟練的掌握了整個(gè)模具的設(shè)計(jì)過(guò)程。.在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中我學(xué)會(huì)了很多,也感到自身知識(shí)的貧乏,希望在日后的努力中能做出更完善的設(shè)計(jì)。總之,受益頗多！致謝歷時(shí)將近三個(gè)月的時(shí)間終于將這篇論文寫(xiě)完,在論文的寫(xiě)作過(guò)程中遇到了很多的困難和障礙,但在每次收獲的時(shí)候,享受著豐收的喜悅,必然忘不了一直幫助我的老師和同學(xué)。尤其要強(qiáng)烈感謝我的論文指導(dǎo)老師段園培老師,她對(duì)我進(jìn)行了無(wú)私的指導(dǎo)和幫助,不厭其煩的幫助我進(jìn)行論文的修改。另外,在校圖書(shū)館查找資料的時(shí)候,圖書(shū)館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。在此向幫助和指導(dǎo)過(guò)我的各位老師表示最衷心的感謝！感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn),如果沒(méi)有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā),我將很難完成本篇論文的寫(xiě)作。感謝我的同學(xué)和朋友,在我寫(xiě)論文的過(guò)程中給予我很多有用的建議,還在論文的撰寫(xiě)和排版過(guò)程中提供了熱情的幫助。由于我的學(xué)術(shù)水平有限,所寫(xiě)論文難免有不足之處,懇請(qǐng)各位老師和學(xué)友批評(píng)和指正！主要參考文獻(xiàn)[1]中國(guó)鍛壓協(xié)會(huì)．模鍛工藝及其設(shè)備使用特性[M]．國(guó)防工業(yè)出版社,2011[2]李志尊．UGNX7.5基礎(chǔ)應(yīng)用與范例解析[M]．機(jī)械工業(yè)出版社,2012[3]徐桂華．基于有限元模擬的十字軸鍛件模具設(shè)計(jì)數(shù)字化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[M]．XX大學(xué)出版社,2007[4]王亮申．三維數(shù)字設(shè)計(jì)與制造:UGNX8操作與實(shí)踐[M]．機(jī)械工業(yè)出版社,2012[5]展迪優(yōu)．UGNX8.0鈑金設(shè)計(jì)實(shí)例精解[M]．機(jī)械工業(yè)出版社,2012[6]景志紅,管克智,李斌,李?lèi)?ài)群．十字軸的有限元分析[M]．北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),1997[7]洪慎章,李名堯．鍛造實(shí)用數(shù)據(jù)速查手冊(cè)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社,2007[8]郝濱海．鍛造模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．化學(xué)工業(yè)出版社,2006[9]胡亞民,華林．鍛造工藝過(guò)程及模具設(shè)計(jì)[M]．中國(guó)林業(yè)出版社,2006[10]姚澤坤．鍛造工藝學(xué)．西北工業(yè)大學(xué)出版社[M],1998[11]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)生產(chǎn)工程分會(huì)編譯[M]．德英法漢機(jī)械制造術(shù)語(yǔ)辭典,第一分冊(cè),鍛造和模鍛．中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版,1994[12]李永剛．汽車(chē)系列化零件直齒圓錐齒輪精鍛模具數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D]．XX大學(xué)碩士學(xué)位論文,200[13]Z.GRONOSTAJSKI,M.HAWRYLUK[C]．Themainaspectsofprecisionforging．Wroc?awUniversityofTechnology,2008[14]LinZou,JuchenXia,XinyunWang,GuoanHu．Optimizationofdieprofileforimprovingdielifeinthehotextrusionprocess[J]．JournalofMaterialsProcessingTechnology,2003[15]B.I.Tomov,V.I.Gagov,R.H.Radev．Numericalsimulationsofhotdieforgingprocessesusingfiniteelementmethod[J]．JournalofMaterialsProcessingTechnology<2004>附 錄英文文獻(xiàn)：譯文：精密鍛造的主要方面Z.GRONOSTAJSKI,M.HAWRYLUKWroc?awUniversityofTechnology,WybrzezeWyspianskiego25,50-370Wroc?aw,Poland本文涉及的精密鍛造鍛造和問(wèn)題的方向發(fā)展像工具和型坯溫度,金屬塊的幾何形狀,處理環(huán)境,處理速度,潤(rùn)滑和冷卻,和刀具的形狀和質(zhì)量。介紹了知識(shí)的現(xiàn)狀以及關(guān)鍵問(wèn)題技術(shù)。建議解決以及研究這些問(wèn)題被弗羅茨瓦夫大學(xué)的金屬成形工藝技術(shù)部提出了。關(guān)鍵詞：封閉的模具,精密鍛造,刀具壽命1、簡(jiǎn)介精密鍛造相比傳統(tǒng)的模鍛工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是其較低的〔低于60%材料消耗。這是由于沒(méi)有Flash,事實(shí)上,最終的產(chǎn)品具有最小加工余量。鍛件一般具有很好的服務(wù)性能。由于其自身的優(yōu)點(diǎn),精密鍛造是生產(chǎn)相對(duì)昂貴材料汽車(chē)零件的最流行的技術(shù)。連接桿,斜、直齒錐齒輪,蝸輪,三腳架,渦輪機(jī),交流發(fā)電機(jī),等速萬(wàn)向節(jié)等〔圖1是以這種方式制造的[1–6]。圖1：通過(guò)精密鍛造生產(chǎn)的產(chǎn)品除了其明顯的優(yōu)勢(shì),精密鍛造有一些缺點(diǎn),最嚴(yán)重的一個(gè)是成形工具的壽命也短,主要模具,沖頭〔圖2。精密鍛造而成的工具磨損常常嚴(yán)重而達(dá)不到它們預(yù)期的壽命。刀具的使用壽命取決于鍛造條件,工藝人員,刀具材料,型坯的形狀,金屬塊的形狀,等等。低耐久性的工具降低了鍛件的質(zhì)量,盡管在這些缺陷正在被控制。最普遍的鍛造缺陷引起較低的刀具耐用度,即脆性,折疊,毛刺,彎曲,裂紋,分層,微觀和宏觀裂縫等。這些反過(guò)來(lái)會(huì)影響鍛件的最終產(chǎn)品性能。由于大量和多種因素〔及其相互關(guān)系對(duì)精鍛成形的影響,這個(gè)過(guò)程是很難分析。因此,一系列的計(jì)算機(jī)工具,如CAD/CAM/CAE技術(shù),主要是基于有限元法和物理模型,用于設(shè)計(jì)、鍛造工藝的分析和優(yōu)化[2,7–11]。圖2：最常見(jiàn)的缺陷的工具2、精密鍛造在傳統(tǒng)的精密鍛造材料在環(huán)境溫度或半熱條件下形成的。在非常復(fù)雜的零件的情況下,一個(gè)適當(dāng)?shù)淖龇ㄊ窃诘葴氐沫h(huán)境下進(jìn)行熱加工。有時(shí)可以利用材料的超塑性。最初,封閉的模具被用于形成[5,12]。由于制造產(chǎn)品的材料節(jié)省和成本降低在價(jià)格上很有競(jìng)爭(zhēng)力,精密鍛造被越來(lái)越多地應(yīng)用于輕金屬合金的制造,如鋁合金,鎂和鈦的合金[10,12]。表達(dá)的精密鍛造并不意味著明顯的鍛造工藝流程,而是只要接近鍛造就可以了。這種方法的目的是產(chǎn)生凈成形,或至少近凈成形零件。精密鍛造有時(shí)稱(chēng)為精密公差鍛造強(qiáng)調(diào)達(dá)到所要求的尺寸精度和表面光潔度而只有鍛后公差[13]。精密鍛造在環(huán)境溫度下,即要求冷鍛要在一些熱鍛造操作之前。在傳統(tǒng)的熱鍛模具的一半的因素是相當(dāng)量的材料沒(méi)有了Flash和加工余量。由于這個(gè)原因閉式模鍛〔常采用復(fù)合物的形成,即向前和向后的擠壓應(yīng)用于精密鍛造預(yù)成型。擠壓鍛造應(yīng)力主要是三向應(yīng)力的這一優(yōu)勢(shì)是通過(guò)不失去材料凝聚力的大變形得到的。此外,沒(méi)有模具草圖用于精密成形。整個(gè)制造過(guò)程一般分為幾個(gè)階段。舉個(gè)例子,一個(gè)低碳鋼產(chǎn)品制造的過(guò)程如圖3所示。圖3：鍛造工藝流程圖的精度金屬坯料從倉(cāng)庫(kù)送到切割指定的尺寸和重量的切料機(jī)上。坯料在電磁加熱爐中加熱到約900°C溫度。為了保證鍛件具有高質(zhì)量必須保持持續(xù)不斷溫度。預(yù)成型加熱到一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟群筇峁毫?在2–5次操作后成型。模具預(yù)熱溫度接近工作溫度可以降低模具由于熱沖擊導(dǎo)致的裂紋〔圖4a。圖4a：模具預(yù)熱圖4b：鍛造物體溫度測(cè)量和控制鍛造過(guò)程只持續(xù)了幾秒鐘。鍛造的過(guò)程和控制的穩(wěn)定性必須按計(jì)劃進(jìn)行以保證鍛件的高質(zhì)量。當(dāng)他們卸壓時(shí)就應(yīng)該進(jìn)行鍛件的控制冷卻〔圖4b。然后它們通過(guò)短暫敲打的機(jī)器并進(jìn)行石墨的清理。清潔鍛件時(shí)冷加工用油冷成型。用這種方法才能獲得精確形狀的鍛造成品。在冷成形后鍛件會(huì)被清洗和潤(rùn)滑。3、工藝參數(shù)的選擇如上所說(shuō),鍛造過(guò)程中的每個(gè)階段都是重要的。任何一個(gè)缺陷都可能導(dǎo)致鍛件產(chǎn)品質(zhì)量不好,導(dǎo)致干擾和生產(chǎn)停止。因此,在生產(chǎn)中過(guò)程的規(guī)格必須堅(jiān)持,需要適當(dāng)?shù)牟僮髁?xí)慣和技術(shù)文化。例如,如果熱鍛模具的預(yù)熱和潤(rùn)滑不當(dāng)或者在生產(chǎn)過(guò)程有不適當(dāng)?shù)睦鋮s、,模具加熱過(guò)度,這會(huì)快速導(dǎo)致其塑性變形或熱疲勞。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中都注意很整個(gè)鍛造過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)或其關(guān)鍵階段[2,12–16]。特定階段的正確設(shè)計(jì)是鍛造工藝參數(shù)最優(yōu)化的前提[3,18]。通過(guò)優(yōu)化選擇工藝參數(shù)可以顯著提高刀具的壽命和提高鍛件質(zhì)量,從而增加整個(gè)過(guò)程的生產(chǎn)力。在鍛造過(guò)程中的主要影響因素：工具和型坯溫度,金屬塊的幾何形狀,處理環(huán)境,處理速度,潤(rùn)滑冷卻,和工具的形狀和質(zhì)量。3.1、工具和型坯溫度適當(dāng)?shù)臏囟仁菣C(jī)床的可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。它可以影響模具的窄公差帶和機(jī)床移動(dòng)部件和固定部分之間的小空間。由于熱膨脹導(dǎo)致間隙減小使機(jī)床組件可以緊密連接起來(lái)。同時(shí)模具的熱膨脹也影響鍛件的質(zhì)量。CV接頭鍛造數(shù)值模擬顯示在接觸區(qū)域中的模具溫度差異大,而在深度約5毫米的模具的內(nèi)表面的溫度要低得多〔圖5a。這么大的溫度梯度可能使刀具產(chǎn)生不利影響的應(yīng)力狀態(tài)。這意味著工具的溫度需要監(jiān)控,例如,通過(guò)熱象相機(jī)〔圖5b。一個(gè)同樣重要的參數(shù)是金屬塊的溫度,對(duì)鍛造物的組織結(jié)構(gòu)及材料的流動(dòng)曲線〔其成形性和通過(guò)熱膨脹引起的金屬塊體積的變化有很大影響。溫度分布在金屬塊〔圖6不同的直徑上是值得研究的[8]。型坯的初始溫度為920°C.然后試樣在壓力室里2s冷卻50°C用來(lái)等待鍛造。在這樣一個(gè)短的冷卻時(shí)間里外部的溫度差可達(dá)到50°C.這會(huì)對(duì)模鍛過(guò)程有顯著的影響。圖5a：模具的熱場(chǎng)分布圖5b：模具熱象相機(jī)拍照通過(guò)有限元分析確定[8]圖6：金屬塊在壓力室中2秒冷卻圖7：金屬塊第一次鍛造〔約4.5秒約50℃的溫度場(chǎng)分布[8]的溫度場(chǎng)分布[8]3.2、金屬塊的幾何形狀在精密鍛造沒(méi)有溢流孔,裝料量必須與鍛造后最終零件大小相同。在整體中允許的體積差為0.5%–1%,在切削區(qū)的角度偏差為0.5°–2°,圓度偏差為2%–6%。這可以通過(guò)使用特殊的切割實(shí)現(xiàn)。這是保證獲得鍛造預(yù)成形高質(zhì)量小偏差產(chǎn)品所必要的。金屬塊體積太大可能造成模具和壓力機(jī)的損壞。在閉式模鍛中金屬材料體積適當(dāng)分配和鐓粗是金屬塊適當(dāng)?shù)某錆M(mǎn)模腔的關(guān)鍵。一個(gè)理想的金屬體積與適當(dāng)?shù)姆峙浣饘俨牧鲜欠浅Ｖ匾?。因此鍛造過(guò)程中型坯和金屬塊的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié),旨在提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本[1,3,11]。型坯的形狀和力學(xué)性能將影響模具和金屬塊摩擦條件在,其幾何將會(huì)影響模具和金屬塊。在[8]結(jié)果表明,型坯的初始尺寸影響溫度分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn),金屬塊與工具接觸表面會(huì)發(fā)生較大的溫度降〔圖7。3.3、加工速度精密鍛造過(guò)程通常是在高速下進(jìn)行的。目前,經(jīng)濟(jì)原因決定了增加的速度。鍛造過(guò)程越快,生產(chǎn)能力越高。曲柄壓力機(jī)閉式模鍛可生產(chǎn)多達(dá)每分鐘30件[7]。一次成型操作的時(shí)間在工業(yè)精密鍛造中約0.2~1秒。因此,正如pt.3.1,保證恒定的型坯溫度是如此重要〔圖6–7。目前,正試圖最大限度地利用鍛造機(jī)機(jī)的容量和減少鍛造操作的次數(shù)。如果在鍛造過(guò)程中的操作次數(shù)過(guò)多,整個(gè)鍛造時(shí)間和成本增加。一次成型操作的速度越高,變形抗力和所需的成形力就會(huì)越大。3.4、處理環(huán)境鍛造機(jī)的環(huán)境是影響鍛造過(guò)程的重要因素。主要設(shè)置包括：壓力機(jī)的工作空間。精密鍛造工藝和工具要求整個(gè)工具的系統(tǒng)工具砧座和滑塊之間有足夠大的的空間,包括輔助部分。此外,冷卻和潤(rùn)滑設(shè)備應(yīng)與壓力機(jī)一體化。持續(xù)的鍛造能量。在精密鍛造的每一個(gè)沖程中定壓能源是可重復(fù)性。特別是在重新設(shè)計(jì)的新的鍛造工藝使速度增加時(shí)。過(guò)多的能量使模具內(nèi)部壓力增加,這可能會(huì)導(dǎo)致某些工具的彈性變形〔如沖力和反方向的沖力并最終導(dǎo)致刀具的彈性回跳。工具組件的彈性變形會(huì)被避免以防在鍛造過(guò)程中引起幾何尺寸上的變化。工具組件的精確引導(dǎo)。當(dāng)鍛造過(guò)程中被上模模具閉合時(shí)沖床的精確引導(dǎo)是非常重要的。沖頭與模具之間的間隙通常小于0.1毫米,以避免材料溢出。再者,工具組件的精確定位對(duì)獲得適當(dāng)產(chǎn)品幾何形狀來(lái)說(shuō)是必要的。坯料在模具中的精確定位。為了確保模具型腔充填完全,金屬坯料必須精確置于模具中,尤其是當(dāng)金屬坯料自動(dòng)傳遞到連續(xù)鍛造機(jī)構(gòu)。使用物理建模分析金屬材料流動(dòng)會(huì)發(fā)現(xiàn)[9]樣品太薄弱,位于模具的位置不正確,會(huì)發(fā)生彎曲。盡管發(fā)生彎曲,但鍛造的物體仍會(huì)有正確的形狀,但材料的流動(dòng)不均勻性可能會(huì)影響最終產(chǎn)品的耐久性〔圖8。圖8：樣品彎曲引起的材料流動(dòng)不均勻性：a從截面觀察和b從沖壓機(jī)觀察可靠的模具閉合。模具閉合是在機(jī)器設(shè)置工具布置正常運(yùn)行至關(guān)重要的部分。許多精密鍛造產(chǎn)品分模線是在工作面附近,因此會(huì)因?yàn)榉钦ｉ]合而發(fā)生變形。模具應(yīng)該通過(guò)附屬組件或者和機(jī)床的運(yùn)動(dòng)一同閉合。3.5、潤(rùn)滑和冷卻在很大程度上成形過(guò)程的正確性取決于所使用的潤(rùn)滑劑。后者是用于潤(rùn)滑和冷卻。潤(rùn)滑油應(yīng)具有高沸點(diǎn)〔這樣就不會(huì)失去它的高溫摩擦學(xué)性能,,低的熱傳導(dǎo)〔防止鍛造物體被冷卻下來(lái)和工具過(guò)熱,在操作溫度下有適宜的粘度和低的有效摩擦系數(shù)。此外,最佳的潤(rùn)滑油不應(yīng)包含任何會(huì)在鍛造過(guò)程中產(chǎn)生不利影響的成分[19]。石墨,聚四氟乙烯,玻璃等物質(zhì)以及具有低的流動(dòng)應(yīng)力的中間金屬層通常用于熱鍛。為了確保有利的工作條件,在鍛造行業(yè)中環(huán)境的影響減少到最低程度,包括提高刀具的壽命,歐洲社區(qū)最近資助的一個(gè)被稱(chēng)為Brite-Euram的行業(yè)研究項(xiàng)目,針對(duì)在工具良好環(huán)境發(fā)展?jié)櫥到y(tǒng)〔基于潤(rùn)滑劑的最佳潤(rùn)滑性能對(duì)鋼溫鍛應(yīng)促進(jìn)鍛造小污染使其更廣泛使用,擁有更好的工作條件和更高的生產(chǎn)力[19]。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在大多數(shù)熱鍛工藝不適于摩擦條件的保證。這主要是由于高接觸壓力與金屬表面獲得典型熱鍛,尤其是向前和向后的擠壓鍛造。在所有的情況下,有必要在金屬坯料表面潤(rùn)滑系統(tǒng)油膜上提供額外的潤(rùn)滑。由于該項(xiàng)目的綜合工具潤(rùn)滑系統(tǒng)已被開(kāi)發(fā)。關(guān)于環(huán)境影響和刀具壽命,最好的結(jié)果是通過(guò)工具潤(rùn)滑系統(tǒng)組成的使用來(lái)實(shí)現(xiàn)一種基于石墨金