【正文】 是否會過早破壞，可以指導工藝和模具設計，大幅度縮短模具設計周期，降低制造成本，以較小的代價在較短的時間內(nèi)找到最優(yōu)的和可行的設計方案，為同類零件成形工藝的研究開發(fā)和應用提供技術依據(jù)和理論指導。模具的設計與制造過程主要依賴設計人員的經(jīng)驗，需要經(jīng)過反復的試模、修模和調(diào)整工藝參數(shù)，即使經(jīng)驗豐富的設計人員也很難保證一次成形出合格的終鍛件，反復的試模、修模不僅浪費大量時間、人力和物力，進而導致模具設計周期長、成本高，產(chǎn)品質(zhì)量不容易得到保證，市場競爭的優(yōu)勢難以確立。作為塑性加工行業(yè)整體來講，目前鍛造仍處于以“試錯”為基本方法的工藝技術階段。我國是鍛件生產(chǎn)大國，鍛件產(chǎn)量居世界第一。鍛造產(chǎn)品主要用于汽車、飛機、機車車輛、工程機械、石化通用等行業(yè)，汽車用鍛件占到總量的90%。不僅如此，鍛造也是一種既古老而又正處在蓬勃發(fā)展之中的一種金屬加工技術。河南理工大學2013屆本科畢業(yè)論文（設計）五菱凸緣叉鍛件成形的工藝研究畢業(yè)論文目錄摘要 I1 緒論 1 前言 1 當前研究現(xiàn)狀 2 有限元數(shù)值模擬技術及在金屬塑性成形中的應用發(fā)展 4 4 塑性加工數(shù)值模擬的發(fā)展現(xiàn)狀 6 課題來源及研究對象、目的意義 10 課題來源 10 研究對象 11 本文的研究內(nèi)容和結構 112 五菱凸緣叉鍛件熱成形工藝和模具設計 12 12 五菱凸緣叉鍛件圖的分析 12 熱鍛件圖的設計 15 毛邊槽的確定 16 鍛錘噸位 17 模塊結構尺寸確定 18 毛坯尺寸確定 19 19 終鍛模具 19 20 22 223 五菱凸緣叉模鍛成形工藝模擬優(yōu)化 23 23 建立模型 23 23:直接成形鍛造模擬 24 直接成形鍛造工步模型的建立 24 模擬成形的過程分析 26 直接成形模擬結論 26:制坯→預鍛→終鍛成形模擬 27 27 預鍛成形過程模擬 29 終鍛成形過程模擬 32 終鍛模擬結果分析 35 364 結論 40致謝 41參考文獻 42I1 緒論 前言 鍛造是人類發(fā)明的最古老的的生產(chǎn)技術之一。從規(guī)模上課，它從昔日的紅爐手工鍛造已發(fā)展到在萬噸級的液壓機上鍛造幾百噸的鋼錠；從工藝上來說，它沖破了舊有的單一的觀念，又開發(fā)出了冷鍛、溫鍛、近熔點鍛、等溫和超塑性鍛造等；從設備上看，它已經(jīng)由單方向的直線動作擴展到了多向、回轉(zhuǎn)和其他更復雜的動作；從鍛造原材料看，它由一般鋼擴展到了許多特種用途鋼、難變形鋼和高溫有色合金，也由錠料和棒料擴展到了液料和粉料。按重量計算，汽車零件中有17~19%的鍛件。塑性加工生產(chǎn)的程序一般如下：首先根據(jù)市場需求，對制品進行加工工藝分析，確定成形工藝方案，同時進行模具的設計與制造，然后利用模具依照已確定的工藝規(guī)程進行生產(chǎn)。這種“反復試制直到模具設計合理”的工藝是傳統(tǒng)塑性加工技術的重要特征，它使得產(chǎn)品質(zhì)量靠檢驗來保證，而不是融入設計、制造的全過程[]。鍛造生產(chǎn)中，模鍛件約占鍛件總產(chǎn)量的65％。如何降低模具的材料費用和加工費是企業(yè)非常重視的問題[1,3, 4]?；谝陨媳尘?，本文以許五菱突緣叉鍛件為研究對象，應用有限元數(shù)值模擬技術對其鍛造過程進行研究，以優(yōu)化鍛造工藝和模具設計；以降低鍛件制造成本為目標，研究其模具的再制造技術。對于該零件，目前國內(nèi)外一般采用中碳鋼或中碳合金鋼進行鍛造而成，但也有采用中碳鋼或中碳合金鋼鑄造而出的，還有采用球墨鑄鐵的砂型鑄造成的，此外還要進行少量機械加工。凸緣叉零件選用模鍛方法生產(chǎn)，其根本優(yōu)點就在于此。(3) 凸緣叉鑄件表面粘沙糙，難以清理，不易加工，刀具損壞較多。隨著計算機技術的飛躍發(fā)展，以有限元法為代表的數(shù)值模擬技術廣泛應用于分析金屬塑性成形過程，運用剛塑性有限元法進行金屬塑性成形過程的數(shù)值模擬取技術得了較大成功?；谀M優(yōu)化的結果，開發(fā)出結構合理的模具，極大地降低了生產(chǎn)成本,縮短了開發(fā)周期。這些因素及其作用是塑性加工研究的主要對象。較典型的有：有限元法、有限體積法、有限差分法和邊界元法。應用于塑性成形領域的有限元法主要有剛(粘)塑性有限元法、大變形彈塑性有限元法等。但目前對于復雜形體的三維網(wǎng)格自動生成（尤其是成形性能較好的六面體網(wǎng)格）還未得到圓滿的解決。Euler網(wǎng)格是一個固定的參考框架，單元由節(jié)點連接構成，節(jié)點在空間固定不動。有限體積法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解釋。有一些離散方法，例如有限差分法，僅當網(wǎng)格極其細密時，離散方程才滿足積分守恒；而有限體積法即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準確的積分守恒。從板料成形到體積成形，從正向模擬對成形結果的預測到反向模擬對預成形件的設計，從同時考慮變形和熱傳導的熱力耦合分析到對工件微觀組織的預測等等，顯示了該技術在塑性加工領域中的重要地位和作用。我國在數(shù)值模擬技術的實際應用方面與工業(yè)發(fā)達國家相比還有差距，計算技術之模擬技術有著巨大的發(fā)展前景。按照實施成形過程模擬的流程(如圖12)，模擬系統(tǒng)的功能大致可分為前置處理部分、有限元求解部分和后置處理部分。它的基本思想是“化整為零”，即把連續(xù)體視為離散單元的集合，將連續(xù)體分解為有限個形態(tài)比較簡單的“單元”，對這些簡單單元分別進行分析，然后采用“積零為整”的方法，將各單元重新組合為由原來的連續(xù)體簡化了的“模型”，通過求解這個模型得到問題的基本未知量（例如位移）在若干個離散點上的數(shù)值解，最后根據(jù)得到的數(shù)值解再回到各個單元中計算其他物理量例如應變、應力等。早在上世紀70年代初期就有人給出結論：有限元法在產(chǎn)品結構設計中的應用，使機電產(chǎn)品設計產(chǎn)生革命性的變化，理論設計代替了經(jīng)驗類比設計。近15年為有限元分析軟件的商品化發(fā)展階段，有限元分析軟件的功能、性能，特別是用戶界面和前、后處理能力，進行了大幅度擴充；軟件的部分結構和部分軟件模塊，特別是數(shù)據(jù)管理和圖形處理部分，進行了重大的改造。這些軟件以其友好易用的界面和可靠的性能在世界各地的科研院所及生產(chǎn)企業(yè)中得到了廣泛的應用。在工程實踐中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的集成應用使設計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。 DEFROM有限元模擬系統(tǒng) DEFORM是由美國SFTC公司開發(fā)的一個體積成形有限元工藝模擬專用商業(yè)軟件。隨后幾年中，APLID的開發(fā)者針對用戶提出的種種要求，逐漸將程序完善，并采用Motif界面設計工具，將計算程序發(fā)展為商品化分析軟件DEFORM由美國SFTC公司推廣應用。DEFORM是高度模塊化、集成化的模塊系統(tǒng)，由有限元模擬器、前處理器、后處理器及用戶處理器四大模塊組成。用戶處理器是用戶對DEFORM數(shù)據(jù)庫進行操作、對系統(tǒng)設置進行修改及定義自己的材料模型等[12,13]。DEFORM3D的最大優(yōu)勢是強大的模擬引擎能夠分析金屬成形過程中多個關聯(lián)對象耦合作用的大變形和熱特性，并且系統(tǒng)中集成了在任何必要時能夠自行觸發(fā)自動網(wǎng)格重劃生成器，生成優(yōu)化的網(wǎng)格系統(tǒng)，以保證有限元計算的順利進行。DEFORM3D圖形界面，既強大又靈活,為用戶準備輸入數(shù)據(jù)和觀察結果數(shù)據(jù)提供了有效工具。 有限元軟件研究方向國內(nèi)外學者為完善有限元軟件技術仍然在進行不懈的努力，近期的研究工作主要集中在以下幾個方面[14]：；；；；；；；；，如無網(wǎng)格法、自適應FEM法、FBEM法、基于特征的FBEM法[7]。目前，凸緣叉大都帶一個平法蘭，但也有帶一個花鍵齒法蘭的，帶有法蘭盤的，帶凸緣的，帶翼元的，折邊的。介紹課題的研究背景，塑性加工數(shù)值模擬技術的原理、現(xiàn)狀與發(fā)展、汽車傳動軸凸緣叉的應用現(xiàn)狀，課題來源、對象等等相關問題。 2 五菱凸緣叉鍛件熱成形工藝和模具設計 五菱凸緣叉鍛件圖的分析模鍛生產(chǎn)過程、工藝規(guī)程制訂、鍛模設計、鍛件檢驗及鍛模制造，都離不開鍛件圖。一般將冷鍛件圖稱為鍛件圖，本次設計廠家已經(jīng)提供了冷鍛件圖,如圖21 ,圖21 五菱凸緣叉鍛件圖 The shape of the flange yoke forging 從鍛件圖可以看出零件的加工余量、倒圓角大小、拔模斜度以及鍛造公差等都已經(jīng)給出，進而五菱凸緣叉零件圖相當于也已經(jīng)給出，并且通過此鍛件圖我們可以利用Pro/ENGINEER進行三維建模，繪出凸緣叉立體圖，這樣則更有真實感，便于分析其分模面。確定分模面位置最基本的原則是：保證鍛件形狀盡可能與零件形狀相同，容易從鍛模型槽中取出；此外，應爭取獲得鐓粗充填成形。該課題中采用常用的平底連皮形式。首先，熱鍛件圖的尺寸標注，高度方向尺寸以分模面為基準，以便于鍛模機械加工和準備檢驗樣板。（2）當鍛錘噸位不足，發(fā)生鍛不足或欠壓現(xiàn)象時應將鍛件高度尺寸適當減小，以抵消欠壓的影響；（3）形狀特別而又不對稱的鍛件，上半部分復雜，下半部分簡單，在鍛擊過程中，可能因轉(zhuǎn)動而導致鍛件報廢，應考慮在熱鍛件圖上增設方形定位余塊；（4）模膛易磨損處，在鍛件負公差范圍內(nèi)增加一層磨損量，以提高鍛模壽命。新繪制三維立體，如圖24 圖25帶有沖孔連皮的鍛件立體 The shape of the threedimensional forging with the punching recess 毛邊槽的確定（1）毛邊槽的作用 增加金屬流出模膛的阻力，迫使金屬充滿模膛；容納多余金屬；在模具之間起到緩沖作用。由于該課題中鍛件較小，但形狀復雜，分模面上下不對稱，上部不易充滿，應選用圖（b）形式毛邊槽。毛邊槽的具體尺寸通常按鍛錘噸位法和計算法來確定[10]。本次設計按照鍛件復雜程度和變形抗力大小來確定模鍛錘噸位[17]：G=αβF （22）式子中，α—合金變形抗力系數(shù)，查表22；β—鍛件復雜程度系數(shù)，查表22；F—不包括飛邊的模鍛件在分模面上的投影面積（mm2） 鍛件材料α鍛件形狀β銅合金鈦合金其他材料鎂合金形狀復雜的（帶有薄而寬的腹板）鋁合金鈦合金~中等復雜程度的結構鋼形狀簡單的不銹鋼耐熱鋼表22 系數(shù)α，β的值 The values of coefficient of α，β由于45鋼屬于結構鋼，故α，又有F=5670 （mm2），故鍛錘噸位G=αβF=5670=，故采用1t模鍛錘。原材料的橫截面尺寸及尺寸是以計算毛坯為基礎，再根據(jù)熱鍛件特點及選定的制坯工步、模鍛方法（單件鍛、調(diào)頭鍛、逐件連續(xù)鍛）確定[11]。從對五菱凸緣叉鍛件圖、三維立體圖的分析以及鍛造常識我們可以得到如下分析結論：此五菱凸緣叉鍛件是短軸類分叉零件，呈軸對稱， 形狀較為復雜，屬于難成形鍛件。并且根據(jù)以上所計算所得到的毛邊橋部、倉部相關尺寸，在模具上挖出毛邊槽，綜合以上可得到，終鍛模具如圖27， 圖27 終鍛模形狀 The shape of finishforging dies由于凸緣叉鍛件一次難成行所以需要進行預鍛，由于叉鍛件叉形部分較高不容易充滿，且側壁凹陷處金屬流動困難，所以預鍛件設計成上部兩側有兩個突起部，下面兩側各有一個較淺形凹陷的鍛件，其三維立體，如圖28 圖28預鍛件 The shape of the perform forging由此預鍛件可以利用Pro/E自動生成模具，由于鍛件較小，且預鍛件形狀較為簡單所以預鍛模具不設飛邊槽，但需要在一些必要部分進行倒圓角，以利于金屬流動，易于成形，進而生成預鍛模具，如圖29圖29 預鍛模具 shape of the performforging dies 制坯模具設計坯料直徑的確定要確保在預鍛鍛