【正文】 ，而且可以有效地改善金屬材料的力學(xué)性能和組織。鍛件也是汽車零部件中的“保安件”，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的曲軸、連桿、凸輪軸，前橋所需的前梁、轉(zhuǎn)向節(jié)，后橋使用的半軸、半軸套管、橋箱內(nèi)的傳動(dòng)齒輪等等，都是關(guān)系汽車安全運(yùn)行的保安關(guān)鍵鍛件。隨著中國(guó)汽車工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，鍛件的需求量會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。其中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是模具的設(shè)計(jì)和制造。近年來，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、金屬塑性流動(dòng)理論和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等交叉學(xué)科的迅猛發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術(shù)得到了快速發(fā)展，以數(shù)值模擬等先進(jìn)方法解決工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際問題已成為金屬成形技術(shù)的發(fā)展方向。鍛模的壽命（熱鍛25千個(gè)，溫鍛12萬個(gè)，冷鍛25萬個(gè)）與其它模具相比很低，鍛件的生產(chǎn)消耗大量的模具，是鍛件制造成本居高不下的重要因素。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車零部件中對(duì)高精度、形狀復(fù)雜鍛件的需求量越來越大。 當(dāng)前研究現(xiàn)狀傳動(dòng)軸凸緣叉是汽車上的重要部件，它是連接變速器和驅(qū)動(dòng)橋的重要零件，同時(shí)也是承受高速運(yùn)動(dòng)的零件。當(dāng)然，無論選用哪種方法，都要滿足優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)約和經(jīng)濟(jì)的原則。(2) 叉鑄件在鑄造生產(chǎn)過程中工序比較多，有些工藝過程難以控制，使鑄件的質(zhì)量不穩(wěn)定，因而鑄件內(nèi)部常出現(xiàn)縮松、氣孔等缺陷。而鋼質(zhì)模鍛件容易切削。一方面，高性能的計(jì)算機(jī)使得在短時(shí)間內(nèi)模擬不同成形條件下的塑性成形過程成為可能，并且在有限的時(shí)間內(nèi)獲得比較全面的模擬結(jié)果。 當(dāng)前針對(duì)凸緣叉的熱成型的工藝發(fā)展有兩大趨勢(shì)：一是凈成形或少無機(jī)加工熱成形工藝；二是以模擬仿真作為模具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，采用三維體積成形模擬分析軟件對(duì)汽車用傳動(dòng)軸凸緣叉的成形過程進(jìn)行模擬分析，解決原工藝存在的充不滿、折疊及變形不穩(wěn)定等缺陷，確立成形優(yōu)化工藝。金屬塑性成形過程研究的主要任務(wù)是結(jié)合金屬材料的特征，分析金屬塑性成形過程中的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)以及變形條件等因素對(duì)變形的影響，在此基礎(chǔ)上充分了解和掌握成形規(guī)律，從而為解決塑性加工中出現(xiàn)的各種實(shí)際問題，確定最佳工藝參數(shù)，高效低耗地獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品提供科學(xué)依據(jù)。有限差分法和邊界元法在塑性問題中應(yīng)用比較少。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算理論的快速發(fā)展，以有限元為主的數(shù)值模擬技術(shù)已成為塑性成形問題的主要求解方法。另一方面，也可以采用別的方法來避開網(wǎng)格再劃分，基于Euler網(wǎng)格的有限體積法就是其中的一種最具代表性的方法。物體的材料在分析過程中可以在網(wǎng)格中流動(dòng)，并且材料的質(zhì)量、動(dòng)量和能量也隨之從一個(gè)單元流到另一個(gè)單元。離散方程的物理意義，就是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無限小的控制體積中的守恒原理一樣。由于有限體積法既保持了計(jì)算精確性，又兼有計(jì)算簡(jiǎn)單性，因此它在塑性加工模擬中迅速得到了非常廣泛的應(yīng)用，是塑性加工模擬技術(shù)的發(fā)展方向[7,8]。從塑性有限元模擬技術(shù)的發(fā)展看，它已經(jīng)走出了單純?yōu)槔碚摲治龆M(jìn)行模擬的探索階段，廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)生產(chǎn)中。一方面，人們對(duì)于模擬的精度、速度和能力的期望是沒有止境的；另一方面，隨著各種新材料的發(fā)明和應(yīng)用，必然會(huì)出現(xiàn)各種物理的、化學(xué)的甚至生物的材料成形新工藝，這將擴(kuò)展計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的研究領(lǐng)域。其中，前置處理部分和后置處理部分又是建立在計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng)(或平臺(tái))的基礎(chǔ)之上。由此而產(chǎn)生的有限元分析技術(shù)是最重要的工程分析技術(shù)之一。目前，有限元法仍在不斷發(fā)展，理論上不斷完善，各種有限元分析程序包的功能越來越強(qiáng)大，使用越來越方便。這就使得目前市場(chǎng)上知名的有限元分析軟件在功能、性能、可用性、可靠性以及對(duì)運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性方面，基本上滿足了用戶當(dāng)前的需求，這些有限元分析軟件可以在超級(jí)并行機(jī)，分布式微機(jī)群，大、中、小、微各類計(jì)算機(jī)和各種操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行。有限元分析軟件是一種集多種科學(xué)與工程技術(shù)于一體的綜合性、知識(shí)密集型產(chǎn)品，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，知識(shí)經(jīng)濟(jì)的到來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及和全球信息化，它們將有更大的發(fā)展，不僅功能會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)充，性能會(huì)進(jìn)一步提高，而且伴隨網(wǎng)絡(luò)化、智能化，特別是多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，用戶界面也會(huì)有全新的變化[10,11,]。在國(guó)內(nèi)有關(guān)體積成形過程有限元模擬軟件開發(fā)方面，北京機(jī)電研究所開發(fā)了MAFAP(Mass forging analysis Program)，上海交通大學(xué)開發(fā)了SFORM，山東大學(xué)模具工程技術(shù)研究中心開發(fā)了體積成形二維有限元仿真軟件CASFORM(Computer Aided Simulation for Forming Process)，上述軟件都是自主版權(quán)的微機(jī)版系統(tǒng)，能夠用于各種體積成形工藝的分析。其前身是20世紀(jì)80年代早期美國(guó)Battelle研究院在美國(guó)空軍系統(tǒng)有關(guān)基金的資助下開發(fā)的有限元計(jì)算程序ALPID(Analysis of Large Plastic Incremental Deformation)。利用DEFORM的體積成形有限元模擬技術(shù)，能夠全面模擬鍛造成形過程，大幅度減少反復(fù)試驗(yàn)，縮短鍛造工藝開發(fā)周期，加快產(chǎn)品投放市場(chǎng)時(shí)間，增加獲利。其中，有限元模擬器是集彈性、彈塑性、剛(粘)塑性、熱傳遞于一體的有限元求解器。作為一個(gè)功能強(qiáng)大的模擬系統(tǒng)，DEFORM軟件有效地解決了自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格畸變、網(wǎng)格與模具干涉判斷，網(wǎng)格重劃分、自動(dòng)完成有限元場(chǎng)量信息的傳遞等有限元模擬中的關(guān)鍵技術(shù)；能嚴(yán)格控制體積損失，保證場(chǎng)量的有效繼承：并很好地考慮了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。在要求精度較高的區(qū)域，可以劃分較細(xì)密的網(wǎng)格，從而降低題目的規(guī)模，并顯著提高計(jì)算效率。DEFORM3D還提供了3D幾何操縱修正工具，這對(duì)于3D過程模擬極為重要。 課題來源及研究對(duì)象、目的意義 課題來源本課題是許昌某鍛造公司的生產(chǎn)研究項(xiàng)目，該廠生產(chǎn)五菱凸緣叉鍛件，如圖12所示。由于其形狀較為復(fù)雜，一次成形難度很大，因此確定傳動(dòng)軸凸緣叉熱成形工藝為：先加熱后鐓粗制坯,接著預(yù)成形，然后鍛壓精成形，最后進(jìn)行精整。第二章：五菱凸緣叉鍛件的熱成形工藝和模具設(shè)計(jì)。鍛件圖是熱鍛生產(chǎn)過程控制工藝規(guī)程，制訂熱鍛模具設(shè)計(jì)與制造，以及鍛件的檢驗(yàn)與后續(xù)機(jī)械加工的依據(jù)。其三維立體圖形如圖22 , 圖22 鍛件三維立體圖 the shape of the threedimensional forging 結(jié)合鍛件圖和其三維圖形可得到如下： 1 確定分模面模鍛件是在可分的模腔中成形，組成模具型腔的各模塊的分合面稱為“分模面”；分模面與鍛件表面的交線稱為分模線。故此，鍛件分模位置應(yīng)選在具有最大水平投影尺寸的位置上，由于此鍛件形狀較為復(fù)雜，內(nèi)部有孔，法蘭較高，上部有兩處拔模處，法蘭側(cè)壁又有凹陷，所以平面分模很難出模，需要進(jìn)行曲面分模，得如圖23 圖23 分模面圖 The shape of the parting plane2 沖孔連皮 此凸緣叉中部有孔洞，而熱模鍛不能直接鍛出透孔，因此在設(shè)計(jì)熱鍛件圖時(shí)必須在孔內(nèi)保留一層連皮，一般情況下，當(dāng)斷件內(nèi)孔直徑大于30mm時(shí)需要考慮沖孔連皮， 由于此鍛件內(nèi)孔直徑為34mm，故需要考慮沖孔連皮。連皮厚度s可根據(jù)公式21計(jì)算確定： (mm) (21)d=34mm,h=5mm,代入計(jì)算，得s=。其次考慮到金屬冷縮現(xiàn)象，熱鍛件圖上的所有尺寸應(yīng)計(jì)入收縮率，即按下式計(jì)算熱鍛件圖尺寸：δ)式中 L—熱鍛件尺寸 —冷鍛件尺寸 δ—終鍛溫度下金屬的收縮率，％ ~％，％ ~％等等。（5）分模面兩側(cè)形狀不對(duì)稱的鍛件，考慮到金屬的流動(dòng)特點(diǎn)，將難以充填的復(fù)雜形狀一側(cè)放在上模。圖 26 毛邊槽形式 The shape of the flash cave（2）毛邊槽的形式 毛邊槽的常見形式如圖25所示[15]，圖23a為最常用的毛邊槽形式，圖23b用于不對(duì)稱鍛件，切邊時(shí)須將鍛件翻轉(zhuǎn)180176。（3）毛邊槽尺寸的確定 毛邊槽的關(guān)鍵尺寸是橋部高度hf及寬度b。其中計(jì)算法是采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算毛邊槽的橋部高度，即式中 —鍛件在分模面上的的投影面積。 模塊結(jié)構(gòu)尺寸確定由以上可知此次鍛造噸位為1t，故由模塊高度與鍛造噸位關(guān)系圖，如表25，從而可以鍛錘噸位/t123510模塊最小高度/mm220260290330360模塊最大高度/mm290330370420460表25the table 25取h=220mm。五菱凸緣叉鍛件屬于圓餅類鍛件，而圓餅類鍛件一般用鐓粗制坯，所以此毛坯尺寸應(yīng)以鐓粗變形為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算。鍛壓過程中，金屬向上充填叉形頭部，同時(shí)從兩側(cè)壁上凹陷處流出，由于叉形部分高徑比較大，且側(cè)壁凹陷處較深，金屬流動(dòng)較為困難，一次成形難度很大，所以需要進(jìn)行預(yù)鍛。坯料長(zhǎng)度的確定要遵循體積變形原則，在變形前后，體積V不變。參數(shù)的設(shè)置要應(yīng)確保模擬環(huán)境盡量符合實(shí)際工作條件，因?yàn)檫@里的參數(shù)設(shè)置對(duì)后續(xù)的模擬過程的計(jì)算起決定性作用。在變形過程中，溫度的高低直接影響金屬流動(dòng)的難易。C，模具預(yù)熱溫度為300。(5) 摩擦 摩擦系數(shù)是影響金屬流動(dòng)的另一個(gè)重要物理量，摩擦系數(shù)的大小，直接決定了模腔對(duì)金屬流動(dòng)的阻礙程度。(9) 設(shè)備噸位：10000kN水壓機(jī)。在初步確定了凸緣叉制坯工部的各項(xiàng)工藝參數(shù)（包括坯料始鍛溫度、模具預(yù)熱溫度、設(shè)備能量，鍛錘質(zhì)量、打擊效率）后，將其引入到有限元分析軟件DEFORM中，建立了凸緣叉制坯成形的三維熱力耦合有限元模型（如圖31所示）。從圖中可以看出由于凸緣叉凸緣部分相對(duì)較高，而側(cè)壁凹陷處又較深，所以鍛造時(shí)在這兩處部位難以充滿，且毛邊較厚，圖34與圖35分別是其鍛造結(jié)束時(shí)的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變圖，由圖可以看出在凸緣叉中部變形劇烈，其應(yīng)變、應(yīng)力非常大，而凸緣頂部以及側(cè)壁凹陷處則是應(yīng)力應(yīng)變較小以至于金屬無法擠壓進(jìn)去填充，進(jìn)而造成充不滿現(xiàn)象。模擬中主要計(jì)算條件假設(shè)如下： (1) 網(wǎng)格數(shù)35000，初始節(jié)點(diǎn)數(shù)8119；(2) 上?？傂谐?mm，模擬步數(shù)設(shè)為24。 為等效應(yīng)變場(chǎng)分布圖，由于摩擦的影響，可以看出毛坯兩端應(yīng)變小，中部應(yīng)變較大，心部應(yīng)變較小，而圓柱兩端部分應(yīng)變較大 。凸緣叉預(yù)鍛工步是轉(zhuǎn)其成形過程中的一個(gè)關(guān)鍵工藝，它起到預(yù)分配金屬的作用，并通過模擬結(jié)果了解模具能否充滿、擠壓力的大小和鍛件表面是否會(huì)產(chǎn)生缺陷。，從圖可以看出預(yù)鍛件叉形頂部沒有完全充滿，側(cè)壁凹陷處與底部側(cè)角處也一樣，但是整體上基本充滿，符合設(shè)計(jì)形狀，幾乎沒有飛邊，并且已經(jīng)使坯料分開，這樣就非常有利于終鍛成形，在設(shè)計(jì)上已經(jīng)達(dá)到預(yù)鍛要求。模擬可以看出，通過鐓粗制坯工序以及預(yù)鍛過程，將一根圓棒料進(jìn)行了合理的變形，最后得到預(yù)鍛件。凸緣叉終鍛模擬的前處理過程與以上過程相似，其中主要計(jì)算條件假設(shè)如下： (1) 網(wǎng)格數(shù)35000，初始節(jié)點(diǎn)數(shù)7723；(2) ，模擬步數(shù)設(shè)為142。但是從整體上看，凸緣叉最終成形后鍛件內(nèi)溫度分布基本上是均勻的，,可保證凸緣叉鍛件良好的組織性能，叉形頭部也是如此。因此，這種鍛造方案能夠獲得預(yù)期效果，可以鍛造出滿意的產(chǎn)品。材料45鋼鍛造設(shè)備1t水壓機(jī)鍛件體積101067 mm3打擊速度30 mm/s坯料尺寸Φ50 mm X67 mm模具材料5CrNiMo鋼拔模斜度5176。（3） 通過模擬仿真可以清楚得出坯料在其成形過程中的變形規(guī)律，這為提高材料的組織性能，避免缺陷的產(chǎn)生將會(huì)大有幫助致謝四年的大學(xué)學(xué)習(xí)就要結(jié)束了，首先向材料學(xué)院表示感謝，感謝為我提供學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，感謝材料系的老師和領(lǐng)導(dǎo)在學(xué)習(xí)、工作等方面給予的許多幫助和教誨。此外，在課題的研究、繪圖、模擬以及論文撰寫期間，還得到了冀國(guó)良老師的大力幫助，在此感