【正文】 因此實(shí)際生產(chǎn)數(shù)字化的重要性不言而喻。這就是一個(gè)實(shí)際生產(chǎn)與數(shù)字化很好結(jié)合的例子。 課題的認(rèn)識(shí)及研究方法 課題的研究對(duì)象 【 15】 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。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。 首先，通過三維造型軟件對(duì)傳統(tǒng)熱鍛十字軸零件進(jìn)行三維實(shí)體化造型。 再通過有限模擬軟件，分析改進(jìn)后的情況，實(shí)現(xiàn)工藝的最優(yōu)化。 模鍛的分類 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。 開式模鍛工藝 開式模鍛過程可分為鐓粗、充滿模腔、擠出飛邊和打靠四個(gè)階段。在此階段，變形區(qū)仍然遍布整個(gè)坯料。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。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。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。 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。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。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。因此，對(duì)一個(gè)待加工的模鍛件，通過設(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。在前面關(guān)于開式模鍛的工藝過程的分析中，為了在大批量的生產(chǎn)條件下保證獲得合適的鍛件，不可能沒有第四階段。如果在總壓下量中擴(kuò)大第一階段的，縮短第二、三階段的壓下量，就會(huì)使坯料在第一階段最大限度地填充模腔，當(dāng)?shù)诙A段開始時(shí)，上、下模分模面間的間距已很小。這樣，飛邊一出來就較厚，形成阻力不大，金屬大量流出模腔。 所以，綜上所述，擴(kuò)大第一階段的壓下量，縮短第二、三階段的壓下量，保證必要的最小的第 四階段的壓下量，是非常合理的模鍛變形過程。在實(shí)際生產(chǎn)中，預(yù)鍛和終鍛大多使用相同型腔。將坯料在預(yù)鍛模中預(yù)鍛成形，成形后移入開式終鍛模中，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)行后加工處理，最終成品 【 10】 。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)和北美汽車發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)。 隨著 UG NX 版本的不斷更新，其操作界面也不斷改進(jìn)， 絕大多數(shù)功能都可通過按鈕操作來實(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。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 11 本課題有關(guān) UG 的運(yùn)用 在本課題中，使用 UG 主要是用來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，總的來說，用 UG 要做三套模具的實(shí)體模型，當(dāng)然，還要做模擬所用的坯料。 拉伸、回轉(zhuǎn)操作：通過拉伸、回轉(zhuǎn)等同類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。 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程中多個(gè)實(shí)體之間的合并關(guān)系。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。 DEFORM3D 簡(jiǎn)介 【 1】 DEFORM 的發(fā)展 20 世紀(jì) 70 年代后期，位于美國(guó)加州伯克利的加利福尼亞大學(xué)小林研究室在美國(guó)軍方的支持下開發(fā)出了有限元軟件 ALPID， 1990年在此基礎(chǔ)上開發(fā)出 DEFORM2D軟件。 DEFORM 軟件有強(qiáng)大的網(wǎng)格重劃分功能，當(dāng)變形量超過設(shè)定值時(shí)自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格重劃。 DEFORM 的特點(diǎn) DEFORM3D 是在一種集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進(jìn)行模擬仿真分析。 DEFORM3D 模型來自 CAD 系統(tǒng)的面或?qū)嶓w造型（ STL/SLA）格式。程序具有多聯(lián)變形體處理能力，能夠分析多個(gè)塑性工件和組合模具應(yīng)力。當(dāng)然， DEFORM3D就是基于上述要求而生的，通過模擬分析變形過程的金屬流動(dòng)，有助于本課題在分析十字軸的預(yù)鍛成形過程中，強(qiáng)化工藝參數(shù)，通過改進(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。 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。 模擬運(yùn)行 模擬運(yùn)行實(shí)質(zhì)上是一個(gè)計(jì)算過程，點(diǎn)擊 RUN 進(jìn)行 DEFORM 運(yùn)算模擬，在模擬過山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 14 程中，可以觀察同步信息，監(jiān)控模擬過程。在調(diào)整過程中，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。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，要在銜接處先開圓角，平緩過渡，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)該以圓角的形式過渡，因?yàn)?，?duì)與模鍛來說，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。形成十字軸的主體（如圖 ）。 圖 十字 軸的主體 圖 十字軸的股部 圖 凹臺(tái)的平面圖 圖 凹臺(tái)的布爾運(yùn)算 圖 十字軸的中心部分實(shí)體圖 接下來進(jìn)行十字軸外部的模型建立，還是點(diǎn)擊【草圖】，在 xoy 平面上做外部圓柱的平面圖，因?yàn)橐玫叫D(zhuǎn)功能，所以只做截面的一半（如圖 ），然后以 X 軸為主軸旋轉(zhuǎn) 360 度，形成十字軸的一個(gè)外部圓柱，并運(yùn)用布爾和運(yùn)算將兩部分合并在一起（如圖 ）。 最后，點(diǎn)擊【鏡像體】，選擇 yoz 平面做為鏡像面，這樣就會(huì)對(duì)稱出另一個(gè)外圓柱山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 18 （如圖 ）。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 19 因?yàn)槭州S是一個(gè)高度對(duì)稱的零件，分模面取在正中間，所以使其成形的模具也是對(duì)稱的，這樣利用【基準(zhǔn)平面】和【鏡像體】功能就可以生成另一個(gè)模具，組成上、下模。 圖 十字軸傳統(tǒng)預(yù)鍛模 圖 十字軸改進(jìn)后預(yù) 鍛模 十字軸成形過程模擬 十字軸預(yù)鍛過程模擬 鍛壓模擬前處理 首先要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的模擬項(xiàng)目，在主窗口左上端（如圖 ），點(diǎn)擊【 New Problem】山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 20 按鈕，進(jìn)入項(xiàng)目類型對(duì)話框，選擇【 Deform3D preprocessor】，接著點(diǎn)擊【 Next】，進(jìn)入下一個(gè)對(duì)話框后，選擇【 Under current selected directory】，然后進(jìn)入下一個(gè)對(duì)話框編輯此次模擬的文件名“ 1”，最后單擊【 Finish】，這樣一個(gè)新的模擬項(xiàng)目就創(chuàng)建好了。 圖 選取對(duì)象 圖 對(duì)象的顯示 接下就是輸入毛坯的幾何形狀，對(duì)于毛坯尺寸的確定是有一定依據(jù)的，利用 UG軟件算出預(yù)鍛模腔的體積為 立方毫米，終鍛模腔的體積為 立方毫米，這樣毛坯的體積取值就介于這兩個(gè)數(shù)值之間，具體值要根據(jù)模擬過程中的情況確定，體積過大容易出現(xiàn)大量飛邊，體積過小容易鍛不足。 圖 劃分網(wǎng)格對(duì)話框 圖 劃分好的網(wǎng)格 接下來是對(duì)毛坯進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格是 Deform3D 計(jì)算的基礎(chǔ)，合理的網(wǎng)格劃分會(huì)直接影響計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)現(xiàn)實(shí)結(jié)果的逼近程度以及計(jì)算時(shí)間和生成數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)模。因?yàn)橹挥猩夏Ｊ沁\(yùn)動(dòng)模，所以要激活【 Primary die】按鈕，從而激活了主模具開關(guān)，對(duì)于剛性對(duì)象，不用劃分網(wǎng)格，同樣也不需要定義材料特性，因?yàn)槠湔J(rèn)為是不變形的。 本課題，上模將向下（ Y 軸正方向）移至毛坯上進(jìn)行加工。 點(diǎn)擊【 Simulation controls】進(jìn)入模擬控制設(shè)定窗口，打開【 Step】模擬步設(shè)定菜單，山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 23 設(shè)置開始模擬數(shù) Starting Step Number 為 1，負(fù)號(hào)表示它是重新劃分網(wǎng)格的起始步，由前處理 PreProcessor 讀入。接下來確定模擬計(jì)算步長(zhǎng)，利用圖像工具菜單條中的測(cè)量工具來測(cè)量上模 和下模間的尺寸，然后設(shè)置 Solution Step Definition 為With Die Displacement 類型，并設(shè)置其值為 （如圖 ）。步長(zhǎng)越小，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，但是會(huì)造成運(yùn)算量成倍增加，所以模擬過程中，模擬計(jì)算步長(zhǎng)的確定是十分重要的，模擬過程中 根據(jù)情況要進(jìn)行適度的調(diào)整。單擊【 Close】按鈕回到關(guān)系信息定義菜單欄。 鍛壓模擬運(yùn)算 首先在項(xiàng)目中單擊 DB 文件，使此文件高亮顯示，如圖 所示，點(diǎn)擊【 Simulator】中的【 Run】按鈕，就進(jìn)入了提交運(yùn)算對(duì)話框，然后確定，計(jì)算開始（如圖 ） 【 14】 。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 26 4 模擬結(jié)果及分析 十字軸的傳統(tǒng)模鍛成形模擬結(jié)果及分析 【 16】 （ a）初始坯料 （ b）第 40 步 （ c）第 66 步 （ d）第 80 步 （ e） 預(yù)鍛結(jié)束 （ f）第 116 步 （ g）終鍛結(jié)束 圖 坯料模擬過程網(wǎng)格圖 圖 是坯料在傳統(tǒng)工藝下，不同壓下量時(shí)的變形情況的網(wǎng)格圖。 等效應(yīng)變分析 （ a）第 40 步（軸剖） （ b）第 66 步（軸剖） （ c）第 80 步（髖剖） （ d）預(yù)鍛結(jié)束（軸剖） （ e）第 110 步（髖剖） （ f）第 116 步（軸剖） （ g）第 120 步 （ h）終鍛結(jié)束（軸剖） 圖 等效應(yīng)變圖 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 28 從等效應(yīng)變圖的（ b）和（ c）中可以看出工件與模具的接觸的部分，就是毛坯的外部等效應(yīng)力很小，而在坯料的內(nèi)心區(qū)域的等效應(yīng)力比較明顯 ，這就說明，坯料在成形過程中，是從坯料的內(nèi)部先產(chǎn)生變形的，產(chǎn)生鐓粗變形，結(jié)合圖 的（ b），坯料在剖面的運(yùn)動(dòng)方向都是朝著髖部方向，這個(gè)方向和圖 的（ a）中所指的軸向方向是不同的，這就說明，坯料是先填充髖部方向，再填充軸部方向的。這樣最終會(huì)導(dǎo)致填充軸部型腔受到影響，而髖部就像模擬所示出現(xiàn)飛邊 【 11】 。是整個(gè)載荷變化過程的最大值，接下來載荷迅速下降，是因?yàn)轭A(yù)鍛結(jié)束后，換終鍛模所致，從后半段可以看出，經(jīng)過預(yù)鍛的處理，坯料與模腔接觸面不在是點(diǎn)接觸而是線接觸或面接觸，載荷規(guī)律增長(zhǎng)，在上下模開始?jí)猴w邊時(shí)，載荷增量有個(gè)小提高，直到最終上下模打靠 【 8】 。通過改變預(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程中受力均勻，消除終鍛件的應(yīng)力集中 【 7】 。 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