【正文】 此外，在課題的研究、繪圖、模擬以及論文撰寫期間，還得到了冀國良老師的大力幫助，在此感謝。材料45鋼鍛造設(shè)備1t水壓機鍛件體積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。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。模擬可以看出，通過鐓粗制坯工序以及預(yù)鍛過程，將一根圓棒料進行了合理的變形，最后得到預(yù)鍛件。凸緣叉預(yù)鍛工步是轉(zhuǎn)其成形過程中的一個關(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產(chǎn)生缺陷。模擬中主要計算條件假設(shè)如下： (1) 網(wǎng)格數(shù)35000，初始節(jié)點數(shù)8119；(2) 上?？傂谐?mm，模擬步數(shù)設(shè)為24。在初步確定了凸緣叉制坯工部的各項工藝參數(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）。(5) 摩擦 摩擦系數(shù)是影響金屬流動的另一個重要物理量，摩擦系數(shù)的大小，直接決定了模腔對金屬流動的阻礙程度。在變形過程中，溫度的高低直接影響金屬流動的難易。坯料長度的確定要遵循體積變形原則，在變形前后，體積V不變。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)進行計算。其中計算法是采用經(jīng)驗公式計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。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用于不對稱鍛件，切邊時須將鍛件翻轉(zhuǎn)180176。其次考慮到金屬冷縮現(xiàn)象，熱鍛件圖上的所有尺寸應(yīng)計入收縮率，即按下式計算熱鍛件圖尺寸：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。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)計熱鍛件圖時必須在孔內(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。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)計與制造，以及鍛件的檢驗與后續(xù)機械加工的依據(jù)。由于其形狀較為復(fù)雜，一次成形難度很大，因此確定傳動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，最后進行精整。DEFORM3D還提供了3D幾何操縱修正工具，這對于3D過程模擬極為重要。作為一個功能強大的模擬系統(tǒng)，DEFORM軟件有效地解決了自動進行網(wǎng)格畸變、網(wǎng)格與模具干涉判斷，網(wǎng)格重劃分、自動完成有限元場量信息的傳遞等有限元模擬中的關(guān)鍵技術(shù)；能嚴格控制體積損失，保證場量的有效繼承：并很好地考慮了生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況。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，縮短鍛造工藝開發(fā)周期，加快產(chǎn)品投放市場時間，增加獲利。在國內(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)的微機版系統(tǒng)，能夠用于各種體積成形工藝的分析。這就使得目前市場上知名的有限元分析軟件在功能、性能、可用性、可靠性以及對運行環(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并行機，分布式微機群，大、中、小、微各類計算機和各種操作系統(tǒng)平臺上運行。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。一方面，人們對于模擬的精度、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，這將擴展計算機數(shù)值模擬的研究領(lǐng)域。由于有限體積法既保持了計算精確性，又兼有計算簡單性，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]。物體的材料在分析過程中可以在網(wǎng)格中流動，并且材料的質(zhì)量、動量和能量也隨之從一個單元流到另一個單元。隨著計算機技術(shù)和數(shù)值計算理論的快速發(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。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)變場以及變形條件等因素對變形的影響，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)。一方面，高性能的計算機使得在短時間內(nèi)模擬不同成形條件下的塑性成形過程成為可能，并且在有限的時間內(nèi)獲得比較全面的模擬結(jié)果。(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。 當(dāng)前研究現(xiàn)狀傳動軸凸緣叉是汽車上的重要部件，它是連接變速器和驅(qū)動橋的重要零件，同時也是承受高速運動的零件。鍛模的壽命（熱鍛25千個，溫鍛12萬個，冷鍛25萬個）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。其中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是模具的設(shè)計和制造。鍛件也是汽車零部件中的“保安件”，汽車發(fā)動機所使用的曲軸、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)的傳動齒輪等等，都是關(guān)系汽車安全運行的保安關(guān)鍵鍛件。人類發(fā)現(xiàn)和使用金屬幾千年的歷史都伴隨著鍛造技術(shù)的發(fā)展。因而，鍛造加工作為制造業(yè)的一個重要分支，廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造中。過去由于缺乏科學(xué)的預(yù)測方法，鍛造工藝設(shè)計與模具設(shè)計的主要依據(jù)設(shè)計人員在長期積累中獲得的經(jīng)驗以及由對簡單模型的實驗研究總結(jié)出來的多種圖表。目前，有限元數(shù)值模擬方法在鍛造工藝和模具設(shè)計中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。因而對于汽車制造業(yè)來說，未來的競爭核心將是新產(chǎn)品的競爭，如何實現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、短周期的汽車零件的開發(fā)、生產(chǎn)，是贏得汽車市場的關(guān)鍵?？偟膩碚f，凸緣叉的主要成形工藝采用鍛造成形,其主要原因有如下幾點：（1）凸緣叉模鍛件的內(nèi)部組織和機械性能大大優(yōu)于凸緣叉鑄件，特別是經(jīng)過熱處理后的模鍛件，無論是沖擊韌性還是斷面收縮率、疲勞強度等機械性能均占很大優(yōu)勢。 故而， 汽車用傳動軸凸緣叉目前生產(chǎn)方式大多采用熱模鍛，模鍛工藝為傳統(tǒng)工藝：下料→模鍛→切邊，其中模鍛又分為預(yù)鍛和終鍛兩個過程。模擬分析為模具沒計提供了很好的理論依據(jù)， 所開發(fā)出的精密成形模具更具可靠性合理性，這必將為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)約大量成本，縮短開發(fā)周期，大大提高其在市場上的競爭力[5]。（1）有限元法有限元法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）最初用于結(jié)構(gòu)分析，其本質(zhì)思想是：當(dāng)在全域內(nèi)描述力學(xué)場的微分方程的原函數(shù)困難時，則用有限個單元將求解域離散化；在單元內(nèi)假設(shè)滿足邊界條件的原函數(shù)，并考慮單元之間的聯(lián)系，最終求得全域的解。（2）有限體積法有限體積法（FVM）又稱為控制體積法。有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對任意一組控制體積都得到滿足，對整個計算區(qū)域，自然也得到滿足。目前，在工業(yè)發(fā)達國家，材料成型計算機數(shù)值模擬技術(shù)已越來越廣泛的在各工業(yè)部門得到應(yīng)用，并產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟效益，正在深刻地改變著傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計及制造方式。圖12 有限元分析過程流程圖 The flow chart of finite element analysis process 有限元模擬系統(tǒng)的發(fā)展過程有限元的概念是早在上世紀40年代就有人提出，但由于當(dāng)時計算機尚未出現(xiàn)，它并未受到人們的重視。直到上世紀80年代中期，有限元分析軟件還處在獨立成長階段，主要是擴充和完善基本功能、算法和軟件結(jié)構(gòu)，逐步形成了商品化的通用和專用有限元軟件。 我國在“九五計劃期間大力推廣CAD技術(shù)，機械行業(yè)大中型企業(yè)CAD的普及率已從20％提高到目前的70％。它開創(chuàng)了塑性加工模擬技術(shù)的新紀元。前處理器處理模具和坯料的幾何信息和成形條件的輸入。此外，DEFORM3D具有如下突出技術(shù)特色：(1) 模擬范圍廣材料流動、模具填充、成形載荷、纖維流向、晶粒流動、缺陷成因、韌性破壞等信息；(2) 適用工藝廣鍛造、擠壓、軋制、鐓粗、沖切、熱處理等多種成形工藝；熱、冷、溫鍛的成形分析；(3) 成形設(shè)備完整液壓鍛造機、鍛錘、摩擦壓力機、機械壓力機、軋機、擺輾機等眾多加工設(shè)備：(4) 材料模型多彈性、剛塑性、熱彈塑性、熱剛粘塑性、粉末材料、剛性材料和自定義材料：(5) 材料庫豐富鋼、合金、鈦合金、超合金等146種專用材料數(shù)據(jù)庫，并允許用戶自行輸入材料庫中沒有的材料；(6) 后處理功能直觀強大FLOWNET和點跡跟蹤、等值線、云圖、矢量圖、載荷—行程曲線、鏡面反射、2D切片等功能；(7) 前處理中自動生成邊界條件，確保數(shù)據(jù)準備快速可靠；(8) 數(shù)據(jù)接口強與CAD／CAM有IGES和STL接口，同IDEAS、PATRAN等分析軟件直接調(diào)用：(9) 網(wǎng)格自動生成及再劃分自我接觸條件及完美而強大的網(wǎng)格再劃分技術(shù)，可有效地解決網(wǎng)格畸變，使得在成形過程中即便形成了缺陷，模擬也可以進行到底。圖11 傳動軸突緣叉 The flange yoke in transmission shaft 研究對象本課題研究對象是五菱凸緣叉鍛件，由于結(jié)構(gòu)和使用性能上的要求,它的幾何形狀比較復(fù)雜，加工面亦較少,成形相對比較困難。第三章：五菱凸緣叉熱模鍛成形工藝的有限元模擬。分模線是模鍛件最重要、最基本的結(jié)構(gòu)要素。又因為鍛件圖已經(jīng)給出孔上下端各5mm高度的處拔模斜度，所以為了成形以及加工起見，選擇連皮厚度為4mm。（6）下模型槽底部易積聚氧化皮，致使鍛件表面壓坑或缺肉，為避免產(chǎn)生此缺陷應(yīng)在鍛件上作相應(yīng)補償修改。hf增大，金屬流向飛邊的阻力減小，不利于模膛充填，但模膛的應(yīng)力亦隨之減小；反之，增大。又因為鍛錘噸位與燕尾寬度關(guān)系如圖表26鍛錘噸位/t123~510~16燕尾寬度/mm160200260300400表26The table 26又由經(jīng)驗公式可得，模塊最小寬度,所以模塊寬度mm,為保證鍛模不與錘的導(dǎo)軌相碰模塊的最大寬度應(yīng)該保證模塊邊緣與導(dǎo)軌間留有單邊間距大于20mm, 1t鍛錘導(dǎo)軌間間距為430mm,綜上所述，可以取B=240mm，又因為鍛件長寬相差不大，為了方便于加工與選材，故其長度也選為240mm[18]。又由于該件體積較小，為節(jié)省成本，因此確定此五菱凸緣叉鍛壓熱成形工藝為：下料→加熱→制坯→預(yù)成形一鍛壓精成形→切邊、沖孔→熱處理→精壓→檢驗，并對鍛造過程進行模擬[19]。（1）單位：SI；Mode:Deformation,Heat Transfer。C。(10) 打擊速度：30mm/s。 圖33 模鍛結(jié)束時坯料形狀 The workpiece’s shape in end 直接成形模擬結(jié)論由于凸緣叉形狀較為復(fù)雜，其凸緣頂