【正文】 該工藝的優(yōu)點(diǎn)是：能夠?qū)崿F(xiàn)鍛件的成形，制件組織性能能夠得到改善。 該方案顯著提高了材料的利用率，并且獲得的金屬流線完整，尺寸精度高，制品的機(jī)械性能和抗腐蝕性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法的成形件；但是采用這種方法，要求模具材料具有很好的韌性、耐高溫、耐磨損性能等，另外該工藝還需要采用一臺(tái)專用雙動(dòng)壓力機(jī)。 該 轉(zhuǎn)向節(jié) 的 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)高 (DIN7526E級(jí)標(biāo)準(zhǔn) )。 （ 4） 終鍛工步 終鍛在開式模膛中完成，變形量很小，只是把桿部及頭部稍稍鐓粗成形，使各部輪廓及圓角進(jìn)一步清晰，多余金屬從飛邊擠出，鍛件各部分尺寸達(dá)到鍛件圖 紙 要求，僅在個(gè)別平面位置留有少量的精壓余量。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，擠壓工步的鍛造力并 不穩(wěn)定，常常有高有低，最高時(shí)可達(dá) 58160kN，造成設(shè)備抖動(dòng)。 （ a）擠壓模 (Press die) b) 預(yù)鍛模 (Profing die ) (c)終鍛模 (Finishfing die) 圖 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛模 Fing die of steering knuckle 本章小節(jié) 本章主要研究了如下內(nèi)容： （ 1） 轉(zhuǎn)向節(jié) 典型生產(chǎn)工藝：目前 轉(zhuǎn)向節(jié) 典型生產(chǎn)工藝 方案 主要 有半固態(tài)成形工藝、劈爪成形工藝、制坯彎曲終鍛工藝、半封閉擠壓工藝、兩步法閉塞側(cè)彎擠壓精密成形工藝等 ， 根據(jù)其各自的優(yōu)缺點(diǎn)分別適用于不同的生產(chǎn)階段 。 （ 3） 預(yù)測(cè)變形工藝所需的變形力、應(yīng)力，以便模具設(shè)計(jì)及設(shè)備選用。 工藝輸入模塊 Simufact 軟件的工藝輸 入即前處理模塊以結(jié)構(gòu)化方式內(nèi)置各種鍛造過程 ， 這就允許用戶組合用不同鍛造道次創(chuàng)建一個(gè)新的鍛造過程，通過拖放技術(shù)，易于在鍛造過程中 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝模擬 把模具和工件模型分配給不同的加工道次。 設(shè)備數(shù)據(jù)庫中包含鍛錘、曲柄壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)、液壓機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)和輥鍛機(jī)的參數(shù)，用戶也可自定義工模具的運(yùn)動(dòng)方式。 （ 2）有限體積法求解技術(shù) Simufact不僅采用傳統(tǒng)的有限元法求解金屬成形工藝問題，還首次應(yīng)用有限體積法求解高度非線性大變形問題。此外，諸如部件幾何尺寸測(cè)量、變量數(shù)值詢問等結(jié)果解釋工具，也一并提供。 圖 42CrMo的物理屬性 圖 42CrMo的應(yīng)力－應(yīng)變曲線 Physics attributes of 42CrMo Stress and strain curve of 42CrMo （ 2）摩擦條件的設(shè)定 模具與毛坯間的摩擦模型選用塑性剪切模型，摩擦系數(shù)直接從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用，選用熱鍛工藝下的中等摩擦條件，其值為 ，如圖 。從圖中可以看出由于毛坯和上、下壓頭之間存在摩擦，導(dǎo)致鐓粗過程的不均勻性，出現(xiàn)單鼓形 。 圖 多工步間的數(shù)據(jù)傳遞 D。有限元網(wǎng)格尺寸輸入 0，由系統(tǒng)自動(dòng)劃分適合的網(wǎng)格無需用戶干預(yù)，其余模擬參數(shù)均按照系統(tǒng)默認(rèn)。對(duì)于毛坯材料 42CrMo和模具材料 5CrNiMo可以直接從系統(tǒng)的材料數(shù)據(jù)庫中調(diào)用。 軟件提供的圖形界面 網(wǎng)格稀化器，可以在兩個(gè)鍛造道次之間稀化材料表面小平面，使模擬速度大大加快，所需內(nèi)存反而減少。而求解代數(shù)方程組的方法為稀疏存儲(chǔ)的直接解法和稀疏存儲(chǔ)的迭代解法。這種功能允許在一次分析中完全自動(dòng)地進(jìn)行先二維后三維的多步鍛造分析。 Simufact 用于金屬塑性成形分析，具有以下特點(diǎn)： （ 1）適用于多種類型的金屬塑性成形過程的分析，不受具體成形問題的限制； （ 2）能提供豐富的單元類型，從而具有很高的邊界擬 合精度，同時(shí)，也使復(fù)雜成形的過程分析成為可能； （ 3）能夠較全面地考慮多種因素對(duì)成形過程的影響，如溫度、摩擦潤滑條件、材料特性、變形速度以及模具的幾何形狀等； （ 4）能夠在假設(shè)條件較少的前提下提供詳盡的變形力學(xué)信息，如應(yīng)力、應(yīng)變、速度和溫度場(chǎng)等的分布，金屬的塑性流動(dòng)規(guī)律，成形載荷等力能參數(shù)，這些信息可供進(jìn)行工藝過程的優(yōu)化與控制。 圖 鍛造工藝模擬的典型框圖 Simulation typical diagram of fing process 模鍛工藝模擬分析包含以下幾個(gè)方面： （ 1） 金屬塑性流動(dòng)的預(yù)測(cè)，建立金屬材料內(nèi)部變形區(qū)與未變形區(qū)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系（如外形、速度、應(yīng)變、應(yīng)變率等），即確定鍛件是否能充滿模具。三副 主 成形模采用了不同的結(jié)構(gòu)形式， 鍛模材料選用 5CrNiMo， 熱處理后硬度為 HRC40～ 45。根據(jù)設(shè)備有關(guān)性能資料要求，擠壓工步的鍛造力應(yīng)小于或等于設(shè)備公稱力的 85% ，按生產(chǎn)線上熱模鍛壓力機(jī) (63000kN)計(jì)算允許負(fù)荷為 45000kN43524kN。 （ 2） 擠壓工步 該工步成形可分為兩部分：第一部分為桿部，由正擠壓擠出，擠壓長度為桿部總長 轉(zhuǎn)向 節(jié)鍛造工藝設(shè)計(jì) 的 60％～ 70％ ；第二部分為頭部，靠鐓粗一擠壓預(yù)成形，其形狀 應(yīng)簡化，最大尺寸達(dá)到鍛件圖尺寸的 70％～ 80％ ，高度應(yīng)大于終鍛尺寸，各連接處的圓弧均勻過渡。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是成形性 轉(zhuǎn)向 節(jié)鍛造工藝設(shè)計(jì) 好，金屬易于充滿模膛，表面質(zhì)量較高。同開式模鍛相比，閉塞鍛造在很大程度上可提高金屬流動(dòng)性、材料的利用率、鍛件精度和產(chǎn)品的機(jī)械性能。 該工 藝的主要缺點(diǎn)是：需兩次加熱，成本高，鍛件精度差，質(zhì)量不穩(wěn)定，材料消耗和能耗大，勞動(dòng)條件差。就目前所了解的工藝方案 有以下幾種 [2530]。 (7) 刷新工件形狀。一種準(zhǔn)則是速度的相對(duì)誤差范數(shù)const?? VV ，其中 const 為一非常小的正數(shù)；另一種準(zhǔn)則是節(jié)點(diǎn)力不平衡量小于某一正常數(shù)。 剛塑性 /剛粘塑性有限元求解過程 剛塑性 /剛粘塑性有限元的求解過程與一般有限元一樣，不同的是剛塑性 /剛粘塑性有限元法組裝成的總體方程組為非線性方程組，還需要進(jìn)行線性化處理和采用NewtonRaphson 迭代法進(jìn)行速度場(chǎng)迭代求解。 Lagrangian 乘子 ? 具有明確的物理意義： m??? (靜水壓力 )，這 在分析應(yīng)力場(chǎng)時(shí)尤為重要。 2. 2 剛塑性 /剛 粘塑性有限元變分原理 設(shè)變形體的體積為 V ，表面積為 S ，在 FS 上給定面力 iF ，在 US 上給定速度 iu ，在滿足幾何條件式 ()，體積不變條件式 ()和邊界條件式 ()的一切動(dòng)可容速度場(chǎng)中，真實(shí)速度場(chǎng)使泛函 dSuFdV iS iv F?? ???? ?＝ () 取極小值，上述原理稱為 Markov 變分原理。此外 ， 由于剛塑性 /剛粘塑性有限元法采用 方程表示，這樣材料變形后的構(gòu)形可通過在離散空間對(duì)速度的積分而獲得，從而避開了應(yīng)變與位移之間的幾何非線性問題。 第 五 章： 研究 了熱鍛模的失效方式，焊接修復(fù)技術(shù) 及 數(shù)控銑削技術(shù) 。 （ 2）采用數(shù)控高速硬銑削技術(shù)加工型腔。由于每次落面都降低了模具的閉合高度，使每一次模具鍛打的壽命降低。 合理制定模具的加工工藝、優(yōu)化切削參數(shù)，充分發(fā)揮 CAD/CAM技術(shù)優(yōu)勢(shì)和數(shù)控設(shè)備能力 ，是提高模具加工效率、降低模具成 本的重要手 段 [22]。計(jì)算機(jī)輔助制造（ CAM Computer Aided Manufacturing）始于 20 世紀(jì) 50 年代，1952 年美國麻省理工學(xué)院（ MIT）試制成功第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床的誕生實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜零件的自動(dòng)加工。 以上研究，通過不同的有限元方法對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造過程進(jìn)行了模擬，多數(shù)模擬過程得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，證明了有限元鍛造過程模擬的有效性。并對(duì)變形的計(jì)算 、 設(shè)備選型、鍛造生產(chǎn)線的平面布置 、 設(shè)備連線 、 生產(chǎn)線的自動(dòng)化等問題進(jìn)行了討論。 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。但目前對(duì)于復(fù)雜形體的三維網(wǎng)格自動(dòng)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。 較典型的有 ：有限元法、有限體積法、 有限差分法 和 邊界元法。用形式簡單的上限法能很快估算出近似的擠壓力。但是對(duì)于滑移線場(chǎng)未知的復(fù)雜變形問題以及考慮材料硬化、應(yīng)變速率影響、變形溫度引起的熱應(yīng)力等問題，滑移線法則難以施展。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。模具成本構(gòu)成可以某機(jī)車車輛廠 生產(chǎn) 的大連桿為例： 大 連桿重量 50kg/件， 采用10T錘用熱鍛模 ： 模具長 1300mm、寬 800mm、高 450mm； 模具 成本： 材料 （ 5CrNiMo）約 6萬元，加工費(fèi)約 5萬元 ，合計(jì) 11萬元 ；模具 生產(chǎn) 定額 2020件。模具的設(shè)計(jì)與制造過程主要依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，需要經(jīng)過反復(fù)的試模、修模和調(diào)整工藝參數(shù)，導(dǎo)致模具設(shè)計(jì)周期長、成本高，產(chǎn)品質(zhì)量不容易得到保證，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的 優(yōu)勢(shì) 難以確立 。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 。 針對(duì)模擬所發(fā)現(xiàn)的問題，進(jìn)行了模具的優(yōu)化設(shè)計(jì) ，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。 摘要 摘 要 隨著我國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車性能不斷提高，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，鍛造新工藝、省材、節(jié)能工藝等 技術(shù) 的開發(fā)對(duì)于新型汽車零件的生產(chǎn)尤為重要。 再次， 介紹了有限元模擬系統(tǒng)組成及三維有限元模擬軟件 Simufact，建立了汽車轉(zhuǎn)向節(jié)擠壓成形過程的三維有限元模型，并利用 Simufact 軟件 對(duì)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)熱模鍛成形工藝進(jìn)行系統(tǒng)分析，模擬研究其成形過程中的制坯、預(yù)鍛及其終鍛過程，得到成形過程 中金屬的流動(dòng)規(guī)律，以及等效應(yīng)力、應(yīng)變分布情況及行程 — 載荷曲線。 按重量計(jì)算，汽車 零件中 有 17~19%的鍛件。模具的設(shè)計(jì)與制造合理與否，直接決定著能否生產(chǎn)出滿足要求的制品。 調(diào)查 資料表明， 濟(jì)南某汽車零件鍛造廠的模具費(fèi)一年在 2020萬元左右。從板料成形到體積成形，從正向模擬對(duì)成形結(jié)果的預(yù)測(cè)到反向模擬對(duì)預(yù)成形件的設(shè)計(jì)，從同時(shí)考慮變形和熱傳導(dǎo)的熱力耦合分析到對(duì)工件微觀組織的預(yù)測(cè) 等等 ，顯示了該技術(shù)在塑性加工領(lǐng)域中的重要地位和作用。滑移線法在數(shù)學(xué)上較為嚴(yán)謹(jǐn)，理論上也較為完善，盡管受到自己的假設(shè)條件的限制，但在計(jì)算工模具局部應(yīng)力與變形、死區(qū)范圍、形狀以及自由表面輪廓形狀的變化等方面仍能給出非常精確和詳細(xì)的數(shù)據(jù)，而且還可求出變形金屬在平面各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)及金屬流動(dòng)的趨勢(shì)。上限法本質(zhì)上 緒 論 已 包含了多余功。 數(shù)值模擬法 數(shù)值模擬法 是 以電子計(jì)算機(jī)為工具，用現(xiàn)代數(shù)值方法求解塑性加工問題的方法 。 解決數(shù)值模擬網(wǎng)格再劃分問題，一方面可從網(wǎng) 格再劃分技術(shù)著手，研制完善的網(wǎng)格 緒 論 自動(dòng)生成器。有限體積法完全避免了有限單元技術(shù)和 Lagrange方法難以處理又無法回避的三維網(wǎng)格重劃分問題。 （ 2） 李尊榮等 [16]以 連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)和曲軸鍛造生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)為例，介紹利用參數(shù)解析法計(jì)算變形力，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)剖析每一步的變形過程，運(yùn)用物理模擬變形過程中出現(xiàn)的各種問題，獲得了合理的工藝方案。通過 Deform 強(qiáng)大的處理程序?qū)δM結(jié)果進(jìn)行分析，為解決問題提供了理論依據(jù)。 上 世紀(jì) 70 年代，開始出現(xiàn) 了 CAD 和 CAM 集成的趨勢(shì)，即 CAD/CAM 集成系統(tǒng)。 然而， 即使最智能化的 CAD/CAM系統(tǒng)，也需要設(shè)計(jì)人員來 制定加工工藝， 選擇合適的刀具、切削參數(shù)等 等。該工藝加工工序多、周期長、模具能落面次數(shù)少、模具壽命短。本文采用的失效鍛模的再制造技術(shù)方案 是 ： （ 1）用碳弧氣刨等工藝清理失效的鍛模的模腔，用大直徑焊條或焊絲配合機(jī)械手進(jìn)行堆焊，仿型或注滿模腔部位。 針對(duì)模擬所發(fā)現(xiàn)的問題，進(jìn)行了模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證足夠的工程精度的前提下，可提高計(jì)算效率。 (5) 體積不可壓縮條件 0?ijij???? ?? ＝ () (6) 邊界條件 邊界條件分為力