【正文】 于模擬優(yōu)化的結(jié)果，開發(fā)出結(jié)構(gòu)合理的模具，極大地降低了生產(chǎn)成本,縮短了開發(fā)周期。(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。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(jìn)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(jìn)行少量機(jī)械加工。如何降低模具的材料費(fèi)用和加工費(fèi)是企業(yè)非常重視的問題[1,3, 4]。這種“反復(fù)試制直到模具設(shè)計(jì)合理”的工藝是傳統(tǒng)塑性加工技術(shù)的重要特征，它使得產(chǎn)品質(zhì)量靠檢驗(yàn)來保證，而不是融入設(shè)計(jì)、制造的全過程[]。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(jí)的液壓機(jī)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(diǎn)鍛、等溫和超塑性鍛造等；從設(shè)備上看，它已經(jīng)由單方向的直線動(dòng)作擴(kuò)展到了多向、回轉(zhuǎn)和其他更復(fù)雜的動(dòng)作；從鍛造原材料看，它由一般鋼擴(kuò)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(kuò)展到了液料和粉料。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(shù)。我國是鍛件生產(chǎn)大國，鍛件產(chǎn)量居世界第一。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)，即使經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員也很難保證一次成形出合格的終鍛件，反復(fù)的試模、修模不僅浪費(fèi)大量時(shí)間、人力和物力，進(jìn)而導(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，市場競爭的優(yōu)勢難以確立。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2000件。由于其結(jié)構(gòu)和使用上的要求,突緣叉零件的幾何形狀比較復(fù)雜，加工面亦較少。鋼質(zhì)模鍛件就無上述缺陷，內(nèi)部質(zhì)量好，成品率高，降低了零件的成本。采用數(shù)值模擬仿真技術(shù)對傳動(dòng)軸凸緣叉的成形過程進(jìn)行模擬分析，根據(jù)坯料在模具中的填充情況，不斷改進(jìn)模具的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化毛坯尺寸，從而消除種種成形缺陷，確定合理的成形工藝。 塑性加工模擬方法 Simulation methods of plastic forming 其中數(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。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的日益完善，尤其是隨著有限元技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術(shù)在塑性加工中的應(yīng)用蓬勃發(fā)展，應(yīng)用范圍越來越廣。 有限元模擬系統(tǒng)的組成金屬塑性成形過程模擬系統(tǒng)的建立就是將塑性有限元、金屬塑性成形工藝、計(jì)算機(jī)圖形處理等相關(guān)理論和技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的過程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法在各個(gè)工程領(lǐng)域中不斷得到應(yīng)用，現(xiàn)已遍及宇航工業(yè)、核工業(yè)、機(jī)電、化工、建筑、海洋等領(lǐng)域，是機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)、靜、熱特性分析的重要手段。應(yīng)用于體積成形模擬的商用軟件主要有美國的DEFORM和MARC／Autoforge，法國的FORGE3，以及俄羅斯的Qform等。毋庸置疑，三維模擬是鍛造成形模擬未來的發(fā)展方向，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)的發(fā)展，三維模擬將在工業(yè)生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。Euler參考系在運(yùn)動(dòng)方程中不能自動(dòng)滿足質(zhì)量守恒，若認(rèn)為材料不可壓縮的，則通過使Lagrange乘子法或罰函數(shù)法使運(yùn)動(dòng)方程滿足質(zhì)量守恒定律。DEFORM3D是模擬3D材料流動(dòng)的理想工具。相當(dāng)復(fù)雜的工業(yè)零件，如連桿、曲軸、扳手、具有復(fù)雜筋翼的結(jié)構(gòu)零件、泵殼和閥體，DEFORM3D都能夠令人滿意地例行完成。 本文的研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)本文以五菱凸緣叉鍛件為研究對象，以Pro/E、Deform3D軟件為基礎(chǔ)，對該產(chǎn)品的鍛造工藝流程進(jìn)行了三維建模和模擬分析，并對其熱鍛模的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，具體內(nèi)容如下：第一章：緒論。冷鍛件圖是在零件圖基礎(chǔ)上加上了機(jī)械加工余量、成形公差和工藝余料等繪制而成的，主要用于最終鍛件的檢驗(yàn)、后續(xù)機(jī)械加工工藝的編制和工夾具的設(shè)計(jì)等。所以在設(shè)計(jì)有內(nèi)孔的鍛件時(shí)，必須正確選定連皮形狀及其尺寸。此外，在制定熱鍛件圖時(shí)應(yīng)該考慮[16]：(1) 熱鍛件圖不標(biāo)注公差和技術(shù)條件，也不繪制零件輪廓線；如有內(nèi)孔必須繪出連皮形式。毛邊槽在鍛后利用壓力機(jī)上的切邊模去除。 鍛錘噸位由于此五菱凸緣叉鍛件有孔，需留有沖孔連皮，又根據(jù)鍛件圖以及其三維立體圖確定其分模面在其下部，故計(jì)算鍛件在分模面上的投影面積時(shí)應(yīng)該加上此面積。對圓形鍛件，k=~，對非圓形k=~ M——毛坯高度與直徑之比值，一般取m=~按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格取為直徑dp=50mm，則毛坯下料高=，取精整67，=，高徑比合適，則坯料尺寸為Φ50mm67mm。 3 五菱凸緣叉模鍛成形工藝模擬優(yōu)化基于DEFORM3D模擬過程如下： 建立模型應(yīng)用Pro／Engineer創(chuàng)建坯料以及上模和下模的三維實(shí)體，并輸出為DEFORM3D軟件可以識(shí)別的STL(Standard Template Library,標(biāo)準(zhǔn)模板庫)文件，并按照一定步驟導(dǎo)入軟件。C，終鍛800。(7) 步長 ：步長f 的選擇是影響計(jì)算精度、數(shù)據(jù)庫規(guī)模和運(yùn)算時(shí)間的另一個(gè)參數(shù)。其他模擬參數(shù)如上所述。 鐓粗工步模擬結(jié)果分析 。但因?yàn)轭A(yù)鍛時(shí)沒有設(shè)飛邊槽,為了使在分模面處不產(chǎn)生毛邊,預(yù)鍛模具往往不閉合,其間隙值為鍛件高度的10%~20%,此外預(yù)鍛所需的毛坯是鐓粗結(jié)束后的坯料，這是因?yàn)镈eform3D軟件支持多工步成形分析，可以自動(dòng)導(dǎo)出上一工步成形后坯料的幾何模型和溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)信息，將鐓粗后坯料旋轉(zhuǎn)90176。我們通過對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，主要是測量模擬后的壓扁件、制坯件尺寸，與期望得到的理想件對比，不斷通過對模具尺寸的修改，使模擬件同理想件逐漸擬合，最終得到理想的制坯與預(yù)鍛模具的設(shè)計(jì)。 終鍛鍛件的等效應(yīng)力場 Equivalent effective stress distribution of the finishforging 終鍛后鍛件的等效應(yīng)變場分布圖 Equivalent effective strain distribution of the finishforging圖320 終鍛結(jié)束時(shí)溫度分布 Temperature distribution of the finishforging 終鍛成形過程的載荷－行程曲線 Loadstroke curve during the finishforging 終鍛模擬結(jié)果分析 通過利用模擬仿真軟件DEFORM3D對終鍛工步的成形過程進(jìn)行模擬，可以得到如下結(jié)論： 采取制坯→預(yù)鍛→終鍛成形方案進(jìn)行五菱凸緣叉鍛造模擬時(shí)，制坯主要使坯料形狀進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使之能夠合理放置在預(yù)鍛模膛里，預(yù)鍛則是使金屬坯料合理分布，使成形時(shí)金屬流動(dòng)順暢，終鍛則是最終形狀定型的關(guān)鍵步驟。圖328 飛邊槽尺寸 size of the Gutter4 結(jié)論本文分析了五菱凸緣叉鍛件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用Pro/E對凸緣叉進(jìn)行了三維建模，完成了對其鐓粗制坯、預(yù)鍛、終鍛模具的設(shè)計(jì)，自動(dòng)生成了相應(yīng)鍛件與坯料的立體模型，并且利用DEFORM3D進(jìn)行了成形過程的模擬仿真，對其熱成形進(jìn)行了分析探討。最后，對曾給予我關(guān)心和幫助的家人、同學(xué)與朋友們表示衷心的感謝。在課題的研究過程中，老師為我提供了進(jìn)行課題研究的條件和許多有益的相關(guān)資料，并在整個(gè)課題的進(jìn)行過程中，給予了認(rèn)真的指導(dǎo)，在他的指導(dǎo)和幫助下，我克服了課題中遇到的很多問題，其淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、精益求精的工作作風(fēng)、令人非常敬佩。 (2)通過對凸緣叉鍛件進(jìn)行依照 “下料→加熱→鐓粗制坯→預(yù)鍛→終鍛”的模擬分析，發(fā)現(xiàn)此方案可以達(dá)到預(yù)期效果，獲得有良好組織性能，無折疊缺陷，毛邊均勻，充滿的叉鍛件。 終鍛成形前后鍛件的形狀以及模具和飛邊槽的充填狀況，從圖中可以看出，上下模都已經(jīng)充滿，無折疊缺陷，飛邊也較為均勻，其外形和尺寸達(dá)到了工藝要求。 擠壓鍛件的溫度場分布 Temperature distribution of the press forging 鍛壓成形過程的載荷－行程曲線 Loadstroke curve during the press forming，由于叉形頂部、分模面處以及底部棱角處變形比較劇烈，塑性變形能產(chǎn)生的熱量較高，所以溫度較高。從以上圖形可以看出，鐓粗制坯過程相對較為簡單，各部分變形量較小，而其厚度卻以設(shè)計(jì)而變形，可以放入預(yù)鍛模具模膛中間，達(dá)到制坯目的。如此，用各種尺寸形狀的坯料進(jìn)行鍛造模擬多次，都沒有完全充滿達(dá)不到預(yù)期效果，故若要進(jìn)行一步鍛造很難成形，因此需要要進(jìn)行預(yù)鍛設(shè)計(jì)，以是鍛壓時(shí)金屬流動(dòng)能夠合理進(jìn)行。 (11) 初始坯料尺寸為Φ50mm67mm（12） 其它參數(shù)除上述的跟計(jì)算相關(guān)的參數(shù)之外，還有壓下量，保存次數(shù)的選擇，保存次數(shù)越多，數(shù)據(jù)庫越龐大，描述也就越具體[20]。（4）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)庫的規(guī)模。（2）材料：本課題鍛件材料為45鋼，這里選擇AISI1055[14502200F(800~1200。 終鍛模具本次課題模具設(shè)計(jì)采用逆向設(shè)計(jì)方法，先設(shè)計(jì)終鍛模具，根據(jù)由熱鍛件圖得到的三維立體圖形，以及設(shè)計(jì)的模塊大小尺寸，在Pro/E中利用工具自動(dòng)生成終鍛模具三維圖形，且型腔各拐角處倒圓角，使金屬流動(dòng)順利，以防終鍛件出現(xiàn)折疊，充不滿等缺陷。 毛坯尺寸確定模鍛用材料的體積應(yīng)包括鍛件本體、毛邊、連皮、夾鉗料頭和加熱引起的氧化皮之總和 。寬度b增大時(shí)，阻力增加；反之，減小。以熱鍛件圖為依據(jù)，并加上沖孔連皮以及相應(yīng)修該設(shè)計(jì)，再重新利用Pro/E繪制熱鍛件三維圖，此三維零件圖上帶有沖孔連皮，并且利用Pro/E上自帶工具測量鍛件在分模面上投影面積為 F=5670（mm2），體積 V=101070（mm2）。 連皮上的圓角半徑R1，因模鍛成形過程中金屬流動(dòng)激烈，應(yīng)比同尺寸壓凹件內(nèi)圓角半徑大一些，可按下式確定[15]：R1=R++2 (mm)其沖孔連皮如圖244 如圖24 沖孔連皮3 The shape of the punching recess 熱鍛件圖的設(shè)計(jì)熱鍛件圖主要用于鍛件模具的設(shè)計(jì)與制造、鍛造過程的質(zhì)量控制等，它以冷鍛件圖為依據(jù)，但又有所區(qū)別。鍛件分模位置合適與否，關(guān)系到鍛件成形、鍛件出模、材料利用率等一系列問題。第四章：結(jié)論。對于不同品牌和型號(hào)的汽車，其凸緣叉的形狀也有所不同，但大體相似，均屬于短軸分叉類鍛件。并能嚴(yán)格控制體積損失，保證場量的有效繼承，模擬精度高；(10) 多工步成形可將多工步成形問題的各個(gè)預(yù)成形及終成形工步進(jìn)行有效安排，依次進(jìn)行模擬并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)工步問物理信息的相互傳遞；(11) 運(yùn)行平臺(tái)多樣化為了滿足不同規(guī)模、不同經(jīng)濟(jì)實(shí)力的用戶的需要，具有分別適用于工作站PC機(jī)運(yùn)行的版本。后處理器將模擬結(jié)果可視化，并輸出模擬信息。到1985年，美國已有6家大公司使用該程序，當(dāng)時(shí)的APLID只能分析平面問題和軸對稱問題，并且沒有考慮非等溫成形問題和加工設(shè)備的類型，也沒有網(wǎng)格再劃分功能。隨著企業(yè)CAD應(yīng)用的普及，工程技術(shù)人員已逐步甩掉圖版，而將主要精力用于如何優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高工程和產(chǎn)品質(zhì)量，計(jì)算機(jī)輔助工程分析(CAE，Computer Aided Engineering)方法和相應(yīng)的有限元分析軟件將成為關(guān)鍵的