【正文】 技術要素。專用的有限元分析軟件和特定的工程或產(chǎn)品應用軟件相連接，名目繁多。有限元法則是克拉夫1960年提出來的，是計算機時代的產(chǎn)物。在工業(yè)需求的推動下，國外已涌現(xiàn)出一批專門用于鍛壓成形計算機數(shù)值模擬軟件。這是有限體積法吸引人的優(yōu)點。其基本思路是：將計算區(qū)域劃分為一系列不重復的控制體積，并使每個網(wǎng)格點周圍有一個控制體積；將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程。目前，有限元法已高度形式化和系統(tǒng)化，且單元類型十分豐富，能有效地分析二維和三維工程問題。 有限元數(shù)值模擬技術及在金屬塑性成形中的應用發(fā)展金屬塑性成形過程是一個非常復雜的變形過程，材料特性、溫度條件、摩擦條件、潤滑情況、坯料形狀及尺寸和模具形狀等因素對變形過程都有一定的影響。傳統(tǒng)熱擠壓成形工藝及模具設計主要依賴經(jīng)驗方法,往往需要反復試模才能獲得所需的鍛件。另外，金屬經(jīng)過加熱、模鍛后，夾雜物得到細化，組織致密，沿著外力方向被拉長，形成流線，使鍛件的質量提高，使用穩(wěn)定可靠，壽命長。在這種情況下，鍛造新工藝的開發(fā)對于汽車零件的生產(chǎn)尤為重要，而先進工藝模具設計方法將對提高汽車零件設計水平、縮短零件研制周期和降低成本起著舉足輕重的作用。通過有限元數(shù)值模擬方法對鍛造過程進行模擬仿真，可預測成形過程中的金屬流動情況，溫度、速度、應力應變、壓力等物理場量的分布及變化情況，以及模具應力及應變狀態(tài)，判斷鍛件是否產(chǎn)生折疊、充不滿和過熱等缺陷，以及模具是否會過早破壞，可以指導工藝和模具設計，大幅度縮短模具設計周期，降低制造成本，以較小的代價在較短的時間內找到最優(yōu)的和可行的設計方案，為同類零件成形工藝的研究開發(fā)和應用提供技術依據(jù)和理論指導。作為塑性加工行業(yè)整體來講，目前鍛造仍處于以“試錯”為基本方法的工藝技術階段。鍛造產(chǎn)品主要用于汽車、飛機、機車車輛、工程機械、石化通用等行業(yè)，汽車用鍛件占到總量的90%。河南理工大學2013屆本科畢業(yè)論文（設計）五菱凸緣叉鍛件成形的工藝研究畢業(yè)論文目錄摘要 I1 緒論 1 前言 1 當前研究現(xiàn)狀 2 有限元數(shù)值模擬技術及在金屬塑性成形中的應用發(fā)展 4 4 塑性加工數(shù)值模擬的發(fā)展現(xiàn)狀 6 課題來源及研究對象、目的意義 10 課題來源 10 研究對象 11 本文的研究內容和結構 112 五菱凸緣叉鍛件熱成形工藝和模具設計 12 12 五菱凸緣叉鍛件圖的分析 12 熱鍛件圖的設計 15 毛邊槽的確定 16 鍛錘噸位 17 模塊結構尺寸確定 18 毛坯尺寸確定 19 19 終鍛模具 19 20 22 223 五菱凸緣叉模鍛成形工藝模擬優(yōu)化 23 23 建立模型 23 23:直接成形鍛造模擬 24 直接成形鍛造工步模型的建立 24 模擬成形的過程分析 26 直接成形模擬結論 26:制坯→預鍛→終鍛成形模擬 27 27 預鍛成形過程模擬 29 終鍛成形過程模擬 32 終鍛模擬結果分析 35 364 結論 40致謝 41參考文獻 42I1 緒論 前言 鍛造是人類發(fā)明的最古老的的生產(chǎn)技術之一。按重量計算，汽車零件中有17~19%的鍛件。塑性加工生產(chǎn)的程序一般如下：首先根據(jù)市場需求，對制品進行加工工藝分析，確定成形工藝方案，同時進行模具的設計與制造，然后利用模具依照已確定的工藝規(guī)程進行生產(chǎn)。鍛造生產(chǎn)中，模鍛件約占鍛件總產(chǎn)量的65％。基于以上背景，本文以許五菱突緣叉鍛件為研究對象，應用有限元數(shù)值模擬技術對其鍛造過程進行研究，以優(yōu)化鍛造工藝和模具設計；以降低鍛件制造成本為目標，研究其模具的再制造技術。凸緣叉零件選用模鍛方法生產(chǎn)，其根本優(yōu)點就在于此。隨著計算機技術的飛躍發(fā)展，以有限元法為代表的數(shù)值模擬技術廣泛應用于分析金屬塑性成形過程，運用剛塑性有限元法進行金屬塑性成形過程的數(shù)值模擬取技術得了較大成功。這些因素及其作用是塑性加工研究的主要對象。應用于塑性成形領域的有限元法主要有剛(粘)塑性有限元法、大變形彈塑性有限元法等。Euler網(wǎng)格是一個固定的參考框架，單元由節(jié)點連接構成，節(jié)點在空間固定不動。有一些離散方法，例如有限差分法，僅當網(wǎng)格極其細密時，離散方程才滿足積分守恒；而有限體積法即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準確的積分守恒。我國在數(shù)值模擬技術的實際應用方面與工業(yè)發(fā)達國家相比還有差距，計算技術之模擬技術有著巨大的發(fā)展前景。它的基本思想是“化整為零”，即把連續(xù)體視為離散單元的集合，將連續(xù)體分解為有限個形態(tài)比較簡單的“單元”，對這些簡單單元分別進行分析，然后采用“積零為整”的方法，將各單元重新組合為由原來的連續(xù)體簡化了的“模型”，通過求解這個模型得到問題的基本未知量（例如位移）在若干個離散點上的數(shù)值解，最后根據(jù)得到的數(shù)值解再回到各個單元中計算其他物理量例如應變、應力等。近15年為有限元分析軟件的商品化發(fā)展階段，有限元分析軟件的功能、性能，特別是用戶界面和前、后處理能力，進行了大幅度擴充；軟件的部分結構和部分軟件模塊，特別是數(shù)據(jù)管理和圖形處理部分，進行了重大的改造。在工程實踐中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的集成應用使設計水平發(fā)生了質的飛躍。隨后幾年中，APLID的開發(fā)者針對用戶提出的種種要求，逐漸將程序完善，并采用Motif界面設計工具，將計算程序發(fā)展為商品化分析軟件DEFORM由美國SFTC公司推廣應用。用戶處理器是用戶對DEFORM數(shù)據(jù)庫進行操作、對系統(tǒng)設置進行修改及定義自己的材料模型等[12,13]。DEFORM3D圖形界面，既強大又靈活,為用戶準備輸入數(shù)據(jù)和觀察結果數(shù)據(jù)提供了有效工具。目前，凸緣叉大都帶一個平法蘭，但也有帶一個花鍵齒法蘭的，帶有法蘭盤的，帶凸緣的，帶翼元的，折邊的。 2 五菱凸緣叉鍛件熱成形工藝和模具設計 五菱凸緣叉鍛件圖的分析模鍛生產(chǎn)過程、工藝規(guī)程制訂、鍛模設計、鍛件檢驗及鍛模制造，都離不開鍛件圖。確定分模面位置最基本的原則是：保證鍛件形狀盡可能與零件形狀相同，容易從鍛模型槽中取出；此外，應爭取獲得鐓粗充填成形。首先，熱鍛件圖的尺寸標注，高度方向尺寸以分模面為基準，以便于鍛模機械加工和準備檢驗樣板。新繪制三維立體，如圖24 圖25帶有沖孔連皮的鍛件立體 The shape of the threedimensional forging with the punching recess 毛邊槽的確定（1）毛邊槽的作用 增加金屬流出模膛的阻力，迫使金屬充滿模膛；容納多余金屬；在模具之間起到緩沖作用。毛邊槽的具體尺寸通常按鍛錘噸位法和計算法來確定[10]。原材料的橫截面尺寸及尺寸是以計算毛坯為基礎，再根據(jù)熱鍛件特點及選定的制坯工步、模鍛方法（單件鍛、調頭鍛、逐件連續(xù)鍛）確定[11]。并且根據(jù)以上所計算所得到的毛邊橋部、倉部相關尺寸，在模具上挖出毛邊槽，綜合以上可得到，終鍛模具如圖27， 圖27 終鍛模形狀 The shape of finishforging dies由于凸緣叉鍛件一次難成行所以需要進行預鍛，由于叉鍛件叉形部分較高不容易充滿，且側壁凹陷處金屬流動困難，所以預鍛件設計成上部兩側有兩個突起部，下面兩側各有一個較淺形凹陷的鍛件，其三維立體，如圖28 圖28預鍛件 The shape of the perform forging由此預鍛件可以利用Pro/E自動生成模具，由于鍛件較小，且預鍛件形狀較為簡單所以預鍛模具不設飛邊槽，但需要在一些必要部分進行倒圓角，以利于金屬流動，易于成形，進而生成預鍛模具，如圖29圖29 預鍛模具 shape of the performforging dies 制坯模具設計坯料直徑的確定要確保在預鍛鍛過程中，能夠放入預鍛模膛，不會卡在外面；另外，還需要確保坯料放入預鍛模膛后，能夠穩(wěn)定的停放，很好的定位。C)]（3）溫度參數(shù)：溫度參數(shù)是模擬過程另一個重要的參照量，材料的性能，如流動應力被定義為溫度的函數(shù)。網(wǎng)格長度t和單元格l之間存在如下關系： t≤l (32)網(wǎng)格劃分有絕對長度和相對長度兩種方式，本文采用了相對長度(Relative Element Size)模式。:直接成形鍛造模擬 直接成形鍛造工步模型的建立由以上分析可知原始坯料為Φ50mm67mm,利用Pro/E繪出其三維立體模型，以便模擬過程中導入。 圖34 鍛件結束時等效應力圖 Equivalent effective stress distribution of the finishforging 圖35 鍛造結束時等效應變圖 Equivalent effective strain distribution of the finishforging:制坯→預鍛→終鍛成形模擬 制坯→預鍛→終鍛成形三個工步中，制坯工步的模擬類型采用Upsetting（鐓粗）類型，其余三個工步均采用閉式模鍛類型，采用有限元體積法分析。 預鍛成形過程模擬預鍛工步的目的是使制坯工步得出的中間坯料，經(jīng)過進一步的變形，使坯料的形狀更接近終鍛件的形狀，以便終鍛時保證充滿模膛并不出現(xiàn)折疊或裂紋缺陷,同時減少終鍛變形量和模具的磨損,提高終鍛模膛的模具壽命。－行程曲線，由圖可知變形力逐漸增加，擠壓初始階段擠壓力較小，當上模接近充滿時以及金屬材料向分模處流動，擠壓力迅速上升，需變形力達到最大值為373KN。 終鍛成形后鍛件的形狀 The forging shape after the finishforging，等效應變分布布圖，從圖中可以看出，飛邊部位依然變形最為劇烈，溫度上升也最為迅速，說明該部分塑性變形較大，坯料中部凹環(huán)處與模具接觸時間最長，溫度較低。其整個工藝參數(shù)內容如圖322所示。值此論文完成之際，謹向xxx致以崇高的敬意和衷心的感謝。在攻讀學位期間，xxx、xxx、xxx、xx、xx等老師給予了無私的幫助，在此表示感謝。摩擦因子始鍛溫度1200℃換熱系數(shù)5終鍛溫度800℃鍛件收縮率%圖322 有限元模擬的參數(shù)為 Parameters of finite element simulation 坯料尺寸 The size of the blank預鍛模具形狀尺寸按圖32325給出 The size of the above die 下模 The size of the bottom die , 終鍛上模 The size of the above die 圖327 終鍛下模 The size of the bottom die終鍛模具上毛邊槽尺寸為h=，h1=，b=9mm，b1=25mm，R=1mm， 其中，飛邊槽形狀按圖328給出。－行程曲線，同預鍛過程相似，在終鍛初始階