【文章內(nèi)容簡介】 圓操作：此類操作，是將對面之間的陡峭邊倒圓，在選定面組間添加相切圓角面等，是在三維實體中對細節(jié)特征的編輯。 鏡像體操作：通過鏡像體操作，可是實體相對于一個基準面產(chǎn)生鏡像對稱。 復合曲線操作：通過復制其他曲線和邊來創(chuàng)建曲線。 最重要的是布爾操作，特征的布爾運算操作用于確定在建模過程中多個實體之間的合并關系。布爾操作中的實體對象分別稱為目標體和工具體。目標體是用戶首先選擇的需要與其他實體合并的實體或片體對象，工具體是用來修改目標體的實體或片體對象。在完成布爾運算操作后，工具體將成為目標體的一部分。布爾運算操作包括求和、求差和求交運算，求和運算是將兩個或更多個實體的體積合并為單個體。求差運算是從一個實體的體積中減去另一個的，留下一個空體。求交運算是創(chuàng)建一個體，它包含兩個不同的體共享的體積。 最后為了給模擬做準備，還會用到一些測量性的操作。 DEFORM3D簡介 DEFORM的特點DEFORM3D是美國Battell研究院開發(fā)的一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，用于分析金屬成形及其相關工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝。在模擬過程中，按照變形前后體積不變原則，能夠?qū)Τ尚芜^程的三維金屬流動做過程模擬分析。主要功能如下：模擬分析自由鍛、模鍛、積壓、軋制、擺碾、平鍛、輾鍛等多種塑性成形工藝過程；模擬和分析冷、溫、熱塑性成形問題；模擬和分析多工序塑性成形問題。DEFORM是一個模塊化的模擬系統(tǒng)，包括有限元模擬器、前處理器、后處理器和用戶處理器四大模塊。DEFORM3D有著很好的準確性和穩(wěn)定性。模擬引擎在大變形金屬流動，行程載荷和產(chǎn)品缺陷預測等方面同實際生產(chǎn)相符保持著很高的精度。自動網(wǎng)格生成器可以基于特定的分析過程控制局部單元尺寸優(yōu)化完成網(wǎng)格劃分。依據(jù)分析成形過程特點，網(wǎng)格生成器在有精度要求的區(qū)域生成質(zhì)量更優(yōu)的單元，降低了整體的計算規(guī)模和運算要求。由用戶自定義的局部網(wǎng)格密度控制為較高層次用戶提供了更加靈活的方法。DEFORM3D不僅提供了完善的分析功能，而且采用了直觀的圖形用戶界面。并提供了諸如切除飛邊的布爾運算等3D幾何模型處理的功能。FEM引擎同樣可用于剪切和裁邊的模擬計算。即使是更為復雜的機加工也可以進行模擬。通過模擬分析變形過程的金屬流動，有助于本課題在分析十字軸的預鍛成形過程中，強化工藝參數(shù)，通過改進模具設計，優(yōu)化預鍛成形效果，提高十字軸產(chǎn)品質(zhì)量。 DEFORM模型的建立（1）定義幾何特征 ：根據(jù)模鍛的理論和所研究的問題，設計出相應的模具，輸出DEFORM3D軟件可以識別的STL文件或其他可用的二進制文件。PRO/E、UG等三維CAD軟件，均可用來設計模具，并生成DEFORM可前處理文件格式。本課題所用UG生成STL文件。 （2）邊界條件的設定 ：根據(jù)DEFORM軟件的要求和模擬實驗的目的，需要設定的邊界條件有：對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，坯料設為塑性，其他件設為剛性，忽略其彈性變形；設定所有件與坯料間的接觸關系；坯料和模具間的摩擦系數(shù)；模具完成整個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的速度。 （3）前處理 ：依據(jù)DEFORM的“PreProcessor”所提示的步驟，建立前處理。在前處理過程中，材料參數(shù)、網(wǎng)格劃分、運動設立、特性等幾個比較重要的參量，有些參量在模擬過程中是要不斷地修改的，特別是網(wǎng)格的重新劃分，對模擬運算影響比較大，往往需要幾次反復才能成功，是比較費時的。在前處理初始條件的建立中，一定的實際經(jīng)驗可以少走彎路。 （4）模擬運行 ：模擬運行實質(zhì)上是一個計算過程，點擊RUN進行DEFORM運算模擬，在模擬過 程中，可以觀察同步信息，監(jiān)控模擬過程。 （5）后處理過程 ：計算機在計算程序運行結(jié)束后對數(shù)據(jù)進行分析整理，并且用較直觀的方法輸出數(shù)據(jù)的過程，這就是DEFORM的后處理過程。在本課題中，通過分析等效應力應變、載荷、金屬流動方向等對比不同方案下十字軸成形狀態(tài)并得出結(jié)論，值得注意的是，在對比中，所用參數(shù)范圍應該相同，不論是效果圖還是曲線圖。 （6）參數(shù)的調(diào)整 ：在計算機運行過程中，由于參數(shù)設置的不當，比如網(wǎng)格劃分不恰當，剛性面與工件脫離等，模擬時就會出現(xiàn)錯誤，需要調(diào)整。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軟件模擬的關鍵就是邊界條件的設置，其中網(wǎng)格的重新劃分是關鍵。網(wǎng)格化處理時，一般選擇網(wǎng)格單元數(shù)在800020000之間，不能太多也不能太少。一些邊界條件的設置也需有個合適值，總之，參數(shù)的調(diào)整是得到一個理想的運行不可缺少的過程。第3章 十字軸模具設計 十字軸鍛件幾何尺寸分析圖31 十字軸冷鍛件圖尺寸如圖31，是本課題所用十字軸冷鍛件圖尺寸，從圖中可以看出，本課題所要成形的十字軸是由兩個直徑大一點的圓柱以相互成90度，對稱套在一起的，在其外側(cè)再接直徑小一點的圓柱，然后在相套圓柱交接處，上下挖出平面為正方形的平臺，這樣，一個十字軸的特征圖就成形了。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，當兩個圓柱套在一起后，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，也應該以圓角的形式過渡，因為，對與模鍛來說，產(chǎn)生小的里面是困難的，就算模具是垂直的，在成形后也會由于金屬流動而成一定圓角。本十字軸設計中坯料所用材料為20CrMnTi，密度ρ=。鍛件的形狀復雜系數(shù)為：S=Md/Mn（Md為鍛件質(zhì)量，Mn為外輪廓包容體質(zhì)量）。Mn=14πd2hρ（d為外廓直徑，h為高，ρ為密度）。Mn=1426103≈（g）在UG中分析菜單欄下用測量體命令測得十字軸體積為Vd=，Md=ρVd=（g）S=Md/Mn≈，為2級形狀復雜系數(shù)S2。模鍛力的計算：P=k1k2FP—模鍛力（kN）。k1—鋼種系數(shù)，低合金結(jié)構鋼k1=1。k2—金屬變形抗力系數(shù)（kN/cm2），開式模鍛k2=（46～73）kN/cm2 ，閉式模段k2=（60～80）kN/cm2。F—鍛件投影面積（含按倉部的12計算的飛邊面積）。根據(jù)UG圖計算出鍛件投影面積為：F=，模鍛力：P=73=。%的收縮率繪制，如圖32和圖33。圖32 十字軸熱鍛件圖尺寸圖33 十字軸熱鍛件三維圖 終鍛模的設計 分模面的制定分模面的選擇的基本要求是保證鍛件能從模膛中順利的取出來，因此應選擇在十字軸鍛件最大橫截面處，即選擇在上下對稱中心線位置分模。 模塊的結(jié)構由于模膛較淺（），可以采用矩形鑲塊結(jié)構，上下模塊分為模塊體與鑲塊，在鑲塊上加工出模膛，鑲塊可一次性使用不翻新。根據(jù)鍛件尺寸，可選用模塊標準規(guī)格LBH/mm為：240240130。鑲塊承壓面強度校核：該件在16MN級熱模鍛壓力機上模鍛，P=F/A=160001000/57600≈式中：F—熱模鍛壓力機的標稱壓力，kNA—模塊底面的有效承壓面積mm2小于允許的極限值（300MPa），故可以采用。 飛邊的選用飛邊槽的結(jié)構形式如圖34。圖34 飛邊的結(jié)構形式根據(jù)本十字軸的形狀及尺寸大小，選擇常用的飛邊槽結(jié)構形式c，按15MN級并確定飛邊槽尺寸如下：h=，b=8mm，B=4mm，l=22mm，r1=1mm，R=2mm。 鎖扣設計為了避免引起鍛模錯移，導致鍛件產(chǎn)生錯差，并加速熱模鍛壓力機導軌和模具導柱導套的磨損。常在鍛模模塊上設置鎖扣來平衡錯移力，保證鍛件精度和便于模具安裝、調(diào)整等。鎖扣可分為兩大類，一類是平衡鎖扣（也稱形狀鎖扣），主要用于具有落差的鍛件；另一類是普通鎖扣，普通鎖扣又可分為圓形鎖扣，縱向鎖扣，側(cè)面鎖扣，和四角鎖扣。圓形鎖扣一般用于齒輪件、環(huán)形件，這些鍛件的特點是根據(jù)鍛件的外形很難確定錯移的方向；縱向鎖扣一般用于長軸類鍛件，用以防止上、下?？v向錯移和相對轉(zhuǎn)動；側(cè)面鎖扣用于防止上、下模相對轉(zhuǎn)動和前后左右的錯移；四角鎖扣的作用與側(cè)面鎖扣相似。如圖35所示為四角鎖扣的相關尺寸參數(shù)如下所示： 圖35 四角鎖扣鎖扣高度：H=25鎖扣寬度：B=鎖扣長度：L=50a=5186。R1=5R2= R1+2=7R3= R6=3R4=R5=5十字軸終鍛模上模鑲塊如圖36所示，終鍛模下模鑲塊如圖37所示。 圖36 終鍛模上模 圖37 終鍛模下模 坯料體積計算V=（Vd+Vf+Vt）(1+δ％)式中：V—坯料體積，mm3Vd—鍛件（包括沖孔連皮）體積，mm3Vt—機加工和工藝余量體積，mm3δ—金屬加熱損耗率，（在電阻爐中加熱δ=～）。Vf—飛邊體積，mm3，對短軸類零件等于飛邊槽容積的1/2，即：Vf=LzFf=式中：Lz—鍛件周長，mmFf—飛邊面積，mm2Fc—飛邊槽截面積，mm2Vf=≈（mm3）V=（++0）(1+％)≈（mm3）根據(jù)計算出的坯料體積V確定坯料直徑?？紤]到坯料在鐓粗時不致產(chǎn)生彎曲，備料方便以及節(jié)省材料，應使坯料長度L與與直徑D之比值L/D=～。由此，坯料直徑D可在下列范圍內(nèi)選擇：D’=（～）3V=（～）≈～（mm）計算出D’后，依據(jù)國家標準盡力選用本廠常用的規(guī)格D。選取D=40mm然后求出下料長度L：L==247。402≈80mm圖38 坯料式中：D’ —計算出的坯料直徑，mmV—計算出的坯料體積，mm3 L—下料長度，mmD—下料直徑，mm坯料長度L與與直徑D的比值：L/D=80/40=2，滿足條件。坯料如圖38。 預鍛模的設計傳統(tǒng)工藝預鍛模具，在預鍛階段總會或多或少產(chǎn)生飛邊，不利于十字軸的最后成形，預鍛飛邊的出現(xiàn)，不僅浪費了材料，還造成終鍛所需打擊力的提高十字軸類零件在鍛造成形過程中，坯料在模具的壓力下，會發(fā)生變形,向髖部和軸部流動。預模腔內(nèi)壁存在相對運動，因而存在摩擦力，摩擦力的存在阻礙金屬的流動，但由于坯料受到的豎直方向的力，足以抵抗摩擦力，因而，坯料首先充填髖部，然后再充填軸部。金屬流動情況如圖39所示，在充填模膛過程中，如果型腔的造型不合理(比如存在比較大的軸肩差、不合適的圓角)，金屬的流動就會受到抑制，最終不能很好的充填軸部型腔，而髖部的金屬，會以預鍛飛邊的形式流出。產(chǎn)生預鍛飛邊的另一個原因就是坯料尺寸過大，坯料尺寸可以取根據(jù)預鍛模膛和終鍛模膛體積計算，在目前采用的工藝，無論怎么修改坯料的尺寸，都會產(chǎn)生預鍛飛邊，僅僅是飛邊大小的問題，這也是現(xiàn)在生產(chǎn)中所存在的問題。那么要消除飛邊就要改變預鍛模腔外形設計。通過改變預鍛型腔的外形，使終鍛時所用的預鍛件不僅沒有飛邊，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，消除終鍛件的應力集中。 圖310 坯料鐓粗圖39 成形過程金屬流動模型如圖311可以看出，傳統(tǒng)工藝下的預鍛型腔外形并不合理，預鍛型腔的作用，就是實現(xiàn)坯料的預成形，為終鍛提供方便，因而，預鍛型腔的幾何形狀可以在一定程度上變化，來實現(xiàn)預鍛無飛邊、終鍛所需能量降低的目的，預鍛型腔外形的修改，有下面幾個原則：對于不影響最終成形的幾何部分，可以通過恰當?shù)膱A角過渡來降低預鍛中的金屬流動阻力；預鍛型腔的修改,必須在幾何外形上保證坯料在模膛中的定位和放置；預鍛型腔的體積不能小于終鍛型腔的體積。 本文基于上述目的，秉持上述原則，在傳統(tǒng)預鍛模腔的基礎上針對部分地方做出修改、優(yōu)化，最終確定了改進后的預鍛模腔（如圖312）。改進預鍛模腔與傳統(tǒng)模腔不同之處，在于改進模腔髖部的拐角用圓弧進行了過渡，這樣就是金屬在流動到拐角處，不在因為很大的阻力而影響其流動，同時，也就減少了在這個部位飛邊擠出的可能。另外，本文在型腔內(nèi)部借助改進的拐角，挖出了一個帶弧度的凹臺，用來使原始坯料和模具面接觸，縮短了預鍛時第二階段的壓下量，使坯料更容易填充型腔，也從另一方面減小了飛邊產(chǎn)生的可能，最重要的就是，通過預測無飛邊預鍛件成形幾何特征，確定預鍛型腔圓角，使預鍛件能夠最大程度的與終鍛模腔接觸，深入。同時，對坯料進行鐓粗，鐓粗高度不宜過小亦不宜過大，適當?shù)溺叴诌@樣更有利于坯料在型腔內(nèi)成型并且更大程度的減小了飛邊產(chǎn)生的可能，如圖310。鐓粗后坯料的高度為H=55mm。圖311 傳統(tǒng)工藝下的預鍛模腔圖312 改進后的預鍛型腔圖313 傳統(tǒng)工藝下預鍛結(jié)束和終鍛結(jié)束圖314 改進后預鍛結(jié)束和終鍛結(jié)束從圖313和圖314中可以看出，運用改進后的模具進行預鍛成形后，預鍛件不再有飛邊存在，整個預鍛件過渡合理，在整個預鍛過程中，坯料的形狀處在圓滑狀態(tài)，盡可能的減少了突然變形，提高了坯料的成形性，因此，不再有飛邊產(chǎn)生，同時降低了載荷，使鍛件預成形效果好，終鍛時，金屬便能很好的填充終鍛模腔。 第4章 十字軸模具總裝配圖 模架的選取擬選用中間導柱模座，圖41為中間導柱模架，（GB/T 2851，5），技術條件按JB/T 8050—1999的規(guī)定。圖41 中間導柱模架 圖42為中間導柱上模座，其各部分結(jié)構參數(shù)見表41，材料為HT200，規(guī)定凹模周界L＝240mm，B