【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 30kW，最高工作溫度為 1350 攝氏度， 爐膛尺寸為 400mm 300mm 250mm 的箱式電阻爐。模具的預(yù)熱溫度為 200 攝氏度。坯料在 1200 攝氏度下在預(yù)鍛模中進(jìn)行預(yù)鍛成形。成形后移入開式終鍛模中在 800 攝氏度下進(jìn)行終鍛成形，等模具打靠完畢，再將帶飛邊的終鍛件移入切邊模中，去除飛邊，這樣十字軸就初步成形了，然后再對(duì)其進(jìn)行機(jī)加工后處設(shè)計(jì)研究方案 5 理，最終成品。 熱模鍛成形工藝 由于本課題是研究十字軸的預(yù)鍛成形和模具改進(jìn)，那么首先要解決的，就是充分理解加工十字軸所用的工藝，熱模鍛成形工藝，只有了解、掌握了這個(gè)工藝，才能為這個(gè)課題的完成打下基礎(chǔ)。 鍛模的特點(diǎn) 首先，本課題的十字軸是通過模鍛成形的，模鍛就是使金屬坯料在沖擊力或壓力作用下，在模鍛模腔中被迫塑性流動(dòng)成形，從而獲得鍛件的一種工藝方法，與自由鍛相比，通過模鍛可以生產(chǎn)形狀較為復(fù)雜的零件，而且不論是尺寸、形狀的精度都比自由鍛要高，最為重要的是，比起自由鍛，不論從材料利用率還是生產(chǎn)效率，還是表面質(zhì)量來(lái)說(shuō)，都要好，由于模鍛中的金屬是在模具的模腔中流動(dòng)的，一定會(huì)受到某些方向的限制，所以，變形抗力會(huì)很大，因此相同尺寸的毛坯，成形所需的設(shè)備噸位要更大些。而從模具上來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)一套模具所要求的不論從設(shè)備 還是技術(shù)層面都要比生產(chǎn)一個(gè)零件要高，這樣模鍛相比自由鍛來(lái)說(shuō)，前期投資比較大，準(zhǔn)備周期比較長(zhǎng)，所以模鍛主要用于在大批量的生產(chǎn)中小型鍛件中，十字軸的生產(chǎn)正符合這些特點(diǎn)。 模鍛的分類 根據(jù)成形溫度，模鍛分為熱鍛和冷鍛，本課題采用熱鍛，熱加工可以使工件變形抗力低，使其塑性變形容易進(jìn)行，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生回復(fù)，再結(jié)晶，提高了成形件的力學(xué)性能。 根據(jù)終鍛模具的不同，將模鍛工藝分為開式模鍛和閉式模鍛。開式模鍛是指金屬沿工件分模面的周圍形成橫向飛邊，上模和下模間的間隙不斷變化，而閉式模鍛恰恰相反，金屬沿工件分模面的 周圍沒有橫向飛邊產(chǎn)生，上模和下模間的間隙不發(fā)生變化。 本課題所采用的是開式模鍛，這就要注意飛邊和間隙對(duì)十字軸成形的影響。 開式模鍛工藝 開式模鍛過程可分為鐓粗、充滿模腔、擠出飛邊和打靠四個(gè)階段。 第一階段是鐓粗階段，坯料處于下模模腔，上模開始與坯料接觸的瞬間，上模對(duì)坯料進(jìn)行壓縮，坯料的高度在減小，根據(jù)體積不變假設(shè)，相應(yīng)的直徑就在增大，此階段金屬的流動(dòng)受到的限制比較小，所需的變形力也就不會(huì)很大。在此過程中，整個(gè)坯料都是變形區(qū)。 第二階段是充滿模腔階段，金屬被擠入模腔后，毛坯的側(cè)面鼓起來(lái)與凹模的 側(cè)壁開始接觸，到整個(gè)側(cè)表面與模壁貼合且模腔間隙完全充滿為止，在這個(gè)階段中，變形金屬的流動(dòng)受到了模壁的阻礙，變形力開始顯著增大。在此階段，變形區(qū)仍然遍布整個(gè)坯料。 第三階段是擠出飛邊階段，由于為了更好的控制金屬的流動(dòng)性，使出現(xiàn)的飛邊不至于影響成形過程中金屬的流動(dòng)阻礙金屬填充模腔，因此，在終鍛型槽上開有飛邊槽，部分金屬在壓力作用下沿分模面流入飛邊槽形成飛邊，由于飛邊外的金屬薄，冷卻快，造成模腔周圍一圈的流動(dòng)阻力大，迫使金屬在模腔內(nèi)流向尚未充填的部位，直到完全填滿，為了達(dá)到這一目的，飛邊槽一般有兩個(gè)部分組成，一 個(gè)橋部，一個(gè)倉(cāng)部，橋部主要用來(lái)使飛邊減薄，阻礙金屬流動(dòng)，迫使金屬充滿型槽，而倉(cāng)部就是用來(lái)容納多余的金屬，以湖北文理學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 免金屬流到分模面上，影響上下模打靠。但對(duì)于整個(gè)開式模鍛過程，此時(shí)鍛件的高度仍然高于最終要求的成形高度。 第四階段是打靠階段，隨著上下模具的運(yùn)動(dòng)，飛邊越來(lái)越小，飛邊內(nèi)的金屬溫度較低，阻力增大，為了將型槽的多余金屬排入飛邊槽，需要更大的打擊力，所需的能量也將消耗整個(gè)成形所需能量的很大部分。在此階段，變形區(qū)已經(jīng)縮小為模鍛件的中心部分區(qū)域了。 通過整個(gè)過程的描述，我們可知第二階段是鍛件成形的關(guān)鍵階段，而第四階 段則是模鍛變形力最大階段，那么研究鍛件成形問題，主要是研究充滿型腔的階段；計(jì)算變形力就要按第三階段的變形區(qū)域考慮，當(dāng)然是第三階段越小越好。因?yàn)榇蚩侩A段小的話，就可以減少所流出的飛邊金屬，減小模鍛所需要的載荷，減小設(shè)備的能量損耗，模具損耗，這樣就會(huì)延長(zhǎng)模具壽命，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 影響金屬成形的因素 從開式模鍛變形金屬變形過程分析，影響金屬成形的主要有兩大方面，內(nèi)部因素就是終鍛前坯料的形狀和尺寸，這主要取決于鍛造時(shí)金屬的變形量；還有坯料本身成分和溫度是否均勻，成分和溫度不均勻?qū)?huì)引起材料變形應(yīng)力不均 勻。而在外部這個(gè)方面，主要是終鍛模腔的尺寸和形狀、飛邊槽尺寸，設(shè)備工作速度對(duì)金屬變形的影響。 就模腔的尺寸和形狀來(lái)說(shuō)，金屬以鐓粗的方式比以壓入的方式充滿模腔容易，金屬在模腔中遇到的阻力主要與變形金屬和模壁間的摩擦系數(shù)有關(guān)，模腔表面的粗糙度低、潤(rùn)滑效果好時(shí)，金屬在模腔內(nèi)變形時(shí)所受到的摩擦阻力就小，有利于填充模腔。金屬在模腔中遇到的阻力還和模鍛斜度有關(guān)，與無(wú)模鍛斜度相比，為了便于模鍛后取出而設(shè)計(jì)的模腔內(nèi)壁模鍛斜度不利于金屬擠入填充，因?yàn)榻饘偬畛淠Ｇ坏倪^程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)變截面的擠壓過程，金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，為了 填充過程的順利進(jìn)行，必須有一定的擠壓力，模鍛斜度越大所需擠壓力越大。 圓角半徑對(duì)金屬流動(dòng)的影響很大，半徑小時(shí)，金屬經(jīng)過圓角半徑流入模具時(shí)要消耗較多的能量，不易填充模腔，而圓角半徑過大時(shí)，不僅會(huì)增加金屬消耗和機(jī)械加工量，還會(huì)造成金屬過早流失，使模腔充不滿。模腔的寬度和深度也影響著金屬在模腔中的流動(dòng)，模腔越窄，金屬流向模腔時(shí)所受阻力就越大，溫度降低的也越顯著，充滿模腔越困難，在其他條件相同的情況下，模腔越深時(shí)，填充也越困難。模具溫度較低時(shí)，金屬流入模腔后，冷卻的較快，流動(dòng)應(yīng)力升高，填充模腔困難。模鍛前，模具一 般要預(yù)熱 200到 300攝氏度。注意不能過高，會(huì)影響模具強(qiáng)度。 影響金屬成形的外部因素中，最主要的就是飛邊槽的影響，鑒于飛邊槽兩部分不同的作用，設(shè)計(jì)飛邊槽時(shí)最主要的任務(wù)是合理確定飛邊槽橋部的寬度和高度，橋部阻止金屬外流主要是靠坯料與橋部上下間的摩擦力，根據(jù)金屬塑性變形規(guī)律，減小飛邊厚度或增加飛邊寬度都可以提高飛邊阻力，但同時(shí)也增加了模鍛的成形力，為了保證金屬順利填充模腔，希望飛邊橋部阻力大些，但阻力過大，會(huì)使模鍛成形的動(dòng)力不足，對(duì)模鍛錘會(huì)造成因打擊能量不足而上下模不能打靠，因此，飛邊槽的設(shè)計(jì)要根據(jù)情況而定。同 時(shí)還要考慮飛邊槽橋部的阻力與飛邊部分坯料金屬的溫度的關(guān)系。如果變形過程中此處的溫度降低很快，阻力會(huì)急劇增加。 設(shè)計(jì)研究方案 7 在模鍛過程中，上模和下模逐漸接近，飛邊槽橋部間的高度不斷減小，隨著模鍛的進(jìn)行，上下模間的距離從大變小，產(chǎn)生的飛邊阻力也從小變大，開始時(shí)大量金屬流入飛邊槽，到最后隨著飛邊的增多，阻力加大，后產(chǎn)生的飛邊量在減少。因此，要減少飛邊消耗，應(yīng)設(shè)法較早建立足夠大的飛邊阻力。可以通過改變分模面位置，把飛邊設(shè)計(jì)在變形較困難的端部，初期，中間部位金屬的變形受到模壁限制，就容易向模腔流動(dòng)，充滿模腔，減少飛邊金屬的消耗。 再次，影響金屬成形的外部因素還有設(shè)備工作速度的影響。一般說(shuō)來(lái)，設(shè)備工作速度高時(shí)，金屬變形速度也快，金屬變形的慣性和變形熱效應(yīng)突出。由于溫度較高，氧化皮軟化，摩擦系數(shù)有所降低，這時(shí)的氧化皮在某種程度上具有潤(rùn)滑劑的功能。在模鍛時(shí)正確利用這些因素，有利于金屬充滿模腔，得到外形復(fù)雜、尺寸精確的鍛件。 模具對(duì)金屬變形的影響也尤為重要。為了保證鍛件的形狀和尺寸精度，設(shè)計(jì)熱鍛模具時(shí)應(yīng)考慮鍛件和模具的熱收縮，根據(jù)金屬塑性成形理論，塑性變形時(shí)金屬主要朝著最大主應(yīng)力的方向流動(dòng)。在三向壓應(yīng)力的情況下，金屬主要朝著最小阻力方向 流動(dòng)。因此，對(duì)一個(gè)待加工的模鍛件，通過設(shè)計(jì)不同的制坯工步如預(yù)鍛，就可控制金屬的變形方向，完成對(duì)毛坯的塑性加工。此外，變形體內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)是在外力作用下產(chǎn)生的，一般外力通過模具施加在坯料上，坯料變形的反作用力也由模具承擔(dān)，合理的模具設(shè)計(jì)還應(yīng)該使鍛件變形時(shí)的流動(dòng)阻力盡可能小，使模具的載荷分布均勻，降低模具的峰值應(yīng)力，由于金屬的塑性與應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系密切，壓應(yīng)力的個(gè)數(shù)越多，靜水壓應(yīng)力數(shù)值越大，材料的塑性越好。 UG 簡(jiǎn)介 UG 產(chǎn)品概述 Unigraphics（簡(jiǎn)稱 UGS）軟件由美國(guó)麥道飛機(jī)公司開發(fā)，于 1991 年 11月并入世界最大的軟件公司 — EDS（電子資訊系統(tǒng)有限公司），該公司通過實(shí)施虛擬產(chǎn)品開發(fā)（ VPD）的理念提供多極化的、集成的、企業(yè)級(jí)的軟件產(chǎn)品與服務(wù)的完整解決方案。 同以往使用較多的 AutoCAD 等通用繪圖軟件比較， UG直接采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)、矢量化和關(guān)聯(lián)性處理、三維建模同二維工程圖相關(guān)聯(lián)等技術(shù)，大大節(jié)省了用戶的設(shè)計(jì)時(shí)間，從而提高了工件效率。 UG 的應(yīng)用范圍特別廣泛，涉及汽車與交通、航空航天、日用消費(fèi)品、通用機(jī)械以及電子工業(yè)等領(lǐng)域。其 中在美國(guó)航空航天工業(yè)已安裝了 15000 多套 UG 軟件，并且該軟件占有幾乎俄羅斯航空市場(chǎng)和北美汽車發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)。同時(shí)，美國(guó)通用汽車、波音、GE 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等公司都是 UG軟件的重要用戶。 自從 1990 年 UG軟件進(jìn)入中國(guó)以來(lái)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在汽車、航天、軍工、模具等諸多領(lǐng)域大展身手，現(xiàn)已成為我國(guó)工業(yè)界主要使用的大 CAD/CAE/CAM 軟件。 UG 主要技術(shù)特點(diǎn) UG NX 5 實(shí)現(xiàn)了 CAD/CAE/CAM 三大系統(tǒng)緊密集成，用戶在使用 UG 強(qiáng)大的實(shí)體造型、曲面造型、虛擬裝配及創(chuàng)建工程圖等功能時(shí)，可 以使用 CAE 模塊進(jìn)行有限元分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真模擬，以提高設(shè)計(jì)的可靠性；根據(jù)建立起的三維模型，還可以由 CAM 模型直接生成數(shù)控代碼用于產(chǎn)品加工。 湖北文理學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 隨著 UG NX 版本的不斷更新，其操作界面也不斷改進(jìn)，絕大多數(shù)功能都可通過按鈕操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且在進(jìn)行對(duì)象操作時(shí)，具有自動(dòng)推理功能。特別是在 NX 5 的整個(gè)界面以及對(duì)話框中增加了多個(gè)面板，同時(shí)，在各個(gè)模塊中執(zhí)行每一個(gè)操作步驟時(shí)，在繪圖區(qū)上方的信息欄和提示欄中將提示操作信息，便于用戶做出正確的選擇，便于用戶上手。 本課題有關(guān) UG 的運(yùn)用 在本課題中，使用 UG 主要是用來(lái)制作模擬所用的模具，包括傳統(tǒng)工藝下的預(yù)鍛模具，對(duì)預(yù)鍛改進(jìn)后的預(yù)鍛模具，還有終鍛模具，當(dāng)然，還要做模擬所用的坯料。 針對(duì)本課題所需的實(shí)體造型，主要需要掌握以下幾種功能菜單的操作。 草圖操作：通過草圖操作，可以在一個(gè)自定義的平面上進(jìn)行二維制圖，一般用來(lái)完成，零件簡(jiǎn)單截面的繪制。 基準(zhǔn)平面操作：通過基準(zhǔn)平面操作，可以在已有基準(zhǔn)平面的基礎(chǔ)上，以其為參照，建立新的基準(zhǔn)平面，以此來(lái)滿足在設(shè)計(jì)過程中，隨著視圖的變換，設(shè)計(jì)所需方向性的改變。 拉伸、回轉(zhuǎn)操作：通過拉伸、回轉(zhuǎn)等同類型操作可將二維制圖依據(jù)設(shè)計(jì)的 需要轉(zhuǎn)化成三維立體造型。 邊倒圓、面倒圓操作：此類操作，是將對(duì)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(shí)體中對(duì)細(xì)節(jié)特征的編輯。 鏡像體操作：通過鏡像體操作，可是實(shí)體相對(duì)于一個(gè)基準(zhǔn)面產(chǎn)生鏡像對(duì)稱。 復(fù)合曲線操作：通過復(fù)制其他曲線和邊來(lái)創(chuàng)建曲線。 最重要的是布爾操作，特征的布爾運(yùn)算操作用于確定在建模過程中多個(gè)實(shí)體之間的合并關(guān)系。布爾操作中的實(shí)體對(duì)象分別稱為目標(biāo)體和工具體。目標(biāo)體是用戶首先選擇的需要與其他實(shí)體合并的實(shí)體或片體對(duì)象，工具體是用來(lái)修改目標(biāo)體的實(shí)體或片體對(duì)象。在完成布爾運(yùn)算操作 后，工具體將成為目標(biāo)體的一部分。布爾運(yùn)算操作包括求和、求差和求交運(yùn)算，求和運(yùn)算是將兩個(gè)或更多個(gè)實(shí)體的體積合并為單個(gè)體。求差運(yùn)算是從一個(gè)實(shí)體的體積中減去另一個(gè)的，留下一個(gè)空體。求交運(yùn)算是創(chuàng)建一個(gè)體，它包含兩個(gè)不同的體共享的體積。 最后為了給模擬做準(zhǔn)備，還會(huì)用到一些測(cè)量性的操作。 DEFORM3D 簡(jiǎn)介 DEFORM 的特點(diǎn) DEFORM3D是美國(guó) Battell 研究院開發(fā)的一套基于有限元的