【導(dǎo)讀】近幾年，隨著經(jīng)濟和汽車行業(yè)的快速發(fā)展，十字軸作為傳動系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)用越來越廣泛，地位也越來越重要。本文主要以十字軸為研究對象，十字軸是汽車底盤中的一個十分重要的傳力零件，產(chǎn)品質(zhì)量要求高，形狀復(fù)雜。以目前國內(nèi)普遍應(yīng)用的熱鍛工藝為研究前提，運用UG、DEFORM-3D軟件系統(tǒng)的研究十字軸的成形過程和模具設(shè)計。分析應(yīng)力狀態(tài)和載荷-行程曲線?；谀M結(jié)果，分析十字軸預(yù)鍛成形過程中所出現(xiàn)的問題，提出模具設(shè)計的改進建議。從數(shù)學(xué)模型上給出了指導(dǎo)，得出了優(yōu)化的工藝參數(shù)，設(shè)計出合理的模具型腔。利用UG的實體造型功能建立十字軸的三維模型。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對物質(zhì)上的需求，再加上國際競爭日益激烈，各國在努力發(fā)展自身經(jīng)濟的同時，在關(guān)乎本國自身安全的領(lǐng)域也紛紛馬不停蹄的研究開發(fā)，在這些領(lǐng)域中，最重要的莫屬制造業(yè)了，一個國家制造業(yè)的發(fā)展水平，技術(shù)含量，直接影響到這個國家的整體命運。

　　

【正文】 會被清洗和潤滑。工藝參數(shù)的選擇如上所說，鍛造過程中的每個階段都是重要的。任何一個缺陷都可能導(dǎo)致鍛件產(chǎn)品質(zhì)量不好，導(dǎo)致干擾和生產(chǎn)停止。因此，在生產(chǎn)中過程的規(guī)格必須堅持，需要適當?shù)牟僮髁?xí)慣和技術(shù)文化。例如，如果熱鍛模具的預(yù)熱和潤滑不當或者在生產(chǎn)過程有不適當?shù)睦鋮s、模具加熱過度，這會快速導(dǎo)致其塑性變形或熱疲勞。在現(xiàn)有的文獻中都注意很整個鍛造過程優(yōu)化設(shè)計或其關(guān)鍵階段[ 2，12–16 ] 。特定階段的正確設(shè)計是鍛造工藝參數(shù)最優(yōu)化的前提[ 3，18 ]。通過優(yōu)化選擇工藝參數(shù)可以顯著提高刀具的壽命和提高鍛件質(zhì)量，從而增加整個過程的生產(chǎn)力。在鍛造過程中的主要影響因素：工具和型坯溫度，金屬塊的幾何形狀，處理環(huán)境，處理速度，潤滑冷卻，和工具的形狀和質(zhì)量。、工具和型坯溫度適當?shù)臏囟仁菣C床的可靠運行的關(guān)鍵。它可以影響模具的窄公差帶和機床移動部件和固定部分之間的小空間。由于熱膨脹導(dǎo)致間隙減小使機床組件可以緊密連接起來。同時模具的熱膨脹也影響鍛件的質(zhì)量。CV接頭鍛造數(shù)值模擬顯示在接觸區(qū)域中的模具溫度差異大，而在深度約5毫米的模具的內(nèi)表面的溫度要低得多（圖5a）。這么大的溫度梯度可能使刀具產(chǎn)生不利影響的應(yīng)力狀態(tài)。這意味著工具的溫度需要監(jiān)控，例如，通過熱象相機（圖5b）。一個同樣重要的參數(shù)是金屬塊的溫度，對鍛造物的組織結(jié)構(gòu)及材料的流動曲線（其成形性）和通過熱膨脹引起的金屬塊體積的變化有很大影響。溫度分布在金屬塊（圖6）不同的直徑上是值得研究的[ 8 ]。型坯的初始溫度為920176。176。C用來等待鍛造。在這樣一個短的冷卻時間里外部的溫度差可達到50176。 圖5a：模具的熱場分布 圖5b：模具熱象相機拍照 通過有限元分析確定[ 8 ]圖6：金屬塊在壓力室中2秒冷卻 圖7：金屬塊第一次鍛造（）約50℃的溫度場分布[ 8 ] 的溫度場分布[ 8 ]、金屬塊的幾何形狀在精密鍛造沒有溢流孔，裝料量必須與鍛造后最終零件大小相同。%–1%，176。–2176。，圓度偏差為2%–6%。這可以通過使用特殊的切割實現(xiàn)。這是保證獲得鍛造預(yù)成形高質(zhì)量小偏差產(chǎn)品所必要的。金屬塊體積太大可能造成模具和壓力機的損壞。在閉式模鍛中金屬材料體積適當分配和鐓粗是金屬塊適當?shù)某錆M模腔的關(guān)鍵。一個理想的金屬體積與適當?shù)姆峙浣饘俨牧鲜欠浅Ｖ匾?。因此鍛造過程中型坯和金屬塊的設(shè)計是一個重要的環(huán)節(jié)，旨在提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本[ 1，3，11 ]。型坯的形狀和力學(xué)性能將影響模具和金屬塊摩擦條件在，其幾何將會影響模具和金屬塊。在[ 8 ]結(jié)果表明，型坯的初始尺寸影響溫度分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，金屬塊與工具接觸表面會發(fā)生較大的溫度降（圖7）。、加工速度精密鍛造過程通常是在高速下進行的。目前，經(jīng)濟原因決定了增加的速度。鍛造過程越快，生產(chǎn)能力越高。曲柄壓力機閉式模鍛可生產(chǎn)多達每分鐘30件[ 7 ]。~1秒。因此，保證恒定的型坯溫度是如此重要（圖6–7）。目前，正試圖最大限度地利用鍛造機機的容量和減少鍛造操作的次數(shù)。如果在鍛造過程中的操作次數(shù)過多，整個鍛造時間和成本增加。一次成型操作的速度越高，變形抗力和所需的成形力就會越大。、處理環(huán)境鍛造機的環(huán)境是影響鍛造過程的重要因素。主要設(shè)置包括：壓力機的工作空間。精密鍛造工藝和工具要求整個工具的系統(tǒng)工具砧座和滑塊之間有足夠大的的空間，包括輔助部分。此外，冷卻和潤滑設(shè)備應(yīng)與壓力機一體化。持續(xù)的鍛造能量。在精密鍛造的每一個沖程中定壓能源是可重復(fù)性。特別是在重新設(shè)計的新的鍛造工藝使速度增加時。過多的能量使模具內(nèi)部壓力增加，這可能會導(dǎo)致某些工具的彈性變形（如沖力和反方向的沖力）并最終導(dǎo)致刀具的彈性回跳。工具組件的彈性變形會被避免以防在鍛造過程中引起幾何尺寸上的變化。工具組件的精確引導(dǎo)。當鍛造過程中被上模模具閉合時沖床的精確引導(dǎo)是非常重要的。，以避免材料溢出。再者，工具組件的精確定位對獲得適當產(chǎn)品幾何形狀來說是必要的。坯料在模具中的精確定位。為了確保模具型腔充填完全，金屬坯料必須精確置于模具中，尤其是當金屬坯料自動傳遞到連續(xù)鍛造機構(gòu)。使用物理建模分析金屬材料流動會發(fā)現(xiàn)[ 9 ]樣品太薄弱，位于模具的位置不正確，會發(fā)生彎曲。盡管發(fā)生彎曲，但鍛造的物體仍會有正確的形狀，但材料的流動不均勻性可能會影響最終產(chǎn)品的耐久性（圖8）。圖8：樣品彎曲引起的材料流動不均勻性：a）從截面觀察和b）從沖壓機觀察可靠的模具閉合。模具閉合是在機器設(shè)置工具布置正常運行至關(guān)重要的部分。許多精密鍛造產(chǎn)品分模線是在工作面附近，因此會因為非正常閉合而發(fā)生變形。模具應(yīng)該通過附屬組件或者和機床的運動一同閉合。、潤滑和冷卻在很大程度上成形過程的正確性取決于所使用的潤滑劑。后者是用于潤滑和冷卻。潤滑油應(yīng)具有高沸點（這樣就不會失去它的高溫摩擦學(xué)性能，），低的熱傳導(dǎo)（防止鍛造物體被冷卻下來和工具過熱），在操作溫度下有適宜的粘度和低的有效摩擦系數(shù)。此外，最佳的潤滑油不應(yīng)包含任何會在鍛造過程中產(chǎn)生不利影響的成分[ 19 ]。石墨，聚四氟乙烯，玻璃等物質(zhì)以及具有低的流動應(yīng)力的中間金屬層通常用于熱鍛。為了確保有利的工作條件，在鍛造行業(yè)中環(huán)境的影響減少到最低程度，包括提高刀具的壽命，歐洲社區(qū)最近資助的一個被稱為BriteEuram的行業(yè)研究項目，針對在工具良好環(huán)境發(fā)展?jié)櫥到y(tǒng)（基于潤滑劑的最佳潤滑性能）對鋼溫鍛應(yīng)促進鍛造小污染使其更廣泛使用，擁有更好的工作條件和更高的生產(chǎn)力[ 19 ]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)熱鍛工藝不適于摩擦條件的保證。這主要是由于高接觸壓力與金屬表面獲得典型熱鍛，尤其是向前和向后的擠壓鍛造。在所有的情況下，有必要在金屬坯料表面潤滑系統(tǒng)油膜上提供額外的潤滑。由于該項目的綜合工具潤滑系統(tǒng)已被開發(fā)。關(guān)于環(huán)境影響和刀具壽命，最好的結(jié)果是通過工具潤滑系統(tǒng)組成的使用來實現(xiàn)一種基于石墨金屬坯料潤滑膜和模具游離石墨潤滑油。、工具一個工具材料的選擇對一個設(shè)計師和工藝工程師是一個非常困難的工作。生活中的工具和用于其生產(chǎn)的適用性取決于許多因素經(jīng)常有相反的結(jié)果。到目前為止如何選擇刀具材料還沒有明確的標準，很大程度上要依靠制造的經(jīng)驗和工具使用者。通過不同的刀具生產(chǎn)商提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示工具失敗的最常見原因是：刀具在冷工作中產(chǎn)生疲勞裂紋和過度磨損，材料塑性流動和熱工作產(chǎn)生的熱疲勞[ 20 ]。最壞的情況是在溫暖的工作環(huán)境下因為每個因素可同樣重要。在這樣的條件下，工具必須承受高壓力（如冷加工），同時必須用耐熱材料（如熱加工）。根據(jù)蘭格等人。[ 21 ]，在高的鍛造溫度下超過70%例的刀具壽命取決于磨損。因此，刀具材料，其熱處理、加工、刀具設(shè)計和加工精度的設(shè)計必須滿足非常高的要求。刀具材料應(yīng)具有硬度范圍為50–55HRC（大大高于鍛造產(chǎn)品），淬透性好，高拉伸強度，沖擊強度高，低磨損度。目前，溫或熱作工具鋼： WCL， WWV， WNLV具有很好的機械性能（拉伸強度高，高硬度，高耐磨性，高的屈服點–2200兆帕）是非常流行的工具材料。也有其他的非傳統(tǒng)刀具材料被考慮。此外，特殊的處理，如滲氮處理，表面涂層和激光碳化硅表面合金化，等，可以顯著減少磨損，提高刀具材料特別是其表面層的抗寒性[ 24 ]。熱處理熱處理對刀具壽命有決定性的影響。圖9顯示一個熱作工具鋼熱處理圖。例如，出現(xiàn)在用工具鋼制成的接地工具表面的裂紋可以通過人為的不恰當回火或過熱奧氏體化造成。這樣的熱處理故障可以限制磨削工具的可能性，即使有適當?shù)念A(yù)防措施。圖9：典型刀具材料熱處理圖去應(yīng)力退火。工具鋼通常是在退火后交貨，進一步處理方法是由用戶或刀具廠去做。處理原因是應(yīng)力的產(chǎn)生，這是在加熱到淬火溫度的過程中釋放而引起的，同時產(chǎn)生尺寸的變化。因此工具必須滿足保留尺寸高要求在機械預(yù)處理后退火（在最終處理之前）。硬化。鋼的硬化不可能達到理想的效果來完全保留它們的尺寸。在結(jié)構(gòu)的變化（從退火態(tài)結(jié)構(gòu)到硬化后結(jié)構(gòu)）體現(xiàn)在體積的增加上，這是由于回火是再次減少卻不能恢復(fù)退火狀態(tài)量。因為變形建議使用溫和的及冷卻介質(zhì)大概在900176。C進行冷卻工作這是因為鋼的淬火溫度在900以上。由于應(yīng)變開裂的危險應(yīng)避免刀具冷卻到室溫。后者通常被冷卻到大約150176。C在約100–150176。C均衡溫度發(fā)生是用于消除在表面和芯部之間的溫度和結(jié)構(gòu)的差異。熱作工具鋼在一個熱水缸和真空（作為一個熱水缸模擬）中淬火被證明是有效的。奧氏體化（保持在奧氏體化淬火溫度）。淬火溫度規(guī)范應(yīng)由制造商嚴格遵守。如果淬火溫度太低，硬度的提高不夠。如果太高，導(dǎo)致脆性，晶粒尺寸增加，開裂的危險等。同時浸泡的時間是很重要的?；鼗?。鋼淬火后立即回火幾次。目的要消除硬化過程中產(chǎn)生應(yīng)力和降低高硬度，有利于冷卻后耐沖擊性能。根據(jù)預(yù)期硬度要求，回火溫度的選擇應(yīng)按照適當?shù)幕鼗饒D進行。據(jù)調(diào)查在[ 7 ]工具鋼W303的實例中，三次回火可以取得最好的結(jié)果。加工。為了提高刀具壽命，模腔與沖床工作面應(yīng)適當光滑。鍛造中熱的材料的摩擦對刀具的工作表面很不利使它們之間產(chǎn)生磨損。通過選擇適當?shù)牟牧峡梢詼p少磨損的程度，但這并不會取代最終工作面的打磨平整。需要注意的是，在這樣的工作下刀具的表面往往過熱，因此削弱了刀具的性能。在某些情況下，該工具鋼的回火溫度可以超過過熱溫度。加工可能導(dǎo)致刀具出現(xiàn)裂紋。在工作時裂紋會生長最終導(dǎo)致其過早斷裂。熱化學(xué)處理。有時由于長時間在高溫下運行，刀具材料受到熱疲勞使工具性能急劇惡化，使其超出彈性極限或金屬自然加熱。而氮化是通過提高其表面的硬度和耐磨性來增加的刀具壽命。這種處理可以運用好幾次。最佳的模具輪廓在鍛造過程的一個主要參數(shù)是所采用模具形狀的影響。在一次操作中要獲得大的變形量是有限的，不是通過材料剝離（裂縫）而是通過材料強度（太大環(huán)繞應(yīng)力）產(chǎn)生的。因為這個原因，在操作中代替鍛造生產(chǎn)大多被用于工業(yè)精鍛。這仍然不足以減少大的成形力，從而對刀具產(chǎn)生磨損。模具形狀優(yōu)化在文獻中備受關(guān)注[ 2，4，11–15，22 ]。原來，一個能夠減少模具或沖頭上的過度壓力的方法是最佳的模具外形（輪廓）的選擇。三種類型的模具輪廓：流線型，曲線型和圓錐型一般都是應(yīng)用在工業(yè)上。向前擠壓流線型輪廓保證最小的過度變形，最小擠壓力和橫截面的最小變形不均勻性。但問題是如何確定正確的輪廓和制造它（輪廓的制定通常需要很長時間）。由于這個原因，輪廓往往是由任意曲線代替，與用錐形輪廓的模具相比這往往導(dǎo)致更糟糕的結(jié)果。錐形輪廓，與角最小化過度變形，可能會得到良好的擠出工藝參數(shù)和好的產(chǎn)品質(zhì)量，它可以更容易得到?，F(xiàn)在的研究在于模具參數(shù)優(yōu)化如何提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)力結(jié)合有限元經(jīng)典數(shù)學(xué)優(yōu)化方法。的模具型面優(yōu)化問題可以通過應(yīng)用數(shù)學(xué)編程法解決[ 18 ]。通常B233。zier曲線及其他專用的優(yōu)化方法來算術(shù)地描述模具輪廓。Ales和Boris[ 12 ]通過印象深刻的兩個優(yōu)化準則研究了固定擠壓工具的優(yōu)化設(shè)計。Wife等人[ 16 ]提出了一種特殊的增量計算方法與有限元相結(jié)合以獲得在坯料的熱擠壓過程中模具壁（所采用的模具輪廓）的壓力分布。由于最佳模具輪廓是由Lee等人[ 18 ]研究，可以得到更均勻的熱鍛結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。在[ 4 ]的模具輪廓的優(yōu)化序列二次規(guī)劃（SQP）已成功地應(yīng)用到解決非線性優(yōu)化問題。本文作者等人。在[ 8 ]評估材料在拱形和錐形鍛造模具CV接頭的流動性。CV接頭是前輪驅(qū)動汽車的不可替代的部分。他們從變速箱向前輪傳送扭轉(zhuǎn)力。他們的生產(chǎn)在最近幾年一直穩(wěn)步增加。CV接頭由十字軸，滾道和外殼組成。最很難制造的是外殼，這是因為它的形狀不規(guī)則，加工非常困難。目前復(fù)雜成型（向前和向后擠壓）閉模的冷或熱多鍛造是在長期生產(chǎn)中被使用的。作者同時采用物理模型，軟的造型材料（合成石蠟和粘土等），和數(shù)值模擬，利用MSC軟件手段來研究材料流動。宏觀分析顯示特定工具的材料流動的差別。這種情況下拱型工具的試樣橫截面的材料流動比錐形工具更均勻（圖10）。這就是由網(wǎng)格曲線法確定出物體在拱模鍛造時的對象比在錐模鍛造時延展較少（La 磅）。圖10：模型材料流動的比較：a）拱形工具和b）圓錐工具[ 8 ]研究結(jié)果表明，在拱形模具材料的流動比在錐形模具材料的流動更為均勻規(guī)律，通過均勻分配使其更有規(guī)律（圖11）。此外，拱形模具的沖擊力更小。圖12顯示為工具的單位壓力的矢量分布，是通過superform2005軟件得到的。兩種類型的模具在第一個還原階段的單位壓力相似，但在下一個階段錐形模具更高。圖11：塑性應(yīng)變的分布：a）拱形模具和b）錐形模具[ 8 ]圖12：單位壓力分布：a）錐形模具，b）拱形模具[ 8 ]模具設(shè)計目前，為了提高精密鍛造工具的抗裂性，模具的預(yù)加應(yīng)力（即加強與一個單一的同心環(huán)或一個熱壓縮或被迫在節(jié)點之間的環(huán)的較大數(shù)值）的應(yīng)用。原來，通過改變應(yīng)力狀態(tài)可以大大減少工具開裂[ 7 ]。在裝配中一個適當?shù)母哳A(yù)加應(yīng)力應(yīng)用（壓縮環(huán)形應(yīng)力）應(yīng)與鍛造過程中的高拉伸環(huán)形應(yīng)力相互抵消。本文作者等人分析了（采用數(shù)值模擬和實際負余量的測量）預(yù)應(yīng)力模具（用于接頭外殼的生產(chǎn)）中負余量在其特性上的影響[ 7 ]。數(shù)值模擬用MSC marc2005和Super Form 2005軟件進行分析。它是在兩個階段進行：1）補償環(huán)的強制性與模具上的橡皮套一起和2）基于第一階段條件實際鍛造環(huán)境。圖12顯示的工具分析集。補償環(huán)的功能通過狹縫的橡皮套向模具施加預(yù)應(yīng)力。圖12：單向環(huán)[ 0 ]預(yù)應(yīng)力圖額定負余量是wnom = 。但發(fā)現(xiàn)真實負余量取決于工具偏差和磨損的尺寸的確定。從執(zhí)行公差領(lǐng)域的特定工具系統(tǒng)組件可以得知負余量的范圍可以從wmin = = 。因此，我們可以得到預(yù)期平均負余量為WAV = ，即遠小于標稱負余量。圖13：在負余量鍛造過程中模具的環(huán)向應(yīng)力分布a）W = 毫米，b）W = ，c）W = [ 7 ]本研究的目的是確定在負