【導(dǎo)讀】近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)和汽車行業(yè)的快速發(fā)展，十字軸作為傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，地位也越來(lái)越重要。本文主要以十字軸為研究對(duì)象，十字軸是汽車底盤中的一個(gè)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(guó)內(nèi)普遍應(yīng)用的熱鍛工藝為研究前提，運(yùn)用UG、DEFORM-3D軟件系統(tǒng)的研究十字軸的成形過(guò)程和模具設(shè)計(jì)。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(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題，提出模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)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(jì)出合理的模具型腔。利用UG的實(shí)體造型功能建立十字軸的三維模型。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)物質(zhì)上的需求，再加上國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，各國(guó)在努力發(fā)展自身經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，在關(guān)乎本國(guó)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(gè)國(guó)家制造業(yè)的發(fā)展水平，技術(shù)含量，直接影響到這個(gè)國(guó)家的整體命運(yùn)。

　　

【正文】 潤(rùn)滑。工藝參數(shù)的選擇如上所說(shuō)，鍛造過(guò)程中的每個(gè)階段都是重要的。任何一個(gè)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(guò)程的規(guī)格必須堅(jiān)持，需要適當(dāng)?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(rùn)滑不當(dāng)或者在生產(chǎn)過(guò)程有不適當(dāng)?shù)睦鋮s、模具加熱過(guò)度，這會(huì)快速導(dǎo)致其塑性變形或熱疲勞。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中都注意很整個(gè)鍛造過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)或其關(guān)鍵階段[ 2，12–16 ] 。特定階段的正確設(shè)計(jì)是鍛造工藝參數(shù)最優(yōu)化的前提[ 3，18 ]。通過(guò)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(gè)過(guò)程的生產(chǎn)力。在鍛造過(guò)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(rùn)滑冷卻，和工具的形狀和質(zhì)量。、工具和型坯溫度適當(dāng)?shù)臏囟仁菣C(jī)床的可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。它可以影響模具的窄公差帶和機(jī)床移動(dòng)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(jī)床組件可以緊密連接起來(lái)。同時(shí)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(guò)熱象相機(jī)（圖5b）。一個(gè)同樣重要的參數(shù)是金屬塊的溫度，對(duì)鍛造物的組織結(jié)構(gòu)及材料的流動(dòng)曲線（其成形性）和通過(guò)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(lái)等待鍛造。在這樣一個(gè)短的冷卻時(shí)間里外部的溫度差可達(dá)到50176。 圖5a：模具的熱場(chǎng)分布 圖5b：模具熱象相機(jī)拍照 通過(guò)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(chǎng)分布[ 8 ] 的溫度場(chǎng)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(guò)使用特殊的切割實(shí)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(jī)的損壞。在閉式模鍛中金屬材料體積適當(dāng)分配和鐓粗是金屬塊適當(dāng)?shù)某錆M模腔的關(guān)鍵。一個(gè)理想的金屬體積與適當(dāng)?shù)姆峙浣饘俨牧鲜欠浅Ｖ匾?。因此鍛造過(guò)程中型坯和金屬塊的設(shè)計(jì)是一個(gè)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(huì)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(huì)發(fā)生較大的溫度降（圖7）。、加工速度精密鍛造過(guò)程通常是在高速下進(jìn)行的。目前，經(jīng)濟(jì)原因決定了增加的速度。鍛造過(guò)程越快，生產(chǎn)能力越高。曲柄壓力機(jī)閉式模鍛可生產(chǎn)多達(dá)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(jī)機(jī)的容量和減少鍛造操作的次數(shù)。如果在鍛造過(guò)程中的操作次數(shù)過(guò)多，整個(gè)鍛造時(shí)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(huì)越大。、處理環(huán)境鍛造機(jī)的環(huán)境是影響鍛造過(guò)程的重要因素。主要設(shè)置包括：壓力機(jī)的工作空間。精密鍛造工藝和工具要求整個(gè)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(rùn)滑設(shè)備應(yīng)與壓力機(jī)一體化。持續(xù)的鍛造能量。在精密鍛造的每一個(gè)沖程中定壓能源是可重復(fù)性。特別是在重新設(shè)計(jì)的新的鍛造工藝使速度增加時(shí)。過(guò)多的能量使模具內(nèi)部壓力增加，這可能會(huì)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(huì)被避免以防在鍛造過(guò)程中引起幾何尺寸上的變化。工具組件的精確引導(dǎo)。當(dāng)鍛造過(guò)程中被上模模具閉合時(shí)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(duì)獲得適當(dāng)產(chǎn)品幾何形狀來(lái)說(shuō)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(dāng)金屬坯料自動(dòng)傳遞到連續(xù)鍛造機(jī)構(gòu)。使用物理建模分析金屬材料流動(dòng)會(huì)發(fā)現(xiàn)[ 9 ]樣品太薄弱，位于模具的位置不正確，會(huì)發(fā)生彎曲。盡管發(fā)生彎曲，但鍛造的物體仍會(huì)有正確的形狀，但材料的流動(dòng)不均勻性可能會(huì)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(dòng)不均勻性：a）從截面觀察和b）從沖壓機(jī)觀察可靠的模具閉合。模具閉合是在機(jī)器設(shè)置工具布置正常運(yùn)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(huì)因?yàn)榉钦ｉ]合而發(fā)生變形。模具應(yīng)該通過(guò)附屬組件或者和機(jī)床的運(yùn)動(dòng)一同閉合。、潤(rùn)滑和冷卻在很大程度上成形過(guò)程的正確性取決于所使用的潤(rùn)滑劑。后者是用于潤(rùn)滑和冷卻。潤(rùn)滑油應(yīng)具有高沸點(diǎn)（這樣就不會(huì)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(lái)和工具過(guò)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(rùn)滑油不應(yīng)包含任何會(huì)在鍛造過(guò)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(dòng)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(gè)被稱為BriteEuram的行業(yè)研究項(xiàng)目，針對(duì)在工具良好環(huán)境發(fā)展?jié)櫥到y(tǒng)（基于潤(rùn)滑劑的最佳潤(rùn)滑性能）對(duì)鋼溫鍛應(yīng)促進(jìn)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(rùn)滑系統(tǒng)油膜上提供額外的潤(rùn)滑。由于該項(xiàng)目的綜合工具潤(rùn)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(guò)工具潤(rùn)滑系統(tǒng)組成的使用來(lái)實(shí)現(xiàn)一種基于石墨金屬坯料潤(rùn)滑膜和模具游離石墨潤(rùn)滑油。、工具一個(gè)工具材料的選擇對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)師和工藝工程師是一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，很大程度上要依靠制造的經(jīng)驗(yàn)和工具使用者。通過(guò)不同的刀具生產(chǎn)商提供的統(tǒng)計(jì)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(guò)度磨損，材料塑性流動(dòng)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?yàn)槊總€(gè)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(shí)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(guò)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(jì)和加工精度的設(shè)計(jì)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(qiáng)度，沖擊強(qiáng)度高，低磨損度。目前，溫或熱作工具鋼： WCL， WWV， WNLV具有很好的機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度高，高硬度，高耐磨性，高的屈服點(diǎn)–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(duì)刀具壽命有決定性的影響。圖9顯示一個(gè)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(guò)人為的不恰當(dāng)回火或過(guò)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(dāng)?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(jìn)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(guò)程中釋放而引起的，同時(shí)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(jī)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(dá)到理想的效果來(lái)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?yàn)樽冃谓ㄗh使用溫和的及冷卻介質(zhì)大概在900176。C進(jìn)行冷卻工作這是因?yàn)殇摰拇慊饻囟仍?00以上。由于應(yīng)變開裂的危險(xiǎn)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(gè)熱水缸和真空（作為一個(gè)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(yán)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(xiǎn)等。同時(shí)浸泡的時(shí)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(guò)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(dāng)?shù)幕鼗饒D進(jìn)行。據(jù)調(diào)查在[ 7 ]工具鋼W303的實(shí)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(dāng)光滑。鍛造中熱的材料的摩擦對(duì)刀具的工作表面很不利使它們之間產(chǎn)生磨損。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)牟牧峡梢詼p少磨損的程度，但這并不會(huì)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(guò)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(guò)過(guò)熱溫度。加工可能導(dǎo)致刀具出現(xiàn)裂紋。在工作時(shí)裂紋會(huì)生長(zhǎng)最終導(dǎo)致其過(guò)早斷裂。熱化學(xué)處理。有時(shí)由于長(zhǎng)時(shí)間在高溫下運(yùn)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(guò)提高其表面的硬度和耐磨性來(lái)增加的刀具壽命。這種處理可以運(yùn)用好幾次。最佳的模具輪廓在鍛造過(guò)程的一個(gè)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(guò)材料剝離（裂縫）而是通過(guò)材料強(qiáng)度（太大環(huán)繞應(yīng)力）產(chǎn)生的。因?yàn)檫@個(gè)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(duì)刀具產(chǎn)生磨損。模具形狀優(yōu)化在文獻(xiàn)中備受關(guān)注[ 2，4，11–15，22 ]。原來(lái)，一個(gè)能夠減少模具或沖頭上的過(guò)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(guò)度變形，最小擠壓力和橫截面的最小變形不均勻性。但問(wèn)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(zhǎng)時(shí)間）。由于這個(gè)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(guò)度變形，可能會(huì)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。現(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(wèn)題可以通過(guò)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(lái)算術(shù)地描述模具輪廓。Ales和Boris[ 12 ]通過(guò)印象深刻的兩個(gè)優(yōu)化準(zhǔn)則研究了固定擠壓工具的優(yōu)化設(shè)計(jì)。Wife等人[ 16 ]提出了一種特殊的增量計(jì)算方法與有限元相結(jié)合以獲得在坯料的熱擠壓過(guò)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(wèn)題。本文作者等人。在[ 8 ]評(píng)估材料在拱形和錐形鍛造模具CV接頭的流動(dòng)性。CV接頭是前輪驅(qū)動(dòng)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?yàn)樗男螤畈灰?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(zhǎng)期生產(chǎn)中被使用的。作者同時(shí)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(lái)研究材料流動(dòng)。宏觀分析顯示特定工具的材料流動(dòng)的差別。這種情況下拱型工具的試樣橫截面的材料流動(dòng)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(shí)的對(duì)象比在錐模鍛造時(shí)延展較少（La 磅）。圖10：模型材料流動(dòng)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(dòng)比在錐形模具材料的流動(dòng)更為均勻規(guī)律，通過(guò)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(guò)superform2005軟件得到的。兩種類型的模具在第一個(gè)還原階段的單位壓力相似，但在下一個(gè)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：?jiǎn)挝粔毫Ψ植迹篴）錐形模具，b）拱形模具[ 8 ]模具設(shè)計(jì)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(qiáng)與一個(gè)單一的同心環(huán)或一個(gè)熱壓縮或被迫在節(jié)點(diǎn)之間的環(huán)的較大數(shù)值）的應(yīng)用。原來(lái)，通過(guò)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(gè)適當(dāng)?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(guò)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(shí)際負(fù)余量的測(cè)量）預(yù)應(yīng)力模具（用于接頭外殼的生產(chǎn)）中負(fù)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(jìn)行分析。它是在兩個(gè)階段進(jìn)行：1）補(bǔ)償環(huán)的強(qiáng)制性與模具上的橡皮套一起和2）基于第一階段條件實(shí)際鍛造環(huán)境。圖12顯示的工具分析集。補(bǔ)償環(huán)的功能通過(guò)狹縫的橡皮套向模具施加預(yù)應(yīng)力。圖12：?jiǎn)蜗颦h(huán)[ 0 ]預(yù)應(yīng)力圖額定負(fù)余量是wnom = 。但發(fā)現(xiàn)真實(shí)負(fù)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(fù)余量的范圍可以從wmin = = 。因此，我們可以得到預(yù)期平均負(fù)余量為WAV = ，即遠(yuǎn)小于標(biāo)稱負(fù)余量。圖13：在負(fù)余量鍛造過(guò)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(fù)余量（從公