【正文】 填叉形頭部，同時(shí)從兩側(cè)壁上凹陷處流出，由于叉形部分高徑比較大，且側(cè)壁凹陷處較深，金屬流動(dòng)較為困難，一次成形難度很大，所以需要進(jìn)行預(yù)鍛。又由于該件體積較小，為節(jié)省成本，因此確定此五菱凸緣叉鍛壓熱成形工藝為：下料→加熱→制坯→預(yù)成形一鍛壓精成形→切邊、沖孔→熱處理→精壓→檢驗(yàn)，并對(duì)鍛造過程進(jìn)行模擬 [19]。 終鍛模具 本次課題模具設(shè)計(jì)采用逆向設(shè)計(jì)方法，先設(shè)計(jì)終鍛模具，根據(jù)由熱鍛件圖得到的三維立體圖形 ，以及設(shè)計(jì)的模塊大小尺寸， 在 Pro/E中利用工具 自動(dòng)生成終鍛 模具 三維圖形 ， 且型腔各拐角處倒圓角，使金屬流動(dòng)順利，以防終鍛件出現(xiàn)折疊，充不滿等缺陷。并且根據(jù)以上所計(jì)算所得到的毛邊橋部、倉部相關(guān)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， 河南理工大學(xué) 2022屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 20 圖 27 終鍛模形狀 The shape of finishfing dies 預(yù)鍛模具 由于凸緣叉鍛件 一次難成行所以需要進(jìn)行預(yù)鍛，由于叉鍛件叉形部分較高不容易充滿，且側(cè)壁凹陷處金屬流動(dòng)困難，所以預(yù)鍛件設(shè)計(jì)成上部兩側(cè)有兩個(gè)突起部，下面兩側(cè)各有一個(gè)較淺形凹陷的鍛件，其三維 立體 ，如圖 28 河南理工大學(xué) 2022屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 21 圖 28預(yù)鍛件 The shape of the perform fing 由此預(yù)鍛件可以利用 Pro/E自動(dòng)生成模具，由于鍛件較小，且預(yù)鍛件形狀較為簡(jiǎn)單所以預(yù)鍛模具不設(shè)飛邊槽，但需要在一些必要部分進(jìn)行倒圓角，以利于金屬流動(dòng)，易于成形，進(jìn)而生成預(yù)鍛模具 ， 如圖 29 圖 29 預(yù)鍛模具 shape of the performfing dies 河南理工大學(xué) 2022屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 22 制坯 模具設(shè)計(jì) 坯料直徑的確定 要確保 在 預(yù)鍛 鍛過程中，能夠放入 預(yù)鍛 模膛，不會(huì)卡在外面；另外，還需要確保坯料放入 預(yù)鍛 模膛后，能夠穩(wěn)定的停放，很好的定位。坯料長度的確定要遵循體積變形 原則 ，在變形前后，體積 V不變 。 因?yàn)橄铝蠟?Φ 50mm 67mm，而預(yù)鍛模膛寬度為 ，所以需要進(jìn)行一次橫向鐓粗制坯工部，從而使坯料厚度減小，使之側(cè)放入預(yù)鍛模膛中，此模具設(shè)計(jì)要求不太高，可進(jìn)行自由鍛制坯，其示意圖如 圖 210 圖 210 制坯示意圖 the diagrammatic sketch of Manufacturing blank 本章 小結(jié) 本章對(duì)所研究的 五菱凸緣叉 進(jìn)行了工藝分析，確定了 熱加工工藝相關(guān)參數(shù) ，給出了凸緣叉 的鍛造工藝流程 ，進(jìn)行了 其 制坯、 預(yù) 鍛 、終鍛 模具設(shè)計(jì)，并繪制了毛坯圖 、鍛件及 制坯 模具 、預(yù)鍛模具、終鍛模具 三維立體圖 形 。 河南理工大學(xué) 2022屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 23 3 五菱凸緣叉 模鍛成形工 藝 模擬 優(yōu)化 模擬流程 基于 DEFORM3D模擬過程如下： 建立模型 應(yīng)用 Pro／ Engineer創(chuàng)建坯料以及上模和下模的三維實(shí)體，并輸出為 DEFORM3D軟件可以識(shí)別的 STL(Standard Template Library,標(biāo)準(zhǔn)模板庫 )文件 ，并按照一定步驟導(dǎo)入軟件 。 模型簡(jiǎn)化以及模擬初始條件和 參數(shù) 的 確定 模擬過程需要做的工作有：導(dǎo)入坯料和模具模型并定位 ,設(shè)置環(huán)節(jié)溫度，坯料材料、溫度 ,劃分網(wǎng)格 ,設(shè)置體積補(bǔ)償 ,定義模具運(yùn)動(dòng)狀態(tài) (或定義所用設(shè)備性能 ),設(shè)置接觸點(diǎn)的摩擦、潤滑條件、步長、運(yùn)行長度以及步數(shù)等。 參數(shù)的設(shè)置要應(yīng)確保模擬環(huán)境盡量符合實(shí)際工作條件，因?yàn)檫@里的參數(shù)設(shè)置對(duì)后續(xù)的模擬過程的計(jì)算起決定性作用。 （ 1） 單位： SI； Mode:Deformation,Heat Transfer。 （ 2）材料：本課題 鍛件材料為 45鋼，這里選擇 AISI1055[14502200F(800~1200。 C)] （ 3）溫度參數(shù)：溫度參數(shù)是模擬過程另一個(gè)重要的參照量，材料的性能，如流動(dòng)應(yīng)力被定義為溫度的函數(shù)。在變形過程中，溫度的高低直接影響金屬流動(dòng)的難易。本次課題材料始鍛溫度設(shè)為 1200。 C，終鍛 800。 C，環(huán)境溫度設(shè)為 20。 C，模具預(yù)熱溫度為 300。 C。 （ 4）網(wǎng)格劃分：劃分網(wǎng)格是 Deform3D計(jì)算的基礎(chǔ)，合理的網(wǎng)格劃分會(huì)直接影響計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)現(xiàn)實(shí)結(jié)果的逼近程度以及計(jì)算時(shí)間和生成數(shù)據(jù)庫的規(guī)模。 網(wǎng)格長度 t和單元格 l之 間存在如下關(guān)系： t≤ 31 l (32) 網(wǎng)格劃分有絕對(duì)長度和相對(duì)長度兩種方式，本文采用了相對(duì)長度 (Relative Element Size)模式。 (5) 摩擦 摩擦系數(shù)是影響金屬流動(dòng)的另一個(gè)重要物理量，摩擦系數(shù)的大小，直接決定了模腔河南理工大學(xué) 2022屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 24 對(duì)金屬流動(dòng)的阻礙程度。摩擦模型采用剪切模型，也稱之為塑性摩擦，或者 Tresca模型，它表示為： fs=mk=m3? (35) 式中 ,fs— 剪切摩擦因子 k— 剪切屈服強(qiáng)度 模具為剛性體，與坯料之間的摩擦采用常摩擦模型，摩擦因子為 ；本次課題，即選取摩擦因子 fs = (6)熱傳導(dǎo)： 模具與坯料之間的熱傳導(dǎo)也采用常系數(shù)模型， 換熱 系數(shù)為 5。 (7) 步長 ：步長 f 的選擇是影響計(jì)算精度、數(shù)據(jù)庫規(guī)模和運(yùn)算時(shí)間的另一個(gè)參數(shù)。步長越小，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，但是會(huì)造成運(yùn)算量 成倍增加，因而，在 Deform3D中，為計(jì)算準(zhǔn)確，步長 f 和網(wǎng)格長度 t 滿足下面的關(guān)系： f ≤ 31 t (33) (8) :材料的流動(dòng)應(yīng)力采用表列數(shù)據(jù)模型： T,.???? ，（? ) (34) 式中 ? — 等效應(yīng)變 .? — 等效應(yīng)變速率 T— 溫度 數(shù)據(jù)由 DEFORM軟件的自帶數(shù)據(jù)庫獲得。 (9) 設(shè)備噸位： 10000kN水壓機(jī)。 (10) 打擊速度： 30mm/s。 (11) 初始坯料尺寸為 Φ 50mm 67mm （ 12） 其它參數(shù) 除上述的跟計(jì)算相關(guān)的參數(shù)之外，還有壓下量，保存次數(shù)的選擇，保存次數(shù)越多，數(shù)據(jù)庫越龐大，描述也就越具體 [20]。 方案 一 :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 Φ 50mm 67mm,利用 Pro/E繪出其三維立體模型，并導(dǎo)出原始坯料與終鍛模具的 .stl文件，以便模擬過程中導(dǎo)入。 在初步確定了 凸緣叉制坯工部的各項(xiàng)工藝參數(shù)（包括坯料始鍛溫度、模具預(yù)熱溫度、設(shè)備 能量，鍛錘質(zhì)量、打擊效率 ）后，將其引入到有限元分析軟件 DEFORM中，建立了 凸緣叉制坯 成形的三維熱力耦合有限元模型 （如圖 31所示）。 其中模擬中主要計(jì)算條件假設(shè)如下 ： 河南理工大學(xué) 2022屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 25 (1) 單元類型 離散單元數(shù) 35000，初始節(jié)點(diǎn)數(shù) 7591； (2) 其他計(jì)算條件 凸緣叉上?？傂谐?，由于最小網(wǎng)格長度為 ，為便于材料收斂且省時(shí)， DEFORM中每步的步長可根據(jù)變形體單元長度的 1/3左右來估算，故每步長度取為 ，模擬步數(shù)設(shè)為 186。 其他模擬參數(shù)如上所述。 模擬終了時(shí)的模擬形狀，如圖 32 圖 31 制坯 有限元模型 The finite element model of manufacturing blank 圖 32 鍛造終了圖 The finite element model of the finishfing 河南理工大學(xué) 2022屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 26 模擬 成形 的 過程分析 鍛造過程 運(yùn)行到最后步數(shù)時(shí)的工件圖如圖 33所示。 從圖中可以看出由于凸緣叉凸緣部分相對(duì)較高，而側(cè)壁凹陷處又較深，所以鍛造時(shí)在這兩處部位難以充滿，且毛邊較厚，圖 34與圖 35分別是其鍛造結(jié)束時(shí)的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變圖，由圖可以看出在凸緣叉中部變形劇烈，其應(yīng)變、應(yīng)力非常大，而凸緣頂部以及側(cè)壁凹陷處則是應(yīng)力應(yīng)變較小以至于金屬無法擠壓進(jìn)去填充，進(jìn)而造成充不滿現(xiàn)象。 圖 33 模鍛結(jié)束時(shí)坯料形狀 The workpiece’s shape in end 直接 成形 模擬結(jié)論 由 于凸緣叉形狀較為復(fù)雜，其凸緣頂部較高，側(cè)壁凹陷較深，一次鍛造成形時(shí)金屬流動(dòng)不均勻 、不合理，等效應(yīng)力、應(yīng)變局部較高，其他區(qū)域卻又較低。 如此，用各種尺河南理工大學(xué) 2022屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 27 寸形狀的坯料進(jìn)行鍛造模擬多次，都沒有完全充滿達(dá)不到預(yù)期效果， 故若要進(jìn)行一步鍛造很難成形，因此需要要進(jìn)行預(yù)鍛設(shè)計(jì)，以是鍛壓時(shí)金屬流動(dòng)能夠合理進(jìn)行 。 圖 34 鍛件結(jié)束時(shí)等效應(yīng)力圖 Equivalent effective stress distribution of the finishfing 圖 35 鍛造結(jié)束時(shí)等效應(yīng)變圖 Equivalent effective strain distribution of the finishfing 方案二 :制坯 → 預(yù)鍛 → 終鍛成形模擬 制坯成形 過程 模擬 模擬成形過程分析 制坯→預(yù)鍛→終鍛成形 三 個(gè)工步中，制坯 工步的模擬類型采用 Upsetting（鐓粗）類型，其余三個(gè)工步均采用閉式模鍛類型，采用有限元體積法分析。 模擬中主要計(jì)算條件假設(shè)如下： 河南理工大學(xué) 2022屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 28 (1) 網(wǎng)格數(shù) 35000，初始節(jié)點(diǎn)數(shù) 8119； (2) 上模總行程 9mm，由于最小網(wǎng)格長度為 ，每步長度取為 ，模擬步數(shù)設(shè)為 24。 其他參數(shù)如上所述。 鐓粗工步模擬結(jié)果分析 初始坯料鐓粗的幾何模型如圖 ，鐓粗完成后的毛坯形狀如圖 。 圖 鐓粗前毛坯的外形 圖 鐓粗后的毛坯形狀 Blank shape before upsetting Blank shape after upsetting 圖 為鐓粗后毛坯的溫度場(chǎng)分布圖，由于模具溫度較低，所以毛坯與模具接觸的上下底面溫度較低，中間溫度較高。圖 為等效應(yīng)變場(chǎng)分布圖，由于摩擦的 影響，可以看出毛坯兩端應(yīng)變小，中部應(yīng)變較大，心部應(yīng)變較小，而圓柱兩端 部分應(yīng)變較大 。 圖 鐓粗過程溫度場(chǎng)分布圖 Temperature distribution chart during upsetting 河南理工大學(xué) 2022屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 29 圖 鐓粗過程等效應(yīng)變分布圖 Equivalent effective strain distribution chart during upsetting 圖 鐓粗過程的載荷 行程曲線圖 Loadstroke curve during upsetting 圖 為鐓粗過程設(shè)備的載荷－行程曲線，從圖中看出其剛加載時(shí)，其基本上呈線性增加，且增加較快，后來上升速度逐漸放緩，其最大載荷最為 157KN。 從以上圖形可以看出，鐓粗制坯過程相對(duì)較為簡(jiǎn)單，各部分變形量較小，而其厚度卻以設(shè)計(jì)而變形，可以放入預(yù)鍛模具模膛中間，達(dá) 到制坯目的。 預(yù)鍛 成形過程模擬 預(yù)鍛工步的目的是使制坯工步得出的中間坯料，經(jīng)過進(jìn)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(shí)保證充滿模膛并不出現(xiàn)折疊或裂紋缺陷 ,同時(shí)減少終鍛變形量和模具的磨損 ,提高終鍛模膛的模具壽命。 凸緣叉預(yù)鍛工步是轉(zhuǎn)其成形過程中的一個(gè)關(guān)鍵工藝，它起到預(yù)分配金屬的作用， 并 通過模擬結(jié)果了解模具能否充滿、擠壓力的大小和鍛件表面是否會(huì)產(chǎn)生缺陷。 河南理工大學(xué) 2022屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 30 凸緣叉預(yù)鍛模擬的前處理過程與鐓粗過程相似，其 中主要計(jì)算條件假設(shè)如下： (1) 網(wǎng)格數(shù) 35000，初始節(jié)點(diǎn)數(shù) 7546； (2) 上?？傂谐?24mm，由于最小網(wǎng)格長度為 ，每步長度取為 ，模擬步數(shù)設(shè)為 68,其他參數(shù)如上所述。 但因?yàn)轭A(yù)鍛時(shí)沒有設(shè)飛邊槽 ,為了使在分模面處不產(chǎn)生毛邊 ,預(yù)鍛模具往往不閉合 ,其間隙值為鍛件高度的 10%~20%,此外預(yù)鍛所需的毛坯是鐓粗結(jié)束后的坯料，這是因?yàn)镈eform3D軟件支持多工步成形分析，可以自動(dòng)導(dǎo)出上一工步成形后坯料的幾何模型和溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)信息，將鐓粗后坯料旋轉(zhuǎn) 90176。后橫放在下模上，將坯料與模具定位好后，其他步驟與上面相似。 圖 ， 從圖可以看出預(yù)鍛件叉形頂部沒有完