【正文】 44，材料選用、熱處理、硬度要求和技術(shù)條件與A型導(dǎo)柱相同。在圖43中，R*的值可由制造廠家決定，沒有固定的數(shù)值。圖43為中間導(dǎo)柱下模座，其各部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表42所示，材料為HT200，規(guī)定凸模周界L＝240mm，B＝240mm，厚度H＝85mm的中間導(dǎo)柱下模座。 第4章 十字軸模具總裝配圖 模架的選取擬選用中間導(dǎo)柱模座，圖41為中間導(dǎo)柱模架，（GB/T 2851，5），技術(shù)條件按JB/T 8050—1999的規(guī)定。鐓粗后坯料的高度為H=55mm。另外，本文在型腔內(nèi)部借助改進(jìn)的拐角，挖出了一個(gè)帶弧度的凹臺，用來使原始坯料和模具面接觸，縮短了預(yù)鍛時(shí)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(yù)測無飛邊預(yù)鍛件成形幾何特征，確定預(yù)鍛型腔圓角，使預(yù)鍛件能夠最大程度的與終鍛模腔接觸，深入。 本文基于上述目的，秉持上述原則，在傳統(tǒng)預(yù)鍛模腔的基礎(chǔ)上針對部分地方做出修改、優(yōu)化，最終確定了改進(jìn)后的預(yù)鍛模腔（如圖312）。通過改變預(yù)鍛型腔的外形，使終鍛時(shí)所用的預(yù)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(yīng)力集中。產(chǎn)生預(yù)鍛飛邊的另一個(gè)原因就是坯料尺寸過大，坯料尺寸可以取根據(jù)預(yù)鍛模膛和終鍛模膛體積計(jì)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(yù)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。預(yù)模腔內(nèi)壁存在相對運(yùn)動(dòng)，因而存在摩擦力，摩擦力的存在阻礙金屬的流動(dòng)，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。坯料如圖38。選取D=40mm然后求出下料長度L：L==247?？紤]到坯料在鐓粗時(shí)不致產(chǎn)生彎曲，備料方便以及節(jié)省材料，應(yīng)使坯料長度L與與直徑D之比值L/D=～。 圖36 終鍛模上模 圖37 終鍛模下模 坯料體積計(jì)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(jī)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=～）。如圖35所示為四角鎖扣的相關(guān)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。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。 鎖扣設(shè)計(jì)為了避免引起鍛模錯(cuò)移，導(dǎo)致鍛件產(chǎn)生錯(cuò)差，并加速熱模鍛壓力機(jī)導(dǎo)軌和模具導(dǎo)柱導(dǎo)套的磨損。 飛邊的選用飛邊槽的結(jié)構(gòu)形式如圖34。根據(jù)鍛件尺寸，可選用模塊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格LBH/mm為：240240130。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(shè)計(jì) 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(yīng)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。根據(jù)UG圖計(jì)算出鍛件投影面積為：F=，模鍛力：P=73=。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。模鍛力的計(jì)算：P=k1k2FP—模鍛力（kN）。Mn=14πd2hρ（d為外廓直徑，h為高，ρ為密度）。本十字軸設(shè)計(jì)中坯料所用材料為20CrMnTi，密度ρ=。第3章 十字軸模具設(shè)計(jì) 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(gè)直徑大一點(diǎn)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(diǎn)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(gè)十字軸的特征圖就成形了。網(wǎng)格化處理時(shí)，一般選擇網(wǎng)格單元數(shù)在800020000之間，不能太多也不能太少。 （6）參數(shù)的調(diào)整 ：在計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中，由于參數(shù)設(shè)置的不當(dāng)，比如網(wǎng)格劃分不恰當(dāng)，剛性面與工件脫離等，模擬時(shí)就會出現(xiàn)錯(cuò)誤，需要調(diào)整。 （5）后處理過程 ：計(jì)算機(jī)在計(jì)算程序運(yùn)行結(jié)束后對數(shù)據(jù)進(jìn)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。在前處理初始條件的建立中，一定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可以少走彎路。 （3）前處理 ：依據(jù)DEFORM的“PreProcessor”所提示的步驟，建立前處理。本課題所用UG生成STL文件。 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(shè)計(jì)出相應(yīng)的模具，輸出DEFORM3D軟件可以識別的STL文件或其他可用的二進(jìn)制文件。即使是更為復(fù)雜的機(jī)加工也可以進(jìn)行模擬。并提供了諸如切除飛邊的布爾運(yùn)算等3D幾何模型處理的功能。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。自動(dòng)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。DEFORM3D有著很好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。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。 DEFORM3D簡介 DEFORM的特點(diǎn)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(guān)工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝。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。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。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)體或片體對象，工具體是用來修改目標(biāo)體的實(shí)體或片體對象。 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。 鏡像體操作：通過鏡像體操作，可是實(shí)體相對于一個(gè)基準(zhǔn)面產(chǎn)生鏡像對稱。 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。 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，一般用來完成，零件簡單截面的繪制。 本課題有關(guān)UG的運(yùn)用 在本課題中，使用UG主要是用來制作模擬所用的模具，包括傳統(tǒng)工藝下的預(yù)鍛模具，對預(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。 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實(shí)現(xiàn)，并且在進(jìn)行對象操作時(shí)，具有自動(dòng)推理功能。 自從1990年UG軟件進(jìn)入中國以來，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在汽車、航天、軍工、模具等諸多領(lǐng)域大展身手，現(xiàn)已成為我國工業(yè)界主要使用的大CAD/CAE/CAM軟件。其中在美國航空航天工業(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和北美汽車發(fā)動(dòng)機(jī)市場。 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、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。此外，變形體內(nèi)的應(yīng)力場是在外力作用下產(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。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)。模具對金屬變形的影響也尤為重要。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滑劑的功能。 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。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。如果變形過程中此處的溫度降低很快，阻力會急劇增加。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，會使模鍛成形的動(dòng)力不足，對模鍛錘會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。模鍛前，模具一般要預(yù)熱200到300攝氏度。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。金屬在模腔中遇到的阻力還和模鍛斜度有關(guān)，與無模鍛斜度相比，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。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)備工作速度對金屬變形的影響。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，這樣就會延長模具壽命，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。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。但對于整個(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。在此階段，變形區(qū)仍然遍布整個(gè)坯料。在此過程中，整個(gè)坯料都是變形區(qū)。 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。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。 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)會產(chǎn)生回復(fù)，再結(jié)晶，提高了成形件的力學(xué)性能。 模鍛的特點(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)量來說，都要好，由于模鍛中的金屬是在模具的模腔中流動(dòng)的，一定會受到某些方向的限制，所以，變形抗力會很大，因此相同尺寸的毛坯，成形所需的設(shè)備噸位要更大些。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，然后再對其進(jìn)行機(jī)加工后處理，最終成品。模具的預(yù)熱溫度為200攝氏度。本課題十字軸成形工藝中，坯料所用材料為20CrMnTi 。圖22 十字軸零件圖圖23 十字軸冷鍛件圖本課題十字軸成形工藝主要分四階段：下料，模鍛，切邊，機(jī)加工。 再通過有限模擬軟件，分析改進(jìn)后的情況，實(shí)現(xiàn)工藝的最優(yōu)化。 進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。 首先，通過三維造型軟件對傳統(tǒng)熱鍛十字軸零件進(jìn)行三維實(shí)體化造型。 所以，本課題將以熱鍛十字軸零件（如圖21）為研究對象，對十字軸熱鍛成形工藝特別是預(yù)鍛成形工藝進(jìn)行研究。但是熱鍛也有其不足，加熱時(shí)會產(chǎn)生氧化、脫碳等缺陷，加工后十字軸的表面不是很光潔，尺寸也不如冷擠壓生產(chǎn)的精確，而且，由于加工結(jié)束后，十字軸內(nèi)部溫度難于均勻一致，所以熱加工后的十字軸組織、性能常常不如冷擠壓加工的均勻。 利用熱鍛方法生產(chǎn)十字軸，其變形抗力低，能量消耗少，由于金屬在加熱變形過程中，在加工硬化過程的同時(shí)，也存在著回復(fù)或再結(jié)晶的軟化過程，就是其塑性變形容易進(jìn)行。第2章 設(shè)計(jì)研究方案 對課題的認(rèn)識 隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，現(xiàn)階段生產(chǎn)十字軸的加工方法主要有機(jī)加工，熱鍛，冷擠壓等。進(jìn)行毛坯計(jì)算，計(jì)算成形力選擇成形設(shè)備。本文主要完成以下工作：(1) 熟悉零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用要求，對零件的鍛造工藝進(jìn)行分析，制定成形工藝方案，明確模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)。采用熱模鍛方式十字軸類零件，模具設(shè)計(jì)簡單，開發(fā)費(fèi)用低，壽命長。冷擠壓生產(chǎn)十字軸類零件，尺寸精度高、力學(xué)性能好、生產(chǎn)工序少、材料利用率高、生產(chǎn)效率高。 研究意義（價(jià)值）及主要內(nèi)容十字軸是汽車底盤中的一個(gè)十分重要的傳力零件，在交通運(yùn)輸、冶金、重型機(jī)械等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品質(zhì)量要求高，形狀復(fù)雜，十字軸式萬向聯(lián)軸器能夠很好地適應(yīng)傳動(dòng)軸間的較大角位移，而且具有傳遞扭矩范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、維修保養(yǎng)方便等特點(diǎn)，是一種重要的傳動(dòng)部件，其加工方法有機(jī)加工、熱鍛、冷擠等。為此除對結(jié)構(gòu)、聯(lián)接方式等方面進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)外，還應(yīng)對其主要部件提出更高的要求。整個(gè)設(shè)計(jì)過程只需要在最后階段進(jìn)行必要的驗(yàn)證性試驗(yàn)，這就極大地提高了工作效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本。因此，為了延長聯(lián)軸器的使用壽命，應(yīng)該降低軸頸危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力和軸頸表面的接觸應(yīng)力，或者改變中間受力元件的受力狀態(tài)，這就需要從力學(xué)的角度對萬向聯(lián)軸器進(jìn)行分析。實(shí)踐證明，十字軸式萬向聯(lián)軸器的主要失效形式為十字軸的斷裂、軸頸表面出現(xiàn)塑性壓痕或點(diǎn)蝕剝落以及叉頭根部破壞。國外對 SWC 型十字軸式萬向聯(lián)軸器的研究要早于我國，其中西德 Voith公司 SW 和 CW 系列產(chǎn)品，在技術(shù)上是十分先進(jìn)的，對于一些尺寸的確定也經(jīng)過了慎重的選擇?！?51