【正文】 精度，材料利用率高、生產(chǎn)效率高，成形十字軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織均勻，有合理的纖維流線分布，但進(jìn)行冷擠壓加工所需要的條件很高，比如，需要的設(shè)備噸位大，模具很容易磨損，整個(gè)生產(chǎn)過程中，從模具設(shè)計(jì)、潤滑到工藝工序的安排都很復(fù)雜，而從我國基本國情的角度出發(fā)，在我國目前的科學(xué)技術(shù)水平下，還是有相當(dāng)?shù)睦щy，從另一個(gè)角度上說，開發(fā)這樣的生產(chǎn)過程反而會(huì)提高十字軸生產(chǎn)的總成本，國內(nèi)使用的還不普遍，而在我國普遍采用熱鍛方式加工十字軸，我們有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)。圖21 常見十字軸零件圖和模鍛件圖 課題的研究方法 本課題是通過借鑒大量的十字軸的傳統(tǒng)加工方法，利用有限元模擬軟件，模擬十字軸的成形過程，通過學(xué)習(xí)文獻(xiàn)中關(guān)于模擬十字化的分析方法分析計(jì)算模擬結(jié)果等找到工藝缺陷，并依據(jù)所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)對工藝進(jìn)行改進(jìn)，再通過模擬對比，如此反復(fù)，直到達(dá)到工藝的最優(yōu)化。 通過有限模擬軟件，對十字軸熱鍛成形過程進(jìn)行模擬，分析變形過程中應(yīng)力應(yīng)變分布，載荷變化和金屬流動(dòng)情況，找出不足、缺陷。 再通過三維造型軟件對改進(jìn)后的熱鍛十字軸零件進(jìn)行三維實(shí)體化造型。如圖22為本課題十字軸零件圖，圖23為本課題十字軸鍛件圖。其中模鍛又分為預(yù)鍛和終鍛兩個(gè)過程。加熱設(shè)備選用額定功率為30kW，最高工作溫度為1350攝氏度，爐膛尺寸為400mm300mm250mm的箱式電阻爐。坯料在1200攝氏度下在預(yù)鍛模中進(jìn)行預(yù)鍛成形。 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)。而從模具上來說，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說，前期投資比較大，準(zhǔn)備周期比較長，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)。 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。 本課題所采用的是開式模鍛，這就要注意飛邊和間隙對十字軸成形的影響。 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。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。 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)倉部，橋部主要用來使飛邊減薄，阻礙金屬流動(dòng)，迫使金屬充滿型槽，而倉部就是用來容納多余的金屬，以免金屬流到分模面上，影響上下模打靠。第四階段是打靠階段，隨著上下模具的運(yùn)動(dòng)，飛邊越來越小，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。 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。 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。 就模腔的尺寸和形狀來說，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。 圓角半徑對金屬流動(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。注意不能過高，會(huì)影響模具強(qiáng)度。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。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。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。一般說來，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。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。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)。因此，對一個(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，完成對毛坯的塑性加工。 UG簡介 UG產(chǎn)品概述 Unigraphics（簡稱UGS）軟件由美國麥道飛機(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。 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。同時(shí)，美國通用汽車、波音、GE噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等公司都是UG軟件的重要用戶。 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。特別是在NX 5的整個(gè)界面以及對話框中增加了多個(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。 針對本課題所需的實(shí)體造型，主要需要掌握以下幾種功能菜單的操作。 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。 邊倒圓、面倒圓操作：此類操作，是將對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)體中對細(xì)節(jié)特征的編輯。 復(fù)合曲線操作：通過復(fù)制其他曲線和邊來創(chuàng)建曲線。布爾操作中的實(shí)體對象分別稱為目標(biāo)體和工具體。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。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。 最后為了給模擬做準(zhǔn)備，還會(huì)用到一些測量性的操作。在模擬過程中，按照變形前后體積不變原則，能夠?qū)Τ尚芜^程的三維金屬流動(dòng)做過程模擬分析。DEFORM是一個(gè)模塊化的模擬系統(tǒng)，包括有限元模擬器、前處理器、后處理器和用戶處理器四大模塊。模擬引擎在大變形金屬流動(dòng)，行程載荷和產(chǎn)品缺陷預(yù)測等方面同實(shí)際生產(chǎn)相符保持著很高的精度。依據(jù)分析成形過程特點(diǎn)，網(wǎng)格生成器在有精度要求的區(qū)域生成質(zhì)量更優(yōu)的單元，降低了整體的計(jì)算規(guī)模和運(yùn)算要求。DEFORM3D不僅提供了完善的分析功能，而且采用了直觀的圖形用戶界面。FEM引擎同樣可用于剪切和裁邊的模擬計(jì)算。通過模擬分析變形過程的金屬流動(dòng)，有助于本課題在分析十字軸的預(yù)鍛成形過程中，強(qiáng)化工藝參數(shù)，通過改進(jìn)模具設(shè)計(jì)，優(yōu)化預(yù)鍛成形效果，提高十字軸產(chǎn)品質(zhì)量。PRO/E、UG等三維CAD軟件，均可用來設(shè)計(jì)模具，并生成DEFORM可前處理文件格式。 （2）邊界條件的設(shè)定 ：根據(jù)DEFORM軟件的要求和模擬實(shí)驗(yàn)的目的，需要設(shè)定的邊界條件有：對上模的速度控制的輸入；坯料溫度和模具溫度；坯料材料；坯料和模具的材料性能，一般，坯料設(shè)為塑性，其他件設(shè)為剛性，忽略其彈性變形；設(shè)定所有件與坯料間的接觸關(guān)系；坯料和模具間的摩擦系數(shù)；模具完成整個(gè)變形過程所用的步數(shù)、每步的壓下量；材料成形方向平行于軸面金屬流動(dòng)的速度。在前處理過程中，材料參數(shù)、網(wǎng)格劃分、運(yùn)動(dòng)設(shè)立、特性等幾個(gè)比較重要的參量，有些參量在模擬過程中是要不斷地修改的，特別是網(wǎng)格的重新劃分，對模擬運(yùn)算影響比較大，往往需要幾次反復(fù)才能成功，是比較費(fèi)時(shí)的。 （4）模擬運(yùn)行 ：模擬運(yùn)行實(shí)質(zhì)上是一個(gè)計(jì)算過程，點(diǎn)擊RUN進(jìn)行DEFORM運(yùn)算模擬，在模擬過 程中，可以觀察同步信息，監(jiān)控模擬過程。在本課題中，通過分析等效應(yīng)力應(yīng)變、載荷、金屬流動(dòng)方向等對比不同方案下十字軸成形狀態(tài)并得出結(jié)論，值得注意的是，在對比中，所用參數(shù)范圍應(yīng)該相同，不論是效果圖還是曲線圖。在調(diào)整過程中，主要調(diào)節(jié)的地方是網(wǎng)格、剛性面、傳熱面、邊界條件，DEFORM軟件模擬的關(guān)鍵就是邊界條件的設(shè)置，其中網(wǎng)格的重新劃分是關(guān)鍵。一些邊界條件的設(shè)置也需有個(gè)合適值，總之，參數(shù)的調(diào)整是得到一個(gè)理想的運(yùn)行不可缺少的過程。特別注意，根據(jù)尺寸圖所給尺寸，可以看出制作特征圖的成形順序，當(dāng)兩個(gè)圓柱套在一起后，要在銜接處先開圓角，平緩過渡，然后再挖平面，如果順序不同，可能會(huì)使銜接處由于多條曲線相交而不能開圓角，再次，要注意挖的正方形平臺(tái)，也應(yīng)該以圓角的形式過渡，因?yàn)?，對與模鍛來說，產(chǎn)生小的里面是困難的，就算模具是垂直的，在成形后也會(huì)由于金屬流動(dòng)而成一定圓角。鍛件的形狀復(fù)雜系數(shù)為：S=Md/Mn（Md為鍛件質(zhì)量，Mn為外輪廓包容體質(zhì)量）。Mn=1426103≈（g）在UG中分析菜單欄下用測量體命令測得十字軸體積為Vd=，Md=ρVd=（g）S=Md/Mn≈，為2級(jí)形狀復(fù)雜系數(shù)S2。k1—鋼種系數(shù)，低合金結(jié)構(gòu)鋼k1=1。F—鍛件投影面積（含按倉部的12計(jì)算的飛邊面積）。%的收縮率繪制，如圖32和圖33。 模塊的結(jié)構(gòu)由于模膛較淺（），可以采用矩形鑲塊結(jié)構(gòu)，上下模塊分為模塊體與鑲塊，在鑲塊上加工出模膛，鑲塊可一次性使用不翻新。鑲塊承壓面強(qiáng)度校核：該件在16MN級(jí)熱模鍛壓力機(jī)上模鍛，P=F/A=160001000/57600≈式中：F—熱模鍛壓力機(jī)的標(biāo)稱壓力，kNA—模塊底面的有效承壓面積mm2小于允許的極限值（300MPa），故可以采用。圖34 飛邊的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)本十字軸的形狀及尺寸大小，選擇常用的飛邊槽結(jié)構(gòu)形式c，按15MN級(jí)并確定飛邊槽尺寸如下：h=，b=8mm，B=4mm，l=22mm，r1=1mm，R=2mm。常在鍛模模塊上設(shè)置鎖扣來平衡錯(cuò)移力，保證鍛件精度和便于模具安裝、調(diào)整等。圓形鎖扣一般用于齒輪件、環(huán)形件，這些鍛件的特點(diǎn)是根據(jù)鍛件的外形很難確定錯(cuò)移的方向；縱向鎖扣一般用于長軸類鍛件，用以防止上、下?？v向錯(cuò)移和相對轉(zhuǎn)動(dòng)；側(cè)面鎖扣用于防止上、下模相對轉(zhuǎn)動(dòng)和前后左右的錯(cuò)移；四角鎖扣的作用與側(cè)面鎖扣相似。R1=5R2= R1+2=7R3= R6=3R4=R5=5十字軸終鍛模上模鑲塊如圖36所示，終鍛模下模鑲塊如圖37所示。Vf—飛邊體積，mm3，對短軸類零件等于飛邊槽容積的1/2，即：Vf=LzFf=式中：Lz—鍛件周長，mmFf—飛邊面積，mm2Fc—飛邊槽截面積，mm2Vf=≈（mm3）V=（++0）(1+％)≈（mm3）根據(jù)計(jì)算出的坯料體積V確定坯料直徑。由此，坯料直徑D可在下列范圍內(nèi)選擇：D’=（～）3V=（～）≈～（mm）計(jì)算出D’后，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)盡力選用本廠常用的規(guī)格D。402≈80mm圖38 坯料式中：D’ —計(jì)算出的坯料直徑，mmV—計(jì)算出的坯料體積，mm3 L—下料長度，mmD—下料直徑，mm坯料長度L與與直徑D的比值：L/D=80/40=2，滿足條件。 預(yù)鍛模的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)工藝預(yù)鍛模具，在預(yù)鍛階段總會(huì)或多或少產(chǎn)生飛邊，不利于十字軸的最后成形，預(yù)鍛飛邊的出現(xiàn)，不僅浪費(fèi)了材料，還造成終鍛所需打擊力的提高十字軸類零件在鍛造成形過程中，坯料在模具的壓力下，會(huì)發(fā)生變形,向髖部和軸部流動(dòng)。金屬流動(dòng)情況如圖39所示，在充填模膛過程中，如果型腔的造型不合理(比如存在比較大的軸肩差、不合適的圓角)，金屬的流動(dòng)就會(huì)受到抑制，最終不能很好的充填軸部型腔，而髖部的金屬，會(huì)以預(yù)鍛飛邊的形式流出。那么要消除飛邊就要改變預(yù)鍛模腔外形設(shè)計(jì)。 圖310 坯料鐓粗圖39 成形過程金屬流動(dòng)模型如圖311可以看出，傳統(tǒng)工藝下的預(yù)鍛型腔外形并不合理，預(yù)鍛型腔的作用，就是實(shí)現(xiàn)坯料的預(yù)成形，為終鍛提供方便，因而，預(yù)鍛型腔的幾何形狀可以在一定程度上變化，來實(shí)現(xiàn)預(yù)鍛無飛邊、終鍛所需能量降低的目的，預(yù)鍛型腔外形的修改，有下面幾個(gè)原則：對于不影響最終成形的幾何部分，可以通過恰當(dāng)?shù)膱A角過渡來降低預(yù)鍛中的金屬流動(dòng)阻力；預(yù)鍛型腔的修改,必須在幾何外形上保證坯料在模膛中的定位和放置；預(yù)鍛型腔的體積不能小于終鍛型腔的體積。改進(jìn)預(yù)鍛模腔與傳統(tǒng)模腔不同之處，在于改進(jìn)模腔髖部的拐角用圓弧進(jìn)行了過渡，這樣就是金屬在流動(dòng)到拐角處，不在因?yàn)楹艽蟮淖枇Χ绊懫淞鲃?dòng)，同時(shí)，也就減少了在這個(gè)部位飛邊擠出的可能。同時(shí)，對坯料進(jìn)行鐓粗，鐓粗高度不宜過小亦不宜過大，適當(dāng)?shù)溺叴诌@樣更有利于坯料在型腔內(nèi)成型并且更大程度的減小了飛邊產(chǎn)生的可能，如圖310。圖311 傳統(tǒng)工藝下的預(yù)鍛模腔圖312 改進(jìn)后的預(yù)鍛型腔圖313 傳統(tǒng)工藝下預(yù)鍛結(jié)束和終鍛結(jié)束圖314 改進(jìn)后預(yù)鍛結(jié)束和終鍛結(jié)束從圖313和圖314中可以看出，運(yùn)用改進(jìn)后的模具進(jìn)行預(yù)鍛成形后，預(yù)鍛件不再有飛邊存在，整個(gè)預(yù)鍛件過渡合理，在整個(gè)預(yù)鍛過程