212加大盘突缘叉锻造工艺设计及温度场模拟

I212 加大盘突缘叉锻造工艺设计及温度场模拟摘 要锻造是一种广泛应用于汽车、通用机械等零件的加工技术，主要利用的是锻压机对材料施加压力发生塑性变形，从而获得所需形状的零件。本课题主要确定了传动轴突缘叉的锻造工艺参数，完成了该锻件的锻造工艺设计，并完成了该锻件锻模的设计；采用有限元 ABAQUS 软件对锻件温度场进行模拟,观察它在不同终锻温度下锻件冷却温度场的分布情况，各种性能参数的变化并分析，确定合适的锻造温度，分析其应力的变化。最后，通过有限元软件 ABAQUS 模拟终锻状态，通过取不同的温度模拟锻件的应力分布情况，最终发现当锻件处于 1000 摄氏度左右时，锻件的温度应力水平最低，因此可以判定，该温度就是锻件的最佳温度。本文通过选用有限元分析法对锻造过程中的温度场、应力场进行了模拟，预测了不同终锻温度下温度场、应力场的分布情况，为制定合理的锻造工艺奠定了基础。关键词：锻造； 突缘叉； ABAQUS； 有限元分析IIABSTRACTForging technology is mainly used to obtain a complex components get through the metal materials plastic deformation, which was widely used in automobiles, general machinery parts and soon on.In this study, a transmission shaft flange yoke is set an example, the forging technological parameters were confirmed and the forging technology designed, and also designed the forging die. Finally, the finite element software ABAQUS was introduced to the simulation of temperature and stress distribution. Via change the various kinds of forging parameters to find the proper final forging temperature and analyze the stress field. The simulation results shows the temperature field on different final forging temperature, and the stress field result show that the stress value is lowest when the final forging temperature is 1000, and 1000is the optimum temperature.The finite element was used in the study, and the final forging temperature field and stress field were calculated, the simulation results provide a great support condition to the reasonable forging technological.Keywords：Forge ，Flange fork，ABAQUS，Finite element analysis III目 录摘 要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 锻造技术的发展 .11.2 锻造技术的分类 .21.3 热模锻压力机优缺点 .31.4 突缘叉锻件的应用及优缺点 .31.5 本课题研究的主要问题 .42 锻造工艺设计 .52.1 工艺分析 .52.2 锻件图设计 .52.3 锻造工序确定 .82.4 毛坯尺寸及工艺压力的确定 .82.5 锻造温度确定 .103 突缘叉最佳终锻温度确定 .113.1 有限元分析软件简介 .113.2 有限元法概述 .123.3 突缘叉锻造问题的描述 .133.4 ABAQUS 分析的步骤 .133.5 结果可视化 .193.6 改变温度结果比较 .204 突缘叉冷却分析 .224.1 突缘叉冷却分析过程 .224.2 分析结果 .265 模具设计 .285.1 锻模结构设计 .285.2 飞边槽的选择 .285.3 顶料装置设计 .295.4 模具材料选择 .295.5 预锻模膛设计 .305.6 制坯模膛选择 .315.7 机锻模高度设计 .316 总结和展望 .336.1 总结 .336.2 展望 .33参考文献 .35致 谢 .36附录 A .3711 绪论1.1 锻造技术的发展锻造是一种利用模具在冲击力的作用下来生产金属零件的方式。锻造生产广泛应用于兵器、航空、机械、冶金等行业，锻造水平在一定程度上代表着一个国家工业水平一件装备制造业水平的发展 1。在我国锻造的历史最早可以追溯到春秋战国时期，在当时我国广大劳动人民就已经基本掌握了锻造相关的工艺，开始利用锻造技术来制备各种宝剑以及各种兵器，这反映了在古代，我国的锻造技术就已经达到了很高的水平。例如在陕西西安的秦始皇陵出土的一件文物里面就有一把经过锻造的宝剑，这把宝剑虽历经千年岁月，但是表面光洁度依然如新，可谓是古代锻造技术的登峰造极之力做。另外在古代南方的一些城市，出土了经过锻造的船锚，其直径在0.4 米左右 2。而近代以来锻造真正作为一门科学技术发展是在工业革命时期，19 世纪中叶，英国工程师 NASMISH 发明了一种新的锻造方法双作用锤，这个发明已经初步具备了现代锻造机理的特点。而随后的几十年里面，人们对于锻造机器不断进行改进，到了 19 世纪 70 年代，美国著名的工程师 Haswell 发明了人类历史上迄今为止可以能够称得上第一套锻造机器自由锻造水压机，该设备的发明从此标着着锻造成为了一门新的科学技术而进入了人们的视线 5。经过两百多年的不断发展和进步，锻造技术已经很好的应用于人类上产生获得的各个方面，锻造技术以技术科学，成型原理，以及其他材料学科为基本原理，同时又包含了机械，传热，等一些相关学科，可以说是一种学科互相交会的自然科学。锻造行业在我国已经有很长的发展历史，20 世纪 90 年代初，我国的锻造市场处于无序竞争状态，直至 90 年代中后期才逐渐稳定下来，随后我国锻造业进入相对稳定的发展时期。目前国内部分企业已配备最新的检测仪表和测试技术，采用计算机控制数据处理的现代自动化超声波探伤检测系统，采用各种专用的自动超声波探伤系统，完成各种质量体系的认证等 3。高速重载齿轮锻件产品的关键生产技术不断被攻克，并在此基础上实现了产业化生产。在引进国外先进生产技术和关键设备的基础上，中国已能自己设计和制造高速重载齿轮锻件的生产装备，这些装备已接近国际先进水平，技术和装备水平的提升有力的促进了国内锻造行业的发展 6。目前，我国锻造行业虽然有了一定的发展基2础，但并未完全掌握锻造行业中的高端核心技术。近年来，国内锻造企业产量在逐年上升,出口增加,凭借锻件生产数量在国际上虽赢得了“锻造大国”称号，却不是“锻造强国”。高档次模锻件产品的研制生产仍相当落后，航空航天的核心锻件主要依赖进口。据统计,汽车锻件的高档次产品有 7080是进口。另外,我国的锻造设备供应滞后,主要锻造设备仍然以摩擦压力机为主。总体来看,我国锻造行业中,精密锻造成形技术应用相对薄弱,锻件品质不高。总体来说我国锻造业仍存在以下的问题:（1）大型自由锻的设备能力过剩，设备布局分散，利用率极低，机械化自动化程度低，锻件加工余量大，工人劳动条件差，劳动强度大；（2）人才，尤其是各类高级专业人才匮乏；（3）管理基础薄弱，规模小，技术落后，大部分靠手工操作；（4）做市场的能力较低，做国际市场的能力更低；（5）产品业务单一；基本没有开展模具制造、产品开发、锻造、机械加工等结合在一体的综合经营业务。1.2 锻造技术的分类锻造总共分为以下几类，据工艺生产的特点，将锻造分为了自由端、模锻、特种锻三大类：（1）自由锻：是一种较为原始的锻造方法，一般借用简单的工具进行锻造加工例如榔头冲子等，这种加工方法的缺点是生产效率低下而且锻件的产品品质较差，容易受到人为因素的影响，因此产品的质量难以保证。但是早期的锻造都是经过这个过程逐步发展到来的。（2）模锻：是一种利用冲击力或者压力让加热好的金属在上、下抵铁和辅具之间产生形变。工艺特点是坯料形变时，除了和上、下抵铁或其它辅助工具接触部分的表面之外，其余的都是自由表面，形变不受影响。模锻用的设备有模锻锤、螺旋段、机械压力机等末端的优点是锻件的品质可以保证，加工效率相比较与自由锻有了和大的提高，但是缺点是设备昂贵，不太适合小规模生产，对于大规模的生产活动较为合适 7。（3）特种锻造：有时候有些零件适合于使用特定的机器进行锻造，这样可以极大的提高工作效率例如螺钉的生产，就是一种典型的特种锻造结果，一般对于螺钉采用的是搓丝机和墩头机两者相互配合，因此工作效率大大的提高了。特种锻造可以极大地提高锻造的效率但同时由于锻造是特制的，因此一种机器仅能锻造出一种零件，所以通用性不好。31.3 热模锻压力机优缺点热模锻压力机广泛应用于汽车、船舶、矿山机械、五金制造等行业中，用于大规模生产精整锻件，可以锻造出材料利用率高，加工精度好的产品。由于热模锻压力机采用整体式机床床身或有预应力框架式机床床身，宽偏心轴曲柄或斜楔机构传动，导向性能优良可靠的滑块，行程的速度比较低 3，近似静压成形等结构特点，使其具有相应的工艺特点。锻模加工有以下几个优点：（1）热模锻压力机锻件的加工精度与锤上模锻加工精度相比，热模锻的精度更高；（2）热模锻压力机模锻拥有静压力的特点，金属在锻模内流动较缓慢，这对变形速度比较敏感的合金材料的成形非常有利；（3）由于滑块的行程固定，移动速度比较小，操作方便，对执行者的技术要求也不高，导致锻件成形过程中受人为因素的影响比较小；（4）可以安排一模一件或者一模多件的方式生产；（5）热模锻压力机上模锻件内部形变深透且分布均匀，其流线分布较合理，力学性能基本均匀一致 8；但同时，模锻也有以下的缺陷：（1）容易产生较大的飞边，上模与下模的金属充填相差较小（2）和相同生产能力的模锻锤进行比较，热模锻压力机生产的成本比较高，再加上与之配套的各类设备，使之前期一次性投入资金较多；（3）要求减少毛坯材料表面的氧化皮，且表面加热质量尽可能的高；（4）在操作过程中或模具调整时，一旦操作错误，滑块接近下死点时很可能会发生闷车现象，导致生产停止，严重的甚至会损坏曲柄、连杆或模具 9。1.4 突缘叉锻件的应用及优缺点随着我国加入世界贸易组织（WTO）以来，我国的汽车产业呈现井喷式增长。汽车产业是十九世纪末开始在欧洲发展，并二十世纪在一些发展强国繁衍壮大。进入二十一世纪，经过一百多年的成长，汽车现在已经是一个方便快捷的交通工具了。尤其是最近几年，中国的汽车市场已经开始崭露头角，销量屡创新高，以年销售增长百分之二十的速度成为世界销售第一大国。中国汽车行业前景广阔，预计 2020 年以后，中国自产汽车的产量将超过 2000 万辆，其中大约 20%的产品将被国际市场消化。因此中国汽车行业在向国际汽车行业的尖端行列大步的迈进 7。4在汽车工业如此的发展势头下，汽车企业也就对各系统部件的需求旺盛。其中，转向系统是汽车的主要子系统之一，它的性能的优良与否直接影响汽车在操纵时的稳定性和舒适性。对于保证驾车行驶安全、降低交通事故的发生频率以及保护汽车驾驶员的生命财产的安全、改善驾驶员的驾驶环境有着极其重要的影响。随着汽车工业的发展，对于汽车的零件的可靠性和精度要求也越来越高。同时对于加工零件的方法也有了很大的改变，对于一些应力大，要求寿命高的零件例如传动轴的突缘，一般采用锻造的加工方法 3。锻造是一种借助锻压工具在压力的作用下加工各种金属零件的方法。通过锻造，可以得到零件预期的形状，还可以改善零件材料的内部组织的状态，从而极大地提高金属的机械性能与物理性能 10。锻件的优点是金属材料经过塑性变形后,把它的内部缺点消除,例如锻(焊)合空洞,压实疏松,打碎碳化物,非金属夹杂并让它沿着锻件的变形方向分布,改善或消弭成分偏析等缺点,得到了均匀、微小的低倍组织与高倍组织 8。如果零件经过铸造工艺得到,虽然可以得到较为准确的工艺尺寸,与锻件相比更加复杂的工艺形状,但是铸造很难消弭金属材料的疏松、空洞、成分偏析、非金属夹杂等弊端 6。经过机械加工工艺得到的金属零件,其尺寸精度比较高,零件表面光滑,但其内部流线大多被切断,很容易形成应力侵蚀,承受拉压交变应力的能力比较弱 7。1.5 本课题研究的主要问题该课题通过运用模锻锻模的知识和其它与之有关的课程的知识，以及生产实践中的经验去分析和解决在锻造工艺设计中所遇到的各种难题，并且进一步巩固和深化了所学的专业知识。通过各类计算以及计算机制图，学会了在理论知识与实际操作过程中的合理运用，是所学的知识真正的转变为自己的东西，并查阅相关的技术资料，可以培养锻造工艺设计的基本能力，从而掌握锻造工艺，熟悉各类模锻锻模的锻造方法以及各种锻造设备，较为熟练的掌握计算机AutoCAD 绘图软件,熟悉模锻锻模的设计流程，最后通过 ABAQUS 有限元分析软件进行三维建模并分析在不同终锻温度下温度场及应力场分布。52 锻造工艺设计2.1 工艺分析2.1.1 零件特点 汽车传动轴中的突缘叉零件材料为 45 号钢结构。该汽车突缘叉零件高度与直径之比为 86.5/138，在零件分类中属于短轴线类型的零件。可以看出锻模主要的难度是要求挤出两边的凸肩的形状，并且两个凸肩的相对高度较大。所以，在锻模加工中，为了达到所要求去的凸肩高度，需在对于模具的结构进行很大的改进从而来满足次突缘锻模加工的要求。同时选择合适的模具，可以提高加工效率，也可以在很大程度上避免锻件充不满、意外变形、折叠等其他缺陷情况的发生。2.1.2 确定工艺方案对于加工方法的确定，国内外已经有一些先关的研究。查阅资料，对于叉形锻件的加工主要有两种方案，一种是一模两件加工和一模一件加工方法。最后通过考虑课题研究是实际情况，确定了加工方法为一模一件。根据模锻材料的利用率的要求,突缘叉锻件的锻模加工工艺过程如下:下料加热拔