毕业设计（论文）-十字轴轴套反挤压模具设计与数值模拟.doc

1 前言1.1 国内外研究现状近几年来，冷挤压技术是各行各业得到迅速发展的新工艺之一，也是零件加工的重要手段。与常规模锻工艺相比, 冷挤压工艺可以节材30% -50% ,节能40%-80% , 而且能够提高锻件质量, 改善作业环境。二战以后, 冷挤压技术在国外工业发达国家的汽车、摩托车、家用电器等行业得到了广泛的发展应用, 而新型挤压材料、模具新钢种和大吨位压力机的出现, 更拓展了其发展空间。日本80 年代自称,其轿车生产中以锻造工艺方法生产的零件, 有30%- 40%是采用冷锻工艺生产的, 近年来生产的新型轿车则每车平均使用42kg 的冷锻件。美国等国家的轿车生产中, 每车平均使用40kg 的冷锻件。随着科技的进步和汽车、摩托车、家用电器等行业对产品技术要求的不断提高, 冷锻生产工艺技术已逐渐成为中小锻件精化生产的发展方向1。对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状比较复杂或者问题的某些特征是非线性的，则很少有解析解。这类问题的解决通常有两种途径：一是引入简化假设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到它的简化状态的解。这种方法只在有限的情况下是可行的，因为过多的简化将可能导致不正确的甚至错误的解。此外，传统的模具设计方法在很大程度上依赖于设计者得经验和技巧，模具设计费时、加工周期长，对设计中产生的问题只能靠试模后的修正，且返工费时花费大。因此，人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上，借助于现代科学技术的产物计算机来获得满足工程要求的数值解，这就是数值模拟技术2。近年来，随着计算机硬件、软件技术的飞速发展和对材料成型过程物理规律研究的深入，材料成形过程有限元模拟技术取得了很大的进展。Clough教授于1960年发表的著名论文The finite element method in plane stress analysis.中首次提出有限元这一名词。在P.V. Marcal和I.P. King提出弹塑性有限元法后,日本学者Yamada首先将弹塑性有限元法用于筒形件拉深成形的仿真；Hibbit和Hill在有限变形理论基础上采用Lagrange描述建立了大变形弹塑性有限元方程, 随后McMeeking采用Euler理论建立了大变形弹塑性有限元方程, 完善了大变形弹塑性理论。到20世纪70年代中期, 随着有限应变弹塑性有限元列式的突破, 计算机技术的飞速发展和有限元理论的成熟, 弹塑性有限元数值模拟方法开始进入全新的发展时期3。1.2 有限元软件的种类及特点有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司。ANSYS有限元软件是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。ADINA系统是一个单机系统的程序，用于进行固体、结构、流体以及结构相互作用的流体流动的复杂有限元分析。用户无需使用一套有限元程序进行线性动态与静态的结构分析，而用另外的程序进行非线性结构分析，再用其他基于流量的有限元程序进行流体流动分析。此外，ADINA系统还是最主要的、用于结构相互作用的流体流动的完全耦合分析程序（多物理场）。ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题。MSC.MARC是功能齐全的高级非线性有限元软件，具有极强的结构分析能力。可以处理各种线性和非线性结构分析包括：线性/非线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静/动力接触、屈曲/失稳、失效和破坏分析等4-5。1.3 MARC分析技术方案本次数值模拟采用MSC.MARC软件。利用MARC进行有限元分析时，主要经过三个步骤：前处理、加载并求解、后处理6。第一步，前处理：是指创建实体模型以及有限元建模。包括创建实体模型，定义单元属性，划分有限元网格，修正模型等几项内容。第二步，加载并求解:在求解前应进行分析数据检查，包括单元类型和选项、材料性质参数、同一的单位；材料类型的设置，质量特性等等。通过这些设置，计算机即可进行处理分析数据，从而得出毛坯及模具的动态特性和静态特性。第三步，后处理：可以通过它来观看整个模型在某一时刻的结果，或在不同阶段、子步上的结果。最后就是根据分析的结果进行一定的结构优化，从而获得最佳的毛坯结构尺寸。十字轴轴套的成形过程可采用平面模型进行模拟，整个成形过程可以简化为工件、可动上模和固定下模三部分，其中工件为变形体，上下模为刚体。网格划分时采用四边形单元，可采用Automesh自动生成网格。所用材料为弹塑性材料，采用四节点轴对称单元对其进行接触分析。1.4 选题目的和意义采用反挤压加工十字轴轴套，可以大大地减少工时，提高生产效率；在反挤压的过程中，毛坯金属处于三向压力状态，有利于提高金属材料的塑性，且经挤压后金属材料的晶粒组织更加细小而密实； 金属流线不被切断并且产生加工硬化， 使得挤压件的强度大为提高；并获得较高的尺寸精度和表面光洁度。同时，在模具的设计与制造过程中，对十字轴轴套的成形过程进行数值模拟，可以清楚的得到工件及模具的受力情况，为模具的设计提供有效的数据支持，优化产品的成形工艺；可以减少模具设计中繁重的劳动，使复杂的计算能够自动化及优化，把型腔的数控加工和设计紧密联为一体，缩短制造周期，节省了成本。1.5 主要研究内容图1.1 十字轴轴套的样品图（同一样品）十字轴轴套(图1.1)的反挤压工艺与其它加工工艺相比具有很大的优点，是典型的净近成形，避免了成形后对工件进行过多的切削加工，而且该工艺用材少、效率高，更有利于零件的大批量生产。十字轴轴套反挤压工艺及模具设计的关键是要考虑反挤压工艺过程的简易程度，即在保证反挤压件质量的情况下做到怎样减少反挤压工序，怎样设计工序才能更加充分地利用材料，并保证良好的经济性7。毛坯尺寸的不同，对于模具的受力可能带来不同的影响。因此，分析出合理的毛坯尺寸对于提高模具的寿命，提高生产效率，降低生产成本有着至关重要的作用。反挤压过程中，正确地分析出十字轴轴套本身的金属变形，应变应力规律，对于优化挤压进程也有着重要的影响。本毕业设计的具体内容如下：（1） 零件图设计：根据产品样品进行测绘，设计出符合国家标准的十字轴轴套产品零件图。（2） 反挤压工艺数值模拟：制订合理的反挤压工艺方案，采用有限元方法，分析十字轴轴套反挤压工艺过程，阐明金属变形、应力、应变的规律。（3） 反挤压模具设计：设计模具装配图和主要零件的零件图。（4） 主要计算内容：毛坯尺寸、挤压力等。（5）设计依据：十字轴轴套产品样品，大批量生产，反挤压设备的种类、型号等不受限制。采用的有限元分析软件：MARC。1.6 小结本章重点介绍了当今时代国内外冷挤压技术的研究现状；介绍了有限元软件的种类，以及MARC软件进行数值模拟的技术方案；阐述了本次研究课题的目的和意义；详细列出了本次研究的主要内容。2 十字轴轴套反挤压模具设计2.1 十字轴轴套成形工艺制定反挤压工艺方案时，应该考虑到两个基本原则7：（1）确定适宜的预备形状，经济合理的加工方法、工序数目与加工程序，确保模具的使用寿命和满足生产要求。（2确定最理想的变形条件，保证在此条件下拉应力最小或完全没有，以获得满足力学性能要求、高质量、高精度、无疵病的挤压件。反挤压工艺过程大体包括：（1） 毛坯准备（下料及预成形）；（2） 辅助处理（退火及润滑）；（3） 反挤压成形（中间预成形及最终挤压成形）；（4） 切削加工 。2.1.1 毛坯尺寸的计算（1）确定毛坯体积 图2.1 样品零件图如图2.1所示，分析计算后得到零件的体积V件=3685mm3，根据体积不变原则可得到毛坯的体积V毛= V件=3685mm3。（2）确定毛坯尺寸首先对一种棒料直径进行假设，多次计算后应满足以下条件： H0/D00.8 (冷剪下料)； （2.1） (H0-H1)/H0100%0.8，再由公式（2.3） （2.3）代入数据：毛坯镦粗率可通过公式（2.4）得到 （2.4）式中 H1毛坯冷镦后高度(mm)； D零件外径(mm)； d1零件内径(mm)； h1零件底厚(mm)； h2除去底厚的零件高度(mm)。代入数据：2）选用直径D0=17mm的毛坯，其原始高度H0=16.24mm； 其中H0/D0=16.24/17=0.960.8，毛坯镦粗率为：对上述两种方案进行比较，第一种方案的毛坯更有利于冷剪下料，且材料利用率高、工序简单、生产周期短、效率高；而第二种方案的毛坯下料较麻烦，且生产工序多、生产周期长、效率低。因此，第一种方案中直径D0=15mm、原始高度H0=20.85mm的毛坯尺寸更加合理8-11。综上，可得到毛坯的形状如图2.2所示：图2.2 毛坯形状2.1.2 成形工序的确定（1）确定下料方法反挤压毛坯最常用的下料方法有车切、锯切、剪切、冲裁等。一般地，由锯切得到的毛坯尺寸精确，材料的利用率也比较低，所以只有在批量较小、材料直径较大的情形时才采用。车切的精度较高，毛坯的几何形状比较规则，可直接进行反挤压加工，但其加工效率低于剪切和冲裁，材料的利用率也比较低，所以车切主要用于毛坯的单件、小批量生产中。只有在毛坯直径比其高度达很多倍的时候才使用冲裁下料，冲裁下料比较经济，这种下料方法的优点是生产率高、精度高、断面平整，且不需要整平工序，但其材料的利用率比较低。剪切是一种最迅速、最经济的下料方法，常用于生产中小尺寸直径的毛坯。剪切时，几乎没有材料的损耗，因此当生产批量要求很大时，可采用剪切下料方法。综上所述，选取剪切下料的方法来获得毛坯。（2）预成形冷剪下料后，毛坯经常带有细小的毛刺，而且伴有一定量油污，所以要对毛坯进行抛丸处理。抛丸是一种机械常用的表面处理工艺，与喷砂和喷丸相似。其原理是：用电机来带动叶轮体旋转，利用离心力，将直径为0.23.0的丸子(铸丸、切丸、不锈钢丸等)抛向工件表面，工件表面获得一定的粗造度，美化工件的外表面，工件的焊接拉应力变为压应力，工件的使用寿命得以提高。毛坯经过抛丸后，那些细小的毛刺、油污都被处理掉。工件表面光亮、清洁，为后续工作做好准备。毛坯的预成形，就是在挤压前预制毛坯，使其与模腔形状大体一致，且有较好的配合性质。预成形的基本方法主要有以下四种：冷镦、校形、压凹、剪径挤压。按照挤压件图计算和设计的毛坯尺寸并不与标准棒料的直径一致。因此，当选取的标准棒料直径小于挤压毛坯的外径时，可以通过自由锻加大其截面面积。据此，在对棒料进行冷剪以后要经过镦粗工序。经镦粗后的毛坯形状如图2.3所示。图2.3 毛坯镦粗后的形状（3）辅助处理为改善材料的挤压性能，提高其塑性，降低硬度和变形抗力，消除内应力，得到良好的金相组织，以降低单位挤压力和提高模具的寿命，在挤压加工之前或者多道挤压工序之间进行毛坯的软化处理。低合金钢毛坯的软化热处理常用以下几种方法：完全软化退火，球化退火和不完全退火。在挤压之前还应对毛坯表面进行处理和润滑。其主要内容：去除表面缺陷，清洁，去脂，去除表面氧化层，磷酸盐处理，润滑处理。因此，镦粗之后的工序为退火、磷化和润滑。通过计算和分析，可以确定一套完整的反挤压工艺方案（图2.4）。首先，利用冷剪下料的方法获得直径D0=15mm、原始高度H0=20.85mm的毛坯；其次，对毛坯进行抛丸和镦粗处理，获得高度H1=8.75mm、最大直径D=24.04mm的毛坯；第三，在对其进行退火、磷化和润滑后放入反挤压模具一次挤压成形12。图2.4 冷挤压成形工序2.2 凸模设计反挤压凸模一般由夹紧和成形两部分组成。设计时应注意以下问题7：（1） 为使凸模装卸简便，凸模夹紧部分一般做成阶梯形或锥形；（2） 当凸模带有导向部分时，导向部分长度按刚开始挤压时伸入凹模的长度不小于5mm的原则来设计；（3） 为防止应力集中而造成模具的早期失效，所有过渡部分应设足够大的圆角半径或倒角；（4） 为避免凸模产生纵向弯曲，成形部分长度应尽量短一些；（5） 凸模与压力板的接触表面要紧密配合，不允许间隙存在。由前面的计算和分析可以得到，冷挤压时的最大挤压力P=6.81105N，挤压力较小，因此选用Cr12MoV作为凸模的材料，它属于冷作模具钢，钢的淬透性、淬火回火的硬度、耐磨性、强度均比Cr12高。用于制造截面较大、形状复杂、工作条件繁重下的各种冷冲模具和工具，如冲孔凹模、切边模、滚边模、钢板深拉伸模、圆锯、标准工具和量规、螺纹滚模等。具有高的硬度、强度、耐磨性、足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。冷作模具钢的碳含量较高，其组织大部分属于过共析钢或莱氏体钢。查资料，其抗拉强度s=800Mpa,比例极限p=525Mpa，弹性模量E=210Gpa，稳定安全因数为nst=3。再根据反挤压件的形状我们可设计凸模的形状，如图2.5所示。图2.5 反挤压凸模简图2.3 凹模设计 反挤压凹模一般由成形和顶出两部分组成。设计时应注意以下问题7：1）反挤压凹模工作时，内壁承受较大单位压力，为提高凹模强度，一般采用组合式凹模。2） 工作内压力主要作用在凹模的成形部分。因此，设计加强圈时应特别注意加强成形部分。3）过渡圆角处应设计足够大的圆角半径，以避免应力集中。4）组合式凹模外径和内径的比值一般取4-6，超过10则无显著加强效果。5）对于应力集中特别大的尖角处，应采用分割式凹模。根据样品零件图和上述注意事项，可画出反挤压凹模简图，如图2.6所示。图2.6 反挤压凹模简图2.4 反挤压模具总体装配设计在模具装配固定时，要注意以下基本要求7：（1） 凹凸模或上下模之间要互相对正，间隙要均匀；（2） 模具的压力中心要与压力机滑块的中心线重合；（3） 闭合高度要适当；（4） 卸退料方便；（5） 牢固可靠，模具在使用过程中毫无松动。根据上面凸凹模的设计我们可以得到反挤压模具的装配图（图2.7）。由于零件的壁厚较小，体积也较小，所以模具的导向精度要求较高。因此，选用滚珠导柱导套机构来进行导向13。图2.7 反挤压模具装配图1-下模座 2-沉头螺钉 3-导柱固定块 4-卸料板导柱 5-螺栓 6-圆柱螺旋压缩弹簧7-卸料板固定盒 8-卸料盒 9-半圆头螺钉 10-压盖 11-上模座 12-垫片 13-六角螺母14-卸料板镶件 15-上模特形螺母 16-沉头螺钉 17-上模紧固套 18-半圆头螺钉 19-上模压套 20-上模垫块 21-凸模 22-圆柱销 23-沉头螺钉 24-上模辅助固定块 25-方头凹端紧定螺钉26-六角扁螺母 27-组合式凹模 28-冷挤压件 29-下模特形螺母 30-下模紧固套 31-调整圈32-顶杆 33-下模支撑套 34-下模垫块 35-滚珠导向机构 36-六角扁螺母 37-方头凹端紧定螺钉 38-下模辅助固定块 39-沉头螺钉 40-标准弹簧垫圈 41-顶料杆 42-圆柱销2.5 小结本章通过计算十字轴轴套的相关尺寸，确定了十字轴轴套的成形工艺，首先对棒料进行镦粗，然后再对镦粗的毛坯进行反挤压，进行相应处理后，得到成品。确定成形工序后又对其进行相应的总体模具设计，并详细介绍了凸凹模模具的设计。3 镦粗数值模拟3.1 分析步骤3.1.1 几何建模本文采用非线性有限元分析软件MARC的平面结构应力分析功能，对镦粗过程进行数值模拟。毛坯选用模具设计部分计算所得的尺寸数据，如图3.1所示。 a b c图3.1 十字轴轴套的零件图：a立体图 b主视图 c俯视图考虑到平面状态下零件的结构特性，此次模拟对象为过中心轴线的任意半截面，截面尺寸为20.857.5mm。镦粗过程中，只考虑接触面部分的动模和静模，因此，可以简化为两条直线，以及零件的对称轴线。模拟过程的几何模型如图3.2所示。图3.2 几何模型3.1.2 网格划分对整个求解区域进行网格划分是有限元分析方法求解的基础。求解区域是指研究体系所占据的时间和空间，也就是待求函数的定义域。在对微分方程进行离散化时，首先要对求解区域离散化，也就是求解区域进行网格划分。一般情况下，网格划分的方式是任意的，但实际上，由于网格划分的方式直接影响方程离散化的难易，影响计算机运行速度和所需的计算机存储量，影响数值解的准确性和收敛性。因此，选取合适的网格划分方式具有很重要的意义6。MARC生成网格的方法主要有两种：转换法和自动生成网格。本次数值模拟采用了后一种自动生成网格法，其过程如下：（1）在自动划分网格前，首先要对几何模型进行清理和修复，原因是在前一步进行几何造型时，难免会产生很小的几何元素。采用自动划分单元时，会在这些过小的几何元素附近产生不必要的高密度单元。此外，几何模型中可能存在重复点、线、面或者不封闭的表面和不匹配的曲线瑕疵，利用Mentat提供的几何修复工具，可以清除不必要的数据，修复不完整的曲线和曲面，以保证网格划分的正常进行，生成高质量的网格。（2）划分时，先在封闭的边界曲线上设置网格生成的种子点。对主变形区设置种子点间距为1mm，种子点间距决定了单元划分尺寸大小。利用MARC的全自动网格划分功能，进行网格划分，生成四节点平面单元，主变形区的网格划分如图3.3所示。这里应该注意，在划分四边形单元时要求区域边界的种子点数为偶数，否则，三角形单元就会出现。图3.3 整体模型网格划分3.1.3 材料特性定义毛坯材料为低碳钢，弹塑性材料；质量密度为7.85g/cm3,弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，屈服应力为355MPa，其应力应变曲线如图3.4所示14。图3.4 材料应力应变曲线3.1.4 接触定义在镦粗过程的数值模拟中，接触条件的定义非常重要。从力学角度来看，接触是边界条件高度非线性的复杂问题，需要准确地追踪接触前多个物体的运动和接触发生后这些物体之间的相互作用。（1）毛坯镦粗时，棒料发生弹塑性变形。实现镦粗过程，是一个大变形过程，所以，毛坯材料定义为变形体(DEFORMABLE)，定义毛坯材料表面的摩擦系数为0.05。（2）模具在MARC有限元分析的几何模型中，由单条的直线描述模具。在接触体定义中，将模具定义为刚体(RIGID)，刚体不需要进行单元划分，不需要考虑变形过程。通过节点约束法和节点透入惩罚法使接触节点沿模具法向的位移近似等于零。定义模具的摩擦系数为0.05。（3）冲头几何建模时，冲头也是由单条来描述的。在接触定义中，冲头同样被定义为刚体（RIGID），摩擦系数为0.05。在镦粗过程中，由于冲裁力无法事先确定，所以常通过定义刚性冲模的运动来进行控制。这里定义刚性模沿x负方向的速度为-10mm/s，从而提供镦粗工艺所需的冲裁力。（4）轴对称刚体几何模型的对称轴线为轴对称刚体（SYMMETRY）。3.1.5 网格重划分参数定义在弹塑性材料的大变形、大应变的分析中，MARC软件采用基于更新的拉格朗日参考系所描述的分析方法。这种分析方法有较多优点，但是，这种方法限制了单元的最大变形量。因为过大的变形可能造成单元发生严重畸变，从而使一次为参考构型的后继增量分析在低劣质量的网格上完成，影响了结果精度，甚至会导致分析的中止。为了使分析在足够的精度下进行，需要采用新的网格。并将原来旧网格中的状态变量映射到新划分的网格上面。网格重划分基本上有三个步骤：第一，用连续函数定义旧网格上所有的变量；第二，定义一个覆盖旧网格全域的新网格；最后，确定新网格单元积分点上的状态变量和节点变量6。本次分析的网格重划分参数的定义如图3.5所示。图3.5 网格重划分参数定义3.1.6 载荷工况和作业定义定义静力分析工况，总时间为1.2s，共用60步且等步长。选择已有工况；选择LARGE STRAIN选项，采用总体拉格朗日方法。选择Coulomb摩擦定律，摩擦力容差为0.05，选择等效Von Mises应力和最大等效塑性应变为后处理结果，单元类型为10号，四节点轴对称平面单元。3.1.7 后处理查看镦粗成形后金属坯料的变形及Mises应力（参见图3.6）、最大等效塑性应变分布（参见图3.7）。图3.6 Von Mises应力分布图3.7 最大等效塑性应变分布根据毛坯在镦粗过程中的网格以及应力应变的变化，可将镦粗毛坯分为三个区域：I区称为难变形区；区称为大变形区，受三向压应力作用,产生纵向压缩、切向和径向伸长的变形；区称为小变形区，变形是极不均匀，产生切向附加拉应力，严重时会引起开裂15-18。3.2摩擦系数对镦粗工艺过程的影响镦粗过程中，影响零件成形的因素有很多。在实际生产中，摩擦系数不仅对成形过程和成形极限产生重要的影响，而且也是影响镦粗过程的主要工艺参数。3.2.1 摩擦系数对应力的影响采用不同的摩擦系数分别对镦粗工艺过程进行模拟，观察不同摩擦系数下毛坯的应力分布情况，图3.8为摩擦系数f=0.05、0.10、0.15、0.20、0.25时变形区最大应力随增量步的变化情况。图3.8 不同摩擦系数下的Von mises应力变化曲线从图中可以看出，随着镦粗过程的进行，变形区的应力从零逐渐增大，直到材料的屈服极限。并且，在同一增量步时，随着摩擦系数的增大，变形区的应力也越大。3.2.2 摩擦系数对应变的影响不同的摩擦系数对应变的影响也不同，同样地，令摩擦系数f=0.05、0.10、0.15、0.20、0.25，此时的应变分布如图3.9所示。图3.8 不同摩擦系数下的最大等效应变变化曲线从图中可以看出，随着镦粗过程的进行，变形区得应变逐渐增大。而且，在同一增量步时，随着摩擦系数的增大，变形区的应变也越大19。3.2.3 摩擦系数对鼓形的影响为研究摩擦系数对毛坯镦粗后鼓形的影响变化，我们定义一个鼓形比变量，用以描述毛坯镦粗前后鼓形的变化程度，其表示形式如下： =2/1 （3.1）式中，1、2分别为鼓形的最小和最大直径。经过测量不同摩擦系数下鼓形的最大和最小直径，并由此得到鼓形比，得到下表3.1。表3.1 不同摩擦系数下的鼓形比f1/mm2/mm0.0521.2022.081.0420.1020.5522.281.0840.1520.7922.901.1010.2020.0322.601.1280.2519.2422.691.179由图表可以看出，摩擦系数越大，镦粗后毛坯形成的鼓形也越大，毛坯变形也越明显。3.3小结本章节主要讲述了利用MARC软件模拟镦粗过程的具体步骤，并讨论了摩擦系数对成形过程中应力应变分布以及鼓形的影响。对于优化成形方案，实际生产中选择合适的摩擦系数，提高生产效率具有很重要的意义。4 反挤压数值模拟4.1 分析步骤在进行反挤压成形时，要将镦粗后的棒料作为反挤压成形的毛坯。4.1.1 导出网格与修改模型打开镦粗成形的结果文件.t16，通过REZONE操作导出镦粗成形最终的变形后模型网格，并将其保存。再打开刚保存的模型文件，修改相应的几何模型，如图3.8所示。图4.1 反挤压有限元模型4.1.2 材料特性定义与镦粗模拟过程材料定义相同，略。4.1.3 接触定义定义四个接触体，检查接触方向。接触体1：金属坯料，摩擦系数为0.05，可变形体；接触体2：左部定模，摩擦系数为0.05，解析描述；接触体3：右部动模，摩擦系数为0.05，速度控制刚体，解析描述，速度为X向-10m/s；接触体4：轴对称刚体。4.1.4 网格重划分参数定义与镦粗成形过程相同，略。4.1.5 载荷工况和作业定义定义静力分析工况，总时间为0.75s，共用75步且等步长。选择已有工况；选择LARGE STRAIN选项，采用总体拉格朗日方法。选择Coulomb摩擦定律，摩擦系数为0.05，选择等效Von Mises应力和最大等效塑性应变为后处理结果，单元类型为10号，四节点轴对称平面单元。4.1.6 后处理图4.2、图4.3分别展示了金属坯料在挤压成形过程中不同时刻的应力应变的分布情况16。 a b c d图4.2 不同时刻（增量步）金属坯料的应力分布情况其中：a=19；b=32；c=65；d=75。 a b c d图4.3 不同时刻（增量步）金属坯料的应变分布情况其中：a=19；b=32；c=65；d=75。从图中可以看出，金属坯料在反挤压成形过程中，受挤压区域的应力应变较明显。实际生产中，应注意加强此部分的承载能力20。4.2 毛坯尺寸的优化研究为了研究毛坯尺寸对成形过程的应力应变分布，充满型腔的难易程度，延长模具的使用寿命，提高生产效率，结合实际情况，我们对质量一定的五种不同尺寸（参照表4.1）的毛坯进行了反挤压数值模拟。表4.1 毛坯尺寸方案方案号DmaxH123.308.85222.089.85321.0310.85420.1011.85519.2912.85每一种方案的金属坯料在模具中的充盈情况如图4.4所示。 方案1 方案2 方案3 方案4方案5图4.4 金属坯料在模具中的充盈情况从图中可以看出，方案1的金属坯料在模具型腔中充盈效果最好，其他方案中金属坯料的充盈均有较大的缺陷。图4.5 毛坯的最大等效应变各方案的毛坯在反挤压结束时的最大等效应变如图4.5所示。从中可以看出，方案4和方案5所受的最大等效应变较大，方案1和方案3中的毛坯所受的最大等效应变都比较小，但方案三中金属坯料的充盈情况较差。综上可知，方案1（由经验公式推算的毛坯尺寸）的毛坯尺寸，无论是成形后金属坯料的充盈情况，还是最大等效应变，都比较理想，是一种合理的尺寸方案。4.3 小结本章节主要讲述了十字轴轴套反挤压数值模拟的主要步骤，从中分析了实际生产中应当注意的强度问题；此外，本章节还对反挤压工序的最佳毛坯尺寸进行了探索，得出了适合生产的最佳尺寸方案。5 结 论本论文以十字轴轴套的成形工艺为研究对象，首先对其进行了相应的反挤压模具设计，后用非线性有限元分析软件MARC对其成形过程进行数值模拟，分析了成形过程中应力应变的变化规律以及摩擦系数对成形的影响规律，并且对反挤压的毛坯形状进行优化，具体结论如下：（1）根据对零件的分析与计算，得到了适合十字轴轴套大批量生产的最优成形工艺，包括以下几道工序：冷剪下料、抛丸、镦粗、退火、磷化和润滑、挤压成形；并设计了与样品零件相对应的模具和模具装配图。（2）通过利用MARC软件对十字轴轴套的成形过程进行模拟，得到了工件及模具的应力应变情况。在镦粗过程中，随着摩擦系数的增大，毛坯变形区所受的应力越小，应变越大，鼓形变化也越明显。（3）在反挤压成形过程中，通过对质量一定直径和高度不同的一系列毛坯进行反挤压仿真模拟，得出由经验公式推算的毛坯尺寸为适于反挤压成形的最佳尺寸。参 考 文 献1 杨煜. 国内外冷挤压技术发展综述J. 锻压机械, 2001,36(1):3-52 杨先海, 褚金奎, 尹明富, 郭晓宁. 有限元数值模拟技术及工程应用J. 机械设计与制造, 2003,(6):107-1083 马晓春, 沈卫兵. 有限元数值模拟技术在汽车冲压件成形中的应用J. 浙江工业大学学报, 2007,35(1):