（机械设计及理论专业论文）轿车等速万向节星形套成形模具优化设计.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，轿车等速万向节星形套成形模具 优化设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文 中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：瓠 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 学达 竺生年三月兰日 导师签名：星溘婆址年土月翻 摘要 星形套是球笼式等速万向节中的重要部件，该零件几何形状复杂，尺寸精度与机 械性能要求很高，导致其成形过程非常复杂，效率低下。随着汽车需求量的飞速增长， 迫切需要对万向节星形套的成形过程进行研究与改进。 本文以星形套闭式模锻加工方法为研究对象，对其成型模具及工艺参数进行了设 计与优化。用数学方法对外形不规则零件的体积进行求解；确定了毛坯的尺寸；建立 了零件、模具以及毛坯的三维模型，采用数值模拟的方法，借助非线性数值模拟软件 _ d e f o r m 一3 d 比较了模具设置两种多余金属分流腔的成形优劣；分析了不同圆角值对 于成形结果的影响；对闭式冷锻星形套的成形过程进行了模拟，通过软件模拟结果预 测出零件可能出现的缺陷，优化了模具形状。同时由模拟结果得到了成形过程中一些 有代表性的状态点的等效应力、等效应变以及速度场分布，归纳出了零件在各个阶段 的成形特点。 本文所得到的成形过程中的一些应力应变以及速度场分布图能够对实际生产设 计和研究工作起到一定的指导意义。而通过本文生成的星形套冷锻模型，还可以将其 应用到其他成形方法的研究过程中，分析一些主要的设计参数对金属成形过程的影 响，从而给该零件的工艺优化设计提供一定的帮助。 关键词：星形套闭式冷锻数值模拟优化设计 a b s t r a c t s t a r l i k ei n n e rr a c ei sai m p o r t a n tp a r to f c a g e t y p ec o n s t a n tv e l o c i t yj o i n t ，t h e r ei sh i g h r e q u i r e m e n ta b o u tt h ep a r tg e o m e t r yc o m p l e x i t y , h i g hs i z ep r e c i s i o na n dm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e ，s ot h ef o r m i n gp r o c e s si sv e r yc o m p l e xa n di n e f f i c i e n t w i mt h er a p i dg r o w t h o fv e h i c l ed e m a n d ，r e s e a r c ha n di m p r o v e m e n ta b o u tt h em o l d i n gp r o c e s so fs t a r l i k ei n n e r r a c eo fu n i v e r s a lj o i n ti su r g e n t l yn e e d e d i nt h i sp a p e r , w i t hc l o s e d - d i ef o r g i n gp r o c e s s i n gm e t h o d so fs t a r l i k ei n n e rr a c ef o rt h e s t u d yi t e m ，d e s i g na n do p t i m i z ei t sm o l da n dp a r a m e t e r so fp r o c e s s m a t h e m a t i c a lm e t h o di s u s i n gf o rt h ev o l u m es o l u t i o no fi n t e g r a lp a r t so fi r r e g u l a rs h a p e ；d e t e r m i n i n gt h es i z eo ft h e w o r kp i e c e ；g e n e r a t et h e3 dm o d e l sf o rp a r tr a wm a t e r i a la n dw o r kp i e c e ；u s i n gn u m e r i c a l a n a l y s i sm e t h o da n dn o n - l i n e a rn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e d e f o r m 3 dc o m p a r e dt h e d i f f e r e n te f f e c t sb e t w e e nt w ok i n d so fe x c e s sm e t a ls h u n tc a v i t yf o rf o r m i n g ；a n a l y s i st h e e f f e c t so fd i f f e r e n tv a l u e sf o rt h er o u n d e ds h a p e ；s i m u l a t e dt h ef o r g i n gp r o c e s so fs t a r l i k e i n n e rr a c e ，p r e d i c tt h e p o s s i b l ed e f e c t si np a r t st h r o u g hs o f t w a r es i m u l a t i o nr e s u l t s ； c o n c l u d e dt h eo p t i m i z e ds h a p eo ft h em o l d a c c o m p a n i e db yaf o r m i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n r e s u l t so b t a i n e di nt h es t a t eo fs o m er e p r e s e n t a t i v ep o i n t so fe q u i v a l e n ts t r e s s ，e q u i v a l e n t s t r a i na n dv e l o c i t yf i e l dd i s t r i b u t i o n ，s u mu pa l ls t a g e so ft h ef o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c s s o m eo ft h ef o r m i n gp r o c e s ss t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o no b t a i n e di n t h i sp a p e ri s h e l p f u li na c t u a lp r o d u c td e s i g na n dr e s e a r c h n 圮3 dm o d e lw h i c hg e n e r a t e di ns i m u l a t i o n p r o c e s s ，c a na l s ob ea p p l i e dt oo t h e rf o r m i n gm e t h o d sr e s e a r c ha c t i v i t i e s 。a n a l y z et h e i n f l u e n c eo fs o m em a j o rd e s i g np a r a m e t e r so ft h em e t a lf o r m i n gp r o c e s s e s ，t h u sw i l lg i v ea o 朗协h e l po nt h ep r o c e s so p t i m i z a t i o na n dd e s i g n k e yw o r d s ：s t a r l i k ei n n e rr a c e c o l dc l o s e d d i ef o r g i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o n o p t i m i z a t i o nd e s i g n u 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 国内外冷精密锻造技术的发展现状l 1 3 万向节及星形套工作原理3 1 4 课题研究的内容和意义6 第二章星形套成形工艺研究8 2 1 引言8 2 2 模锻成形加工工艺介绍8 2 3 星形套闭式模锻成形技术概述“ 2 4 星形套成形难点及问题1 3 2 5 轿车等速万向节星形套模锻成形关键技术研究1 4 第三章星形套闭式模锻模具设计2 2 3 1 坯料体积计算2 2 3 2 挤压力计算一2 5 3 3 模具结构设计2 6 第四章三维有限元数值模拟理论3 0 4 1 引言一3 0 4 2 刚塑性刚粘塑性有限元基础3 0 4 3 刚塑性刚粘塑性材料的广义变分原理3l 4 4 刚塑性刚粘塑性有限元求解步骤3 3 第五章星形套闭式模锻成形过程模拟及工艺优化3 6 5 1 数值模拟过程3 6 5 2 模具结构的优化一4 4 5 3 成形过程仿真及结果分析5 5 5 4 本章小结6 9 结论7 0 致谢7 2 参考文献7 3 i i i 第一章绪论 1 1 引言 近年来，随着以汽车工业为代表的机械工业飞速发展和日趋白热化的国际市场竞 争，提高零部件精度与性能、实现设计过程的高效率、低成本与生产工艺的低能耗已 成为制造业提高市场竞争力的唯一途径。沿袭多年的普通切削加工技术和粗放型的塑 性加工制坯工艺已难以满足目前的生产要求，因此塑性加工技术逐渐从传统型向生产 少、无加工余量的近形件转化，精密塑性成形已经成为塑性成形技术的主流趋势。 精密塑性成形技术作为先进制造技术的重要组成部分，是使金属材料在模具和锻 压设备作用下发生变形，获得所需的形状、尺寸和性能的制作加工过程。由于具有生 产效率高、生产费用低，适合于大批量生产的特点，精密塑性成形，尤其是冷精密体 积成形技术，在现今的汽车工业发达国家得到了快速发展并发挥重要作用。应用该类 技术带来了巨大的经济效益并大大提高了制造行业的生产水平乜3 。 精密成形技术主要有以下一些特点口1 ： ( 1 ) 近净成形毛坯具有很高的尺寸及形位精度，为后续加工过程提供了理想的毛 坯： ( 2 ) 对于净成形零件，除关键部分以外，绝大多数部分无需后续加工，这大大降低 了对于原材料的消耗； ( 3 ) 生产率的提高、能源消耗以及制造成本的降低，使制造周期缩短，提高了产品 的竞争力； ( 4 ) 与经传统切削加工的产品相比较，精密成形产品的性能和质量有很大提高； ( 5 ) 相比传统成形工艺，改善了以往恶劣的生产条件，对环境的污染大大减少。并 且，在冷精密成形方面，由于简化了热处理工序和无飞边工艺的普及，大幅减低了能 源消耗和环境污染，使该项技术更加符合绿色制造的趋势，为实现可持续发展奠定了 基础。 1 2 国内外冷精密锻造技术的发展现状 在汽车工业发达的国家，冷精密锻造技术已经从最初生产普通精度的简单机械零 件向生产汽车上的高精度复杂锻件方向发展，其中最受业内关注的是以精密冷塑性成 形技术为背景的轿车复杂零件的成形制造。 冷精密锻造技术是一种古老的传统加工工艺，其发展经历了漫长的历史过程。早 在古时候，人类的祖先就用锤打金银等软质金属的方式来制作形状各异的器具与装饰 品。十九世纪末，英、法、德等国开始尝试冷挤压生产质地较软的有色金属零部件。 一战期间，美国采用冷挤压法大量生产黄铜弹壳，并曾试图如法炮制生产钢质弹壳但 未能成功，因为当时还没有可用作模具材料的工具钢，也没有良好的表面处理和润滑 方法。一战后，德国于1 9 2 1 年制造出专用于冷挤钢管的压力机，经过不断摸索才在1 0 年后再实验室里试制成功钢管的冷挤成形，但由于钢在挤压时变形抗力过大，找不到 合适的模具材料和表面润滑处理方法等原因，仍不能正式投入生产。 二战前夕，德国为了扩大弹壳的产量，通过实验找到了用表面磷化、皂化处理坯 料，并用合金工具钢作为模具材料的处理工艺，成功地用冷挤压技术实现了钢质弹壳 的大批量生产，在世界范围内引起了巨大的轰动h 3 。 二战结束后冷锻加工技术开始由军用向民用转化。从上世纪5 0 年代开始，美、德 等国将冷锻技术应用于汽车零件的生产，并进一步开展了冷锻用钢研究工作。如今在 德国，汽车冷锻零件的七成以上是应用在轿车中的；在欧洲，轿车冷锻件的总产量达 到每年2 0 万吨以上。这些零件代替了以往的机加或热锻零件，被广泛用于变速箱、差 速器、发动机、传动和转向系统等关键部件中。一项统计结果表明：德国冷锻件产量 的增加已远远高出轿车产量的增长，冷锻成形工艺的应用范围及其在轿车零件中的品 种不断扩大。日本在5 0 年代开始引进专用冷挤压力机，首先在钟表等精密仪器工业中 采用冷挤压加工。6 0 年代，随着日本汽车工业的发展，冷锻技术也得到了长足的进步。 到了8 0 年代日本轿车中的锻造零件已有3 0 0 5 - - 4 0 0 $ 是采用冷锻工艺生产的。如今，德国 和日本已经成为钢质零件冷锻技术最先进的国家。 当代国外的冷锻工艺具有如下特点： ( 1 ) 冷锻已由单工位发展到多工位生产，以合理减少每工序的变形量，减轻模具 负荷，增加模具寿命，提高工艺稳定性； ( 2 ) 由冷锻发展到温锻，进而又由温锻发展到温冷联合成形工艺，以适应大型高 精度零部件的生产； ( 3 ) 闭式锻造工艺的应用越来越广泛。由于可在一次变形工序中获得较大的变形 量和复杂的型面，并具有高效率及较高的模具寿命，因此闭式锻造特别适合复杂零件 的精密成形。现已发展了闭式锻造专用压力机和在通用单动压力机上实现闭式锻造的 专用模架； ( 4 ) 冷锻专业化生产程度越来越高，锻造专业厂、专业模具厂迅猛发展； ( 5 ) 冷锻设备得到充分的发展，高质量、高性能的多工位冷锻压力机、闭式锻造 专用压力机等获得了广泛的应用； ( 6 ) 冷锻用钢专门化。美国、德国、日本等都根据本国的资源情况发展了冷锻专 用钢。冷锻专用钢的开发和使用，不仅使冷锻生产效率有很大提高，更主要是从材料 上充分满足了冷锻的工艺要求，提高了冷锻工艺水平，降低了冷锻成本。冷锻专用钢 的发展和冷锻技术的发展互相促进，形成了良性循环； ( 7 ) 成形零部件品种越来越多，体积越来越大，形状越来越复杂。冷锻零部件由 传统的活塞销、轮胎螺母、球头销等发展到等速万向节、发电机爪极、伞齿轮、十字 轴、三销轴、变速器、螺旋传动齿轮、汽车后轮轴等； 2 ( 8 ) 计算机应用技术得到广泛应用。由于冷锻零件的复杂性及市场对于开发周期、 制件质量及成本的要求，以有限元技术为先导与核心的数值模拟与分析技术c a e 已成为冷温成形研究与应用中的重要组成部分。c a d c a m c a e 技术已广泛地应用于模具 设计、工艺设计和模具失效分析领域。 与国外相比，我国从十九世纪6 0 年代就开始了冷锻技术的研究工作，几乎与日本 同时起步，当时主要是从自行车零件开始发展h 1 。上海交通大学、清华大学、北京机电 研究所以及重庆5 9 研究所等科研院校都对冷锻技术有过专门研究，在冷锻技术的研究 与推广上起到过重要作用，研究水平一直紧跟国外先进水平，在六、七十年代曾形成 过轰轰烈烈的局面。如当时的二汽标准件厂就主要以冷锻生产工艺来建设；桂林电器 科学研究所在七十年代就完成了花键轴的冷挤压加工；上海交通大学在冷锻应用方面 更是硕果累累。但是，到了8 0 年代，冷锻技术研究工作却一度停滞不前了，究其原因， 一方面是汽车工业不发达，使冷锻生产技术找不到发挥其巨大优势的用武之地；另一 方面，缺少冷锻专用压力机和冷锻专用钢材以及冷锻模具钢供应不足影响了冷锻技术 的发展。9 0 年代以后，由于中国的汽车工业有了较快的发展，市场需求和产品竞争促 使冷锻技术的开发应用上升到一个新的水平，表现在冷锻件的复杂程度、净形程度和 精度均显著提高。同时，通过引进国外先进技术，一些大型的专用冷、温锻压力机和 高精度模具加工设备也逐渐配备起来。目前，以江苏大丰森威集团汽车精锻件厂、扬 州太平洋精密锻造有限公司和江苏飞船股份有限公司为代表的国内冷锻企业已能生产 汽车用等速万向节、伞齿轮、花键轴、自行车飞轮、内燃机用火花塞、活塞销以及照 相机零件等复杂冷锻件产品。 有关专家指出，以轿车工业的迅速发展为契机，推动我国冷精锻及其相关技术的 发展与进步，使我国冷精锻技术进入世界先进行列，是国内塑性加工业现在乃至未来 数年的主攻目标。 1 3 万向节及星形套工作原理 等速万向节是轿车传动系统中的重要部件，其作用是将发动机的动力从变速器平 稳、可靠的传递给两个前车轮，满足轿车传动轴外端转角的要求；补偿轿车内端悬架 的跳动，驱动轿车高速行驶砸1 。 用于轿车的等速万向节类型很多，其中应用最多的是球笼式等速万向节，它主要 由滑套、三向轴、传动轴、星形套、保持架、钟形壳等主要零件组成。由于等速万向 节传递繁重的驱动力矩，随受负荷重，传动精度高，需求量很大，又是安全件，因此 其主要零件均采用精锻件加工而成。 1 3 1 万向节工作原理 万向节，英文名称u n i v e r s a lj o i n t ，是实现变角度动力传递、利用球型连接实现 不同轴的动力传送的机械结构，用于需要改变传动轴线方向的位置。它是汽车传动系 统中一个很重要的部件。 3 万向节与传动轴组合，称为万向节传动装置。在前置发动机后轮驱动的车辆上， 万向节传动装置安装在变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间；而前置发动机前 轮驱动的车辆省略了传动轴，万向节安装在既负责驱动又负责转向的前桥半轴与车轮 之间引。 万向节的结构和作用可以类比于人体四肢的关节，它允许被连接的运动件之间的 夹角在一定范围内变化。为满足在传递扭矩的同时吸收由于转向和汽车运行时上下震 动所造成的角度变化，前驱动汽车的驱动桥，半轴与轮轴之间常用万向节相连。但由 于受到轴向尺寸较小与要求偏角较大的矛盾限制，单独的万向节不能满足输出轴与输 入轴的瞬时角速度相等，容易造成振动，加剧机件的损坏，产生很大的噪音，所以广 泛采用等速万向节代替单一万向节，它可以保证输出轴与轴入轴的瞬时角速度始终相 a 盘 守0 按万向节在扭转方向上是否有明显的弹性可分为刚性万向节和挠性万向节。刚性 万向节又可分为不等速万向节( 常用的为十字轴式) 、准等速万向节( 如双联式万向节) 和等速万向节( 如球笼式万向节) 三种。其中等速万向节，英文名称为c vj o i n t ( c o n s t a n tv e l o c i t yj o i n t ) ，是主动轴与从动轴的转速( 角速度) 相等的万向节。 等速万向节的原理和圆锥齿轮啮合的道理相似，由于传力点的位置总是处于两轴 夹角的平分面上，因而保证了等速运动。等速万向节的缺点是结构比较复杂，制造工 艺精密，成本较高，因此还不能完全代替普通万向节。 等速万向节的出现，大大推动了前轮驱动汽车和全轮驱动汽车的发展。本文研究 的星形套应用在球笼式等速万向节中。 球笼式万向节的结构如图卜1 、卜2 所示。 图卜l 球笼式等速万向节原理图 4 囤t 。星形套外观囤 1 4 课题研究的内容和意义 星形套模锻成形工艺涉及的工艺参数较多，除了设计模具的形状、模具整体结构 布局以外，还要选择合理的毛坯尺寸，做好毛坯的软化及润滑处理等。通过对锻造过 程中的工艺参数研究，可以实现星形套的闭式模锻成形优化。 本论文研究的主要内容是： ( 1 ) 综合论述了冷精密锻造技术的国内外发展现状及研究意义。 ( 2 ) 针对轿车等速万向节星形套的特点，分析其近形加工的原理，总结各种加工方 法的特点、加工精度和适用范围。根据星形套的尺寸，选择最适合成形轿车等速万向 节星形套的方法和加工工艺。 ( 3 ) 根据闭式锻造工艺原理，对星形套锻模结构进行设计，分别讨论毛坯尺寸的确 定、模具组合方式的选择以及分流腔的设置，设计成形星形套的模具结构，通过 d e f o i o t i - 3 d 软件对设计模具的成形能力进行模拟，分为填充不满与配料体积过大两种情 况预测星形套成形缺陷，分析产生缺陷的部位并对模具进行相应的优化设计。 ( 4 ) 采用d e f o i o f - 3 d 软件对星形套成形过程进行三维数值模拟，通过成形仿真，跟 踪成形过程，探索星形套锻造过程中内部应力分布、应变大小以及金属流动方向等， 从而总结出星形套锻造的成形规律。 轿车等速万向节星形套是轿车等速传动系统中的重要零件，其成形过程复杂，涉 及到许多过程参数，例如工件及模具的形状、几何尺寸、材料性能、摩擦边界条件及 有限变形等，因此，难以用理论解析方法来对成形过程进行求解。而物理模拟与试验 分析都有局限性，所以采用计算机有限元模拟星形套冷锻成形过程就显得非常重要。 通过有限元模拟，可给出成形过程中坯料几何形状、应力应变场及速度场分布等数据， 并据此分析出现质量缺陷的原因，从而能及时改进成形工艺和模具结构，最终达到提 高生产效率，降低成本的目的。 冷闭式锻造技术是在封闭的模腔中采用复动式凸模在一个方向或多个方向施加不 同的压力，使毛坯产生多向流动，从而在一道变形工序中获得较大的变形量和复杂的 型面，完成复杂零件塑性成形。冷闭式锻造技术特别适合生产类似差速器伞齿轮、等 速万向节星形套、十字轴、三销轴等形状复杂、性能要求高、制造精度高、加工难度 大的轿车关键零部件。等速万向节星形套的冷闭式锻造成形，与传统模锻制坯再切削 加工的制造方法相比具有如下优点： ( 1 ) 节省材料、降低成本。星形套冷闭式锻造技术可实现对毛坯的少无切削加工， 显著提高材料利用率，节省大量的优质钢材、大幅度降低生产成本。 ( 2 ) 节省工时、提高生产效率。采用冷闭式锻造工艺易于充填模具型腔、角隅，生 产稳定性好尺寸精度高，可在室温下通过一次变形工序同时获得较大的变形量和复杂 的形状，一次成形星形套毛坯，省去了大量机加工工时，大幅度提高了生产效率。 6 ( 3 ) 降低能源消耗、节省设备投资。冷闭式锻造属无飞边、复动精密成形，工作压 力小、成形载荷低，可大幅度降低成形设备吨位；同时，由于少无切削加工，总工序 的减少带来了设备投资、刀具消耗及燃料动力费用等的大幅度降低，节省了能源消耗。 ( 4 ) 成形件综合性能优良。冷闭式锻造精密成形，能在成形件内部形成致密均匀的 材料组织，金属流线沿表面轮廓连续、分布合理，形成表面加工硬化层以及圆滑过渡 的圆角沟槽。由于冷闭式锻造精密成形制件的主要轮廓( 如齿轮齿面) 不再进行机加工， 这种合理的金属纤维及良好的表层组织并不破坏，从而大大提高零件的耐磨性、机械 性能与疲劳寿命等。 星形套闭式锻造成形目前在我国经验较少，加之产品精度要求高、成形过程复杂， 模具设计与加工存在较大难度，产品质量难以保障。因此采用数值模拟技术进行工艺 分析、过程模拟、优化设计是十分必要的，研究结果对于指导生产具有重大意义。 7 第二章星形套成形工艺研究 2 1 引言 星形套冷精锻工艺的生产率比切削加工要高几倍到几十倍，材料利用率达 7 0 - - , 8 0 0 $ ，冷精锻件尺寸精度高、表面质量好、机械性能好，这是其他塑性成形 技术所无法比拟的。本章就将对星形套的成形工艺过程以及关键工艺参数进行研 究。 2 2 模锻成形加工工艺介绍 利用模具使坯料变形而获得锻件的锻造方法称为模锻。模具装在锻压设备 上，当设备受到驱动并且带着模具闭合时，模具迫使坯料进行塑性变形，通过控 制模具的腔体形状引导金属变形流动的方向，使其最终充满整个模膛，形成形状 与模具型腔轮廓完全一致的锻件。 模锻按照成形方式可以分为开式模锻、闭式模锻、挤压和顶镦四类。了解各 种成形方法的成形特征和金属流动规律，合理的设计工艺和模具结构，可以降低 模锻变形力、减小模具危险点应力，低成本生产处高质量的模锻件嘲。 2 2 1 开式模锻 1 开式模锻在锻造过程中，上模和下模间的间隙不断变化，到变形结束时， 上下模完全打靠。一般从毛坯开始接触模具到上下模打靠，锻造毛坯最大外扩的 四周始终敞开，即飞边的仓部并未完全充满，锻造过程中形成横向飞边，飞边既 能帮助锻件充满模膛，也可放松对毛坯体积的要求。飞边属于工艺废料，一般在 后续工序中切除嘲。 图2 - 1 开式模锻示意图 飞边 8 2 开式模锻的成形过程如图2 2 可分为3 个阶段： 行程s 坯料接触梗膛 梗锻结柬 图2 - 2 开式模锻成形过程锻造力一行程曲线 ( 1 ) 锻粗阶段：此时整个坯料都产生变形，在坯料内部存在分流面。分流面 外的坯料金属流向法兰部分，分流面内的金属流向凸台部分。 、 、 r 弋 n 卜吖 心心1 汀 嘭 ， l 7 ， 部 萝 ( 够蓬 卅 。 擦阻力 图2 - 3 开式模锻镦粗阶段图2 - 4 开式模锻充满模膛阶段 ( 2 ) 充满模膛阶段：这时下模膛已经充满，而凸台部分尚未充满，金属开始 流入飞边槽。随着桥部金属的变薄，金属流入飞边的阻力增大，迫使金属流向凸 台和角部，直到充满模膛，变形区仍然遍布整个坯料。 ( 3 ) 打靠阶段：此时上模和下模的距离为零，金属已完全充满模膛，但上、 下模面尚未打靠( 模锻结束时要打靠) 。此时多余金属挤入飞边槽，锻造变形力急 剧上升。此时变形区已经缩小为模锻件中心部分的区域。 穸 、 飞 篷日蜢翟兰：国 lj 图2 - 5 开式模锻打靠阶段 9 2 2 2 闭式模锻 闭式锻造是近年来发展十分迅速的精密成形方法，成形过程如图2 - 6 ： 图2 6 闭式锻造过程示意图 a 一模锻开始；b 一模锻过程；c 一成形结果 闭式模锻一般用于轴对称件，其成形过程为：先将可分凹模闭合，并对闭合 的凹模施以足够的合模力，然后用一个冲头或多个冲头，从一个方向或多个方向 对模膛内的坯料进行锻造成形。对于不同形状的零件，闭式锻造时金属的变形流 动情况是不一样的。冲头下部( 或前端) 被挤出的金属或仅径向流动，或同时沿径 向和轴向流动。 闭式锻造也称为闭模挤压，是从径向挤压发展过来的，最初用于生产十字轴 等带有枝权的锻件，近年来开始用于生产锥形齿轮、轮毂螺母等零件，锥形齿轮 冷态闭式锻造新工艺，使所锻齿轮的精度已经达到了轿车齿轮的要求，而且可以 获得比热精锻更高的模具寿命。由于闭式锻造时在一次变形工序中可以获得较大 的变形量和复杂的型面，因此，特别适合复杂形状零件的成形。 闭式锻造的优点： ( 1 ) 生产效率高，一次成形便可以获得形状复杂的精锻件； ( 2 ) 由于成形过程中坯料处于三向压应力状态，适于成形低塑性材料； ( 3 ) 金属流线沿锻件外形连续分布。 综上，锻件的力学性能将得到提升。 闭式锻造要求坯料下料准确，少无氧化加热，成形时应有良好的润滑，并要 求在模膛内最后充填的部位设有仓部，以容纳模膛充满后多余的金属。 闭式锻造可在专用的双动压力机上进行，也可在一般压力机上采用专用的模 具来实现。用于闭式锻造的模具可以采用全液压式专用模具，也可以采用液压一 刚性元件机械传动式模具、刚性元件机械传动式模具或弹性元件机械传动式模 具，视成形零件的具体形状、尺寸、材质和生产批量大小而定。 成形过程分析 闭式模锻过程可分为3 个阶段1 ： 1 0 卜 卜孥审 ( 1 ) 第一阶段为初始成形阶段，由上模与坯料接触，坯料开始变形到坯料与 模膛侧壁接触为止，此变形力增加较慢。根据锻件和坯料的不同情况，金属在此 阶段的变形流动分别为镦粗成形、压入成形、镦粗兼压入成形等几种方式。 ( 2 ) 第二阶段是充填阶段，由第一阶段结束到金属充满模膛为止，此阶段的 变形力比第阶段增大2 - 3 倍，但压下量很小。无论第一阶段以什么方式成形， 在第二阶段的变形情况都类似。此阶段开始时，坯料端部的锥形区和坯料中心区 都处于( 或接近于) 三向等压应力状态，不易发生塑性变形。坯料的变形区仅位于 未充满处附近的两个刚性区之间。 ( 3 ) 第三阶段是形成纵向飞刺阶段。此时坯料基本上已经成为不变形的刚体， 只有在极大的模锻力的作用下才能使端部金属产生变形，形成纵向飞刺。飞刺越 薄、越高，模锻力越大，模膛侧壁所受的压力也越大。 针对上述分析可确定模具优化的准则： ( 1 ) 闭式模锻过程宜在第二阶段末结束，允许在角隙处有少许充不满。 ( 2 ) 模壁的受力情况与锻件的高径比h d 值的大小有关。h d 值越小，模 壁的受力情况越好。 ( 3 ) 合适的坯料形状和在模膛中的正确定位对金属分布的均匀性有重要影 响。坯料形状不合适或定位不正确，将会使锻件一边产生飞刺，而另一边未充满。 在生产中，整体变形的坯料一般以外形定位，局部变形的坯料则以不变形部分定 位。 2 3 星形套闭式模锻成形技术概述 轿车等速万向节星形套制件几何形状复杂，产品的尺寸精度、表面粗糙度、 内部金相组织性能和力学性能要求严格。该件闭式冷精锻成形难度大，充填过程 复杂，材料流动性差，成形载荷大，产品质量与模具寿命不易保证，严重影响其 实用进程。试验研究表明，星形套闭式冷精锻成形过程中，其工艺方案的选择对 其成形性与成形载荷有较大影响，而其他如模具材料、模具型腔形状、加工精度、 润滑等参数对最终成形也起着很重要的作用。星形套的理想锻件不仅应具有符合 设计要求的精确外形，而且应具有均匀的变形、合理分布的变形力和理想的质量 ( 无宏观和微观缺陷) 等。上述各个方面，都是精密锻造生产所追求的目标，因此 对锻造过程优化设计进行多目标优化十分必要，但目前这方面的研究还比较少。 2 3 1 传统星形套成形方法 传统星形套采用开式模锻的方法制坯辅以切削加工，其工作原理如图2 7 所示。 图2 7 普通开式模锻星形套 模具分为上下两件，锻造动作较简单，模具设计也容易，开式模锻较胎模锻、 自由锻有更高的精度h 1 。但因锻造与合模同时进行，冲挤力与合模力无法实现单 独控制，所以会出现如下情况：a 冲挤力不足，模具型腔填充不满而影响锻件精 度；b 合模不严或合模与金属锻造同时进行易出现飞边，坯料金属被挤入分模面， 影响合模，降低模具寿命；c 无法完成多向锻造的动作，在生产复杂锻件时受到 局限。传统的星形套成形过程中主要存在以下三个方面的缺陷：( 1 ) 外侧弧面型 腔充填不饱满；( 2 ) 成形力过高；( 3 ) 模具寿命低。在开式锻造工艺中，由于外侧 型腔的角隅难以充满，导致产品的精度达不到要求；由于成形力过高，导致工作 载荷过大、模具寿命低。因此，型腔充填不满和成形力过高是导致星形套精锻工 艺难以实用化的根本原因。所以，在开展星形套成形新工艺研究时，就要从改善 星形套的充填性和降低成形力两方面来着手。正因为普通开式模锻的缺点，才把 人们的思路引到闭式模锻工艺上来，闭式模锻的突出特点就是把合模与冲挤分 开，这样一来将成形力分为合模力与冲挤力两部分，分别由凹模和凸模施加，降 低了成形力，而且可以进行多项同步或顺序锻造，改善了零件的填充性，通过合 理布置分模面可以生产出形状复杂的高精度锻件，圆满的解决普通开式模锻的两 大成形难题。 2 3 2 轿车等速万向节星形套冷锻技术的现状 近年来，冷锻技术得到了大力发展，国外已较普遍采用冷精锻工艺生产低碳 钢、中碳钢和合金钢零件，重量由几克到几十公斤。国外发达国家如德国和日本 先后研究开发了闭式冷精锻工艺生产星形套制件，在我国，据相关数据显示，九 五期间在国家科技攻关项目的带动下，我国星形套等关键零部件冷闭式锻造新技 术在设备、工艺模具和生产线成套技术各方面都有不同程度的开发应用，缩小了 与国外先进水平的差距。其中理论研究方面，吉林大学的梁继才教授对于星形套 的闭塞模锻模架的设计方面进行了深入研究，发明了使用通用压力机实现多动作 闭塞模锻的模架并投入实际生产。另外付沛福、程万军、赵立辉、黄良驹、朱志 1 2 伟等学者也在星形套成形方面作了大量研究并发表论文，主要采用聚氨酯材料光 塑性成形辅以成形台架试验，结合m a r c 、d e f o r m - 3 d 等大变形有限元分析软件分 析优化的手段进行零件锻造过程的成形模拟以及模具的优化。在生产方面，目前 国内专业的星形套生产厂家有浙江万向机械有限公司，上海纳铁福公司，吉林万 向节有限公司等，主要采用的是切削加工热锻圆饼状毛坯或切削结合少量磨削加 工精锻毛坯的方式生产n 引。 2 3 3 星形套闭式模锻成形技术 如前文介绍，闭式锻造是指将一个或多个冲头挤入封闭凹模型腔中的毛坯， 进而获得形状复杂零件的一种锻造工艺过程。闭式锻造适于成形圆锥齿轮、管接 头、十字轴、星形套等产品，该工艺对于减小变形力，提高材料利用率与零件机 械性能，降低生产成本等具有不可比拟的优越性。 图2 - 8 是星形套闭式模锻原理图。图中上冲头l 连同上凹模2 下行，与下凹 模3 闭合形成封闭空间，对闭合凹模施加合模力，上冲头1 与下冲头4 一起对坯 料5 进行双向闭模锻压。这种方法通过一次成形即可获得复杂形状的无飞边精锻 件，同时金属流线连续、致密，尺寸精度和内在质量与普通模锻相比显著提高。 以 卜上冲头；2 一上凹模：3 一下凹模；4 一下冲头；5 一坯料 图2 - 8 星形套闭式模锻原理 2 4 星形套成形难点及问题 星形套的冷锻成形由于其独特的几何形状，既有齿形类零件角隅处容易发生 填充不满的通病，又有因其自身内外滚道偏心带来的模具加工以及分模困难等一 系列限制因素，这些都需要通过对相关模具参数的分析与优化来解决。选择闭式 模锻加工的目的是为了得到较高精度的毛坯，减少后续机加的工序以提高效率， 这也无形中对成形模具的设计甚至还有坯料的选择与处理都提出了更高的要求， 这些都是需要特殊注意的成形难点问题。 成形质量好坏的直接根源就是模具，精密模锻件要达到较高精度，往往要采 用专用设备和专用模具。精密模锻件模具的设计程序是根据锻件图、工艺参数， 金属流动分析等确定出模具工作零件的结构、材料、硬度等，并确定从模膛中迅 速取出锻件的方法，然后进行模具的整体和零件设计，确定每个零件的加工精度、 表面粗糙度等级和技术条件，这也为本论文后续的研究指出了方向。 2 5 轿车等速万向节星形套模锻成形关键技术研究 本节将根据图2 9 所示的星形套零件图对成形该零件的关键技术进行研究。 ：1 丝洳 ， r 1 h 1 励 飞 伍r 九 甘 i o o n |：i 芦 j 8 隧, 芬萼 凹 厂i l 一 1 6 一 - 4 l 审 s m 0 0 2bc 卜 4 o 14i 2 8 沟 a 图2 一星形套零件图 2 5 1 分模面的选择 确定分模面位置的最基本原则是保证锻件形状尽可能与零件形状相同，以及 锻件容易从锻模模膛中取出。确定分模面时，应考虑以镦粗成形为主，使锻件容 易成形。此外还应提高材料利用率。 分模面的位置与模锻方法直接有关，而且它决定着锻件内部金属纤维( 流线) 方向。金属纤维方向对锻件性能有较大影响。合理的锻件设计应使最大载荷方向 与金属纤维方向一致。若锻件的主要工作应力是多向的，则应设法造成与其相应 的多向金属纤维。为此，必须将锻件材料的各向异性与零件外形联系起来考虑， 选择恰当的分模面，保证锻件内部的金属纤维方向与主要工作应力一致。 在满足上述原则的基础上，为了保证生产过程可靠和锻件品质稳定，锻件分 模位置一般都选择在具有最大轮廓线的地方。此外，还应考虑： ( 1 ) 尽可能采取直线分模，使锻模结构简单，防止上下模错移。 1 4 ( 2 ) 尽可能将分模位置选在锻件侧面中部，以便于在生产过程中发现上下模 错移。 ( 3 ) 圆饼类零件应采取径向分模，不宜采取轴向分模，因为圆形模膛易于车 削加工，能够提高模具加工速度。 ( 4 ) 锻件形状较复杂的部分应该尽量安排在上模，因为在冲击力的作用下， 上模的充填性较好。 星形套的形状比较复杂，其特点是6 个圆弧滚道沟的沟底圆和外圆不同心， 如图2 - 1 0 所示，存在4 5 r a m 的偏心距，沿中心面n n 平面分模，将使沟底圆最 大截面不在分模面上，这在型腔电火花加工时将在沟底圆上形成一个4 5 r a m 的直 段，从而使沟底圆上形成一个小台阶，如图a 所示。因沟道是工作面，要用专 用砂轮进行磨削，出现小台阶将造成砂轮磨削不均匀，故不宜以n - n 平面分模； 若以沟底圆最大界面m m 平面分模，如图b 所示，则外圆最大截面又不在分模 面上，同理，加工型腔时外弧也会形成4 5 r a m 的直段，从而使外弧沟由一段圆柱 面和两段圆弧面构成，而圆柱面的直径比理论上圆弧面的最大直径小，其差值为 2 a h 。经计算： 厂：= - r ： a l l = r 棚一尺一4 5 2 = 3 0 2 4 3 0 2 2 4 5 2 0 3 3 7 m m 由于外弧是非工作面，只进行精车加工( 留有0 5 r a m 的车削量) ，0 3 3 7 m m 的 直径差对于车削加工不成问题。 另一种方案如图c 所示，分别都以内、外弧最大截面为分模面，中间以斜 面过度，这样内、外弧上都不会有小台阶了，但这样以来分模面p - p 就是折面了， 这对模具加工很不方便，将使成本增高，故选卜m 平面为分模面。 生群堕巍i p1 _ r。h f、 厂 k f 。 ， i ，j o l ，l z r1 j _厂 一 、 ( 。 。 1 ，i ， j ol z n i l l p abc 图2 - 1 0 分模面的选择 a - n _ n 面分模：b 叫_ m 面分模；c - p - p 面分模 1 5 2 5 2 零件体积的计算 由于星形套的几何形状复杂，故将其分成若干个几何体，这样一来可以将相 对复杂的零件近似离散为一些较为规则的几何体，便于计算体积。如图2 - i1a 、 b 、c 所示。 v 2 丘 i d i ，义v ，。 a d 6 一 一 一 i 一当 荔i i ， i 钐切e - i i 1 0 c f 5 讥 c 口4 。 一d 二、 吼 kv c b i c 图2 - 1 1 零件的体积计算 a 、b 一体积划分示意图：c - - 内滚道体积积分示意图 1 6 图2 1 1a 甲： k 为圆柱体体积：k = 百1 万。矸 ( 2 - 1 ) 为球体的一部分：k = 丘：石( 吒c o s a ) 2 砒s i n a ( 2 2 ) 巧为圆柱体体积：巧= 三4 万霹绣 ( 2 3 ) 图2 - 1 1b 中： k 为圆柱体体积：_ = 去万刃啊( 2 - 4 ) 由于星形套中心部分为花键，故将虼近似为圆柱体，其底面半径为花键的中 径：圪= i 1 石口s 2 。魄( 2 - 5 ) 圪为圆台的概虼：加纵d 6 + 小钐 6 ) 图2 1 lc 中。 虼一为直径为d 的圆，沿着一条弧线扫过的体积，其近似值为： 圪一= s ， 其中： s ：! 石d 2 4 所以，星形套内滚道处减去的体积：巧6 丢吃一 综上，星形套的体积： v = 巧+ + 吒一圪一巧一圪一巧 从零件图可知： 4 = 3 6 r a m ， = 1 6 m m 。 ，2 = 2 9 3 5 r a m ，= 6 5 。，= 1 1 0 0 ： 吃= 4 5 m m ，吃= 4 r a m ； 吐= 2 6 5 r a m ，瞳= l m m ； 吃= 2 5 m m ，鬼= 1 9 r a m ； 0 6 = 3 0 r a m ，吨= 2 4 r a m ，魄= 8 r a m ； ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 1 7 d =