毕业论文-菱凸缘叉锻件成形的工艺研究

材料成型及控制工程专业本科毕业论文论文题目五菱凸缘叉锻件成形的工艺研究学生姓名学号指导教师专业材料成型及控制工程年级200X级学校河南理工大学摘要本课题主要研究凸缘叉的锻造成形工艺。首先分析锻件图并利用PRO/ENGINEE软件对锻件进行三维建模，然后根据锻件模型生成终锻模具,并开设飞边槽。由锻件的相关信息确定初始毛坯尺寸,接着运用数值仿真模拟技术分析其能否一次锻造而成因为该锻件为短轴分叉类，并且凸缘较高,进而凸缘顶部与侧壁凹陷处很难充满,无法一次成形。故依据锻件形状特点，设置锻造工步为加热镦粗制坯预锻终锻精整，经过多次的模拟优化，确定了各工步的工艺参数，获得了良好的模拟效果。因此,最终设计生产该锻件的热加工工序为加热镦粗制坯预锻终锻精整。本次设计模拟分析了凸缘叉的热成形过程，确定了其热加工工艺参数和加工过程中的变形规律，这为提高材料的组织性能，避免缺陷的产生将会大有帮助。关键词锻件突缘叉数值模拟热加工ABSTRACTTHEPAPERMAINLYCONCENTRATESONTHERESEARCHINGANDSIMULATINGOFTHEFORGINGPROCESSOFTHEFLANGEYOKEINTHEFIRST,ANALYZINGFORGINGDRAWINGANDSETTINGUPTHETHREEDIMENSIONALMODELOFFORGINGBYUSINGTHEPRO/ENGINEERSOFTWARE,THENTHEFINALFORGINGDIEISGENERATEDACCORDINGTOTHEMODELANDTHEGUTTERISSETTEDUPATTHESAMETIMETHEINITIALBLANKSIZEAREDETERMINEDBYTHERELEVANTINFORMATIONOFFORGINGANDTHENUMERICALSIMULATIONISUSEDTOANALYSISWHETHERTHEFORGINGCANBEMADEBYONCESHAPINGBECAUSETHETOPFLANGESANDSIDEWALLRECESSOFTHEFORGINGWITHSHORTSHAFT,COMPLEXFORKISDIFFICULTTOFILLIN,ITCANNOTBEDIRECTLYFORGEDSOACCORDINGTOTHESHAPEFEATURES,THEFORGINGSTEPSSETTEDAREHEATINGUPSETTINGFORMINGPERFORMFORGINGFINISHFORGINGFINISHINGTHROUGHSEVERALSIMULATIONANDOPTIMIZATION,THEPROCESSPARAMETERSOFEACHSTEPAREDETERMINEDANDTHEFORGINGSWITHTHEEXCELLENTQUALITYAREOBTAINED,TOOFINALLY,THESTEPOFTHERMALPROCESSINGPRODUCTIONOFTHEFORGINGSDETERMINEDAREHEATINGUPSETTINGFORMINGPERFORMFORGINGFINISHFORGINGFINISHINGTHISDESIGNANALYSESANDSIMULATESTHEHOTFORMINGPROCESS,GETSTHETHERMALPROCESSPARAMETERSANDTHEDEFORMATIONLAWINTHEPROCESS,WHICHWILLBEOFGREATHELPTOIMPROVETHEMICROSTRUCTURALPROPERTIESOFMATERIALSANDAVOIDTHEDEFECTSKEYWORDSFORGINGTHEFLANGEYOKENUMERICALSIMULATIONTHERMALPROCESSING目录摘要I1绪论111前言112当前研究现状213有限元数值模拟技术及在金属塑性成形中的应用发展4131金属塑性加工成形过程研究方法4132塑性加工数值模拟的发展现状614课题来源及研究对象、目的意义10141课题来源10142研究对象11143本文的研究内容和结构112五菱凸缘叉锻件热成形工艺和模具设计1221五菱叉凸缘锻造工艺分析12211五菱凸缘叉锻件图的分析12212热锻件图的设计15213毛边槽的确定16214锻锤吨位17215模块结构尺寸确定18216毛坯尺寸确定1922模具设计19221终锻模具19222预锻模具20223制坯模具设计2223本章小结223五菱凸缘叉模锻成形工艺模拟优化2331模拟流程23311建立模型23312模型简化以及模拟初始条件和参数的确定2332方案一直接成形锻造模拟24321直接成形锻造工步模型的建立24322模拟成形的过程分析26323直接成形模拟结论2633方案二制坯预锻终锻成形模拟27331制坯成形过程模拟27332预锻成形过程模拟29333终锻成形过程模拟32334终锻模拟结果分析3534本章小结364结论40致谢41参考文献421绪论11前言锻造是人类发明的最古老的的生产技术之一。人类发现和使用金属几千年的历史都伴随着锻造技术的发展。从最初锻造农具和制造盔甲，到现在生活中随处可见的千千万万的锻造产品，都证明了这一技术对人类的宝贵价值。不仅如此，锻造也是一种既古老而又正处在蓬勃发展之中的一种金属加工技术。从规模上课，它从昔日的红炉手工锻造已发展到在万吨级的液压机上锻造几百吨的钢锭；从工艺上来说，它冲破了旧有的单一的观念，又开发出了冷锻、温锻、近熔点锻、等温和超塑性锻造等；从设备上看，它已经由单方向的直线动作扩展到了多向、回转和其他更复杂的动作；从锻造原材料看，它由一般钢扩展到了许多特种用途钢、难变形钢和高温有色合金，也由锭料和棒料扩展到了液料和粉料。锻造作为金属加工的一种重要工艺方法，它不仅生产效率高、原材料消耗少，而且可以有效地改善金属材料的力学性能和组织。因而，锻造加工作为制造业的一个重要分支，广泛应用于工业制造中。锻造产品主要用于汽车、飞机、机车车辆、工程机械、石化通用等行业，汽车用锻件占到总量的90。按重量计算，汽车零件中有1719的锻件。锻件也是汽车零部件中的“保安件”，汽车发动机所使用的曲轴、连杆、凸轮轴，前桥所需的前梁、转向节，后桥使用的半轴、半轴套管、桥箱内的传动齿轮等等，都是关系汽车安全运行的保安关键锻件。2003我国年的锻件产量为300万吨左右，模锻件产量为200万吨左右。我国是锻件生产大国，锻件产量居世界第一。随着中国汽车工业的进一步发展，锻件的需求量会持续增长。过去由于缺乏科学的预测方法，锻造工艺设计与模具设计的主要依据设计人员在长期积累中获得的经验以及由对简单模型的实验研究总结出来的多种图表。作为塑性加工行业整体来讲，目前锻造仍处于以“试错”为基本方法的工艺技术阶段。塑性加工生产的程序一般如下首先根据市场需求，对制品进行加工工艺分析，确定成形工艺方案，同时进行模具的设计与制造，然后利用模具依照已确定的工艺规程进行生产。其中最为关键的环节是模具的设计和制造。模具的设计与制造合理与否，直接决定着能否生产出满足要求的制品。模具的设计与制造过程主要依赖设计人员的经验，需要经过反复的试模、修模和调整工艺参数，即使经验丰富的设计人员也很难保证一次成形出合格的终锻件，反复的试模、修模不仅浪费大量时间、人力和物力，进而导致模具设计周期长、成本高，产品质量不容易得到保证，市场竞争的优势难以确立。这种“反复试制直到模具设计合理”的工艺是传统塑性加工技术的重要特征，它使得产品质量靠检验来保证，而不是融入设计、制造的全过程12。近年来，随着计算机软硬件技术、金属塑性流动理论和计算机图形学等交叉学科的迅猛发展，有限元数值模拟技术得到了快速发展，以数值模拟等先进方法解决工业生产中的实际问题已成为金属成形技术的发展方向。目前，有限元数值模拟方法在锻造工艺和模具设计中已经得到了广泛的应用。通过有限元数值模拟方法对锻造过程进行模拟仿真，可预测成形过程中的金属流动情况，温度、速度、应力应变、压力等物理场量的分布及变化情况，以及模具应力及应变状态，判断锻件是否产生折叠、充不满和过热等缺陷，以及模具是否会过早破坏，可以指导工艺和模具设计，大幅度缩短模具设计周期，降低制造成本，以较小的代价在较短的时间内找到最优的和可行的设计方案，为同类零件成形工艺的研究开发和应用提供技术依据和理论指导。锻造生产中，模锻件约占锻件总产量的65。锻模的寿命（热锻25千个，温锻12万个，冷锻25万个）与其它模具相比很低，锻件的生产消耗大量的模具，是锻件制造成本居高不下的重要因素。调查资料表明，济南某汽车零件锻造厂的模具费一年在2000万元左右。模具成本构成可以某机车车辆厂生产的大连杆为例大连杆重量50KG/件，采用10T锤用热锻模模具长1300MM、宽800MM、高450MM；模具成本材料（5CRNIMO）约6万元，加工费约5万元，合计11万元；模具生产定额2000件。如何降低模具的材料费用和加工费是企业非常重视的问题1,3,4。随着汽车工业的发展，汽车零部件中对高精度、形状复杂锻件的需求量越来越大。因而对于汽车制造业来说，未来的竞争核心将是新产品的竞争，如何实现高质量、低成本、短周期的汽车零件的开发、生产，是赢得汽车市场的关键。在这种情况下，锻造新工艺的开发对于汽车零件的生产尤为重要，而先进工艺模具设计方法将对提高汽车零件设计水平、缩短零件研制周期和降低成本起着举足轻重的作用。基于以上背景，本文以许五菱突缘叉锻件为研究对象，应用有限元数值模拟技术对其锻造过程进行研究，以优化锻造工艺和模具设计；以降低锻件制造成本为目标，研究其模具的再制造技术。12当前研究现状传动轴凸缘叉是汽车上的重要部件，它是连接变速器和驱动桥的重要零件，同时也是承受高速运动的零件。目前，凸缘叉大都带一个平法兰，但也有带一个花键齿法兰的，带有法兰盘的，带凸缘的，带翼元的，折边的。由于其结构和使用上的要求,突缘叉零件的几何形状比较复杂，加工面亦较少。对于该零件，目前国内外一般采用中碳钢或中碳合金钢进行锻造而成，但也有采用中碳钢或中碳合金钢铸造而出的，还有采用球墨铸铁的砂型铸造成的，此外还要进行少量机械加工。当然，无论选用哪种方法，都要满足优质、高效、节约和经济的原则。总的来说，凸缘叉的主要成形工艺采用锻造成形,其主要原因有如下几点（1）凸缘叉模锻件的内部组织和机械性能大大优于凸缘叉铸件，特别是经过热处理后的模锻件，无论是冲击韧性还是断面收缩率、疲劳强度等机械性能均占很大优势。另外，金属经过加热、模锻后，夹杂物得到细化，组织致密，沿着外力方向被拉长，形成流线，使锻件的质量提高，使用稳定可靠，寿命长。凸缘叉零件选用模锻方法生产，其根本优点就在于此。2叉铸件在铸造生产过程中工序比较多，有些工艺过程难以控制，使铸件的质量不稳定，因而铸件内部常出现缩松、气孔等缺陷。经机械加工后其缺陷反映不稳定，影响了零件的质量，造成废品，增加了零件的成本。钢质模锻件就无上述缺陷，内部质量好，成品率高，降低了零件的成本。3凸缘叉铸件表面粘沙糙，难以清理，不易加工，刀具损坏较多。而钢质模锻件容易切削。故而，汽车用传动轴凸缘叉目前生产方式大多采用热模锻，模锻工艺为传统工艺下料模锻切边，其中模锻又分为预锻和终锻两个过程。传统热挤压成形工艺及模具设计主要依赖经验方法,往往需要反复试模才能获得所需的锻件。随着计算机技术的飞跃发展，以有限元法为代表的数值模拟技术广泛应用于分析金属塑性成形过程，运用刚塑性有限元法进行金属塑性成形过程的数值模拟取技术得了较大成功。一方面，高性能的计算机使得在短时间内模拟不同成形条件下的塑性成形过程成为可能，并且在有限的时间内获得比较全面的模拟结果。另一方面，数值模拟方法以图形或动画的形式表达金属的变形过程，以及各个物理量随时间和空间的变化，因此具有直观、形象的特点。采用数值模拟仿真技术对传动轴凸缘叉的成形过程进行模拟分析，根据坯料在模具中的填充情况，不断改进模具的结构、优化毛坯尺寸，从而消除种种成形缺陷，确定合理的成形工艺。基于模拟优化的结果，开发出结构合理的模具，极大地降低了生产成本,缩短了开发周期。当前针对凸缘叉的热成型的工艺发展有两大趋势一是净成形或少无机加工热成形工艺；二是以模拟仿真作为模具设计的基础，采用三维体积成形模拟分析软件对汽车用传动轴凸缘叉的成形过程进行模拟分析，解决原工艺存在的充不满、折叠及变形不稳定等缺陷，确立成形优化工艺。模拟分析为模具没计提供了很好的理论依据，所开发出的精密成形模具更具可靠性合理性，这必将为生产企业节约大量成本，缩短开发周期，大大提高其在市场上的竞争力5。13有限元数值模拟技术及在金属塑性成形中的应用发展131金属塑性加工成形过程研究方法金属塑性成形过程是一个非常复杂的变形过程，材料特性、温度条件、摩擦条件、润滑情况、坯料形状及尺寸和模具形状等因素对变形过程都有一定的影响。这些因素及其作用是塑性加工研究的主要对象。金属塑性成形过程研究的主要任务是结合金属材料的特征，分析金属塑性成形过程中的应力、应变场以及变形条件等因素对变形的影响，在此基础上充分了解和掌握成形规律，从而为解决塑性加工中出现的各种实际问题，确定最佳工艺参数，高效低耗地获得优质产品提供科学依据。如图11所示，塑性加工工艺模拟时采用的分析方法大致分为三类（1）解析法，主要包括主应力法、滑移线法和上限法，它们都属于塑性力学中的经典解法；（2）实验/解析法，即实验与解析的综合方法，有相似理论法和视塑性法；（3）数值模拟法，它是随着计算机的发展和应用而产生的，包括有限元法、有限体积法、有限差分法和边界元法6。图11塑性加工模拟方法FIG11SIMULATIONMETHODSOFPLASTICFORMING其中数值模拟法是以电子计算机为工具，用现代数值方法求解塑性加工问题的方法。较典型的有有限元法、有限体积法、有限差分法和边界元法。有限差分法和边界元法在塑性问题中应用比较少。（1）有限元法有限元法（FEM，FINITEELEMENTMETHOD）最初用于结构分析，其本质思想是当在全域内描述力学场的微分方程的原函数困难时，则用有限个单元将求解域离散化；在单元内假设满足边界条件的原函数，并考虑单元之间的联系，最终求得全域的解。目前，有限元法已高度形式化和系统化，且单元类型十分丰富，能有效地分析二维和三维工程问题。应用于塑性成形领域的有限元法主要有刚粘塑性有限元法、大变形弹塑性有限元法等。随着计算机技术和数值计算理论的快速发展，以有限元为主的数值模拟技术已成为塑性成形问题的主要求解方法。但对于复杂、大变形塑性成形问题，由于有限元采用拉格朗日坐标，网格节点随着材料运动，变形程度大时，会使网格单元严重变形，甚至会使边界网格与模具表面出现交叉现象，严重影响计算精度。解决数值模拟网格再划分问题，一方面可从网格再划分技术着手，研制完善的网格自动生成器。但目前对于复杂形体的三维网格自动生成（尤其是成形性能较好的六面体网格）还未得到圆满的解决。另一方面，也可以采用别的方法来避开网格再划分，基于EULER网格的有限体积法就是其中的一种最具代表性的方法。（2）有限体积法有限体积法（FVM）又称为控制体积法。其基本思路是将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。EULER网格是一个固定的参考框架，单元由节点连接构成，节点在空间固定不动。物体的材料在分析过程中可以在网格中流动，并且材料的质量、动量和能量也随之从一个单元流到另一个单元。因此，在划分有限体积单元时，EULER网格的范围必须包含材料所有可能流经的区域。有限体积法完全避免了有限单元技术和LAGRANGE方法难以处理又无法回避的三维网格重划分问题。有限体积法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解释。离散方程的物理意义，就是因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理，如同微分方程表示因变量在无限小的控制体积中的守恒原理一样。有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都得到满足，对整个计算区域，自然也得到满足。这是有限体积法吸引人的优点。有一些离散方法，例如有限差分法，仅当网格极其细密时，离散方程才满足积分守恒；而有限体积法即使在粗网格情况下，也显示出准确的积分守恒。由于有限体积法既保持了计算精确性，又兼有计算简单性，因此它在塑性加工模拟中迅速得到了非常广泛的应用，是塑性加工模拟技术的发展方向7,8。132塑性加工数值模拟的发展现状近几十年来，有限元数值模拟技术由于其强大的运算能力，能够模拟材料流动等异常复杂的锻造过程，越来越显其优越性。随着计算机技术的迅速发展和数值计算方法的日益完善，尤其是随着有限元技术的不断完善和发展，有限元数值模拟技术在塑性加工中的应用蓬勃发展，应用范围越来越广。从板料成形到体积成形，从正向模拟对成形结果的预测到反向模拟对预成形件的设计，从同时考虑变形和热传导的热力耦合分析到对工件微观组织的预测等等，显示了该技术在塑性加工领域中的重要地位和作用。从塑性有限元模拟技术的发展看，它已经走出了单纯为理论分析而进行模拟的探索阶段，广泛应用于一般工业生产中。目前，在工业发达国家，材料成型计算机数值模拟技术已越来越广泛的在各工业部门得到应用，并产生了明显的经济效益，正在深刻地改变着传统的产品设计及制造方式。在工业需求的推动下，国外已涌现出一批专门用于锻压成形计算机数值模拟软件。我国在数值模拟技术的实际应用方面与工业发达国家相比还有差距，计算技术之模拟技术有着巨大的发展前景。一方面，人们对于模拟的精度、速度和能力的期望是没有止境的；另一方面，随着各种新材料的发明和应用，必然会出现各种物理的、化学的甚至生物的材料成形新工艺，这将扩展计算机数值模拟的研究领域。随着计算机技术的发展和人们对锻造技术基本规律尤其是材料本构关系和边界条件研究的深入，模拟中将采用越来越精确的计算模型，更深刻地结实材料的各种物理性能，力学性能和细观、微观组织性能与成形工艺的关系，以更短的模拟时间计算出更精确的模拟结果9。1321有限元模拟系统的组成金属塑性成形过程模拟系统的建立就是将塑性有限元、金属塑性成形工艺、计算机图形处理等相关理论和技术进行有机结合的过程。按照实施成形过程模拟的流程如图12，模拟系统的功能大致可分为前置处理部分、有限元求解部分和后置处理部分。其中，前置处理部分和后置处理部分又是建立在计算机图形处理系统或平台的基础之上。图12有限元分析过程流程图FIG12THEFLOWCHARTOFFINITEELEMENTANALYSISPROCESS1322有限元模拟系统的发展过程有限元的概念是早在上世纪40年代就有人提出，但由于当时计算机尚未出现，它并未受到人们的重视。有限元法则是克拉夫1960年提出来的，是计算机时代的产物。它的基本思想是“化整为零”，即把连续体视为离散单元的集合，将连续体分解为有限个形态比较简单的“单元”，对这些简单单元分别进行分析，然后采用“积零为整”的方法，将各单元重新组合为由原来的连续体简化了的“模型”，通过求解这个模型得到问题的基本未知量（例如位移）在若干个离散点上的数值解，最后根据得到的数值解再回到各个单元中计算其他物理量例如应变、应力等。由此而产生的有限元分析技术是最重要的工程分析技术之一。它广泛应用于弹塑性力学、断裂力学、流体力学、热传导等领域。随着计算机技术的发展，有限元法在各个工程领域中不断得到应用，现已遍及宇航工业、核工业、机电、化工、建筑、海洋等领域，是机械产品动、静、热特性分析的重要手段。早在上世纪70年代初期就有人给出结论有限元法在产品结构设计中的应用，使机电产品设计产生革命性的变化，理论设计代替了经验类比设计。目前，有限元法仍在不断发展，理论上不断完善，各种有限元分析程序包的功能越来越强大，使用越来越方便。直到上世纪80年代中期，有限元分析软件还处在独立成长阶段，主要是扩充和完善基本功能、算法和软件结构，逐步形成了商品化的通用和专用有限元软件。专用的有限元分析软件和特定的工程或产品应用软件相连接，名目繁多。近15年为有限元分析软件的商品化发展阶段，有限元分析软件的功能、性能，特别是用户界面和前、后处理能力，进行了大幅度扩充；软件的部分结构和部分软件模块，特别是数据管理和图形处理部分，进行了重大的改造。这就使得目前市场上知名的有限元分析软件在功能、性能、可用性、可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户当前的需求，这些有限元分析软件可以在超级并行机，分布式微机群，大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行。世界各地的研究机构和大学也开发了一批规模较小但使用灵活的专用或通用有限元分析软件，主要有德国的ASKA，英国的PAFEC，法国的SYSTUS，美国的DEFORM、ABAQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和ATARDYNE等。应用于体积成形模拟的商用软件主要有美国的DEFORM和MARCAUTOFORGE，法国的FORGE3，以及俄罗斯的QFORM等。这些软件以其友好易用的界面和可靠的性能在世界各地的科研院所及生产企业中得到了广泛的应用。有限元分析软件是一种集多种科学与工程技术于一体的综合性、知识密集型产品，随着科学技术的飞速发展，知识经济的到来，互联网技术的普及和全球信息化，它们将有更大的发展，不仅功能会进一步扩充，性能会进一步提高，而且伴随网络化、智能化，特别是多媒体和虚拟现实技术的发展，用户界面也会有全新的变化10,11,。我国在“九五“计划期间大力推广CAD技术，机械行业大中型企业CAD的普及率已从20提高到目前的70。随着企业CAD应用的普及，工程技术人员已逐步甩掉图版，而将主要精力用于如何优化设计，提高工程和产品质量，计算机辅助工程分析CAE，COMPUTERAIDEDENGINEERING方法和相应的有限元分析软件将成为关键的技术要素。在工程实践中，有限元分析软件与CAD系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃。在国内有关体积成形过程有限元模拟软件开发方面，北京机电研究所开发了MAFAPMASSFORGINGANALYSISPROGRAM，上海交通大学开发了SFORM，山东大学模具工程技术研究中心开发了体积成形二维有限元仿真软件CASFORMCOMPUTERAIDEDSIMULATIONFORFORMINGPROCESS，上述软件都是自主版权的微机版系统，能够用于各种体积成形工艺的分析。有限元模拟在成形中的应用是近十几年来各种有关成形的国内和国际会议的重要论题，锻造成形一般是三维问题，但二维模拟是目前的主要工程应用。毋庸置疑，三维模拟是锻造成形模拟未来的发展方向，随着计算机技术和有限元技术的发展，三维模拟将在工业生产中得到越来越广泛的应用。1323DEFROM有限元模拟系统DEFORM是由美国SFTC公司开发的一个体积成形有限元工艺模拟专用商业软件。其前身是20世纪80年代早期美国BATTELLE研究院在美国空军系统有关基金的资助下开发的有限元计算程序ALPIDANALYSISOFLARGEPLASTICINCREMENTALDEFORMATION。它开创了塑性加工模拟技术的新纪元。到1985年，美国已有6家大公司使用该程序，当时的APLID只能分析平面问题和轴对称问题，并且没有考虑非等温成形问题和加工设备的类型，也没有网格再划分功能。随后几年中，APLID的开发者针对用户提出的种种要求，逐渐将程序完善，并采用MOTIF界面设计工具，将计算程序发展为商品化分析软件DEFORM由美国SFTC公司推广应用。利用DEFORM的体积成形有限元模拟技术，能够全面模拟锻造成形过程，大幅度减少反复试验，缩短锻造工艺开发周期，加快产品投放市场时间，增加获利。DEFORM软件采用刚粘塑性本构关系，其基本方程是对EULER坐标系建立的。EULER参考系在运动方程中不能自动满足质量守恒，若认为材料不可压缩的，则通过使LAGRANGE乘子法或罚函数法使运动方程满足质量守恒定律。DEFORM是高度模块化、集成化的模块系统，由有限元模拟器、前处理器、后处理器及用户处理器四大模块组成。其中，有限元模拟器是集弹性、弹塑性、刚粘塑性、热传递于一体的有限元求解器。前处理器处理模具和坯料的几何信息和成形条件的输入。后处理器将模拟结果可视化，并输出模拟信息。用户处理器是用户对DEFORM数据库进行操作、对系统设置进行修改及定义自己的材料模型等12,13。作为一个功能强大的模拟系统，DEFORM软件有效地解决了自动进行网格畸变、网格与模具干涉判断，网格重划分、自动完成有限元场量信息的传递等有限元模拟中的关键技术；能严格控制体积损失，保证场量的有效继承并很好地考虑了生产现场的实际情况。本文主要采用DEFORM一3D软件进行十字轴成形过程的模拟计算。DEFORM3D是模拟3D材料流动的理想工具。DEFORM3D的最大优势是强大的模拟引擎能够分析金属成形过程中多个关联对象耦合作用的大变形和热特性，并且系统中集成了在任何必要时能够自行触发自动网格重划生成器，生成优化的网格系统，以保证有限元计算的顺利进行。在要求精度较高的区域，可以划分较细密的网格，从而降低题目的规模，并显著提高计算效率。此外，DEFORM3D具有如下突出技术特色1模拟范围广材料流动、模具填充、成形载荷、纤维流向、晶粒流动、缺陷成因、韧性破坏等信息；2适用工艺广锻造、挤压、轧制、镦粗、冲切、热处理等多种成形工艺；热、冷、温锻的成形分析；3成形设备完整液压锻造机、锻锤、摩擦压力机、机械压力机、轧机、摆辗机等众多加工设备4材料模型多弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、刚性材料和自定义材料5材料库丰富钢、合金、钛合金、超合金等146种专用材料数据库，并允许用户自行输入材料库中没有的材料；6后处理功能直观强大FLOWNET和点迹跟踪、等值线、云图、矢量图、载荷行程曲线、镜面反射、2D切片等功能；7前处理中自动生成边界条件，确保数据准备快速可靠；8数据接口强与CADCAM有IGES和STL接口，同IDEAS、PATRAN等分析软件直接调用9网格自动生成及再划分自我接触条件及完美而强大的网格再划分技术，可有效地解决网格畸变，使得在成形过程中即便形成了缺陷，模拟也可以进行到底。并能严格控制体积损失，保证场量的有效继承，模拟精度高；10多工步成形可将多工步成形问题的各个预成形及终成形工步进行有效安排，依次进行模拟并自动实现工步问物理信息的相互传递；11运行平台多样化为了满足不同规模、不同经济实力的用户的需要，具有分别适用于工作站PC机运行的版本。DEFORM3D图形界面，既强大又灵活,为用户准备输入数据和观察结果数据提供了有效工具。DEFORM3D还提供了3D几何操纵修正工具，这对于3D过程模拟极为重要。DEFORM3D延续了DEFORM系统几十年来一贯秉承的力保计算准确可靠的传统,在最近的国际范围复杂零件成形模拟招标演算中，DEFORM3D的计算精度和结果可靠性，被国际成形模拟领域公认为第一。相当复杂的工业零件，如连杆、曲轴、扳手、具有复杂筋翼的结构零件、泵壳和阀体，DEFORM3D都能够令人满意地例行完成。1324有限元软件研究方向国内外学者为完善有限元软件技术仍然在进行不懈的努力，近期的研究工作主要集中在以下几个方面141边界条件和材料本构关系的准确描述；2成形过程的优化；3反向模拟技术；4动态网格划分与重划；5预测微观组织结构的演化；6误差估计；7并行环境下与生产系统其他技术的集成；8非稳定性和应变集中；9新型数值模拟法，如无网格法、自适应FEM法、FBEM法、基于特征的FBEM法7。14课题来源及研究对象、目的意义141课题来源本课题是许昌某锻造公司的生产研究项目，该厂生产五菱凸缘叉锻件，如图12所示。图11传动轴突缘叉FIG11THEFLANGEYOKEINTRANSMISSIONSHAFT142研究对象本课题研究对象是五菱凸缘叉锻件，由于结构和使用性能上的要求,它的几何形状比较复杂，加工面亦较少,成形相对比较困难。对于不同品牌和型号的汽车，其凸缘叉的形状也有所不同，但大体相似，均属于短轴分叉类锻件。目前，凸缘叉大都带一个平法兰，但也有带一个花键齿法兰的，带有法兰盘的，带凸缘的，带翼元的，折边的。由于其形状较为复杂，一次成形难度很大，因此确定传动轴凸缘叉热成形工艺为先加热后镦粗制坯,接着预成形，然后锻压精成形，最后进行精整。该凸缘叉成形难度大，成形的难点在于顶部凸缘处以及侧壁凹陷处。143本文的研究内容和结构本文以五菱凸缘叉锻件为研究对象，以PRO/E、DEFORM3D软件为基础，对该产品的锻造工艺流程进行了三维建模和模拟分析，并对其热锻模的设计和生产进行了系统研究，具体内容如下第一章绪论。介绍课题的研究背景，塑性加工数值模拟技术的原理、现状与发展、汽车传动轴凸缘叉的应用现状，课题来源、对象等等相关问题。第二章五菱凸缘叉锻件的热成形工艺和模具设计。第三章五菱凸缘叉热模锻成形工艺的有限元模拟。第四章结论。2五菱凸缘叉锻件热成形工艺和模具设计21五菱叉凸缘锻造工艺分析211五菱凸缘叉锻件图的分析模锻生产过程、工艺规程制订、锻模设计、锻件检验及锻模制造，都离不开锻件图。锻件图是热锻生产过程控制工艺规程，制订热锻模具设计与制造，以及锻件的检验与后续机械加工的依据。锻件图根据零件图设计，分为冷锻件图和热锻件图两种。冷锻件图是在零件图基础上加上了机械加工余量、成形公差和工艺余料等绘制而成的，主要用于最终锻件的检验、后续机械加工工艺的编制和工夹具的设计等。一般将冷锻件图称为锻件图，本次设计厂家已经提供了冷锻件图,如图21,图21五菱凸缘叉锻件图FIG21THESHAPEOFTHEFLANGEYOKEFORGING从锻件图可以看出零件的加工余量、倒圆角大小、拔模斜度以及锻造公差等都已经给出，进而五菱凸缘叉零件图相当于也已经给出，并且通过此锻件图我们可以利用PRO/ENGINEER进行三维建模，绘出凸缘叉立体图，这样则更有真实感，便于分析其分模面。其三维立体图形如图22,图22锻件三维立体图FIG22THESHAPEOFTHETHREEDIMENSIONALFORGING结合锻件图和其三维图形可得到如下1确定分模面模锻件是在可分的模腔中成形，组成模具型腔的各模块的分合面称为“分模面”；分模面与锻件表面的交线称为分模线。分模线是模锻件最重要、最基本的结构要素。锻件分模位置合适与否，关系到锻件成形、锻件出模、材料利用率等一系列问题。确定分模面位置最基本的原则是保证锻件形状尽可能与零件形状相同，容易从锻模型槽中取出；此外，应争取获得镦粗充填成形。故此，锻件分模位置应选在具有最大水平投影尺寸的位置上，由于此锻件形状较为复杂，内部有孔，法兰较高，上部有两处拔模处，法兰侧壁又有凹陷，所以平面分模很难出模，需要进行曲面分模，得如图23图23分模面图FIG23THESHAPEOFTHEPARTINGPLANE2冲孔连皮此凸缘叉中部有孔洞，而热模锻不能直接锻出透孔，因此在设计热锻件图时必须在孔内保留一层连皮，一般情况下，当断件内孔直径大于30MM时需要考虑冲孔连皮，由于此锻件内孔直径为34MM，故需要考虑冲孔连皮。连皮厚度S应适当，若过薄，锻件容易发生锻不足和要求较大的打击力，从而导致模具凸出部分加速磨损或打塌；若连皮太厚，虽有助于克服上述现象，但是冲出连皮困难，容易使锻件走样，而且浪费金属。所以在设计有内孔的锻件时，必须正确选定连皮形状及其尺寸。该课题中采用常用的平底连皮形式。连皮厚度S可根据公式21计算确定MM21HDS6052450D34MM,H5MM,代入计算，得S378。又因为锻件图已经给出孔上下端各5MM高度的处拔模斜度，所以为了成形以及加工起见，选择连皮厚度为4MM。连皮上的圆角半径R1，因模锻成形过程中金属流动激烈，应比同尺寸压凹件内圆角半径大一些，可按下式确定15R1R01H2MM其冲孔连皮如图24如图24冲孔连皮3FIG24THESHAPEOFTHEPUNCHINGRECESS4212热锻件图的设计热锻件图主要用于锻件模具的设计与制造、锻造过程的质量控制等，它以冷锻件图为依据，但又有所区别。首先，热锻件图的尺寸标注，高度方向尺寸以分模面为基准，以便于锻模机械加工和准备检验样板。其次考虑到金属冷缩现象，热锻件图上的所有尺寸应计入收缩率，即按下式计算热锻件图尺寸1LL式中L热锻件尺寸冷锻件尺寸L终锻温度下金属的收缩率，钢为0815，不锈钢为1018等等。对于薄而宽或细而长的锻件，在模具中冷却快，或打击次数多而使终锻温度较低，其收缩率应该适当减小，有些工厂采用按不同厚度加放收缩率，见表21截面厚度（MM）一般钢奥氏体钢铜合金铝合金镁合金钛合金151215181008表21TABLE21因本课题锻件材料为45钢，厚度在1015间，故选取收缩率为105。此外，在制定热锻件图时应该考虑161热锻件图不标注公差和技术条件，也不绘制零件轮廓线；如有内孔必须绘出连皮形式。（2）当锻锤吨位不足，发生锻不足或欠压现象时应将锻件高度尺寸适当减小，以抵消欠压的影响；（3）形状特别而又不对称的锻件，上半部分复杂，下半部分简单，在锻击过程中，可能因转动而导致锻件报废，应考虑在热锻件图上增设方形定位余块；（4）模膛易磨损处，在锻件负公差范围内增加一层磨损量，以提高锻模寿命。（5）分模面两侧形状不对称的锻件，考虑到金属的流动特点，将难以充填的复杂形状一侧放在上模。（6）下模型槽底部易积聚氧化皮，致使锻件表面压坑或缺肉，为避免产生此缺陷应在锻件上作相应补偿修改。以热锻件图为依据，并加上冲孔连皮以及相应修该设计，再重新利用PRO/E绘制热锻件三维图，此三维零件图上带有冲孔连皮，并且利用PRO/E上自带工具测量锻件在分模面上投影面积为F5670（MM2），体积V101070（MM2）。新绘制三维立体，如图24图25带有冲孔连皮的锻件立体FIG25THESHAPEOFTHETHREEDIMENSIONALFORGINGWITHTHEPUNCHINGRECESS213毛边槽的确定（1）毛边槽的作用增加金属流出模膛的阻力，迫使金属充满模膛；容纳多余金属；在模具之间起到缓冲作用。图26毛边槽形式FIG26THESHAPEOFTHEFLASHCAVE（2）毛边槽的形式毛边槽的常见形式如图25所示15，图23A为最常用的毛边槽形式，图23B用于不对称锻件，切边时须将锻件翻转180，图23C用于锻件形状复杂，坯料体积偏大的情况，图23D设有阻力沟，用于锻件难以充满的局部位置。毛边槽在锻后利用压力机上的切边模去除。由于该课题中锻件较小，但形状复杂，分模面上下不对称，上部不易充满，应选用图（B）形式毛边槽。（3）毛边槽尺寸的确定毛边槽的关键尺寸是桥部高度HF及宽度B。HF增大，金属流向飞边的阻力减小，不利于模膛充填，但模膛的应力亦随之减小；反之，增大。宽度B增大时，阻力增加；反之，减小。毛边槽的具体尺寸通常按锻锤吨位法和计算法来确定10。其中计算法是采用经验公式计算毛边槽的桥部高度，即015HMF件式中锻件在分模面上的的投影面积。5670（MM2）件件F然后根据计算得到的H113值查锻造手册，可以确定其他尺寸，进而可得H16MM,H135MM,B9MM,B125MM,R11MM。214锻锤吨位由于此五菱凸缘叉锻件有孔，需留有冲孔连皮，又根据锻件图以及其三维立体图确定其分模面在其下部，故计算锻件在分模面上的投影面积时应该加上此面积。本次设计按照锻件复杂程度和变形抗力大小来确定模锻锤吨位17GF（22）式子中，合金变形抗力系数，查表22；锻件复杂程度系数，查表22；F不包括飞边的模锻件在分模面上的投影面积（MM2）锻件材料铜合金05锻件形状钛合金其他材料镁合金06铝合金08形状复杂的（带有薄而宽的腹板）00901钛合金1215中等复杂程度的007009结构钢10不锈钢15耐热钢20形状简单的005007表22系数，的值TABLE21THEVALUESOFCOEFFICIENTOF，由于45钢属于结构钢，故，分别取值为10，007，又有F5670（MM2），故锻锤吨位GF1000756703969KG，故采用1T模锻锤。215模块结构尺寸确定由以上可知此次锻造吨位为1T，故由模块高度与锻造吨位关系图，如表25，从而可以锻锤吨位/T123510模块最小高度/MM220260290330360模块最大高度/MM290330370420460表25THETABLE25取H220MM。又因为锻锤吨位与燕尾宽度关系如图表26锻锤吨位/T0512351016燕尾宽度/MM160200260300400表26THETABLE26又由经验公式可得，模块最小宽度,所以模块宽度MM,为保证锻模1B0B1B20不与锤的导轨相碰模块的最大宽度应该保证模块边缘与导轨间留有单边间距大于MAX20MM,1T锻锤导轨间间距为430MM,综上所述，可以取B240MM，又因为锻件长宽相差不大，为了方便于加工与选材，故其长度也选为240MM18。216毛坯尺寸确定模锻用材料的体积应包括锻件本体、毛边、连皮、夹钳料头和加热引起的氧化皮之总和。原材料的横截面尺寸及尺寸是以计算毛坯为基础，再根据热锻件特点及选定的制坯工步、模锻方法（单件锻、调头锻、逐件连续锻）确定11。五菱凸缘叉锻件属于圆饼类锻件，而圆饼类锻件一般用镦粗制坯，所以此毛坯尺寸应以镦粗变形为依据进行计算。毛坯体积为V1KVP因为由前面可得V101067（MM2）所以V131387（MM2）毛坯直径DP083095456MM，3P式中K宽裕系数，考虑到锻件复杂程度影响毛坯体积，并计及火耗量。对圆形锻件，K012025，对非圆形K02035M毛坯高度与直径之比值，一般取M1822按标准规格取为直径DP50MM，则毛坯下料高669，取精整24DPVL67，134MM，高径比为13425，高径比合适，则坯料尺寸为50MM67MM。DPL22模具设计从对五菱凸缘叉锻件图、三维立体图的分析以及锻造常识我们可以得到如下分析结论此五菱凸缘叉锻件是短轴类分叉零件，呈轴对称，形状较为复杂，属于难成形锻件。锻压过程中，金属向上充填叉形头部，同时从两侧壁上凹陷处流出，由于叉形部分高径比较大，且侧壁凹陷处较深，金属流动较为困难，一次成形难度很大，所以需要进行预锻。又由于该件体积较小，为节省成本，因此确定此五菱凸缘叉锻压热成形工艺为下料加热制坯预成形一锻压精成形切边、冲孔热处理精压检验，并对锻造过程进行模拟19。221终锻模具本次课题模具设计采用逆向设计方法，先设计终锻模具，根据由热锻件图得到的三维立体图形，以及设计的模块大小尺寸，在PRO/E中利用工具自动生成终锻模具三维图形，且型腔各拐角处倒圆角，使金属流动顺利，以防终锻件出现折叠，充不满等缺陷。并且根据以上所计算所得到的毛边桥部、仓部相关尺寸，在模具上挖出毛边槽，综合以上可得到，终锻模具如图27，图27终锻模形状FIG27THESHAPEOFFINISHFORGINGDIES222预锻模具由于凸缘叉锻件一次难成行所以需要进行预锻，由于叉锻件叉形部分较高不容易充满，且侧壁凹陷处金属流动困难，所以预锻件设计成上部两侧有两个突起部，下面两侧各有一个较浅形凹陷的锻件，其三维立体，如图28图28预锻件FIG28THESHAPEOFTHEPERFORMFORGING由此预锻件可以利用PRO/E自动生成模具，由于锻件较小，且预锻件形状较为简单所以预锻模具不设飞边槽，但需要在一些必要部分进行倒圆角，以利于金属流动，易于成形，进而生成预锻模具，如图29图29预锻模具FIG29THESHAPEOFTHEPERFORMFORGINGDIES223制坯模具设计坯料直径的确定要确保在预锻锻过程中，能够放入预锻模膛，不会卡在外面；另外，还需要确保坯料放入预锻模膛后，能够稳定的停放，很好的定位。坯料长度的确定要遵循体积变形原则，在变形前后，体积V不变。因为下料为50MM67MM，而预锻模膛宽度为435MM左右，所以需要进行一次横向镦粗制坯工部，从而使坯料厚度减小，使之侧放入预锻模膛中，此模具设计要求不太高，可进行自由锻制坯，其示意图如图210图210制坯示意图FIG210THEDIAGRAMMATICSKETCHOFMANUFACTURINGBLANK23本章小结本章对所研究的五菱凸缘叉进行了工艺分析，确定了热加工工艺相关参数，给出了凸缘叉的锻造工艺流程，进行了其制坯、预锻、终锻模具设计，并绘制了毛坯图、锻件及制坯模具、预锻模具、终锻模具三维立体图形。3五菱凸缘叉模锻成形工艺模拟优化31模拟流程基于DEFORM3D模拟过程如下311建立模型应用PROENGINEER创建坯料以及上模和下模的三维实体，并输出为DEFORM3D软件可以识别的STLSTANDARDTEMPLATELIBRARY,标准模板库文件，并按照一定步骤导入软件。312模型简化以及模拟初始条件和参数的确定模拟过程需要做的工作有导入坯料和模具模型并定位,设置环节温度，坯料材料、温度,划分网格,设置体积补偿,定义模具运动状态或定义所用设备性能,设置接触点的摩擦、润滑条件、步长、运行长度以及步数等。参数的设置要应确保模拟环境尽量符合实际工作条件，因为这里的参数设置对后续的模拟过程的计算起决定性作用。（1）单位SI；MODEDEFORMATION,HEATTRANSFER。（2）材料本课题锻件材料为45钢，这里选择AISI105514502200F8001200。C（3）温度参数温度参数是模拟过程另一个重要的参照量，材料的性能，如流动应力被定义为温度的函数。在变形过程中，温度的高低直接影响金属流动的难易。本次课题材料始锻温度设为1200。C，终锻800。C，环境温度设为20。C，模具预热温度为300。C。（4）网格划分划分网格是DEFORM3D计算的基础，合理的网格划分会直接影响计算的准确性，对现实结果的逼近程度以及计算时间和生成数据库的规模。网格长度T和单元格L之间存在如下关系TL3312网格划分有绝对长度和相对长度两种方式，本文采用了相对长度RELATIVEELEMENTSIZE模式。5摩擦摩擦系数是影响金属流动的另一个重要物理量，摩擦系数的大小，直接决定了模腔对金属流动的阻碍程度。摩擦模型采用剪切模型，也称之为塑性摩擦，或者TRESCA模型，它表示为FSMKM353式中,FS剪切摩擦因子K剪切屈服强度模具为刚性体，与坯料之间的摩擦采用常摩擦模型，摩擦因子为03；本次课题，即选取摩擦因子FS036热传导模具与坯料之间的热传导也采用常系数模型，换热系数为5。7步长步长F的选择是影响计算精度、数据库规模和运算时间的另一个参数。步长越小，计算结果越准确，但是会造成运算量成倍增加，因而，在DEFORM3D中，为计算准确，步长F和网格长度T满足下面的关系FT33318材料的流动应力采用表列数据模型34T,，（式中等效应变等效应变速率T温度数据由DEFORM软件的自带数据库获得。9设备吨位10000KN水压机。10打击速度30MM/S。11初始坯料尺寸为50MM67MM（12）其它