212加大盤突緣叉鍛造工藝設計及溫度場模擬
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I212 加大盤突緣叉鍛造工藝設計及溫度場模擬摘 要鍛造是一種廣泛應用于汽車、通用機械等零件的加工技術，主要利用的是鍛壓機對材料施加壓力發(fā)生塑性變形，從而獲得所需形狀的零件。本課題主要確定了傳動軸突緣叉的鍛造工藝參數(shù)，完成了該鍛件的鍛造工藝設計，并完成了該鍛件鍛模的設計；采用有限元 ABAQUS 軟件對鍛件溫度場進行模擬,觀察它在不同終鍛溫度下鍛件冷卻溫度場的分布情況，各種性能參數(shù)的變化并分析，確定合適的鍛造溫度，分析其應力的變化。最后，通過有限元軟件 ABAQUS 模擬終鍛狀態(tài)，通過取不同的溫度模擬鍛件的應力分布情況，最終發(fā)現(xiàn)當鍛件處于 1000 攝氏度左右時，鍛件的溫度應力水平最低，因此可以判定，該溫度就是鍛件的最佳溫度。本文通過選用有限元分析法對鍛造過程中的溫度場、應力場進行了模擬，預測了不同終鍛溫度下溫度場、應力場的分布情況，為制定合理的鍛造工藝奠定了基礎。關鍵詞：鍛造； 突緣叉； 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 1000℃is 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 ，F(xiàn)lange fork，ABAQUS，F(xiàn)inite element analysis III目 錄摘 要 ............................................................................IABSTRACT.........................................................................II1 緒論 ............................................................................11.1 鍛造技術的發(fā)展 ............................................................11.2 鍛造技術的分類 ............................................................21.3 熱模鍛壓力機優(yōu)缺點 ........................................................31.4 突緣叉鍛件的應用及優(yōu)缺點 ..................................................31.5 本課題研究的主要問題 ......................................................42 鍛造工藝設計 ....................................................................52.1 工藝分析 ..................................................................52.2 鍛件圖設計 ...............................................................52.3 鍛造工序確定 ..............................................................82.4 毛坯尺寸及工藝壓力的確定 ..................................................82.5 鍛造溫度確定 .............................................................103 突緣叉最佳終鍛溫度確定 .........................................................113.1 有限元分析軟件簡介 .......................................................113.2 有限元法概述 ............................................................123.3 突緣叉鍛造問題的描述 ....................................................133.4 ABAQUS 分析的步驟 ........................................................133.5 結果可視化 ..............................................................193.6 改變溫度結果比較 ........................................................204 突緣叉冷卻分析 .................................................................224.1 突緣叉冷卻分析過程 .......................................................224.2 分析結果 .................................................................265 模具設計 .......................................................................285.1 鍛模結構設計 .............................................................285.2 飛邊槽的選擇 .............................................................285.3 頂料裝置設計 .............................................................295.4 模具材料選擇 ............................................................295.5 預鍛模膛設計 .............................................................305.6 制坯模膛選擇 .............................................................315.7 機鍛模高度設計 ..........................................................316 總結和展望 .....................................................................336.1 總結 .....................................................................336.2 展望 .....................................................................33參考文獻 .........................................................................35致 謝 ...........................................................................36附錄 A ...........................................................................3711 緒論1.1 鍛造技術的發(fā)展鍛造是一種利用模具在沖擊力的作用下來生產(chǎn)金屬零件的方式。鍛造生產(chǎn)廣泛應用于兵器、航空、機械、冶金等行業(yè)，鍛造水平在一定程度上代表著一個國家工業(yè)水平一件裝備制造業(yè)水平的發(fā)展 [1]。在我國鍛造的歷史最早可以追溯到春秋戰(zhàn)國時期，在當時我國廣大勞動人民就已經(jīng)基本掌握了鍛造相關的工藝，開始利用鍛造技術來制備各種寶劍以及各種兵器，這反映了在古代，我國的鍛造技術就已經(jīng)達到了很高的水平。例如在陜西西安的秦始皇陵出土的一件文物里面就有一把經(jīng)過鍛造的寶劍，這把寶劍雖歷經(jīng)千年歲月，但是表面光潔度依然如新，可謂是古代鍛造技術的登峰造極之力做。另外在古代南方的一些城市，出土了經(jīng)過鍛造的船錨，其直徑在0.4 米左右 [2]。而近代以來鍛造真正作為一門科學技術發(fā)展是在工業(yè)革命時期，19 世紀中葉，英國工程師 NASMISH 發(fā)明了一種新的鍛造方法——雙作用錘，這個發(fā)明已經(jīng)初步具備了現(xiàn)代鍛造機理的特點。而隨后的幾十年里面，人們對于鍛造機器不斷進行改進，到了 19 世紀 70 年代，美國著名的工程師 Haswell 發(fā)明了人類歷史上迄今為止可以能夠稱得上第一套鍛造機器——自由鍛造水壓機，該設備的發(fā)明從此標著著鍛造成為了一門新的科學技術而進入了人們的視線 [5]。經(jīng)過兩百多年的不斷發(fā)展和進步，鍛造技術已經(jīng)很好的應用于人類上產(chǎn)生獲得的各個方面，鍛造技術以技術科學，成型原理，以及其他材料學科為基本原理，同時又包含了機械，傳熱，等一些相關學科，可以說是一種學科互相交會的自然科學。鍛造行業(yè)在我國已經(jīng)有很長的發(fā)展歷史，20 世紀 90 年代初，我國的鍛造市場處于無序競爭狀態(tài)，直至 90 年代中后期才逐漸穩(wěn)定下來，隨后我國鍛造業(yè)進入相對穩(wěn)定的發(fā)展時期。目前國內(nèi)部分企業(yè)已配備最新的檢測儀表和測試技術，采用計算機控制數(shù)據(jù)處理的現(xiàn)代自動化超聲波探傷檢測系統(tǒng)，采用各種專用的自動超聲波探傷系統(tǒng)，完成各種質(zhì)量體系的認證等 [3]。高速重載齒輪鍛件產(chǎn)品的關鍵生產(chǎn)技術不斷被攻克，并在此基礎上實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。在引進國外先進生產(chǎn)技術和關鍵設備的基礎上，中國已能自己設計和制造高速重載齒輪鍛件的生產(chǎn)裝備，這些裝備已接近國際先進水平，技術和裝備水平的提升有力的促進了國內(nèi)鍛造行業(yè)的發(fā)展 [6]。目前，我國鍛造行業(yè)雖然有了一定的發(fā)展基2礎，但并未完全掌握鍛造行業(yè)中的高端核心技術。近年來，國內(nèi)鍛造企業(yè)產(chǎn)量在逐年上升,出口增加,憑借鍛件生產(chǎn)數(shù)量在國際上雖贏得了“鍛造大國”稱號，卻不是“鍛造強國”。高檔次模鍛件產(chǎn)品的研制生產(chǎn)仍相當落后，航空航天的核心鍛件主要依賴進口。據(jù)統(tǒng)計,汽車鍛件的高檔次產(chǎn)品有 70％～80％是進口。另外,我國的鍛造設備供應滯后,主要鍛造設備仍然以摩擦壓力機為主?？傮w來看,我國鍛造行業(yè)中,精密鍛造成形技術應用相對薄弱,鍛件品質(zhì)不高?？傮w來說我國鍛造業(yè)仍存在以下的問題:（1）大型自由鍛的設備能力過剩，設備布局分散，利用率極低，機械化自動化程度低，鍛件加工余量大，工人勞動條件差，勞動強度大；（2）人才，尤其是各類高級專業(yè)人才匱乏；（3）管理基礎薄弱，規(guī)模小，技術落后，大部分靠手工操作；（4）做市場的能力較低，做國際市場的能力更低；（5）產(chǎn)品業(yè)務單一；基本沒有開展模具制造、產(chǎn)品開發(fā)、鍛造、機械加工等結合在一體的綜合經(jīng)營業(yè)務。1.2 鍛造技術的分類鍛造總共分為以下幾類，據(jù)工藝生產(chǎn)的特點，將鍛造分為了自由端、模鍛、特種鍛三大類：（1）自由鍛：是一種較為原始的鍛造方法，一般借用簡單的工具進行鍛造加工例如榔頭沖子等，這種加工方法的缺點是生產(chǎn)效率低下而且鍛件的產(chǎn)品品質(zhì)較差，容易受到人為因素的影響，因此產(chǎn)品的質(zhì)量難以保證。但是早期的鍛造都是經(jīng)過這個過程逐步發(fā)展到來的。（2）模鍛：是一種利用沖擊力或者壓力讓加熱好的金屬在上、下抵鐵和輔具之間產(chǎn)生形變。工藝特點是坯料形變時，除了和上、下抵鐵或其它輔助工具接觸部分的表面之外，其余的都是自由表面，形變不受影響。模鍛用的設備有模鍛錘、螺旋段、機械壓力機等末端的優(yōu)點是鍛件的品質(zhì)可以保證，加工效率相比較與自由鍛有了和大的提高，但是缺點是設備昂貴，不太適合小規(guī)模生產(chǎn)，對于大規(guī)模的生產(chǎn)活動較為合適 [7]。（3）特種鍛造：有時候有些零件適合于使用特定的機器進行鍛造，這樣可以極大的提高工作效率例如螺釘?shù)纳a(chǎn)，就是一種典型的特種鍛造結果，一般對于螺釘采用的是搓絲機和墩頭機兩者相互配合，因此工作效率大大的提高了。特種鍛造可以極大地提高鍛造的效率但同時由于鍛造是特制的，因此一種機器僅能鍛造出一種零件，所以通用性不好。31.3 熱模鍛壓力機優(yōu)缺點熱模鍛壓力機廣泛應用于汽車、船舶、礦山機械、五金制造等行業(yè)中，用于大規(guī)模生產(chǎn)精整鍛件，可以鍛造出材料利用率高，加工精度好的產(chǎn)品。由于熱模鍛壓力機采用整體式機床床身或有預應力框架式機床床身，寬偏心軸曲柄或斜楔機構傳動，導向性能優(yōu)良可靠的滑塊，行程的速度比較低 [3]，近似靜壓成形等結構特點，使其具有相應的工藝特點。鍛模加工有以下幾個優(yōu)點：（1）熱模鍛壓力機鍛件的加工精度與錘上模鍛加工精度相比，熱模鍛的精度更高；（2）熱模鍛壓力機模鍛擁有靜壓力的特點，金屬在鍛模內(nèi)流動較緩慢，這對變形速度比較敏感的合金材料的成形非常有利；（3）由于滑塊的行程固定，移動速度比較小，操作方便，對執(zhí)行者的技術要求也不高，導致鍛件成形過程中受人為因素的影響比較小；（4）可以安排一模一件或者一模多件的方式生產(chǎn)；（5）熱模鍛壓力機上模鍛件內(nèi)部形變深透且分布均勻，其流線分布較合理，力學性能基本均勻一致 [8]；但同時，模鍛也有以下的缺陷：（1）容易產(chǎn)生較大的飛邊，上模與下模的金屬充填相差較?。?）和相同生產(chǎn)能力的模鍛錘進行比較，熱模鍛壓力機生產(chǎn)的成本比較高，再加上與之配套的各類設備，使之前期一次性投入資金較多；（3）要求減少毛坯材料表面的氧化皮，且表面加熱質(zhì)量盡可能的高；（4）在操作過程中或模具調(diào)整時，一旦操作錯誤，滑塊接近下死點時很可能會發(fā)生悶車現(xiàn)象，導致生產(chǎn)停止，嚴重的甚至會損壞曲柄、連桿或模具 [9]。1.4 突緣叉鍛件的應用及優(yōu)缺點隨著我國加入世界貿(mào)易組織（WTO）以來，我國的汽車產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)井噴式增長。汽車產(chǎn)業(yè)是十九世紀末開始在歐洲發(fā)展，并二十世紀在一些發(fā)展強國繁衍壯大。進入二十一世紀，經(jīng)過一百多年的成長，汽車現(xiàn)在已經(jīng)是一個方便快捷的交通工具了。尤其是最近幾年，中國的汽車市場已經(jīng)開始嶄露頭角，銷量屢創(chuàng)新高，以年銷售增長百分之二十的速度成為世界銷售第一大國。中國汽車行業(yè)前景廣闊，預計 2020 年以后，中國自產(chǎn)汽車的產(chǎn)量將超過 2000 萬輛，其中大約 20%的產(chǎn)品將被國際市場消化。因此中國汽車行業(yè)在向國際汽車行業(yè)的尖端行列大步的邁進 [7]。4在汽車工業(yè)如此的發(fā)展勢頭下，汽車企業(yè)也就對各系統(tǒng)部件的需求旺盛。其中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車的主要子系統(tǒng)之一，它的性能的優(yōu)良與否直接影響汽車在操縱時的穩(wěn)定性和舒適性。對于保證駕車行駛安全、降低交通事故的發(fā)生頻率以及保護汽車駕駛員的生命財產(chǎn)的安全、改善駕駛員的駕駛環(huán)境有著極其重要的影響。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對于汽車的零件的可靠性和精度要求也越來越高。同時對于加工零件的方法也有了很大的改變，對于一些應力大，要求壽命高的零件例如傳動軸的突緣，一般采用鍛造的加工方法 [3]。鍛造是一種借助鍛壓工具在壓力的作用下加工各種金屬零件的方法。通過鍛造，可以得到零件預期的形狀，還可以改善零件材料的內(nèi)部組織的狀態(tài)，從而極大地提高金屬的機械性能與物理性能 [10]。鍛件的優(yōu)點是金屬材料經(jīng)過塑性變形后,把它的內(nèi)部缺點消除,例如鍛(焊)合空洞,壓實疏松,打碎碳化物,非金屬夾雜并讓它沿著鍛件的變形方向分布,改善或消弭成分偏析等缺點,得到了均勻、微小的低倍組織與高倍組織 [8]。如果零件經(jīng)過鑄造工藝得到,雖然可以得到較為準確的工藝尺寸,與鍛件相比更加復雜的工藝形狀,但是鑄造很難消弭金屬材料的疏松、空洞、成分偏析、非金屬夾雜等弊端 [6]。經(jīng)過機械加工工藝得到的金屬零件,其尺寸精度比較高,零件表面光滑,但其內(nèi)部流線大多被切斷,很容易形成應力侵蝕,承受拉壓交變應力的能力比較弱 [7]。1.5 本課題研究的主要問題該課題通過運用模鍛鍛模的知識和其它與之有關的課程的知識，以及生產(chǎn)實踐中的經(jīng)驗去分析和解決在鍛造工藝設計中所遇到的各種難題，并且進一步鞏固和深化了所學的專業(yè)知識。通過各類計算以及計算機制圖，學會了在理論知識與實際操作過程中的合理運用，是所學的知識真正的轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱臇|西，并查閱相關的技術資料，可以培養(yǎng)鍛造工藝設計的基本能力，從而掌握鍛造工藝，熟悉各類模鍛鍛模的鍛造方法以及各種鍛造設備，較為熟練的掌握計算機AutoCAD 繪圖軟件,熟悉模鍛鍛模的設計流程，最后通過 ABAQUS 有限元分析軟件進行三維建模并分析在不同終鍛溫度下溫度場及應力場分布。52 鍛造工藝設計2.1 工藝分析2.1.1 零件特點 汽車傳動軸中的突緣叉零件材料為 45 號鋼結構。該汽車突緣叉零件高度與直徑之比為 86.5/138，在零件分類中屬于短軸線類型的零件?？梢钥闯鲥懩Ｖ饕碾y度是要求擠出兩邊的凸肩的形狀，并且兩個凸肩的相對高度較大。所以，在鍛模加工中，為了達到所要求去的凸肩高度，需在對于模具的結構進行很大的改進從而來滿足次突緣鍛模加工的要求。同時選擇合適的模具，可以提高加工效率，也可以在很大程度上避免鍛件充不滿、意外變形、折疊等其他缺陷情況的發(fā)生。2.1.2 確定工藝方案對于加工方法的確定，國內(nèi)外已經(jīng)有一些先關的研究。查閱資料，對于叉形鍛件的加工主要有兩種方案，一種是一模兩件加工和一模一件加工方法。最后通過考慮課題研究是實際情況，確定了加工方法為一模一件。根據(jù)模鍛材料的利用率的要求,突緣叉鍛件的鍛模加工工藝過程如下:下料—加熱—拔桿拍扁—鐓粗(去除氧化皮) —預鍛—終鍛—最后切邊。2.2 鍛件圖設計鍛件圖對于鍛模生產(chǎn)過程的確定、工藝的設計有著很大的影響。因此作為鍛模設計中最重要的一個環(huán)節(jié)，在設計時一般考慮解決以下問題。2.2.1 分模位置鍛件分模位置對于模鍛件成形、出模、以及材料利用率等許多問題有很大的影響。關于確定分模位置確定的原則是：盡可能保證鍛件的形狀和零件的形狀有較高的相似度，鍛件在冷卻后可以較為容易的從鍛模里面取出來。除此之外，應盡可能獲得鐓粗充填成形的最優(yōu)結果。所以，鍛件的側(cè)面不能出現(xiàn)凹形，除了上面所說之外，還要考慮以下這些條件：6（1）使零件脫模簡單容易，一般情況下分模面為零件最大投影面； （2）比較容易檢查上下膛模的相對錯移，從而保證成形充滿；（3）為了使鍛模更加簡單，分模線應該盡量選擇直線；不過對于頭部尺寸大，而且上下不對稱的零件，應該選取折線進行分模，從而保證成形充滿；（4）使鍛件的金屬流線分布保持合理；（5）使零件加工余量盡可能的最小，所以應該選擇在零件高度的一半處進行分模，以便節(jié)省材料；（6）使金屬方便充滿模膛，應該使膛模的寬帶大且使其深度小，這樣鍛件容易出模。因此，本鍛件的分模位置應選擇在如圖 2.1 所在位置，為鍛件左視圖的中間位置。圖 2.1 分模面位置2.2.2 確定余量和公差相比于鍛模錘，鍛模零件的公差和余量在鍛模壓力機上比較大。對于余量和公差的選取，查閱參考文獻，并參考鍛模壓力機的噸位選取，最終確定的余量公差分為別：在高度方向 mm，在水平方向為 mm。如下圖 2.2，鍛0.15-? 2.150-?件圖（含敷料及加工余量）。7圖 2.2 鍛件圖 （含敷料及加工余量）2.2.3 模鍛斜度一方面，為了使零件鍛造后能夠順利的從模膛里面拿出來，在設計鍛模時候必須給定一定的鍛模斜度。另一方面如果鍛模斜度給的不合理，則在鍛造過程中會增加材料的損耗，并且也會增大鍛造時間，增加工作量。因此選取一個合理的鍛模斜度非常重要，一般應該選取一個盡可能小的鍛模斜度，這樣既可以使零件順利取出，又不至于耗費過多的材料以及增加加工時間。由于本課題采用的是熱模鍛壓力機的下頂出機構, 未標注模鍛斜度兩耳外側(cè)可選擇較小的模鍛斜度 3°，其余模鍛斜度為 5°。2.2.4 圓角半徑考慮到在鍛模過程中金屬的流動問題，那么在鍛模零件的凸出和凹進去部分一般不允許有小于 90 度交的結構出現(xiàn)，這也是基于零件成型后的結構強度考慮，如果角度過小的話，在使用過程中容易產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象。參考文獻給出了在鍛模中的圓角選取規(guī)則，按規(guī)定，選用以下相應的圓角半徑 R3 mm、R5 mm、R8mm、R12mm 及 R28mm。凸圓角的作用是避免模鍛鍛模在熱處理過程和模鍛過程中因應力過于集中從而導致鍛件開裂。凹圓角的作用是使金屬易于流動充填模膛，避免產(chǎn)生折疊、防止模膛過早被壓塌等問題。最終按照上面確定的各個參數(shù)進行突緣叉鍛模三維圖的繪制，如圖 2.3 所示。8圖 2.3 突緣叉三維圖2.3 鍛造工序確定在鍛造的過程中，由于零件的形狀不同，導致鍛造工序也有所不同。對于本設計中的凸緣叉，查閱參考文獻給出的相關相關鍛造工序選擇，最終確定的鍛造工序為：(1）鐓粗：其目的在于由橫截面積較小的坯料獲得面積較大的坯料，并且反復地鐓粗可以使得合金鋼中的碳化物均勻，從而提高鍛件的力學性能。本設計中采用局部鐓粗，是因為在底下圓盤處需要進行局部鐓粗。（2）拔長：拔長是使得坯料中的橫截面積進一步縮小而長度進一步增長的過程，可以說是鐓粗的進一步過程。（3）預鍛：預鍛是進行初步的鍛造，先粗略的進行鍛造，鍛造出大概的形狀。（4）終鍛：終鍛目的是為了在預鍛的基礎上進行細節(jié)的修補，這樣鍛件能夠最終成型，從而提高鍛造效率。（5）切邊 ：對帶飛邊的鍛件進行切除。2.4 毛坯尺寸及工藝壓力的確定2.4.1 毛坯尺寸該鍛件選用鐓粗方式坯料成形，根據(jù)上面給出的鍛件的幾何形狀及標注的尺寸,并在計算過程中考慮熱損耗，計算出所需的鍛件體積，按鐓粗規(guī)則選用毛坯尺寸：9V 坯 =（V 鍛 +V 飛 +V 連 ） （1+δ） ?（2.1）V 坯 －坯料體積；V 鍛 －鍛件體積；V 飛 －飛邊體積；V 連 －沖開連皮體積；δ－加熱損耗率；坯料體積 V 坯 =（V 鍛 +V 飛 +V 連 ） （1+δ）=850076 mm 3?坯料直徑 D 坯 =0.9（ ）=85.5mm3坯坯料長度 m148L2??坯坯坯 ?2.4.2 工藝壓力( 1 )鐓粗壓力確定在實際生產(chǎn)過程中為了盡可能提高生產(chǎn)效率，可以把鐓粗過程單獨的空氣錘里面來完成，這樣所有的鍛模件初次加工都在空氣錘進行處理，而不會影響鍛模機的工作進度，有利于提高效率。按照參看文獻里面給出的相關數(shù)據(jù)，并結合本課題的鍛模件的實際情況，最終確定的空氣錘可以選用落下部分重 250千克的 C41-250 型。( 2 )模鍛壓力確定 后兩個過程，預鍛和終鍛的完成需要在熱模鍛壓力機完成。其中對于終端成型壓力的確定可以參考文獻中給出的公式：（2.2）鍛鍛段鍛 ）（）（ Fb2D01.0.-18P????式中 P 模 為模鍛所需壓力,N；D 鍛 為平面圖為圓形的鍛件直徑, mm ; σ b為金屬在終鍛溫度下的抗拉強度, N/mm 2 ；F 鍛 為分模面上鍛件的投影面積，mm 2；在本鍛件中，直徑 D 鍛 =134 mm；本金屬的抗拉強度 σ b =600 N/ mm2；F 鍛 =π D 鍛 /4=14095.46mm2?最終代入數(shù)據(jù)可以計算出所需要的鍛模壓力為 P 鍛 =10966.2KN最終選取的鍛模壓力機為 16000KN 規(guī)格的鍛模壓力機。10（3）切邊壓力確定 等終鍛完成后還需要對帶飛邊的鍛件進行切割，此過程需要在切邊壓力機上完成，對于切板壓力機的選擇，準確來說是選擇適合的切邊壓力，參考文獻給出了相關切邊壓力選取的規(guī)則，其切邊壓力計算的公式為：P 切 =1.7σ bL(2.5t +B) （2.3）公式中: P 切 為切邊壓力,單位 N；σ b為在該溫度下材料抗拉強度，單位 N/ mm 2 ；L 為鍛件分模線周長, 單位 mm ； t 飛邊橋部厚度, 單位 mm ；B 為零件高度方向的正偏差,單位 mm ；本零件的金屬的抗拉強度 σb=600 N/mm2；鍛件的周長 L=433.32mm；飛邊橋部厚度 t=3 mm；本鍛件為 B=1 mm 。將以上數(shù)據(jù)帶入計算公式得到：切變壓力大小為 P 切 =1.7 600 433.32 （2.5 3+1）=3756.8KN，考慮到??實際情況選取切邊壓力機規(guī)格為 4000KN。2.5 鍛造溫度確定對于鍛造溫度的確定，可以參考表 2.4 所給出的資料，該資料給出了不同材料的初始鍛造溫度和終鍛溫度，最終確定的始鍛溫度為 1200℃，終鍛溫度大于800℃。表 2.4鋼材牌號 始鍛溫度℃ 終鍛溫度℃ 退火溫度℃ 正火溫度℃15 1200-1230 800-960 880-960 900-95030 1190-1210 ＞800 850-900 850-90045 1180-1200 ＞800 800-840 850-87040Mn 1180-1250 800-850 820-860 850-90040Mn2 1180-1200 800?820-850 830-87020Gr 1200 800 860-890 870-900113 突緣叉最佳終鍛溫度確定本章主要介紹有限元相關知識，包括有限元分析軟件的基本概述以及有限元法的簡介。在有限元分析軟件 ABAQUS 中進行不同溫度下的該鍛件的模擬，通過 ABAQUS 分析得到在不同溫度相同加載條件下時該鍛件的應力云圖和形變位移圖，從而確定適合該鍛件鍛造的最佳溫度。3.1 有限元分析軟件簡介3.1.1 有限元軟件概述有限元方法出現(xiàn)于上世紀中葉（1950 年左右），當時結構力學的迅速發(fā)展帶動了新的力學計算方法的發(fā)展，最開始有限元軟件應用于飛機結構設計等靜強度問題的分析，隨后隨著不斷地發(fā)展，開始逐步適用于傳熱學、流體力學等分析問題，其強大的分析能力伴隨著有限元軟件的不斷更新而得到了不斷的體現(xiàn)。目前有限元分析軟件大概有幾十種，其中在中國比較著名的有ANASYS，ABAQUS，MARC，SAP 等，各種軟件應用各有所長。本次畢業(yè)設計中使用的有限元軟件是 ABAQUS，為了保證論文的完整性，本節(jié)將對 ABAQUS 軟件做一些介紹。3.1.2 ABAQUS 軟件概述ABAQUS 是由著名的繪圖軟件開發(fā)公司法國達索公司持有的有限元分析軟件(FAE)品牌。ABAQUS 套件包括三個核心產(chǎn)品：即ABAQUS/Standard，ABAQUS/Explicit 和 ABAQUS / CAE（完整的 ABAQUS 環(huán)境）。除此之外，ABAQUS 軟件新版本（6.10 起）也包含 ABAQUS / CFD 計算流體動力學模擬。（1）ABAQUS/Standard 提供有限元分析技術來解決傳統(tǒng)的隱有限元分析，包括靜態(tài)、動態(tài)、和熱分析，所提供的接觸范圍最廣、非線性材料的選擇。12ABAQUS/Standard 也有地址的設計靈敏度分析，海洋工程可選的插件和接口產(chǎn)品，并集成第三方軟件，例如，注塑成型分析。（2）ABAQUS/Explicit 提供有限元分析技術主要集中在瞬態(tài)動力學和準靜態(tài)分析中使用顯式時間積分，這在許多應用中是合適的，如跌落試驗，破碎，和制造過程。（3）ABAQUS/CAE 建立完整的建模和有限元分析的產(chǎn)品提供了可視化環(huán)境。直接訪問計算機輔助設計模型，先進的網(wǎng)格化和可視化，并對 ABAQUS 分析產(chǎn)品的獨家觀點，ABAQUS/CAE 是建模環(huán)境的選擇很多 ABAQUS 用戶。ABAQUS 對于問題的處理和大多數(shù)的軟件分析步驟大體相同，一般分為以下幾個步驟：（1）創(chuàng)建分析模型，具體包括：①創(chuàng)建部件指派模型空間（三維、二維或者軸對稱），可以從草圖繪制器開始，也可以從各種 CAD 系統(tǒng)導入幾何模型；②定義屬性，包括材料屬性，創(chuàng)建截面，指派截面；③裝配，將所有的部件進行裝配成整體，形成分析模型；（2）加載及求解，具體包括：①定義分析步，操作員可以把所有的加載歷史切割為多步進行，同時有相應的分析類型、載荷、邊界條件、接觸方式等與之相對應；②定義相互作用，經(jīng)過簡潔直觀的界面操作不但可以定義各類接觸方式：如面面接觸、自接觸等，而且能夠定義機械接觸或熱接觸的接觸類型；③預設條件，施加在三維模型上的初始條件、加載過程和邊界條件等全都可以在載荷模塊中定義，并且顯示在 CAE 中；④網(wǎng)格劃分并選單元類型，ABAQUS/CAE 能夠提供復雜的分網(wǎng)工具、操作者可以較為精確地創(chuàng)建各種不同的一維網(wǎng)格、二維網(wǎng)格與三維網(wǎng)格；⑤創(chuàng)建分析作業(yè)，將模型創(chuàng)建為新的作業(yè)并提交。（3）結果后處理在可視化里面查看分析結果，可以在結果選項里面選每一步輸出結果查看對應的應力、應變云圖。3.2 有限元法概述有限元方法的核心概念是把一個復雜的連續(xù)的整體經(jīng)過網(wǎng)格劃分為多個比較簡單的單元結構體，把無限自由度問題轉(zhuǎn)化成有限的自由度問題，把連續(xù)場函數(shù)的微分方程的求解問題轉(zhuǎn)化成有限個參數(shù)的代數(shù)方程組的求解問題 [5]。在13采用有限元的方法進行工程結構計算時，在理想體離散化后，怎樣保證它的數(shù)值解的收斂性和穩(wěn)定性是有限元理論急需著重研究的內(nèi)容之一，而其數(shù)值解的收斂性與劃分的單元格數(shù)量及單元格形狀有非常大的聯(lián)系。在固體力學問題求解過程中，通常將位移作為基本變量，使用虛位移原理或最小勢能原理建立方程組來求解。（1）結構物的離散化有限元方法的基礎思想是先化整為零，再分散分析，最后再集零為整。因此，對一個復雜結構進行有限元分析的第一步就是將該結構進行離散化，也就是根據(jù)所求解問題要求的不同精度、不同要求等，把整個結構劃分為有限個單元，各個單元之間、單元與邊界之間都是通過結點連接。（2）進行單元分析所謂單元分析是指將離散化后的每個單元都看做一個獨立的研究對象，研究單元結點位移與結點力之間的存在的關系。（3）整體分析在確定了每個單元的單元剛度方程之后，將各單元集合成整體結構進行分析，建立起包含整個結構所有結點平衡的方程組，即結構的整體剛度方程。然后引入結構的邊界條件，對該方程組進行求解，得到結點位移，進而可以求出各單元的內(nèi)力和形變。3.3 突緣叉鍛造問題的描述鍛模壓力機鍛造鍛件的過程，實際上是利用壓力對高溫下的材料進行特定形狀的擠壓，從而形成既定的形狀。材料的溫度對于材料的參數(shù)有很大的影響，所以在不同溫度下進行鍛模對于鍛模成型件的質(zhì)量有很大的區(qū)別。從資料給出的情況可以看出，對于鍛造的溫度選取一般在 800-1200℃左右之間，下面將在800-1200℃之間每 100 攝氏度取一個溫度即總共會有 800℃，900℃，1000℃，1100℃，1200℃五個溫度，進行有限元模擬，從而進行比較確定最佳溫度。3.4 ABAQUS 分析的步驟3.4.1 實體模型建立創(chuàng)建部件，點擊工具欄中的 Create Part（創(chuàng)建部件）工具，如圖 3.1 所示，選擇軸對稱模型空間，點“繼續(xù)”根據(jù)第 1 章確定的零件尺寸模型，在 ABAQUS的 Part 模塊中完成零件的三維實體模型的建立，如圖 3.2 所示。單位為14mm（保證在有限元計算中單位統(tǒng)一）。圖 3.1 創(chuàng)建部件圖 3.2 創(chuàng)建的三維零件圖3.4.2 屬性定義查閱材料手冊得到了該鍛件的材料參數(shù)，下表 3.1 給出 45 號鋼的材料參數(shù)隨著溫度的變化情況：15表 3.1 45 號鋼的材料參數(shù)隨溫度的變化溫度/℃ 密度 Kg/m3 彈性模量 Gpa 比熱 J/kg·℃ 泊松比100 7800 207 480200 7800 202 498300 7800 196 524400 7800 186 560500 7800 174 6151000 7800 90 6020.31500 7800 20 / /2000 7800 1 / /（1）定義材料屬性，分別輸入給出的溫度下的對應的密度、彈性模量、泊松比以及比熱容并創(chuàng)建材料 1，圖 3.3 所示。（2）編輯截面，然后用所定義的材料屬性定義截面，如圖 3.4 所示（3）截面指派，最后把該截面指派給零件的截面，圖 3.5 所示。圖 3.3 定義材料參數(shù)16圖 3.4 定義截面圖 3.5 指派截面到零件3.4.3 裝配將鍛件的部件進行裝配，最終如圖 3.6 所示。17圖 3.6 裝配好的零件圖3.4.4 創(chuàng)作分析步根據(jù)鍛模積壓的實際過程，我們只是需要進行最后的終鍛過程，所以整個分析過程只需要一個分析步即可，創(chuàng)建的分析步如圖 3.7 所示。圖 3.7 創(chuàng)建分析步3.4.5 加載對于本課題需要模擬的部分，也就是最終成型階段。該階段除過零件頭部（圓盤底部）部分受到壓力載荷的作用，其他部分均受到模具的約束，在有限元模擬中，零件頭部設置為壓力面，其余部分則根據(jù)具體的情況進行位移約束約束。給零件圓盤底部設置壓力載荷，按照前面選取的熱鍛壓力機的型號，給定的壓應力為：P=F/S=4*16000*103/(3.14*0.1342)=1135.6MPa最終加載的示意圖如圖 3.8 所示。18圖 3.8 加載示意圖加載和約束設置好以后，需要在加載模塊里面設置零件的溫度。點擊創(chuàng)建預定義場，輸入初始驗證的溫度 800℃，點擊保存，如圖 3.9 所示。圖 3.9 設定鍛件的溫度場3.4.6 網(wǎng)格劃分對于整體部件的網(wǎng)格劃分，設置網(wǎng)格屬性為四面體單元，網(wǎng)格尺寸為 5mm，整個部件共生成網(wǎng)格單元 24512 個。如圖 3.10 所示。圖 3.10 網(wǎng)格單元劃分示意圖193.4.7 運行分析創(chuàng)建作業(yè)并進行作業(yè)提交，等待軟件運行結束。如圖 3.11 所示。圖 3.11 創(chuàng)建作業(yè)3.5 結果可視化 進入可視化模塊，點擊應用云圖查看 800℃溫度下，鍛件對應的應力云圖。并調(diào)整 ABAQUS 字體的大小至合適。最終看到的 800℃對應的應力云圖如下圖3.12 所示，可以看到最大應力點的位置，最大等效應力為盤和突緣的連接處，這個位置最大的應力是 442.4 MPa，相比于 45 號鋼的材料屈服應力 σs=355MPa來說比較大。圖 3.12 800℃下鍛件的應力分布云圖203.6 改變溫度結果比較上一小節(jié)給出了 800℃溫度下突緣叉在鍛壓機作用下對應的應力云圖，下面將改變鍛件的溫度，重新進行計算。以獲得不同溫度下的鍛件應力分布云圖，從而進行比較鍛件在那個溫度下應力水平最低，從而該溫度下即為鍛件最適合溫度。打開 ABAQUS，調(diào)出前面計算的 CAE 文件，進入加載模塊。溫度的加載在此模塊中，所以必須在此模塊中該變溫度的大小。而材料系數(shù)在屬性模塊中已經(jīng)給出了，在這里不再重復給出。而其他的載荷以及邊界條件和網(wǎng)格劃分的步驟與 800 攝氏度計算的時候完全相同，因此在這里不必進行改變。改變溫度為900 攝氏度，如圖 3.13 所示：圖 3.13 900℃下鍛件的應力分布云圖下面不斷改變加載溫度，分別得到 900 攝氏度、1000 攝氏度、1100 攝氏度、1200 攝氏度下鍛件的應力云圖分布，如圖 3.14、3.15、3.16 所示。 圖 3.14 1000℃下的鍛件應力分布云圖21圖 3.15 1100℃下的鍛件應力分布云圖圖 3.16 1200℃下的鍛件應力分布云圖由以上分析結果可知鍛件鍛造溫度在 1200℃左右時應力最小，但是考慮實際情況，鍛造溫度下降比較快，所以鍛件最佳鍛造溫度為 1000℃。224 突緣叉冷卻分析4.1 突緣叉冷卻分析過程1.設置模型屬性，將參考溫度設為 0 攝氏度，設置斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)：5.67E-8 如下圖 4.1 所示：)m/(42KW?圖 4.1 設置模型參數(shù)232.設置材料參數(shù)，包括導入常數(shù)，彈性模量，泊松比。如下圖 4.2 所示：圖 4.2 設置材料參數(shù)材料的參數(shù)如下所示:密度：7850kg/m 3彈性模量：2E11Pa泊松比：0.3傳熱系數(shù)：60.64W/( m K )?比熱容：460 kg/(J輻射率：13.設置網(wǎng)格屬性，為傳熱單元。如下圖 4.3 所示：24圖 4.3 設置網(wǎng)格屬性4.創(chuàng)建分析步，并設置時間參數(shù)和步長參數(shù)。如下圖 4.4 所示：圖 4.4 設置分析步255.設置場輸出為熱結果。如下圖 4.5 所示：圖 4.5 輸出設置6.設置相互作用，設邊界條件，為室溫。如圖 4.6 所示：圖 4.6 設置邊界條件267.添加溫度，設置初始溫度為 800℃。如下圖 4.7 所示：圖 4.7 設置初始溫度4.2 分析結果計算得到結果。并做切片顯示。如下圖所示 4.8 所示：圖 4.8（a） 初始溫度分布27圖 4.8（b）溫度分布圖以上為突緣叉在終鍛 800℃溫度場中冷卻過程中的溫度分布。285 模具設計本章主要是關于突緣叉模具的設計，鍛模結構主要是由夾持器和專用的模塊等工作件組成。5.1 鍛模結構設計首先，對于鍛模結構的設計必須予以足夠的重視，因為鍛模在鍛造過程中是對鍛件施加載荷的機構，所以需要承載較大的作用力。因此，鍛模是促進生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量以及生產(chǎn)最終效果的最主要因素。并且，在整個過程中，鍛模結構始終承受著較大的載荷，并且工作速度較小，還承受著熱量的交換，因此會產(chǎn)生著較大的應力。鍛模模架主要是由導套、模座、墊板、導柱等構成。其中，上下兩個模座為模架最大的零件，因此要求上下模座需要足夠大的強度，結實耐用。并且為了容納足夠行程的頂出機構，承壓部件的厚度應盡量大，才能滿足頂出機構的工作要求。在模塊和模座之間需要有墊板來過渡，對于墊板的要求是有足夠大的面積來保證壓強不會太大。導柱和導套的作用是為了防止模件的差錯，而模柱和模套的位置一般在模架的后方位置。導套與上面的模座之間采取過盈配合，其目的是為了防止滑塊脫開。導套的內(nèi)部一般采取耐磨材料，這樣是為了較少對于導套的磨損，而導套的下部一般有密封圈，密封圈在此起著防止外界的雜物進入磨具內(nèi)部。5.2 飛邊槽的選擇熱模鍛壓力機所用鍛模的飛邊槽形式與錘用鍛模的飛邊槽基本類似，它的主要不同在于熱模鍛壓力機所用鍛模的飛邊槽不存在承擊面，在上模面與下模面之間留有高度與飛邊橋部高度相等的的間隙，其目的是為了防止熱模鍛壓力機超載，從而發(fā)生“悶車”現(xiàn)象。開式模鍛的終鍛模膛必須存在飛邊槽，飛邊槽的形狀及其尺寸大小是否合適對鍛件的成形影響很大，所以設計終鍛模膛的另一個重要任務便是確定飛邊槽形式及與其有關的尺寸。突緣叉鍛模的飛邊槽形及有關尺寸，查閱參考文獻,并經(jīng)過計算，最終確定的終鍛模具如下圖 5.1 如圖所示。鍛件的尺寸大小參照設計圖上的標注尺寸。29圖 5.1 突緣叉模具（終鍛）主視圖5.3 頂料裝置設計 壓力機的滑塊和工作臺都配有主頂桿，熱模鍛壓力機的頂出裝置主要用于頂出預鍛模膛或終鍛模膛內(nèi)的鍛件。舊的壓力機上一般只有一對主頂桿，即上下各一個主頂桿，而這樣設計對于需要多個定出的時候不適應，因此新式的壓力機都是多對的主頂桿，一般有 3-4 對，這樣的話，每一對即可以獨立工作，也可以在不用時只讓一對工作，從而提高了工作效率。頂料裝置的設計如下圖 5.1 所示，在模具中的頂出位置及頂出裝置的尺寸如圖所示。在該頂出裝置中, 設計的頂出裝置的直徑 33 mm，這樣設計有兩個目的，第一就是提供在鍛模結束后，頂出鍛件，其二這樣設計還可起到排氣的作用，因此有了排氣裝置，排除了模具里面的殘余氣體，使得金屬比較順利地充滿模膛的深處。5.4 模具材料選擇對于模具材料的選取主要由以下幾個原則：首先必須采用經(jīng)過鍛制的材料制成，因為這種材料具有較高的硬度和強度。其次鍛模在整個鍛造過程中，相30比較于其他部件，承載著巨大的沖擊力和產(chǎn)生很大的盈利，因此從提高鍛模疲勞壽命的角度來考慮，必須采取合適的材料來盡可能提高鍛模的壽命。對于本設計中的突緣叉經(jīng)過查資料最終選擇了硬度 47-51HCR 之間的 H13 熱鍛模鋼材。5.5 預鍛模膛設計熱模鍛壓力機經(jīng)過一次行程完成金屬材料的變形。因此，熱模鍛壓力機上的模鍛的成形規(guī)律一般為：金屬液體在高度方向流動時相對比較緩慢，而沿著水平方向流動時比較劇烈。這使得模鍛壓力機上模鍛容易出現(xiàn)模膛充不滿或折疊等問題。所以，通常情況下都要設計預鍛模膛。設計原則如下：預鍛模膛通常比終鍛模膛的高度尺寸相應大 2—5mm，寬度尺寸適當縮小，并使預鍛件的橫截面稍微大于終鍛件相對應的橫截面積。如圖 5.2 所示。嚴格控制預鍛件各個部分的體積大小，使終鍛時多余的金屬能夠合理流動，避免出現(xiàn)由金屬回流而引起的折疊問題。圖 5.2 預鍛模膛裝配圖表 5.1序號 名稱 序號 名稱1 上模座 2 上凸模3 彈簧 4 拉桿5 鎖緊圈 6 下模7 活塞桿 8 下模座315.6 制坯模膛選擇熱模鍛壓力機常用的制坯模膛有鐓粗模膛、擠壓（成形）模膛和彎曲模膛等。該零件使用鐓粗模膛。5.7 機鍛模高度設計機鍛模高度的閉合狀態(tài)在高度方向的關系為：H=Σhi （5.1）即總的高度等于各個零件的高度之和，包括導套、模座、墊板、導柱等構成的高度。并且模具閉合高度 H 應該在壓力機封閉高度所能允許的正確范圍之內(nèi)，即Hmin
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