十字轴锻造成型工艺及模具设计毕业论文(编辑修改稿)

十字轴锻造成型工艺及模具设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

圆操作：此类操作，是将对面之间的陡峭边倒圆，在选定面组间添加相切圆角面等，是在三维实体中对细节特征的编辑。 镜像体操作：通过镜像体操作，可是实体相对于一个基准面产生镜像对称。 复合曲线操作：通过复制其他曲线和边来创建曲线。 最重要的是布尔操作，特征的布尔运算操作用于确定在建模过程中多个实体之间的合并关系。 布尔操作中的实体对象分别称为目标体和工具体。 目标体是用户首先选择的需要与其他实体合并的实体或片体对象，工具体是用来修改目标体的实体或片体对象。 在完成布尔运算操作后，工具体将成为目标体的一部分。 布尔运算操作包括求和、求差和求交运算，求和运算是将两个或更多个实体的体积合并为单个体。 求差运算是从一个实体的体积中减去另一个的，留下一个空体。 求交运算是创建一个体，它包含两个不同的体共享的体积。 最后为了给模拟做准备，还会用到一些测量性的操作。 DEFORM3D简介 DEFORM的特点DEFORM3D是美国Battell研究院开发的一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。 在模拟过程中，按照变形前后体积不变原则，能够对成形过程的三维金属流动做过程模拟分析。 主要功能如下：模拟分析自由锻、模锻、积压、轧制、摆碾、平锻、辗锻等多种塑性成形工艺过程；模拟和分析冷、温、热塑性成形问题；模拟和分析多工序塑性成形问题。 DEFORM是一个模块化的模拟系统，包括有限元模拟器、前处理器、后处理器和用户处理器四大模块。 DEFORM3D有着很好的准确性和稳定性。 模拟引擎在大变形金属流动，行程载荷和产品缺陷预测等方面同实际生产相符保持着很高的精度。 自动网格生成器可以基于特定的分析过程控制局部单元尺寸优化完成网格划分。 依据分析成形过程特点，网格生成器在有精度要求的区域生成质量更优的单元，降低了整体的计算规模和运算要求。 由用户自定义的局部网格密度控制为较高层次用户提供了更加灵活的方法。 DEFORM3D不仅提供了完善的分析功能，而且采用了直观的图形用户界面。 并提供了诸如切除飞边的布尔运算等3D几何模型处理的功能。 FEM引擎同样可用于剪切和裁边的模拟计算。 即使是更为复杂的机加工也可以进行模拟。 通过模拟分析变形过程的金属流动，有助于本课题在分析十字轴的预锻成形过程中，强化工艺参数，通过改进模具设计，优化预锻成形效果，提高十字轴产品质量。 DEFORM模型的建立（1）定义几何特征 ：根据模锻的理论和所研究的问题，设计出相应的模具，输出DEFORM3D软件可以识别的STL文件或其他可用的二进制文件。 PRO/E、UG等三维CAD软件，均可用来设计模具，并生成DEFORM可前处理文件格式。 本课题所用UG生成STL文件。 （2）边界条件的设定 ：根据DEFORM软件的要求和模拟实验的目的，需要设定的边界条件有：对上模的速度控制的输入；坯料温度和模具温度；坯料材料；坯料和模具的材料性能，一般，坯料设为塑性，其他件设为刚性，忽略其弹性变形；设定所有件与坯料间的接触关系；坯料和模具间的摩擦系数；模具完成整个变形过程所用的步数、每步的压下量；材料成形方向平行于轴面金属流动的速度。 （3）前处理 ：依据DEFORM的“PreProcessor”所提示的步骤，建立前处理。 在前处理过程中，材料参数、网格划分、运动设立、特性等几个比较重要的参量，有些参量在模拟过程中是要不断地修改的，特别是网格的重新划分，对模拟运算影响比较大，往往需要几次反复才能成功，是比较费时的。 在前处理初始条件的建立中，一定的实际经验可以少走弯路。 （4）模拟运行 ：模拟运行实质上是一个计算过程，点击RUN进行DEFORM运算模拟，在模拟过 程中，可以观察同步信息，监控模拟过程。 （5）后处理过程 ：计算机在计算程序运行结束后对数据进行分析整理，并且用较直观的方法输出数据的过程，这就是DEFORM的后处理过程。 在本课题中，通过分析等效应力应变、载荷、金属流动方向等对比不同方案下十字轴成形状态并得出结论，值得注意的是，在对比中，所用参数范围应该相同，不论是效果图还是曲线图。 （6）参数的调整 ：在计算机运行过程中，由于参数设置的不当，比如网格划分不恰当，刚性面与工件脱离等，模拟时就会出现错误，需要调整。 在调整过程中，主要调节的地方是网格、刚性面、传热面、边界条件，DEFORM软件模拟的关键就是边界条件的设置，其中网格的重新划分是关键。 网格化处理时，一般选择网格单元数在800020000之间，不能太多也不能太少。 一些边界条件的设置也需有个合适值，总之，参数的调整是得到一个理想的运行不可缺少的过程。 第3章 十字轴模具设计 十字轴锻件几何尺寸分析图31 十字轴冷锻件图尺寸如图31，是本课题所用十字轴冷锻件图尺寸，从图中可以看出，本课题所要成形的十字轴是由两个直径大一点的圆柱以相互成90度，对称套在一起的，在其外侧再接直径小一点的圆柱，然后在相套圆柱交接处，上下挖出平面为正方形的平台，这样，一个十字轴的特征图就成形了。 特别注意，根据尺寸图所给尺寸，可以看出制作特征图的成形顺序，当两个圆柱套在一起后，要在衔接处先开圆角，平缓过渡，然后再挖平面，如果顺序不同，可能会使衔接处由于多条曲线相交而不能开圆角，再次，要注意挖的正方形平台，也应该以圆角的形式过渡，因为，对与模锻来说，产生小的里面是困难的，就算模具是垂直的，在成形后也会由于金属流动而成一定圆角。 本十字轴设计中坯料所用材料为20CrMnTi，密度ρ=。 锻件的形状复杂系数为：S=Md/Mn（Md为锻件质量，Mn为外轮廓包容体质量）。 Mn=14πd2hρ（d为外廓直径，h为高，ρ为密度）。 Mn=1426103≈（g）在UG中分析菜单栏下用测量体命令测得十字轴体积为Vd=，Md=ρVd=（g）S=Md/Mn≈，为2级形状复杂系数S2。 模锻力的计算：P=k1k2FP—模锻力（kN）。 k1—钢种系数，低合金结构钢k1=1。 k2—金属变形抗力系数（kN/cm2），开式模锻k2=（46～73）kN/cm2 ，闭式模段k2=（60～80）kN/cm2。 F—锻件投影面积（含按仓部的12计算的飞边面积）。 根据UG图计算出锻件投影面积为：F=，模锻力：P=73=。 %的收缩率绘制，如图32和图33。 图32 十字轴热锻件图尺寸图33 十字轴热锻件三维图 终锻模的设计 分模面的制定分模面的选择的基本要求是保证锻件能从模膛中顺利的取出来，因此应选择在十字轴锻件最大横截面处，即选择在上下对称中心线位置分模。 模块的结构由于模膛较浅（），可以采用矩形镶块结构，上下模块分为模块体与镶块，在镶块上加工出模膛，镶块可一次性使用不翻新。 根据锻件尺寸，可选用模块标准规格LBH/mm为：240240130。 镶块承压面强度校核：该件在16MN级热模锻压力机上模锻，P=F/A=160001000/57600≈式中：F—热模锻压力机的标称压力，kNA—模块底面的有效承压面积mm2小于允许的极限值（300MPa），故可以采用。 飞边的选用飞边槽的结构形式如图34。 图34 飞边的结构形式根据本十字轴的形状及尺寸大小，选择常用的飞边槽结构形式c，按15MN级并确定飞边槽尺寸如下：h=，b=8mm，B=4mm，l=22mm，r1=1mm，R=2mm。 锁扣设计为了避免引起锻模错移，导致锻件产生错差，并加速热模锻压力机导轨和模具导柱导套的磨损。 常在锻模模块上设置锁扣来平衡错移力，保证锻件精度和便于模具安装、调整等。 锁扣可分为两大类，一类是平衡锁扣（也称形状锁扣），主要用于具有落差的锻件；另一类是普通锁扣，普通锁扣又可分为圆形锁扣，纵向锁扣，侧面锁扣，和四角锁扣。 圆形锁扣一般用于齿轮件、环形件，这些锻件的特点是根据锻件的外形很难确定错移的方向；纵向锁扣一般用于长轴类锻件，用以防止上、下模纵向错移和相对转动；侧面锁扣用于防止上、下模相对转动和前后左右的错移；四角锁扣的作用与侧面锁扣相似。 如图35所示为四角锁扣的相关尺寸参数如下所示： 图35 四角锁扣锁扣高度：H=25锁扣宽度：B=锁扣长度：L=50a=5186。 R1=5R2= R1+2=7R3= R6=3R4=R5=5十字轴终锻模上模镶块如图36所示，终锻模下模镶块如图37所示。 图36 终锻模上模 图37 终锻模下模 坯料体积计算V=（Vd+Vf+Vt）(1+δ％)式中：V—坯料体积，mm3Vd—锻件（包括冲孔连皮）体积，mm3Vt—机加工和工艺余量体积，mm3δ—金属加热损耗率，（在电阻炉中加热δ=～）。 Vf—飞边体积，mm3，对短轴类零件等于飞边槽容积的1/2，即：Vf=LzFf=式中：Lz—锻件周长，mmFf—飞边面积，mm2Fc—飞边槽截面积，mm2Vf=≈（mm3）V=（++0）(1+％)≈（mm3）根据计算出的坯料体积V确定坯料直径。 考虑到坯料在镦粗时不致产生弯曲，备料方便以及节省材料，应使坯料长度L与与直径D之比值L/D=～。 由此，坯料直径D可在下列范围内选择：D’=（～）3V=（～）≈～（mm）计算出D’后，依据国家标准尽力选用本厂常用的规格D。 选取D=40mm然后求出下料长度L：L==247。 402≈80mm图38 坯料式中：D’ —计算出的坯料直径，mmV—计算出的坯料体积，mm3 L—下料长度，mmD—下料直径，mm坯料长度L与与直径D的比值：L/D=80/40=2，满足条件。 坯料如图38。 预锻模的设计传统工艺预锻模具，在预锻阶段总会或多或少产生飞边，不利于十字轴的最后成形，预锻飞边的出现，不仅浪费了材料，还造成终锻所需打击力的提高十字轴类零件在锻造成形过程中，坯料在模具的压力下，会发生变形,向髋部和轴部流动。 预模腔内壁存在相对运动，因而存在摩擦力，摩擦力的存在阻碍金属的流动，但由于坯料受到的竖直方向的力，足以抵抗摩擦力，因而，坯料首先充填髋部，然后再充填轴部。 金属流动情况如图39所示，在充填模膛过程中，如果型腔的造型不合理(比如存在比较大的轴肩差、不合适的圆角)，金属的流动就会受到抑制，最终不能很好的充填轴部型腔，而髋部的金属，会以预锻飞边的形式流出。 产生预锻飞边的另一个原因就是坯料尺寸过大，坯料尺寸可以取根据预锻模膛和终锻模膛体积计算，在目前采用的工艺，无论怎么修改坯料的尺寸，都会产生预锻飞边，仅仅是飞边大小的问题，这也是现在生产中所存在的问题。 那么要消除飞边就要改变预锻模腔外形设计。 通过改变预锻型腔的外形，使终锻时所用的预锻件不仅没有飞边，还能与终锻模腔有更大的接触面积，这样，就能降低加工载荷，节约能量，减少开式模锻第二阶压下量，使金属更好的填充模腔，最重要的使坯料在成形过程中受力均匀，消除终锻件的应力集中。 图310 坯料镦粗图39 成形过程金属流动模型如图311可以看出，传统工艺下的预锻型腔外形并不合理，预锻型腔的作用，就是实现坯料的预成形，为终锻提供方便，因而，预锻型腔的几何形状可以在一定程度上变化，来实现预锻无飞边、终锻所需能量降低的目的，预锻型腔外形的修改，有下面几个原则：对于不影响最终成形的几何部分，可以通过恰当的圆角过渡来降低预锻中的金属流动阻力；预锻型腔的修改,必须在几何外形上保证坯料在模膛中的定位和放置；预锻型腔的体积不能小于终锻型腔的体积。 本文基于上述目的，秉持上述原则，在传统预锻模腔的基础上针对部分地方做出修改、优化，最终确定了改进后的预锻模腔（如图312）。 改进预锻模腔与传统模腔不同之处，在于改进模腔髋部的拐角用圆弧进行了过渡，这样就是金属在流动到拐角处，不在因为很大的阻力而影响其流动，同时，也就减少了在这个部位飞边挤出的可能。 另外，本文在型腔内部借助改进的拐角，挖出了一个带弧度的凹台，用来使原始坯料和模具面接触，缩短了预锻时第二阶段的压下量，使坯料更容易填充型腔，也从另一方面减小了飞边产生的可能，最重要的就是，通过预测无飞边预锻件成形几何特征，确定预锻型腔圆角，使预锻件能够最大程度的与终锻模腔接触，深入。 同时，对坯料进行镦粗，镦粗高度不宜过小亦不宜过大，适当的镦粗这样更有利于坯料在型腔内成型并且更大程度的减小了飞边产生的可能，如图310。 镦粗后坯料的高度为H=55mm。 图311 传统工艺下的预锻模腔图312 改进后的预锻型腔图313 传统工艺下预锻结束和终锻结束图314 改进后预锻结束和终锻结束从图313和图314中可以看出，运用改进后的模具进行预锻成形后，预锻件不再有飞边存在，整个预锻件过渡合理，在整个预锻过程中，坯料的形状处在圆滑状态，尽可能的减少了突然变形，提高了坯料的成形性，因此，不再有飞边产生，同时降低了载荷，使锻件预成形效果好，终锻时，金属便能很好的填充终锻模腔。 第4章 十字轴模具总装配图 模架的选取拟选用中间导柱模座，图41为中间导柱模架，（GB/T 2851，5），技术条件按JB/T 8050—1999的规定。 图41 中间导柱模架 图42为中间导柱上模座，其各部分结构参数见表41，材料为HT200，规定凹模周界L＝240mm，B。