机械毕业设计论文]汽车转向节十字轴的预锻成形及模具改进说明书

机械毕业设计论文]汽车转向节十字轴的预锻成形及模具改进说明书内容摘要：

造业发达的国家比起来，我国的制造业发展水平还有一定差距，还需要大量引进先进技术，从而使我国的发展从根本上看处在被动地位，可以说制造业的发展关乎我国民族兴亡，对其的研究也就显得重中之重。 本课题是在这个大的背景赋予的精神下深入到我们日常生活中的一个常见领域展开研究的，近几年，我国汽车制造业可以说是我国制造业发展的代表，大部分国外厂商的注入，国有品牌的崛起，共同满足着我国国民对私家车日益增长的需求。 而汽车转向节中的十字轴正是汽车转向系 统中必不可少的组成部分，而且承担着重要分量的安全责任。 在汽车传动系统中，为了实现一些轴向相交和相对位置经常变化的转轴之间的动力传递，就必须安装转向传动装置，这种装置一般由转向节、传动轴和中间支承组成。 比如在发动机前置后轮驱动汽车（如图 ）的变速器与驱动桥之间。 而转向节正是实现传递变角度动力的组件，用于改变传动轴线方向的位置。 按扭转方向上是否有弹性，可将转向节分为刚性转向节和挠性转向节。 本课题所研究的十字轴存在于不等速转向节中（如图 ），是刚性转向节中的一种。 图 转向传动装置 1 转向 节； 2 传动轴； 3 前传动轴； 4 中间支承 山东建筑大学毕业论文 2 图 十字轴式刚性转向节 1 套筒； 2 十字轴； 3 传动轴叉； 4 卡环； 5 轴承外圈； 6 套筒叉 在传动装置中，载荷对结构有很高的要求，人们对速度、稳定性的追求，使载荷不断的增大，在结构上不可避免的产生应力集中，而十字轴的轴头尺寸又相对很小，这样，就使十字轴成为汽车安全稳定性的一个重要因素，也因此对其加工制造的工艺有较高的要求。 而 DEFORM3D 是一种基于工艺模拟系统的有限元系统，专门用于分析各种金属成形过程中的三维流动，提供很有价值 的工艺分析数据，及有关成形过程中的材料和温度流动，通过模拟处理，可以从一定的程度预见工艺过程和效果，并在模拟中改进工艺，从而为实际生产提供最大的便利，节省开发时间，空间，节约成本。 计算机广泛发展以来，实际生产与数字化联系日益紧密，各国纷纷大力发展数字化技术，可以说将实际生产数字化会从根本上改变制造业的生产模式和管理模式，有上千年历史的制造业也进入了一个全新的时期。 因此实际生产数字化的重要性不言而喻。 国内外发展及研究现状 基于十字轴在传动装置中的关键性，以及实际生产数字化的重要性，国内外有很多人研究 这两方面，更将两方面结合在一起。 比如切梅兹等编著 (德 ),伍德荣等译的《万向节和传动轴》，作者详细阐述、介绍了转向节和传动轴的结构特点。 参考此著，颜波在《农业装备与车辆工程》 2020 年第二期发表了《 EQ140 十字轴断裂的有限元分析》，作者应用 ANSYS 有限元大型分析软件 , 模拟十字轴受扭矩载荷时的应力情况 , 结合产品试验情况 , 对产品结构尺寸进行改进 , 满足产品使用要求。 这就是一个实际生产与数字化很好结合的例子。 在十字轴的生产工艺方面，有杜照国在《模具技术》 2020山东建筑大学毕业论文 3 年第 4 期发表的《十字轴模锻工艺设计》，洪慎章 在《模具工业》 1997 年发表的《十字轴闭式精密挤锻工艺》，刘日仓，杨宝琴在《锻压机械》 2020 年第 5 期发表的《大型十字轴锻压工序》等。 纵观整个十字轴研究领域，生产十字轴常用的加工方法有机加工、热锻、冷挤压等。 在实际生产数字化模拟方面，有于斌，郝滨海，徐桂华在《锻压装备与制造技术》 2020 年第 4 期发表的《基于 DEFORM 的套筒扳头挤压成形过程数值模拟》，景志红，管克智，李斌，李爱群在《北京科技大学学报》 1997 年 2 月发表的《十字轴的有限元分析》，郝滨海，夏思淝，张勇，杨芳在《模具工业》 2020 年发表的《套筒扳 头挤压成形过程的计算机模拟》等，这些数字化模拟研究运用不同的模拟软件对不同的金属成形过程进行了计算，分析。 课题的认识及研究方法 课题的研究对象 【 15】 随着科学技术水平的发展，现阶段生产十字轴的加工方法主要有机加工，热锻，冷挤压等。 利用机加工方法生产十字轴，生产工序较多，造成生产过程中效率低下，材料严重浪费，不利于大批量生产，再加上机加工生产出来的十字轴力学性能和金属内部流线结构上受到了限制和破坏，所以一般不易采用此种方法加工。 利用热锻方法生产十字轴，其变形抗力低，能量消耗少，由于金 属在加热变形过程中，在加工硬化过程的同时，也存在着回复或再结晶的软化过程，就是其塑性变形容易进行。 一般情况下其塑性、韧性好，产生断裂的倾向性减少，热锻一般不易产生织构，十字轴的择优取向性较小。 但是热锻也有其不足，加热时会产生氧化、脱碳等缺陷，加工后十字轴的表面不是很光洁，尺寸也不如冷挤压生产的精确，而且，由于加工结束后，十字轴内部温度难于均匀一致，所以热加工后的十字轴组织、性能常常不如冷挤压加工的均匀。 利用冷挤压方法生产十字轴，虽然弥补了热锻的不足，生产十字轴的生产工序少，可获得理想的表面粗糙度和尺寸精度 ，材料利用率高、生产效率高，成形十字轴内部结构组织均匀，有合理的纤维流线分布，但进行冷挤压加工所需要的条件很高，比如，需要的设备吨位大，模具很容易磨损，整个生产过程中，从模具设计、润滑到工艺工序的安排都很复杂，而从我国基本国情的角度出发，在我国目前的科学技术水平下，还是有相当的困难，从另一个角度上说，开发这样的生产过程反而会提高十字轴生产的总成本，国内使用的还不普遍，而在我国普遍采用热锻方式加工十字轴，我们有成山东建筑大学毕业论文 4 熟的经验可以借鉴，并在此基础上进一步改进。 所以，本课题将以热锻十字轴零件（如图 ）为研究对象 ，对十字轴热锻成形工艺特别是预锻成形工艺进行研究。 图 常见十字轴零件图和模锻件图 课题的研究方法 本课题是通过借鉴大量的十字轴的传统加工方法，利用有限元模拟软件，模拟十字轴的成形过程，通过学习文献中关于模拟十字化的分析方法分析计算模拟结果等找到工艺缺陷，并依据所学基础知识对工艺进行改进，再通过模拟对比，如此反复，直到达到工艺的最优化。 首先，通过三维造型软件对传统热锻十字轴零件进行三维实体化造型。 通过有限模拟软件，对十字轴热锻成形过程进行模拟，分析变形过 程中应力应变分布，载荷变化和金属流动情况，找出不足、缺陷。 进行改进设计。 再通过三维造型软件对改进后的热锻十字轴零件进行三维实体化造型。 再通过有限模拟软件，分析改进后的情况，实现工艺的最优化。 山东建筑大学毕业论文 5 2 课题实验的方案 热模锻成形工艺 【 4】 由于本课题是研究十字轴的预锻成形和模具改进，那么首先要解决的，就是充分理解加工十字轴所用的工艺，热模锻成形工艺，只有了解、掌握了这个工艺，才能为这个课题的完成打下基础。 模锻的特点 首先，本课题的十字轴是通过模锻成形的，模锻就是使金属坯料 在冲击力或压力作用下，在模锻模腔中被迫塑性流动成形，从而获得锻件的一种工艺方法，与自由锻相比，通过模锻可以生产形状较为复杂的零件，而且不论是尺寸、形状的精度都比自由锻要高，最为重要的是，比起自由锻，不论从材料利用率还是生产效率，还是表面质量来说，都要好，由于模锻中的金属是在模具的模腔中流动的，一定会受到某些方向的限制，所以，变形抗力会很大，因此相同尺寸的毛坯，成形所需的设备吨位要更大些。 而从模具上来说，生产一套模具所要求的不论从设备还是技术层面都要比生产一个零件要高，这样模锻相比自由锻来说，前期投资比较大， 准备周期比较长，所以模锻主要用于在大批量的生产中小型锻件中，十字轴的生产正符合这些特点。 模锻的分类 根据成形温度，模锻分为热锻和冷锻，本课题采用热锻，热加工可以使工件变形抗力低，使其塑性变形容易进行，同时会产生回复，再结晶，提高了成形件的力学性能。 根据终锻模具的不同，将模锻工艺分为开式模锻和闭式模锻。 开式模锻是指金属沿工件分模面的周围形成横向飞边，上模和下模间的间隙不断变化，而闭式模锻恰恰相反，金属沿工件分模面得周围没有横向飞边产生，上模和下模间的间隙不发生变化。 本课题所采用的是开式模锻， 这就要注意飞边和间隙对十字轴成形的影响。 开式模锻工艺 开式模锻过程可分为镦粗、充满模腔、挤出飞边和打靠四个阶段。 第一阶段是镦粗阶段，坯料处于下模模腔，上模开始与坯料接触的瞬间，上模对坯料进行压缩，坯料的高度在减小，根据体积不变假设，相应的直径就在增大，此阶段金属的流动受到的限制比较小，所需的变形力也就不会很大。 在此过程中，整个坯料都是变形区。 山东建筑大学毕业论文 6 第二阶段是充满模腔阶段，金属被挤入模腔后，毛坯的侧面鼓起来与凹模的侧壁开始接触，到整个侧表面与模壁贴合且模腔间隙完全充满为止，在这个阶段中，变形金属的 流动受到了模壁的阻碍，变形力开始显著增大。 在此阶段，变形区仍然遍布整个坯料。 第三阶段是挤出飞边阶段，由于为了更好的控制金属的流动性，使出现的飞边不至于影响成形过程中金属的流动阻碍金属填充模腔，因此，在终锻型槽上开有飞边槽，部分金属在压力作用下沿分模面流入飞边槽形成飞边，由于飞边外的金属薄，冷却快，造成模腔周围一圈的流动阻力大，迫使金属在模腔内流向尚未充填的部位，直到完全填满，为了达到这一目的，飞边槽一般有两个部分组成，一个桥部，一个仓部，桥部主要用来使飞边减薄，阻碍金属流动，迫使金属充满型槽，而仓部就是用 来容纳多余的金属，以免金属流到分模面上，影响上下模打靠。 但对于整个开式模锻过程，此时锻件的高度仍然高于最终要求的成形高度。 第四阶段是打靠阶段，随着上下模具的运动，飞边越来越小，飞边内的金属温度较低，阻力增大，为了将型槽的多余金属排入飞边槽，需要更大的打击力，所需的能量也将消耗整个成形所需能量的很大部分。 在此阶段，变形区已经缩小为模锻件的中心部分区域了。 通过整个过程的描述，我们可知第二阶段是锻件成形的关键阶段，而第四阶段则是模锻变形力最大阶段，那么研究锻件成形问题，主要是研究充满型腔的阶段；计算变形力就要 按第三阶段的变形区域考虑，当然是第三阶段越小越好。 因为打靠阶段小的话，就可以减少所流出的飞边金属，减小模锻所需要的载荷，减小设备的能量损耗，模具损耗，这样就会延长模具寿命，提高劳动生产率。 影响开式热模锻金属成形的因素 从开式模锻变形金属变形过程分析，影响金属成形的主要有两大方面，内部因素就是终锻前坯料的形状和尺寸，这主要取决于锻造时金属的变形量；还有坯料本身成分和温度是否均匀，成分和温度不均匀将会引起材料变形应力不均匀。 而在外部这个方面，主要是终锻模腔的尺寸和形状、飞边槽尺寸，设备工作速度对金 属变形的影响。 就模腔的尺寸和形状来说，金属以镦粗的方式比以压入的方式充满模腔容易，金属在模腔中遇到的阻力主要与变形金属和模壁间的摩擦系数有关，模腔表面的粗糙度低、润滑效果好时，金属在模腔内变形时所受到的摩擦阻力就小，有利于填充模腔。 金属在模腔中遇到的阻力还和模锻斜度有关，与无模锻斜度相比，为了便于模锻后取山东建筑大学毕业论文 7 出而设计的模腔内壁模锻斜度不利于金属挤入填充，因为金属填充模腔的过程实质上是一个变截面的挤压过程，金属处于三向压应力状态，为了填充过程的顺利进行，必须有一定的挤压力，模锻斜度越大所需挤压力越大。 圆角半径 对金属流动的影响很大，半径小时，金属经过圆角半径流入模具时要消耗较多的能量，不易填充模腔，而圆角半径过大时，不仅会增加金属消耗和机械加工量，还会造成金属过早流失，使模腔充不满。 模腔的宽度和深度也影响着金属在模腔中的流动，模腔越窄，金属流向模腔时所受阻力就越大，温度降低的也越显著，充满模腔越困难，在其他条件相同的情况下，模腔越深时，填充也越困难。 模具温度较低时，金属流入模腔后，冷却的较快，流动应力升高，填充模腔困难。 模锻前，模具一般要预热 200 到 300 摄氏度。 注意不能过高，会影响模具强度。 影响金属成形的外部 因素中，最主要的就是飞边槽的影响，鉴于飞边槽两部分不同的作用，设计飞边槽时最主要的任务是合理确定飞边槽桥部的宽度和高度，桥部阻止金属外流主要是靠坯料与桥部上下间的摩擦力，根据金属塑性变形规律，减小飞边厚度或增加飞边宽度都可以提高飞边阻力，但同时也增加了模锻的成形力，为了保证金属顺利填充模腔，希望飞边桥部阻力大些，但阻力过大，会使模锻成形的动力不足，对模锻锤会造成因打击能量不足而上下模不能打靠，因此，飞边槽的设计要根据情况而定。 同时还要考虑飞边槽桥部的阻力与飞边部分坯料金属的温度的关系。 如果变形过程中此处的温 度降低很快，阻力会急剧增加。 在模锻过程中，上模和下模逐渐接近，飞边槽桥部间的高度不断减小，随着模锻的进行，上下模间的距离从大变小，产生的飞边阻力也从小变大，开始时大量金属流入飞边槽，到最后随着飞边的增多，阻力加大，后产生的飞边量在减少。 因此，要减少飞边消耗，应设法较早建立足够大的飞边阻力。 可以通过改变分模面位置，把飞边设计在变形较困难的端部，初期，中间部位金属的变形受到模壁限制，就容易向模腔流动，充满模腔，减少飞边金属的消耗。 再次，影响金属成形的外部因素还有设备工作速度的影响。 一般说来，设备工作速度高时 ，金属变形速度也快，金属变形的惯性和变形热效应突出。 由于温度较高，氧化皮软化，摩擦系数有所降低，这时的氧化皮在某种程度上具有润滑剂的功能。 在模锻时正确利用这些因素，有利于金属充满模腔，得到外形复杂、尺寸精确的锻件。 模具对金属变形的影响 为了保证锻件的形状和尺寸精度，设计热锻模具时应考虑锻件和模具的热收缩，山东建筑大学毕业论文 8 根据金属塑性成形理论，塑性变形时金属主要朝着最大主应力的方向流动。 在三向压应力的情况下，金属主要朝着最小阻力方向流动。 因此，对一个待加工的模锻件，通过设计不同的制坯工步如预锻，就可控制金属的变 形方向，完成对毛坯的塑性加工。 此外，变形体内的应力场是在外力作用下产生的，一般外力通过模具施加在坯料上，坯料变形的反作用力也由模具承担，合理的模具设计还应该使锻件变形时的流动阻力尽可能小，使模具的载荷分布均匀，降低模具的峰值应力，由于金属的塑性与应力状态关系密切，压应力的个数越多，静水压应力数值越大，材料的塑性越好。 本课题的十字轴成形工艺 【 6】 如图 为本课题十字轴锻件简图 图 十字轴锻件简图 1 全长； 2 外径； 3 股部； R4 锷径； 5 锷部与胴部； R6 中宽； 7 中幅； 8 胴部； R9 胴厚； 10 股幅 本课题十字轴成形工艺主要分三阶段：下料，模锻，切边。 其中模锻又分为预锻和终锻两个过程。 在前面关于开式模锻的工艺过程的分析中，为了在大批量的生产条件下保证获得合适的锻件，不可能没有第四阶段。 问题是怎么把第四阶段的压下量控制在必要的最小值。 第四阶段压下量与锻件的质量和形状复杂程度有关，在总压下量山东建筑大学毕业论文 9 中，其所占的比率很小，我们将其看成一个常数，对于一个锻件的模锻变形过程来说，第四阶段压下量与其他阶段压下量之和也可近似看成常数，于是就有以下关系：扩大第一阶段的压下量，就 必然会缩短第二和第三阶段的压下量；缩短第一阶段的压下量，就必然会增大第二和第三阶段的压下量。 再看第一阶段与第二、三阶段。 如果在总压下量中扩大第一阶段的，缩短第二、三阶段的压下量，就会使坯料在第一阶段最大限度地填充模腔，当第二阶段开始时，上、下模分模面间的间距已很小。 这样，飞边一出来就较薄，形成较大的阻力，迫使金属填充模腔中未充满的部位，迅速实现第二、三阶段的变形。 结果只会消耗较少的飞边金属，从而生产出合格的锻件，提高了材料的利用率。 相反，如果扩大第二、三阶段的压下量，缩短了第一阶段的，第一阶段坯料填充模腔 的能力就会很差，而当第二阶段开始时，上下模分模面间的间距还比较大。 这样，飞边一出来就较厚，形成阻力不大，金属大量流出模腔。 结果一直到上下模闭合，模腔不能充满，锻件不能成形。 在这种情况下，为了要使锻件充满成形，只有增大坯料体积，大大降低材料的利用率。 再有，在总压下量中扩大第一阶段压下量，缩短第二、三阶段的压下量，由于只需出较小的飞边就能生产出合格的锻件，无疑还会降低变形力的最大值，减小锻压设备的功率消耗，延长锻模的使用寿命。 所以，综上所述，扩大第一阶段的压下量，缩短第二、三阶段的压下量，保证必要的最小的第 四阶段的压下量，是非常合理的模锻变形过程。 因此，在制定十字轴成形工艺时，为了保证获得合理得模锻变形过程，就要减小第二、三阶段的压下量，而要减小第二、三阶段的压下量，就得使，坯料在第一阶段就可以和模腔有很好的接触，这也正是为什么要进行预锻的原因。 通过预锻可以使坯料按照锻件图的要求和金属流动规律较细致地分配体积，从而得到介于中间坯料和终锻件之间而接近终锻件的过渡形状。 合适的预锻件易于成形并且在植入终锻模腔模锻时在第一阶段就能最大限度地填充模腔。 在实际生产中，预锻和终锻大多使用相同型腔。 本课题十字轴成形工艺中， 坯料所用材料为 25CrMo4。 模具的预热温度为 200 摄氏度。 坯料在 1150 摄氏度下进行锻造。 将坯料在预锻模中预锻。