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1、摘 要 鍛造是一種廣泛應(yīng)用于汽車、通用機(jī)械等零件的加工技術(shù)，主要利用的是鍛壓機(jī)對(duì)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(dòng)軸突緣叉的鍛造工藝參數(shù)，完成了該鍛件的鍛造工藝設(shè)計(jì)，并完成了該鍛件鍛模的設(shè)計(jì)；采用有限元ABAQUS軟件對(duì)鍛件溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬,觀察它在不同終鍛溫度下鍛件冷卻溫度場(chǎng)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(yīng)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(yīng)力分布情況，最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)鍛件處于1000攝氏度左右時(shí)，鍛件的溫度應(yīng)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

2、用有限元分析法對(duì)鍛造過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了模擬，預(yù)測(cè)了不同終鍛溫度下溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，為制定合理的鍛造工藝奠定了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：鍛造； 突緣叉； ABAQUS； 有限元分析 I ABSTRACT Forging technology is mainly used to obtain a complex components get through the metal materials plastic deformation, which was widely used in automobiles

3、, 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 sim

4、ulation 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 th

5、at 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 reasona

6、ble forging technological. Keywords：Forge，F(xiàn)lange fork，ABAQUS，F(xiàn)inite element analysis 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1鍛造技術(shù)的發(fā)展 1 1.2鍛造技術(shù)的分類 2 1.3熱模鍛壓力機(jī)優(yōu)缺點(diǎn) 3 1.4突緣叉鍛件的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn) 3 1.5本課題研究的主要問題 4 2 鍛造工藝設(shè)計(jì) 5 2.1工藝分析 5 2.2 鍛件圖設(shè)計(jì) 5 2.3鍛造工序確定 8 2.4毛坯尺寸及工藝壓力的確定 8 2.5鍛造

7、溫度確定 10 3 突緣叉最佳終鍛溫度確定 11 3.1有限元分析軟件簡(jiǎn)介 11 3.2 有限元法概述 12 3.3 突緣叉鍛造問題的描述 13 3.4 ABAQUS分析的步驟 13 3.5 結(jié)果可視化 19 3.6 改變溫度結(jié)果比較 20 4 突緣叉冷卻分析 22 4.1突緣叉冷卻分析過程 22 4.2分析結(jié)果 26 5 模具設(shè)計(jì) 28 5.1鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 28 5.2飛邊槽的選擇 28 5.3頂料裝置設(shè)計(jì) 29 5.4 模具材料選擇 29 5.5預(yù)鍛模膛設(shè)計(jì) 30 5.6制坯模膛選擇 31 5.7 機(jī)鍛模高度設(shè)計(jì) 31 6 總結(jié)和展望 33 6.1總

8、結(jié) 33 6.2展望 33 參考文獻(xiàn) 35 致 謝 36 附錄A 37 III 1 緒論 1.1鍛造技術(shù)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(yīng)用于兵器、航空、機(jī)械、冶金等行業(yè)，鍛造水平在一定程度上代表著一個(gè)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(shí)期，在當(dāng)時(shí)我國廣大勞動(dòng)人民就已經(jīng)基本掌握了鍛造相關(guān)的工藝，開始利用鍛造技術(shù)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(shù)就已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。例如在陜西西安的秦始皇陵

9、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(shù)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(xué)技術(shù)發(fā)展是在工業(yè)革命時(shí)期，19世紀(jì)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(gè)發(fā)明已經(jīng)初步具備了現(xiàn)代鍛造機(jī)理的特點(diǎn)。而隨后的幾十年里面，人們對(duì)于鍛造機(jī)器不斷進(jìn)行改進(jìn)，到了19世紀(jì)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(jī)器——自由鍛造水壓機(jī)，該設(shè)備的發(fā)明從此標(biāo)著著鍛造成為了一門新的科學(xué)技術(shù)

10、而進(jìn)入了人們的視線[5]。 經(jīng)過兩百多年的不斷發(fā)展和進(jìn)步，鍛造技術(shù)已經(jīng)很好的應(yīng)用于人類上產(chǎn)生獲得的各個(gè)方面，鍛造技術(shù)以技術(shù)科學(xué)，成型原理，以及其他材料學(xué)科為基本原理，同時(shí)又包含了機(jī)械，傳熱，等一些相關(guān)學(xué)科，可以說是一種學(xué)科互相交會(huì)的自然科學(xué)。 鍛造行業(yè)在我國已經(jīng)有很長(zhǎng)的發(fā)展歷史，20世紀(jì)90年代初，我國的鍛造市場(chǎng)處于無序競(jìng)爭(zhēng)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(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的發(fā)展時(shí)期。目前國內(nèi)部分企業(yè)已配備最新的檢測(cè)儀表和測(cè)試技術(shù)，采用計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)處理的現(xiàn)代自動(dòng)化超聲波探傷檢測(cè)系統(tǒng)，采用各種專用的自動(dòng)超聲波探傷系統(tǒng)，完成各種質(zhì)量體系的認(rèn)證等[3]。高速重載齒輪鍛件產(chǎn)品的

11、關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)不斷被攻克，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。在引進(jìn)國外先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的基礎(chǔ)上，中國已能自己設(shè)計(jì)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(jìn)水平，技術(shù)和裝備水平的提升有力的促進(jìn)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)展基礎(chǔ)，但并未完全掌握鍛造行業(yè)中的高端核心技術(shù)。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(hào)，卻不是“鍛造強(qiáng)國”。高檔次模鍛件產(chǎn)品的研制生產(chǎn)仍相當(dāng)落后，航空航天的核心鍛件主要依賴進(jìn)口。據(jù)統(tǒng)計(jì),汽車鍛件的高檔次產(chǎn)品有70％～80％是進(jìn)口。另外,我國的鍛造設(shè)備供應(yīng)滯后,主要鍛造設(shè)備仍然以

12、摩擦壓力機(jī)為主?？傮w來看,我國鍛造行業(yè)中,精密鍛造成形技術(shù)應(yīng)用相對(duì)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(shè)備能力過剩，設(shè)備布局分散，利用率極低，機(jī)械化自動(dòng)化程度低，鍛件加工余量大，工人勞動(dòng)條件差，勞動(dòng)強(qiáng)度大； （2）人才，尤其是各類高級(jí)專業(yè)人才匱乏； （3）管理基礎(chǔ)薄弱，規(guī)模小，技術(shù)落后，大部分靠手工操作； （4）做市場(chǎng)的能力較低，做國際市場(chǎng)的能力更低； （5）產(chǎn)品業(yè)務(wù)單一；基本沒有開展模具制造、產(chǎn)品開發(fā)、鍛造、機(jī)械加工等結(jié)合在一體的綜合經(jīng)營業(yè)務(wù)。 1.2鍛造技術(shù)的分類 鍛造總共分為以下幾類，據(jù)工藝生產(chǎn)的特點(diǎn)

13、，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(jiǎn)單的工具進(jìn)行鍛造加工例如榔頭沖子等，這種加工方法的缺點(diǎn)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(gè)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(diǎn)是坯料形變時(shí)，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(shè)備有模鍛錘、螺旋段、機(jī)械壓力機(jī)等末端的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是設(shè)備

14、昂貴，不太適合小規(guī)模生產(chǎn)，對(duì)于大規(guī)模的生產(chǎn)活動(dòng)較為合適[7]。 （3）特種鍛造：有時(shí)候有些零件適合于使用特定的機(jī)器進(jìn)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(jié)果，一般對(duì)于螺釘采用的是搓絲機(jī)和墩頭機(jī)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(shí)由于鍛造是特制的，因此一種機(jī)器僅能鍛造出一種零件，所以通用性不好。 1.3熱模鍛壓力機(jī)優(yōu)缺點(diǎn) 熱模鍛壓力機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、礦山機(jī)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(jī)采用整體式機(jī)床床身或有預(yù)應(yīng)力框架式機(jī)床床身，寬

15、偏心軸曲柄或斜楔機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，導(dǎo)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其具有相應(yīng)的工藝特點(diǎn)。鍛模加工有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （1）熱模鍛壓力機(jī)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(jī)模鍛擁有靜壓力的特點(diǎn)，金屬在鍛模內(nèi)流動(dòng)較緩慢，這對(duì)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(dòng)速度比較小，操作方便，對(duì)執(zhí)行者的技術(shù)要求也不高，導(dǎo)致鍛件成形過程中受人為因素的影響比較??； （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(jī)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(xué)性能基本均勻

16、一致[8]； 但同時(shí)，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小 （2）和相同生產(chǎn)能力的模鍛錘進(jìn)行比較，熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)的成本比較高，再加上與之配套的各類設(shè)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(shí)，一旦操作錯(cuò)誤，滑塊接近下死點(diǎn)時(shí)很可能會(huì)發(fā)生悶車現(xiàn)象，導(dǎo)致生產(chǎn)停止，嚴(yán)重的甚至?xí)p壞曲柄、連桿或模具[9]。 1.4突緣叉鍛件的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn) 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(zhǎng)。汽車產(chǎn)業(yè)是十九世紀(jì)末開始在歐洲發(fā)展，并二十世紀(jì)在一些

17、發(fā)展強(qiáng)國繁衍壯大。進(jìn)入二十一世紀(jì)，經(jīng)過一百多年的成長(zhǎng)，汽車現(xiàn)在已經(jīng)是一個(gè)方便快捷的交通工具了。尤其是最近幾年，中國的汽車市場(chǎng)已經(jīng)開始嶄露頭角，銷量屢創(chuàng)新高，以年銷售增長(zhǎng)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(yù)計(jì)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(chǎng)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(jìn)[7]。 在汽車工業(yè)如此的發(fā)展勢(shì)頭下，汽車企業(yè)也就對(duì)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(shí)的穩(wěn)定性和舒適性。對(duì)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(hù)汽

18、車駕駛員的生命財(cái)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(duì)于汽車的零件的可靠性和精度要求也越來越高。同時(shí)對(duì)于加工零件的方法也有了很大的改變，對(duì)于一些應(yīng)力大，要求壽命高的零件例如傳動(dòng)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(yù)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(jī)械性能與物理性能[10]。 鍛件的優(yōu)點(diǎn)是金屬材料經(jīng)過塑性變形后,把它的內(nèi)部缺點(diǎn)消除,例如鍛(焊)合空洞,壓實(shí)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(diǎn),

19、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(zhǔn)確的工藝尺寸,與鍛件相比更加復(fù)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(jī)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(yīng)力侵蝕,承受拉壓交變應(yīng)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(yùn)用模鍛鍛模的知識(shí)和其它與之有關(guān)的課程的知識(shí)，以及生產(chǎn)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)去分析和解決在鍛造工藝設(shè)計(jì)中所遇到的各種難題，并且進(jìn)一步鞏固和深化了所學(xué)的專業(yè)知識(shí)。通過各類計(jì)算以及計(jì)算機(jī)制圖，學(xué)會(huì)了在理論知識(shí)與實(shí)際操作

20、過程中的合理運(yùn)用，是所學(xué)的知識(shí)真正的轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱臇|西，并查閱相關(guān)的技術(shù)資料，可以培養(yǎng)鍛造工藝設(shè)計(jì)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(shè)備，較為熟練的掌握計(jì)算機(jī)AutoCAD繪圖軟件,熟悉模鍛鍛模的設(shè)計(jì)流程，最后通過ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行三維建模并分析在不同終鍛溫度下溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布。 2 鍛造工藝設(shè)計(jì) 2.1工藝分析 2.1.1 零件特點(diǎn) 汽車傳動(dòng)軸中的突緣叉零件材料為45號(hào)鋼結(jié)構(gòu)。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。可以看出鍛模主要的難度是要求擠出兩邊的凸肩的形狀，并且兩個(gè)

21、凸肩的相對(duì)高度較大。所以，在鍛模加工中，為了達(dá)到所要求去的凸肩高度，需在對(duì)于模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行很大的改進(jìn)從而來滿足次突緣鍛模加工的要求。同時(shí)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(duì)于加工方法的確定，國內(nèi)外已經(jīng)有一些先關(guān)的研究。查閱資料，對(duì)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(shí)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(yù)鍛—終鍛—最后切邊。

22、 2.2 鍛件圖設(shè)計(jì) 鍛件圖對(duì)于鍛模生產(chǎn)過程的確定、工藝的設(shè)計(jì)有著很大的影響。因此作為鍛模設(shè)計(jì)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)時(shí)一般考慮解決以下問題。 2.2.1分模位置 鍛件分模位置對(duì)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(guān)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(yīng)盡可能獲得鐓粗充填成形的最優(yōu)結(jié)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： （1）使零件脫模簡(jiǎn)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(duì)錯(cuò)移，從而

23、保證成形充滿； （3）為了使鍛模更加簡(jiǎn)單，分模線應(yīng)該盡量選擇直線；不過對(duì)于頭部尺寸大，而且上下不對(duì)稱的零件，應(yīng)該選取折線進(jìn)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(yīng)該選擇在零件高度的一半處進(jìn)行分模，以便節(jié)省材料； （6）使金屬方便充滿模膛，應(yīng)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(yīng)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(jī)上比較大

24、。對(duì)于余量和公差的選取，查閱參考文獻(xiàn)，并參考鍛模壓力機(jī)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?yàn)閙m。如下圖2.2，鍛件圖（含敷料及加工余量）。 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(shè)計(jì)鍛模時(shí)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(huì)增加材料的損耗，并且也會(huì)增大鍛造時(shí)間，增加工作量。因此選取一個(gè)合理的鍛模斜度非常重要，一般應(yīng)該選取一個(gè)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(fèi)過多的材料以及

25、增加加工時(shí)間。由于本課題采用的是熱模鍛壓力機(jī)的下頂出機(jī)構(gòu), 未標(biāo)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(dòng)問題，那么在鍛模零件的凸出和凹進(jìn)去部分一般不允許有小于90度交的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，這也是基于零件成型后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度考慮，如果角度過小的話，在使用過程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。參考文獻(xiàn)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(yīng)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(yīng)力過于集中從而導(dǎo)致鍛件開裂。凹圓角的作用是使金屬易于流動(dòng)充填模膛，避

26、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(gè)參數(shù)進(jìn)行突緣叉鍛模三維圖的繪制，如圖2.3所示。 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(dǎo)致鍛造工序也有所不同。對(duì)于本設(shè)計(jì)中的凸緣叉，查閱參考文獻(xiàn)給出的相關(guān)相關(guān)鍛造工序選擇，最終確定的鍛造工序?yàn)椋? (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(fù)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(xué)性能。本設(shè)計(jì)中采用局部鐓粗，是因?yàn)樵诘紫聢A盤處需要進(jìn)行局部鐓粗。 （2）拔長(zhǎng)：拔長(zhǎng)是使得坯料中的橫截面積進(jìn)一步縮小而長(zhǎng)度進(jìn)一步增長(zhǎng)的過程，可以說是

27、鐓粗的進(jìn)一步過程。 （3）預(yù)鍛：預(yù)鍛是進(jìn)行初步的鍛造，先粗略的進(jìn)行鍛造，鍛造出大概的形狀。 （4）終鍛：終鍛目的是為了在預(yù)鍛的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)節(jié)的修補(bǔ)，這樣鍛件能夠最終成型，從而提高鍛造效率。 （5）切邊 ：對(duì)帶飛邊的鍛件進(jìn)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(biāo)注的尺寸,并在計(jì)算過程中考慮熱損耗，計(jì)算出所需的鍛件體積，按鐓粗規(guī)則選用毛坯尺寸： V坯=（V鍛+V飛+V連）（1+δ） （2.1） V坯－坯料體積； V鍛－鍛件體積；

28、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 mm3 坯料直徑D坯=0.9（）=85.5mm 坯料長(zhǎng)度 2.4.2 工藝壓力 ( 1 )鐓粗壓力確定 在實(shí)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(dú)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(jìn)行處理，而不會(huì)影響鍛模機(jī)的工作進(jìn)度，有利于提高效率。按照參看文獻(xiàn)里面給出的相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合本課題的鍛模件的實(shí)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(gè)過程，預(yù)鍛和終鍛的完成

29、需要在熱模鍛壓力機(jī)完成。其中對(duì)于終端成型壓力的確定可以參考文獻(xiàn)中給出的公式： （2.2） 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 ; σb為金屬在終鍛溫度下的抗拉強(qiáng)度, N/mm2 ； F鍛為分模面上鍛件的投影面積，mm2； 在本鍛件中，直徑D鍛 =134 mm；本金屬的抗拉強(qiáng)度 σb =600 N/ mm2； F鍛 =πD鍛/4=14095.46mm2 最終代入數(shù)據(jù)可以計(jì)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(jī)為16000KN規(guī)格的鍛模壓力機(jī)。 （3）切邊

30、壓力確定 等終鍛完成后還需要對(duì)帶飛邊的鍛件進(jìn)行切割，此過程需要在切邊壓力機(jī)上完成，對(duì)于切板壓力機(jī)的選擇，準(zhǔn)確來說是選擇適合的切邊壓力，參考文獻(xiàn)給出了相關(guān)切邊壓力選取的規(guī)則，其切邊壓力計(jì)算的公式為： P切 =1.7σbL(2.5t +B) （2.3） 公式中: P切 為切邊壓力,單位N； σb為在該溫度下材料抗拉強(qiáng)度，單位 N/ mm2 ； L為鍛件分模線周長(zhǎng), 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(qiáng)度 σb=600 N/mm2；

31、鍛件的周長(zhǎng) 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(jì)算公式得到： 切變壓力大小為P切=1.7600433.32（2.53+1）=3756.8KN，考慮到實(shí)際情況選取切邊壓力機(jī)規(guī)格為4000KN。 2.5鍛造溫度確定 對(duì)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(hào) 始鍛溫度℃ 終鍛溫度℃ 退火溫度℃ 正火溫度℃ 15 1200-1230 800-960 880-960 900-950 30

32、 1190-1210 ＞800 850-900 850-900 45 1180-1200 ＞800 800-840 850-870 40Mn 1180-1250 800-850 820-860 850-900 40Mn2 1180-1200 800 820-850 830-870 20Gr 1200 800 860-890 870-900 3 突緣叉最佳終鍛溫度確定 本章主要介紹有限元相關(guān)知識(shí)，包括有限元分析軟件的基本概述以及有限元法的簡(jiǎn)介。在有限元分析軟件ABAQUS中進(jìn)行不同溫度下的該鍛件的模擬，通過ABAQUS分析得

33、到在不同溫度相同加載條件下時(shí)該鍛件的應(yīng)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(jiǎn)介 3.1.1 有限元軟件概述 有限元方法出現(xiàn)于上世紀(jì)中葉（1950年左右），當(dāng)時(shí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的迅速發(fā)展帶動(dòng)了新的力學(xué)計(jì)算方法的發(fā)展，最開始有限元軟件應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等靜強(qiáng)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(xué)、流體力學(xué)等分析問題，其強(qiáng)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(yīng)用各有所長(zhǎng)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中使用的有限元軟件是ABAQU

34、S，為了保證論文的完整性，本節(jié)將對(duì)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(dá)索公司持有的有限元分析軟件(FAE)品牌。ABAQUS套件包括三個(gè)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬。 （1）ABAQUS/Standard提供有限元分析技術(shù)來解決傳統(tǒng)的隱有限元分析，包括靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、和熱分析，所提供的接觸范圍最廣、非線性材料的選擇。A

35、BAQUS/Standard也有地址的設(shè)計(jì)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(shù)主要集中在瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)和準(zhǔn)靜態(tài)分析中使用顯式時(shí)間積分，這在許多應(yīng)用中是合適的，如跌落試驗(yàn)，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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型，先進(jìn)的網(wǎng)格化和可視化，并對(duì)ABAQUS分析產(chǎn)品的獨(dú)家觀點(diǎn)，ABAQUS/CAE是建模環(huán)境的選擇很多ABAQUS用戶。 ABAQUS對(duì)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(gè)

36、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(duì)稱），可以從草圖繪制器開始，也可以從各種CAD 系統(tǒng)導(dǎo)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(jìn)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(jìn)行，同時(shí)有相應(yīng)的分析類型、載荷、邊界條件、接觸方式等與之相對(duì)應(yīng)； ②定義相互作用，經(jīng)過簡(jiǎn)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(jī)械接觸或熱接觸的接觸類型； ③預(yù)設(shè)條件，施加在三維模型上的初始條件、加載過程和邊界條件

37、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(fù)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(jié)果后處理 在可視化里面查看分析結(jié)果，可以在結(jié)果選項(xiàng)里面選每一步輸出結(jié)果查看對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D。 3.2 有限元法概述 有限元方法的核心概念是把一個(gè)復(fù)雜的連續(xù)的整體經(jīng)過網(wǎng)格劃分為多個(gè)比較簡(jiǎn)單的單元結(jié)構(gòu)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(chǎng)函數(shù)的微分方程的求解問題轉(zhuǎn)化成有限個(gè)參數(shù)的代數(shù)方程組的求解問題[5]。在采用有限元

38、的方法進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，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(xué)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(shì)能原理建立方程組來求解。 （1）結(jié)構(gòu)物的離散化 有限元方法的基礎(chǔ)思想是先化整為零，再分散分析，最后再集零為整。因此，對(duì)一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析的第一步就是將該結(jié)構(gòu)進(jìn)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(gè)結(jié)構(gòu)劃分為有限個(gè)單元，各個(gè)單元之間、單元與邊界之間都是通過結(jié)點(diǎn)連接。 （2）進(jìn)行單元分析 所謂單元分析是指將離散

39、化后的每個(gè)單元都看做一個(gè)獨(dú)立的研究對(duì)象，研究單元結(jié)點(diǎn)位移與結(jié)點(diǎn)力之間的存在的關(guān)系。 （3）整體分析 在確定了每個(gè)單元的單元?jiǎng)偠确匠讨?，將各單元集合成整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立起包含整個(gè)結(jié)構(gòu)所有結(jié)點(diǎn)平衡的方程組，即結(jié)構(gòu)的整體剛度方程。然后引入結(jié)構(gòu)的邊界條件，對(duì)該方程組進(jìn)行求解，得到結(jié)點(diǎn)位移，進(jìn)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(jī)鍛造鍛件的過程，實(shí)際上是利用壓力對(duì)高溫下的材料進(jìn)行特定形狀的擠壓，從而形成既定的形狀。材料的溫度對(duì)于材料的參數(shù)有很大的影響，所以在不同溫度下進(jìn)行鍛模對(duì)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(duì)于鍛造的溫度選取

40、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(gè)溫度即總共會(huì)有800℃，900℃，1000℃，1100℃，1200℃五個(gè)溫度，進(jìn)行有限元模擬，從而進(jìn)行比較確定最佳溫度。 3.4 ABAQUS分析的步驟 3.4.1實(shí)體模型建立 創(chuàng)建部件，點(diǎn)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(duì)稱模型空間，點(diǎn)“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(shí)體模型的建立，如圖3.2所示。單位為mm（保證在有限元計(jì)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

41、.2屬性定義 查閱材料手冊(cè)得到了該鍛件的材料參數(shù)，下表3.1給出45號(hào)鋼的材料參數(shù)隨著溫度的變化情況： 表3.1 45號(hào)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 207 480 0.3 200 7800 202 498 300 7800 196 524 400 7800 186 560 500 7800 174 615 1000 7800 90 602 1500 7800 20 / / 2000 7800 1 / / （1）

42、定義材料屬性，分別輸入給出的溫度下的對(duì)應(yīng)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) 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(jìn)行裝配，最終如圖3.6所示。 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(shí)際過程，我們只是需要進(jìn)行最后的終鍛過程，所以整個(gè)分

43、析過程只需要一個(gè)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(duì)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(shè)置為壓力面，其余部分則根據(jù)具體的情況進(jìn)行位移約束約束。 給零件圓盤底部設(shè)置壓力載荷，按照前面選取的熱鍛壓力機(jī)的型號(hào)，給定的壓應(yīng)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。 圖3.8 加載示意圖 加載和約束設(shè)置好以后，需要在加載模塊里面設(shè)置零

44、件的溫度。點(diǎn)擊創(chuàng)建預(yù)定義場(chǎng)，輸入初始驗(yàn)證的溫度800℃，點(diǎn)擊保存，如圖3.9所示。 圖3.9 設(shè)定鍛件的溫度場(chǎng) 3.4.6 網(wǎng)格劃分 對(duì)于整體部件的網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格屬性為四面體單元，網(wǎng)格尺寸為5mm，整個(gè)部件共生成網(wǎng)格單元24512個(gè)。如圖3.10所示。 圖3.10 網(wǎng)格單元?jiǎng)澐质疽鈭D 3.4.7 運(yùn)行分析 創(chuàng)建作業(yè)并進(jìn)行作業(yè)提交，等待軟件運(yùn)行結(jié)束。如圖3.11所示。 圖3.11 創(chuàng)建作業(yè) 3.5 結(jié)果可視化 進(jìn)入可視化模塊，點(diǎn)擊應(yīng)用云圖查看800℃溫度下，鍛件對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖。并調(diào)整ABAQUS字體的大小至合適。最終看到的800℃對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖如下

45、圖3.12所示，可以看到最大應(yīng)力點(diǎn)的位置，最大等效應(yīng)力為盤和突緣的連接處，這個(gè)位置最大的應(yīng)力是442.4 MPa，相比于45號(hào)鋼的材料屈服應(yīng)力σs=355MPa來說比較大。 圖3.12 800℃下鍛件的應(yīng)力分布云圖 3.6 改變溫度結(jié)果比較 上一小節(jié)給出了800℃溫度下突緣叉在鍛壓機(jī)作用下對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖，下面將改變鍛件的溫度，重新進(jìn)行計(jì)算。以獲得不同溫度下的鍛件應(yīng)力分布云圖，從而進(jìn)行比較鍛件在那個(gè)溫度下應(yīng)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(jì)算的CAE文件，進(jìn)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

46、性模塊中已經(jīng)給出了，在這里不再重復(fù)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(jì)算的時(shí)候完全相同，因此在這里不必進(jìn)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(yīng)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(yīng)力云圖分布，如圖3.14、3.15、3.16所示。 圖3.14 1000℃下的鍛件應(yīng)力分布云圖 圖3.15 1100℃下的鍛件應(yīng)力分布云圖 圖3.16 1200℃下的鍛件應(yīng)力分布云圖 由以上分析結(jié)果可知鍛件鍛造溫度在12

47、00℃左右時(shí)應(yīng)力最小，但是考慮實(shí)際情況，鍛造溫度下降比較快，所以鍛件最佳鍛造溫度為1000℃。 4 突緣叉冷卻分析 4.1突緣叉冷卻分析過程 1.設(shè)置模型屬性，將參考溫度設(shè)為0攝氏度，設(shè)置斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)：5.67E-8如下圖4.1所示： 圖4.1 設(shè)置模型參數(shù) 2.設(shè)置材料參數(shù)，包括導(dǎo)入常數(shù)，彈性模量，泊松比。如下圖4.2所示： 圖4.2 設(shè)置材料參數(shù) 材料的參數(shù)如下所示: 密度：7850kg/m3 彈性模量：2E11Pa 泊松比：0.3 傳熱系數(shù)：60.64W/( m K ) 比熱容：460 輻射率：1

48、 3.設(shè)置網(wǎng)格屬性，為傳熱單元。如下圖4.3所示： 圖4.3 設(shè)置網(wǎng)格屬性 4.創(chuàng)建分析步，并設(shè)置時(shí)間參數(shù)和步長(zhǎng)參數(shù)。如下圖4.4所示： 圖4.4 設(shè)置分析步 5.設(shè)置場(chǎng)輸出為熱結(jié)果。如下圖4.5所示： 圖4.5 輸出設(shè)置 6.設(shè)置相互作用，設(shè)邊界條件，為室溫。如圖4.6所示： 圖4.6設(shè)置邊界條件 7.添加溫度，設(shè)置初始溫度為800℃。如下圖4.7所示： 圖4.7 設(shè)置初始溫度 4.2分析結(jié)果 計(jì)算得到結(jié)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 圖4.8（b）溫度分布圖

49、 以上為突緣叉在終鍛800℃溫度場(chǎng)中冷卻過程中的溫度分布。 5 模具設(shè)計(jì) 本章主要是關(guān)于突緣叉模具的設(shè)計(jì)，鍛模結(jié)構(gòu)主要是由夾持器和專用的模塊等工作件組成。 5.1鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 首先，對(duì)于鍛模結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須予以足夠的重視，因?yàn)殄懩Ｔ阱懺爝^程中是對(duì)鍛件施加載荷的機(jī)構(gòu)，所以需要承載較大的作用力。因此，鍛模是促進(jìn)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(gè)過程中，鍛模結(jié)構(gòu)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(huì)產(chǎn)生著較大的應(yīng)力。 鍛模模架主要是由導(dǎo)套、模座、墊板、導(dǎo)柱等構(gòu)成

50、。其中，上下兩個(gè)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(qiáng)度，結(jié)實(shí)耐用。并且為了容納足夠行程的頂出機(jī)構(gòu)，承壓部件的厚度應(yīng)盡量大，才能滿足頂出機(jī)構(gòu)的工作要求。在模塊和模座之間需要有墊板來過渡，對(duì)于墊板的要求是有足夠大的面積來保證壓強(qiáng)不會(huì)太大。 導(dǎo)柱和導(dǎo)套的作用是為了防止模件的差錯(cuò)，而模柱和模套的位置一般在模架的后方位置。導(dǎo)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(dǎo)套的內(nèi)部一般采取耐磨材料，這樣是為了較少對(duì)于導(dǎo)套的磨損，而導(dǎo)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(jìn)入磨具內(nèi)部。 5.2飛邊槽的選擇 熱模鍛壓力機(jī)所用鍛模的飛邊槽形式與錘用鍛模的飛邊槽基

51、本類似，它的主要不同在于熱模鍛壓力機(jī)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(jī)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(duì)鍛件的成形影響很大，所以設(shè)計(jì)終鍛模膛的另一個(gè)重要任務(wù)便是確定飛邊槽形式及與其有關(guān)的尺寸。突緣叉鍛模的飛邊槽形及有關(guān)尺寸，查閱參考文獻(xiàn),并經(jīng)過計(jì)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(shè)計(jì)圖上的標(biāo)注尺寸。 圖5.1突緣叉模具（終鍛）主視圖 5.3頂料裝置設(shè)計(jì) 壓力機(jī)的滑塊和工作臺(tái)都配有主頂桿，熱模鍛壓力機(jī)的頂

52、出裝置主要用于頂出預(yù)鍛模膛或終鍛模膛內(nèi)的鍛件。舊的壓力機(jī)上一般只有一對(duì)主頂桿，即上下各一個(gè)主頂桿，而這樣設(shè)計(jì)對(duì)于需要多個(gè)定出的時(shí)候不適應(yīng)，因此新式的壓力機(jī)都是多對(duì)的主頂桿，一般有3-4對(duì)，這樣的話，每一對(duì)即可以獨(dú)立工作，也可以在不用時(shí)只讓一對(duì)工作，從而提高了工作效率。 頂料裝置的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的頂出裝置的直徑33 mm，這樣設(shè)計(jì)有兩個(gè)目的，第一就是提供在鍛模結(jié)束后，頂出鍛件，其二這樣設(shè)計(jì)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(duì)于

53、模具材料的選取主要由以下幾個(gè)原則：首先必須采用經(jīng)過鍛制的材料制成，因?yàn)檫@種材料具有較高的硬度和強(qiáng)度。其次鍛模在整個(gè)鍛造過程中，相比較于其他部件，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(duì)于本設(shè)計(jì)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(yù)鍛模膛設(shè)計(jì) 熱模鍛壓力機(jī)經(jīng)過一次行程完成金屬材料的變形。因此，熱模鍛壓力機(jī)上的模鍛的成形規(guī)律一般為：金屬液體在高度方向流動(dòng)時(shí)相對(duì)比較緩慢，而沿著水平方向流動(dòng)時(shí)比較劇烈。這使得模鍛壓力機(jī)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

54、要設(shè)計(jì)預(yù)鍛模膛。設(shè)計(jì)原則如下： 預(yù)鍛模膛通常比終鍛模膛的高度尺寸相應(yīng)大2—5mm，寬度尺寸適當(dāng)縮小，并使預(yù)鍛件的橫截面稍微大于終鍛件相對(duì)應(yīng)的橫截面積。如圖5.2所示。 嚴(yán)格控制預(yù)鍛件各個(gè)部分的體積大小，使終鍛時(shí)多余的金屬能夠合理流動(dòng)，避免出現(xiàn)由金屬回流而引起的折疊問題。 圖5.2 預(yù)鍛模膛裝配圖 表5.1 序號(hào) 名稱 序號(hào) 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 5.6制坯模膛選擇 熱模鍛壓力機(jī)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

55、 機(jī)鍛模高度設(shè)計(jì) 機(jī)鍛模高度的閉合狀態(tài)在高度方向的關(guān)系為： H=Σhi （5.1） 即總的高度等于各個(gè)零件的高度之和，包括導(dǎo)套、模座、墊板、導(dǎo)柱等構(gòu)成的高度。并且模具閉合高度H應(yīng)該在壓力機(jī)封閉高度所能允許的正確范圍之內(nèi)，即 Hmin

56、 螺 栓 3 上 模 4 限位塊 5 定位銷 6 限位塊 7 下模座 8 頂 桿 9 墊 塊 10 支撐塊 11 螺 釘 12 下 模 13 螺 釘 14 銷 釘 15 支撐塊 16 墊 塊 6 總結(jié)和展望 6.1總結(jié) 本課題從以下幾個(gè)方面展開了工作： 首先，對(duì)于鍛造以及鍛造工藝做了一個(gè)宏觀上的介紹，給出了鍛造的應(yīng)用背景，可以知道鍛造是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)上產(chǎn)中的加工方法。其次介紹了突緣

57、叉鍛件的鍛造工藝流程，分別從鍛模的設(shè)計(jì)，鍛模壓力、切邊機(jī)的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面進(jìn)行了鍛件的設(shè)計(jì)，并最終畫出了鍛件的三視圖。然后，介紹了關(guān)于有限元的基礎(chǔ)理論，以及有限元軟件的基本概況，種種介紹了本課題使用的ABAQUS有限元分析軟件的基本情況，從而為后面的章節(jié)軟件的使用奠定了基礎(chǔ)。接著，通過有限元計(jì)算軟件ABAQUS模擬終鍛狀態(tài)下，鍛件處于不同溫度場(chǎng)下的狀態(tài)，通過取不同的溫度（800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃）下來模擬鍛件的應(yīng)力分布情況，從而為需找最佳的鍛件溫度提供理論依據(jù)。最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)鍛件處于1000℃左右時(shí)，鍛件的溫度應(yīng)力水平最低，因此可以判定，該溫度下就是鍛件的最佳溫度。并且

58、分析了鍛件從800℃冷卻到室溫的過程中溫度場(chǎng)的分布情況。最后，設(shè)計(jì)了該鍛件的模具，并使用AUTO CAD畫出了它的模具總裝圖，完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中需要我們運(yùn)用機(jī)械制圖，機(jī)械設(shè)計(jì)，材料學(xué)以及熱處理等方面的知識(shí)，是對(duì)我們大學(xué)生涯所學(xué)的知識(shí)一次很好的總結(jié)，使我們對(duì)以前所學(xué)的內(nèi)容有了新的認(rèn)識(shí)和加深，鍛煉了我們的動(dòng)手實(shí)踐能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。 畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成標(biāo)志著大學(xué)生活的結(jié)束，在四年的大學(xué)生涯中我們得到了老師最好指導(dǎo)與教育，今后迎接我們的將是更多的、更難的挑戰(zhàn)，但是通過畢業(yè)設(shè)計(jì)的磨練，我相信我能夠更好的面對(duì)這些，把握機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)。我們要將所學(xué)到的知識(shí)轉(zhuǎn)換成前進(jìn)的動(dòng)力，為了自己的理

59、想而努力奮斗。 6.2展望 由于理論水平有限，本課題還存在以下不足，希望今后可以加以改進(jìn)，以希望老師和讀者可以進(jìn)行指出。 對(duì)于最佳溫度場(chǎng)的尋找，在約束方式的選擇上雖盡了最大努力來讓更符合實(shí)際，但是實(shí)際中鍛件處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)于約束的加載方式還有待于進(jìn)一步探討。 對(duì)于鍛造有限元模擬，目前比較流行的軟件是deform軟件，因此為了得到更精確的計(jì)算結(jié)果，后續(xù)可以使用該軟件進(jìn)行再次模擬，以期得到更好的結(jié)果與本課題的結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。 參考文獻(xiàn) [1]呂炎.鍛模設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]． 北京：機(jī)械工業(yè)

60、出版社． 2006：12-81 [2]國家機(jī)械工業(yè)委員會(huì). 初級(jí)鍛壓工工藝學(xué)[M]．北京 ：機(jī)械工業(yè)出版社1988 12：1-10 [3] 尚國生.傳動(dòng)軸零件突緣叉設(shè)計(jì)分析與研究 [J]． 2014：219-221 [4] 羅晴嵐.跨世紀(jì)中國鍛造行業(yè)的發(fā)展方向 [J]． 2001：122-126 [5]張洪欣.汽車設(shè)計(jì)[M]． 北京：機(jī)械工業(yè)出版社． 1991：89-95 [6] 王樂安．模鍛工藝及其設(shè)備使用特性[M]． 國防工業(yè)出版社 2009.10：8-9 [7] 姚澤坤.鍛造工藝學(xué)與模具設(shè)計(jì)[M] 西北工業(yè)大學(xué)出版社 1998: 3-12 [8] 齊衛(wèi)東

61、.鍛造工藝與模具設(shè)計(jì)[M]． 北京： 理工大學(xué)出版社2012: 18-85 [9]黃鶴汀.機(jī)械制造裝備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：34-50 [10] 陳家瑞.汽車構(gòu)造下冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：10-25 [11] 中國紡織大學(xué)機(jī)械系手冊(cè)編寫組.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造簡(jiǎn)明手冊(cè)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2000：93-120 [12] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)齒輪傳動(dòng)分冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：10-110 [13]龍振宇.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：166-239，282-299 [14]洪慎章. 李名堯 .鍛造

62、使用數(shù)據(jù)速查手冊(cè)[ M ] . 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 , 2007 . [15]馮炳堯,韓泰榮,殷振海.模具設(shè)計(jì)與制造簡(jiǎn)明手冊(cè)[ M] .上海 :上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1993：71-73 [16]Ghaei A, Karimi T A, Movahhedy M R. A new upper bound solution for analysis of the radial forging process [J]. International Journal of Mechanical Sci-ences, 2006, 48(11): 1264-1272. [17]Ghaei A, M

63、ovahhedy M R. Die design for the radial forging process using 3D FEM [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 182(1-2): 534-539. 致 謝 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)從去年十二月份開始動(dòng)筆到現(xiàn)在整整半年時(shí)間，到今天終于完成了，通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，讓我對(duì)自己大學(xué)所學(xué)的知識(shí)有了更深刻的理解，同時(shí)也接觸到了一些在課堂上無法學(xué)到的知識(shí)，比如怎么通過一個(gè)個(gè)公式實(shí)際的計(jì)算出所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)性能，這些都為以后的工作崗位打

64、下了良好的基礎(chǔ)。 在此，我僅以我最大的感謝至于對(duì)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)悉心指導(dǎo)的何老師，何老師以其淵博的知識(shí)，不斷對(duì)我指導(dǎo)，使我在遇到問題時(shí)茅塞頓開，沒有何老師的悉心指導(dǎo)，我是無法順利完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的。 其次我想感謝在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，幫助過我的同學(xué)，他們助人為樂，每當(dāng)我遇到難題的時(shí)候，他們總是給予我啟發(fā)和鼓勵(lì)。督促我完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)。 最后我要感謝我的家人，家人的支持使我完成了大學(xué)四年的學(xué)業(yè)，家人永遠(yuǎn)是我前行的動(dòng)力。 附錄A Forging Penetration Efficiency of Steel H13 S

65、tepped Shaft Radial Forging with GFM Forging Machine Zhou Xu-dong1，Liu Xiang-ru2，XingJian-bin3 1. School of Material Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, Henan,China; 2. School of Physics and Engineering, Henan University of Science a

66、nd Technology, Luoyang 471003, Henan, China; 3. Technical Center, Taiyuan Iron and Steel (Group Co., Ltd., Taiyuan 030024, China Abstract: The numerical thermal mechanical simulation of radial forging process of steel H13 stepped shaft withGFM (Gesellschaft fur Fertigungstechnik and Maschinenbau) forging machine was carried out by three-dimensionalfinite element code DEFORM 3D. According to the effective plastic strain, the mean stress and the mean plasticstrain distribution of the