長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉鍛造工藝設(shè)計(jì)說(shuō)明書
長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉鍛造工藝設(shè)計(jì)說(shuō)明書,長(zhǎng)安,汽車,萬(wàn)向節(jié),鍛造,鑄造,工藝,設(shè)計(jì),說(shuō)明書,仿單
I摘要模具行業(yè)在我國(guó)現(xiàn)階段機(jī)械制造行業(yè)中扮演著極為重要的角色,無(wú)論是在塑料模具、鈑金模具還是鍛造模具等各模具行業(yè)中,其總體設(shè)計(jì)框架是千篇一律的。鍛模行業(yè)經(jīng)過(guò)了幾年的發(fā)展,在某些技術(shù)上已經(jīng)取得了較大的突破,但是畢竟還屬于傳統(tǒng)制造業(yè),還依然存在機(jī)械加工的詬病,比如說(shuō)機(jī)加工精度達(dá)不到要求,粗糙度控制不好,模具設(shè)計(jì)時(shí)的種種不合理導(dǎo)致的脫膜不便。對(duì)此本論文以長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉終鍛模具為例詳細(xì)介紹了模具在鍛造行業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用,意在解決當(dāng)前傳統(tǒng)機(jī)械加工方面的精度問(wèn)題及模具設(shè)計(jì)問(wèn)題,尤其為了后面的實(shí)際鍛造,做了有效的有限元分析,以保證模具鍛造精度達(dá)到要求,是綜合了 CAD/CAE 模具技術(shù)的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中,結(jié)合本科所學(xué)的專業(yè)知識(shí)并運(yùn)用了 SolidWorks2016 軟件對(duì)鍛件零件進(jìn)行三維建模,創(chuàng)建模具的上下模及配套的零件、運(yùn)用 Auto-CAD2014 軟件進(jìn)行二維圖繪制,標(biāo)注好詳細(xì)的公差尺寸要求、運(yùn)用 Workbench 15.0 有限元軟件進(jìn)行鍛件溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布分析,為接下來(lái)的加工做好的鋪墊。同時(shí)在設(shè)計(jì)的同時(shí)也考慮了外協(xié)加工工廠的實(shí)際加工設(shè)備,因此為該鍛件制定了配套加工的工藝路線。為了適用當(dāng)前社會(huì)的機(jī)械行業(yè)發(fā)展需要,在設(shè)計(jì)的同時(shí)也進(jìn)行了適應(yīng)于現(xiàn)代化工業(yè)加工生產(chǎn)設(shè)備的配套工藝方案。顯然,現(xiàn)代的模具行業(yè)普遍追求更高精度、更簡(jiǎn)易的工藝流程、更先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案,為適應(yīng)社會(huì)之所需,結(jié)合本行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀,雖然本論文只是針對(duì)該鍛件的鍛模進(jìn)行了一系列設(shè)計(jì)仿真,但是通過(guò)這一例程,在往后的工作學(xué)習(xí)中舉一反三,能夠做到理論與實(shí)踐的結(jié)合應(yīng)用,更能加強(qiáng)自己對(duì)模具行業(yè)的認(rèn)識(shí)。關(guān)鍵詞: CAD/CAE 模具 萬(wàn)向節(jié)叉 熱應(yīng)力IAbstractThe mold industry plays a very important role in the machine manufacturing industry at the present stage in our country. The overall design framework of the mould industry is the same as the plastic mold, the sheet metal die or the forging die industry. After several years of development, forging die industry has made a great breakthrough in some technology, but it still belongs to the traditional manufacturing industry, still still exists the criticism of mechanical processing, for example, the machining accuracy is not up to the requirements, the roughness control is not good, the mold design is not reasonable caused by the inconvenience of the film removal. Taking the final forging die of Changan automobile Cardan fork as an example, the practical application of die in the forging industry is introduced in detail in this paper. It is intended to solve the problems of the precision of the traditional machining and the design of the die. In particular, the effective finite element analysis is made for the actual forging in the rear, so as to ensure the precision of the die forging. The requirement is to integrate the application of CAD/CAE mold technology. In the whole process of the design, combined with the professional knowledge of the undergraduate, SolidWorks2016 software is used to build the 3D modeling of the forging parts, the upper and lower dies and the supporting parts are created, the Auto-CAD2014 software is used to draw the two-dimensional map, the detailed requirements of the tolerance dimension and the application of Workbench 15 finite element software are marked. The temperature field and stress field distribution of forgings are analyzed to lay a good foundation for the subsequent processing. At the same time, at the same time, the actual processing equipment of the processing plant was also considered, so the processing route for the forging was developed. In order to meet the development needs of the machinery industry in the current society, a matching process plan adapted to modern industrial processing equipment was also designed. IObviously, the modern mold industry is generally pursuing higher precision, more simple process flow and more advanced design scheme. In order to adapt to the needs of the society and combine the development of the industry, this paper is only a series of design simulation for the forging die of the forgings, but through this example, it is in the future work. Learning from others can help us to integrate theory with practice and enhance our knowledge of the mold industry. Keywords: CAD/CAE mould universal; joint fork; thermal stress目 錄1 緒論1.1 課題研究的目的及意義(1)1.1.1 鍛造模具的研究目的(1)1.1.2 模具 CAD/CAM的研究意義(1)1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀(2)1.3 本課題研究?jī)?nèi)容(3)2 長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉鍛造工藝設(shè)計(jì)2.1 零件結(jié)構(gòu)分析(4)2.2 零件工藝分析(6)2.3 鍛件鍛模總體設(shè)計(jì)方案的確定(7)2.3 鍛件及其鍛模的設(shè)計(jì)(8)3 長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉鍛模設(shè)計(jì)3.1 鍛件及其鍛模的設(shè)計(jì)(8)3.1.1 確定鍛件的分型面及分型線(8)3.1.2 制定鍛件的機(jī)加工余量及公差(9)3.1.3 鍛模生成及凸凹模分割(11)3.2 鍛造模具設(shè)計(jì)圖(13)3.3 鍛模飛邊槽的設(shè)計(jì)(14)3.4 模架總體設(shè)計(jì)(15)3.5 鑲塊設(shè)計(jì)(16)4 萬(wàn)向節(jié)叉有限元分析41 有限元分析前置參數(shù)設(shè)置(18)4.2 鍛件溫度場(chǎng)及應(yīng)力分布分析(19)4.3 鍛件溫度場(chǎng)及應(yīng)力分布分析(21)5 鍛前加熱、鍛后冷卻及熱處理要求的確定5.1確定加熱方式,及鍛造溫度范圍(23)5.2 加熱時(shí)間及冷卻方式的確定(23)結(jié) 論(25)致 謝(26)參考文獻(xiàn)(27)11.緒論1.1課題研究的目的及意義1.1.1鍛造模具的研究目的現(xiàn)如今,塑料模具、鍛造模具及其所配套的 CAD/CAM 技術(shù)在機(jī)械行業(yè)中出于領(lǐng)軍地位,鍛造模具的地位尤為重要。它簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)金屬零件的加工生產(chǎn)流程。它同時(shí)也是傳統(tǒng)模具的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)。它需要協(xié)同計(jì)算機(jī)軟進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)及配合各種機(jī)械設(shè)備進(jìn)行加工生產(chǎn)。使加工人員能進(jìn)行更方便的生產(chǎn)自己想要的產(chǎn)品。在工程師們的不斷研究中,鍛造模具行業(yè)逐漸偏向于設(shè)計(jì)優(yōu)化、流程優(yōu)化生產(chǎn)優(yōu)化的理念進(jìn)行研發(fā)。鍛造生產(chǎn)能夠顯著地減少機(jī)械零件的生產(chǎn)加工周期 1。提高了產(chǎn)品的質(zhì)量并且簡(jiǎn)化了工藝流程。更為重要的是減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,縮減了公司的制造成本。鍛造模具同塑料模具一樣是用來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品成型的。它大體可以劃分為動(dòng)模和定模兩部分,或稱途模和凹模,在工作過(guò)程中的開合來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的擠壓成型。鍛造的過(guò)程也分為初鍛和終鍛兩方面,往往終.在產(chǎn)品成型的過(guò)程中,氣壓、沖頭等一系列外部構(gòu)件把外力傳遞給動(dòng)模和定模,上下模具框架為擠壓產(chǎn)生的力起了緩沖作用。因?yàn)殄懺炷>咴趯?shí)際的加工生產(chǎn)中對(duì)生產(chǎn)效率有明顯的提高并且能夠節(jié)約生產(chǎn)原料,提高了生產(chǎn)效率,因此在全國(guó)眾多工廠中得到了廣泛的應(yīng)用。針對(duì)鍛造模具,本文以長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉零件為例進(jìn)行了模具設(shè)計(jì)、零件受熱應(yīng)力場(chǎng)及溫度場(chǎng)模擬分析,簡(jiǎn)要描述了模具在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用。1.1.2模具 CAD/CAM 的研究意義隨著機(jī)械 CAD/CAM 行業(yè)蓬勃發(fā)展,現(xiàn)模具能夠?qū)崿F(xiàn)三維軟件自動(dòng)分模或用三維設(shè)計(jì)軟件手動(dòng)輔助分模,大大縮短模具研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間。目前甚至未來(lái)模具行業(yè)趨向于設(shè)計(jì)與制造智能化、一體化發(fā)展。此次設(shè)計(jì)是針對(duì)長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉的鍛造中終鍛部分模具的設(shè)計(jì),涉及三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具分模設(shè)計(jì)、二維工程圖及 ANSYS溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)分析仿真,總體涵蓋了鍛模的設(shè)計(jì)及應(yīng)用,完全與工廠實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)需求接軌 2。 終鍛模是零件進(jìn)行模具鍛造時(shí)使毛坯料擠壓成型而獲得產(chǎn)品的模具。設(shè)計(jì)之初重要的是選擇鍛件的材料,按照工廠所給圖紙的要求即選擇了 45 鋼。終鍛之前需先將鍛件進(jìn)行加熱,以達(dá)到終鍛所需的溫度要求,接著將預(yù)熱的初鍛件放置在鍛造設(shè)備上,按照要求施加壓力,迫使鍛件因其自身的塑性變形發(fā)生內(nèi)部分子流動(dòng),進(jìn)而成型獲得終鍛件 3。所設(shè)計(jì)的鍛造模具在實(shí)際應(yīng)用中既要承受鍛錘的高速?zèng)_擊及負(fù)2載壓力,并且還要耐受在鍛件成型過(guò)程中的急冷、急熱和冷熱交變狀態(tài),對(duì)于模具的材料需要其滿足高耐磨及強(qiáng)度剛度。 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀經(jīng)過(guò)了幾代機(jī)械行業(yè)乃至模具行業(yè)科研人員的不斷挖掘發(fā)展,目前模具行業(yè)及其配套的 CAD/CAM/CAE在整個(gè)行業(yè)起了不可替代的位置,基本上國(guó)內(nèi)大小公司都離不開這三方面聯(lián)合設(shè)計(jì)模具的應(yīng)用,并一直刷新行業(yè)應(yīng)用記錄,比如更高的模具制造精度及更優(yōu)化的鍛造方案,有卓越的貢獻(xiàn)。尤其在近幾年模具行業(yè)借助 Ansys等CAE軟件配合進(jìn)行實(shí)際工況產(chǎn)品應(yīng)力場(chǎng)及溫度場(chǎng)的模擬分析,可謂是模具行業(yè)質(zhì)的突破 4。同時(shí)更多的科研人員進(jìn)行在 SolidWorks 和 UG 軟件平臺(tái)上針對(duì)模具設(shè)計(jì)的二次開發(fā)軟件,更加方便了設(shè)計(jì)人員開發(fā)模具,直接縮短了設(shè)計(jì)流程。升級(jí)傳統(tǒng)模具制造生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)方案是進(jìn)行模具 CAD/CAM/CAE聯(lián)合研究開發(fā),它作為當(dāng)今機(jī)械行業(yè)高水平發(fā)展的方向一直被廣泛的應(yīng)用 5。此技術(shù)借助計(jì)算機(jī)軟件給設(shè)計(jì)者提供了很好地工作平臺(tái),提高了模具設(shè)計(jì)效率,提高了模具的制造精度及使用的安全系數(shù)。通過(guò)有限元軟件分析能夠優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、模具生產(chǎn)工藝、鍛件成型工藝等。鍛造模具行業(yè)的 CAD/CAM/CAE 的發(fā)展?fàn)顩r符合總體機(jī)械類相關(guān)軟件的發(fā)展進(jìn)程,基本上設(shè)計(jì)軟件每升級(jí)一版本,模具行業(yè)的科研進(jìn)度也跟上一個(gè)版本。目前相關(guān)的軟件發(fā)展情況基本如下所述:CAD 從前幾年的僅僅能夠二維平面圖形設(shè)計(jì)、三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)、自由曲面造型設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)、特征造型設(shè)計(jì)等,到近些年隨著互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用,此類設(shè)計(jì)軟件基本結(jié)合了當(dāng)今熱門的智能化、集成化等新關(guān)鍵詞進(jìn)行開發(fā)軟件,進(jìn)而發(fā)展為新的技術(shù)特點(diǎn)。進(jìn)而 CAD 技術(shù)能夠具備更好地協(xié)同開發(fā)、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程等優(yōu)點(diǎn)。CAM 行業(yè)一直處于并接軌于高精度機(jī)床編程、以更好地工藝進(jìn)行工件的加工生產(chǎn),盡可能的縮短工廠的生產(chǎn)效率,并通過(guò)軟件的編程基本減少了實(shí)際數(shù)控機(jī)床及加工中心的離線編程,使編程人員面對(duì)三維實(shí)際模型更好地更方便的編寫 G 代碼程序 6。CAE 技術(shù)也在近幾年得到了廣泛的普及,對(duì)件及具結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算,進(jìn)而得到鍛件在不同工作狀態(tài)下(溫度場(chǎng))的位移和應(yīng)力分布情況。最終是為模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)和合理改進(jìn)提供更有效的理論依據(jù) 6。雖說(shuō)我國(guó)的 CAD/CAM/CAE 的研究應(yīng)用的近幾年發(fā)展迅速,為此感到可喜可賀,但是相對(duì)于其他的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家如日美韓德等國(guó)相比還有較大差距,此述的差距大體在:(1)CAD/CAM 的應(yīng)用集成化程度較低,很多企業(yè)的應(yīng)用仍停留在繪圖、NC 編程等單項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用上。 (2)CAD/CAM 系統(tǒng)的軟、硬件均依靠進(jìn)口,自主版權(quán)的軟件較少。 (3)缺少設(shè)備和技術(shù)力量,有些企業(yè)盡管引進(jìn) CAD/CAM 系統(tǒng),但3其功能沒(méi)能充分發(fā)揮。1.3 本課題研究?jī)?nèi)容此次設(shè)計(jì)是綜合機(jī)械類常用的 CAD 設(shè)計(jì)軟件及 CAE 分析軟件進(jìn)行的。SolidWorks 是位于美國(guó)馬薩諸塞州的達(dá)索公司(Dassault Systemes S.A)專門為了從事機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)人員研發(fā)的視窗應(yīng)用軟件,它擁有強(qiáng)大的非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)功能及較為完善的模具分模一體化設(shè)計(jì)功能。本設(shè)計(jì)用該軟件進(jìn)行鍛件的三維設(shè)計(jì)并且對(duì)其進(jìn)行分模,以分出凸模具和凹模具,并用其他內(nèi)嵌于 SolidWorks 的模具輔助外掛軟件設(shè)計(jì)模架、頂針、導(dǎo)向柱等模具必須零件。設(shè)計(jì)完長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉鍛件,將其導(dǎo)入 ANSYS Workbench 15.0 正確應(yīng)用瞬態(tài)傳熱分析的初始條件進(jìn)行溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分析。通過(guò)分析可以清晰看出鍛件在不同溫度下的應(yīng)力分布及變化情況。為了方便工廠工人加工,用二維 CAD 軟件出模具總裝工程圖及凹模、凸模工程圖,方便實(shí)際組裝及加工。通過(guò)機(jī)械類多軟件綜合的設(shè)計(jì)分析充分發(fā)揮了 CAD/CAE 在模具行業(yè)的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中我走訪了某鍛件鍛造加工廠,親臨了加工廠實(shí)際生產(chǎn),跟工廠師傅交流了鍛造的工藝要求,也體驗(yàn)了鍛造設(shè)備的使用,因而本設(shè)計(jì)充分貼近工廠生產(chǎn)之所需。由于本人學(xué)術(shù)水平有限,因此本論文難免有學(xué)術(shù)不妥之處,還請(qǐng)老師們及同行們批評(píng)指正。42.長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉鍛造工藝設(shè)計(jì)2.1零件結(jié)構(gòu)分析先進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)分析,所設(shè)計(jì)的零件為長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉如圖 2-1 所示,萬(wàn)向節(jié)叉是叉形件。萬(wàn)向節(jié)叉用在主動(dòng)軸與從動(dòng)軸中,用來(lái)控制之間的角度。因其作為連接件,使被連接的零件間存在規(guī)定范圍內(nèi)的角度變化,在整個(gè)汽車傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用,故萬(wàn)向節(jié)叉需承受的扭轉(zhuǎn)矩較大剛度需求較高,同時(shí)其在實(shí)際工況中環(huán)境不同,有時(shí)需承受的載荷較大。主動(dòng)軸的將轉(zhuǎn)矩通過(guò)萬(wàn)向節(jié)叉?zhèn)鬟f給從動(dòng)軸,在不平行情況下主要起連接主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的作用。當(dāng)然,萬(wàn)向節(jié)叉這類零件應(yīng)用范圍較為廣泛,不僅僅用在汽車傳動(dòng)行業(yè)方向上,也用于機(jī)械行業(yè)非標(biāo)件設(shè)計(jì)過(guò)程中,甚至民用傳動(dòng)設(shè)備的生產(chǎn)制造過(guò)程中。大體上,可用于如下場(chǎng)所:兩軸不同心、兩軸間平行但不相交或空間平行且相交、兩軸的空間夾角在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中經(jīng)常變化等場(chǎng)所 7。分析長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉的整體形體尺寸及表面粗糙度等公差要求,容易看出:該零件整體體積較小,各種圓角較多,但圓角尺寸不大,形狀不是很復(fù)雜,因其是連接件,非傳動(dòng)件,故其精度要求不高,但為了保證連接位置的精度配合要求,也需要通過(guò)鍛壓機(jī)如圖 2-2所示,初鍛終鍛兩步鍛造成型。頂部頭端的設(shè)計(jì)較為麻煩,內(nèi)孔需在終鍛后用加工中心繼續(xù)加工,并且在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮其脫膜的角度,防止不易脫膜及卡模等現(xiàn)象出現(xiàn),包括初鍛及終鍛過(guò)程只能鍛造其大體形狀,末端的凹槽需要數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工,在鍛造的過(guò)程中,因其材料內(nèi)部分子聚集加強(qiáng),使其組織更為緊密,碳化物分布及流線分布更為合理,故能夠提高鍛件整體熱處理性能及提高其強(qiáng)度及使用壽命。若企業(yè)要求加工花鍵或滑槽,則按實(shí)際工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)零件。按照工廠要求選取鍛件的材料為熱軋鋼 45 鋼,此材料擁有相對(duì)較好的金屬材料穩(wěn)定性,較高的強(qiáng)度,并方便后期機(jī)加工。具體該鍛件的工藝方案及材料相關(guān)屬性如下表及相關(guān)數(shù)據(jù)所述,零件預(yù)期設(shè)計(jì)的實(shí)物圖如圖 2-3 所示。5圖 2-1 長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉零件圖圖 2-2 鍛壓機(jī)實(shí)體圖6圖 2-3 萬(wàn)向節(jié)叉的預(yù)期實(shí)物圖2.2 零件工藝分析圓筒類零件在終鍛之前都要先進(jìn)行預(yù)鍛,但包括預(yù)鍛和終鍛過(guò)程都在鍛壓機(jī)里完成。預(yù)鍛后沿原鍛料毛坯截面軸向剪裁制成模樣近乎鍛件的中間毛坯,從而保證鍛件進(jìn)行最后的終鍛時(shí)使鍛件各處充分填充金屬并且有均勻毛邊,進(jìn)而降低了模槽的磨損損耗,延長(zhǎng)其使用壽命。計(jì)算毛坯在整個(gè)設(shè)計(jì)中起到了關(guān)鍵的作用,對(duì)于鍛件的結(jié)構(gòu)特性,本文首先就選擇采用 45 熱扎鋼。所選定的毛坯具體參數(shù)如下:鍛件毛坯截面積: S 坯 = (1.021.05)S 均 =1.031841600=1841680mm鍛件毛坯截面尺寸: A 坯 =60mm 鍛件毛坯長(zhǎng)度: L 坯 =V 坯 / S 坯 =1841680/23021.53=80mm具體鍛造工藝流程如表 2-1 所示。長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉鍛造工藝設(shè)計(jì)材料代號(hào) 45GBT699-1999工序號(hào) 工序和工步 工序(工步內(nèi)容)與要求 設(shè)備名稱 工具名稱1 下料 冷剪切按“鍛件毛坯小料手冊(cè)” 250t剪床 切刀、卡尺2 加熱 按“鍛件毛坯加熱守則”爐溫1250C,料溫 1200C 加熱爐3 拔長(zhǎng) 3t模鍛錘4 滾擠 3t模鍛錘5 預(yù)鍛 3t模鍛錘6 終鍛 自檢:表面缺陷、厚度尺寸、 錯(cuò)差 3t模鍛錘7 熱切邊 切邊溫度 5001250C 1.6t壓力機(jī) 切邊模8 磨毛刺 要求殘留毛邊不大于 1mm 砂輪機(jī) 砂輪片9 熱處理 對(duì)模槽進(jìn)行淬火、回火處理 熱處理爐10 清除氧化皮11 檢查鍛件質(zhì)量表面缺陷 尺寸200、100、16、61.8 錯(cuò)差 殘 卡尺、500 臺(tái)稱7表 2-1長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉鍛造工藝卡對(duì)于鍛模來(lái)說(shuō),其種類有很多,單純按照模膛數(shù)量分為單模膛模和多模膛模;按照鍛件的成形過(guò)程機(jī)理可分成閉式鍛模及開式鍛模;按照鍛件的加工工序又可分為制坯模、預(yù)鍛模、終鍛模、彎曲模等。按鍛件制造方法可分為整體模和組合模;大多數(shù)公司中按照鍛造設(shè)備來(lái)區(qū)分鍛模種類,可分為胎模、錘鍛模、機(jī)鍛模、平鍛模、輥鍛模等。各種各樣的模鍛件滿足了機(jī)械行業(yè)非標(biāo)準(zhǔn)零件的需求,相應(yīng)配套的模鍛件是完全處于凸凹模間進(jìn)行鍛壓成型得到的。通過(guò)翻閱相關(guān)書籍、查閱相關(guān)互聯(lián)網(wǎng)資料,定義本設(shè)計(jì)的鍛件為普通鍛件,并且歸類于柱形鍛件。同時(shí),萬(wàn)向節(jié)叉鍛件通常是小規(guī)模同標(biāo)準(zhǔn)批量生產(chǎn),方便機(jī)械流程化、工藝流程化及自動(dòng)生產(chǎn)化,本設(shè)計(jì)采用了開式單型槽熱模鍛,并且選用熱鍛模曲柄壓力機(jī)進(jìn)行模鍛。通過(guò)上述圖紙分析及工藝流程的確定,我們可以進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行模具鍛模設(shè)計(jì)及后續(xù) CAE 分析并且可以進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。2.3鍛件鍛模總體設(shè)計(jì)方案的確定了解了零件的屬性及材料,我們現(xiàn)在可以選擇合適的鍛模方式設(shè)計(jì)該鍛件的模具,鍛模設(shè)計(jì)的步驟如下:1) 用三維設(shè)計(jì)軟件 SolidWorks,根據(jù)所給二維圖紙的尺寸要求相應(yīng)畫出終鍛件模型,倒好規(guī)定位置的圓角,同時(shí)最重要的是注意選擇合適的拔模斜度,使其順利出模。2) 根據(jù)鍛件的精度、形狀及工廠的實(shí)際生產(chǎn)條件確定好模具分型面、分型線及加工余量公差,借助于軟件的評(píng)估功能,查看鍛件體積 V0和鍛件質(zhì)量 m0,再查閱相關(guān)資料制定較為完善的鍛造參數(shù),如分型面周邊長(zhǎng)度 L0等參數(shù)。3) 開始分模,插入切削分割,進(jìn)而使模具生成型心和型腔塊(又稱凸模凹模) 。根據(jù)之前生成的三個(gè)曲面實(shí)體: 一個(gè)型心曲面實(shí)體、一個(gè)型腔曲面實(shí)體、以及一個(gè)分型面實(shí)體。運(yùn)用切削分割命令生成鍛件的模具及相同零件的多個(gè)實(shí)例,但本設(shè)計(jì)要求一模具一產(chǎn)品,因此生成了一個(gè)實(shí)例。4) 查閱鍛造設(shè)計(jì)手冊(cè),考慮飛邊槽充滿參數(shù)、鍛壓力噸位、鍛件質(zhì)量設(shè)計(jì)終鍛模膛,著重設(shè)計(jì)飛邊槽及鉗口留毛邊 重量85) 原材料規(guī)格根據(jù)制坯模膛的要求給出,下料毛坯形狀大小依據(jù)坯料總體積和加熱中的損耗及工藝余塊,料夾頭等方面確定。6) 本設(shè)計(jì)中的萬(wàn)向節(jié)叉其結(jié)構(gòu)不復(fù)雜,為了節(jié)約工時(shí),因此只需在鍛模型槽中一次鍛壓成形即可,即不考慮預(yù)鍛制坯工序,只要求終鍛這一工步即可。7) 講鍛件導(dǎo)入 Workbench 15.0進(jìn)行分析鍛件的溫度場(chǎng)模擬,分析在不同的鍛造溫度下及環(huán)境外界溫度下,鍛件的溫度場(chǎng)的分布情況,以及鍛件的應(yīng)力分布情況,進(jìn)而用 SolidWorks 完善鍛模裝配總圖8) 繪制出二維 CAD圖紙,制定相應(yīng)的說(shuō)明書。93. 長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉鍛模設(shè)計(jì)3.1鍛件及其鍛模的設(shè)計(jì)3.1.1確定鍛件的分型面及分型線終鍛件在凸凹模間的型槽中擠壓成型,且凸凹模具的接觸面(又稱成型面)將其稱為分型面(分模面) 。分型面與終鍛件的交線稱為分型線。分模之處就是要首先確定此鍛件的分型面及分型線。確定好后才可以進(jìn)行下一步,這是最為基礎(chǔ)的一步,且必須準(zhǔn)確無(wú)誤判斷出相應(yīng)位置。分型面的制定原則根據(jù)脫模過(guò)程是否容易脫模、成型面是否完好、平衡側(cè)的壓力情況、承受力的一面受壓情況及強(qiáng)度、盡量簡(jiǎn)化鍛造工藝等條件進(jìn)行確定 8。同樣分型線也有其自身的確定規(guī)則,分型線盡量平直并且與分型面盡可能在一個(gè)平面內(nèi)。在折分型線確定時(shí),用兩個(gè)或兩個(gè)以上不同平面的分型面與鍛件相交形成的分型線作為折分型線,將同時(shí)含直線及曲線的分型線稱為彎曲分型線。更為重要的是判斷分型線是否合適時(shí),需要考慮鍛件的脫膜過(guò)程、制造成本及后續(xù)毛坯料利用率等方面考量。選擇合適的分型線的同時(shí),還應(yīng)滿足其分型線有利于鍛件外形美觀,即流線型外觀較好,對(duì)于高度較高的鍛件,應(yīng)選擇盡量靠近中間部位,這樣能夠保證鍛件不發(fā)生錯(cuò)模現(xiàn)象。此外還應(yīng)該考慮鍛件的非加工面,對(duì)于加工面應(yīng)該盡量減少孔洞及槽的機(jī)加工余量 9。鍛件分模線合適與否,關(guān)系到鍛件質(zhì)量、鍛造操作、模具制造和材料利用率等一系列問(wèn)題。為了提高鍛件質(zhì)量、保持生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性和獲得最低的成本,在滿足上述分模原則的基礎(chǔ)上,對(duì)于開式模鍛確定分模線位置時(shí)還應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素:(1)在鍛件的高度方向上選擇分模位置時(shí),應(yīng)盡量選取中間部位,這樣能確保鍛件自由出模,對(duì)金屬?zèng)_填型槽也有利,同時(shí)還便于發(fā)現(xiàn)錯(cuò)?,F(xiàn)象;(2)有利于鍛件獲得理想的流線方向;10(3)對(duì)于盤類鍛件( H D ) ,應(yīng)取徑向分模,而不宜取軸向分模;(4)應(yīng)有利于鍛出零件的非加工表面,對(duì)加工表面也應(yīng)盡量減少鍛件凹槽和孔等的機(jī)械加工余量;根據(jù)本論文所涉及的鍛件來(lái)說(shuō),綜合上述分型理論及其鍛件形狀獨(dú)特性制定的分型面及分型線如圖 3-1、圖 3-2 所示:圖 3-1 長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉終鍛件分型面彎曲分模線圖 3-2 長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉終鍛件分型線3.1.2 制定鍛件的機(jī)加工余量及公差鍛件在終鍛過(guò)程中會(huì)因溫度高下成型使其自身表面氧化、粗糙不平,因此在需要鍛造后機(jī)加工的部位一定要流出足夠的加工余量,這對(duì)于連接件的后續(xù)應(yīng)用極為重要 10。當(dāng)然加工余量主要由機(jī)加工設(shè)備的加工精度及鍛件質(zhì)量等屬性確定。為了得到零件的質(zhì)量屬性,需要首先定義其材質(zhì),定義好后,再在 SolidWorks軟件中在建模模塊中點(diǎn)擊質(zhì)量屬性按鍵,使軟件自動(dòng)估算鍛件質(zhì)量,得到該萬(wàn)向節(jié)叉的質(zhì)量11屬性如圖 3-3所示。圖 3-3 鍛件質(zhì)量屬性依照工廠的實(shí)際加工條件及鍛件的用途,進(jìn)行半精密級(jí)(用于普通模鍛或半精鍛工藝鍛壓)鍛造,制定主要工作表面粗糙度為 Ra=6.3um 確定該零件的精度屬于普通級(jí)。鍛造過(guò)程鍛件會(huì)因根據(jù)鍛造溫度或模具損耗量產(chǎn)生誤差,故要考慮鍛造的工藝及加熱方法等因素。選擇該鍛件類屬于低碳低合金含量鋼的 45 熱軋鋼。外輪廓包容體質(zhì)量為 1 千克。則根據(jù)鍛件形狀復(fù)雜系數(shù) S是鍛件質(zhì)量 Mf與相應(yīng)的鍛件外廓包容體質(zhì)量 MN之比,即:S= Mf / MN=0.76,計(jì)算鍛件的形狀復(fù)雜系數(shù) S。 根據(jù) S值的大小,鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)分為 4級(jí):S1級(jí)(簡(jiǎn)單): 0.63S1S2級(jí)(一般): 0.32S0.63S3級(jí)(較復(fù)雜):0.16S0.32S4級(jí)(復(fù)雜): 0S0.16根據(jù)上述,因此該萬(wàn)向節(jié)叉鍛件的復(fù)雜系數(shù)簡(jiǎn)單級(jí) S1。通過(guò)查公差表確定鍛件最大極限尺寸及最小極限尺寸如圖 3-4 所示。進(jìn)而通過(guò)求差計(jì)算確定鍛件的尺寸公差和形狀公差的。鍛件萬(wàn)向節(jié)叉對(duì)于其外形尺寸的要求極為嚴(yán)格,因?yàn)橥庑纬叽缰苯佑绊懙酵鈴胶瓦B接件的配合要求,外形尺寸過(guò)大與過(guò)小都能導(dǎo)致連接軸連接后致使軸不同心。因此根據(jù)工廠的實(shí)際需要及設(shè)計(jì)時(shí)考慮的加工因素,我在設(shè)計(jì)萬(wàn)向節(jié)叉的外圍外型圓柱周長(zhǎng)最大極限尺寸為 200.5mm、最小的極限尺寸為 200mm,最大最小極限尺寸的差值 0.5mm 作為該鍛件的最外形公差。12圖 3-4 公差示意圖3.1.3 鍛模生成及凸凹模分割本論文所設(shè)計(jì)的萬(wàn)向節(jié)叉鍛件因其外圍大體為對(duì)稱的圓柱圖形,為了方便設(shè)計(jì)凸凹鍛模,在 Solid Works軟件中以上一步為基礎(chǔ)選用模具的切削分割命令對(duì)零件鍛件進(jìn)行分模處理,得到如圖 3-5所示的凸凹模。易看出,成對(duì)稱分布關(guān)系,同時(shí)為了考慮出模方便即鍛件容易從模膛中脫膜,為此考慮了鍛件與模膛接觸的地方必須有適當(dāng)?shù)陌文P倍龋I(yè)內(nèi)稱為出模斜度) ,對(duì)于拔模斜度的要求要根據(jù)實(shí)際出模需要以及工廠的實(shí)際鍛造要求制定,斜度不能過(guò)大,過(guò)大使其脫膜極易導(dǎo)致無(wú)法鍛造出合適的形狀,如果過(guò)小使其在脫模時(shí)脫模極難,導(dǎo)致零件外表及內(nèi)部接觸部分摩擦受損,因此對(duì)于拔模斜度的制定在鍛模設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中顯得尤為重要。鍛件在冷卻收縮時(shí)離有離開模具側(cè)壁的趨勢(shì),應(yīng)考慮外模鍛斜度用 表示,按照鍛件的自身高度 H和自身寬度 B或通過(guò)外形輪廓長(zhǎng)度 L與自身寬度的比值即H/B、L/B 確定拔模斜度。同時(shí),內(nèi)模鍛拔模斜度 一般比外模鍛斜度 值加大2或 3,具體的取值還需根據(jù)工廠實(shí)際工藝需求及工人經(jīng)驗(yàn)制定。13圖 3-5 凸凹鍛模圖通過(guò) SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了三維設(shè)計(jì)鍛件的凸凹鍛模后,通過(guò)“從零件/裝配體制作工程圖”命令將三維圖轉(zhuǎn)化為二維圖。而鍛模的總裝圖則在萬(wàn)向節(jié)叉鍛件分模完成后在裝配體中調(diào)入零件模具方向?qū)е芭涮讓?dǎo)套、底板、上頂板等零件,投影好相關(guān)的視圖后最后將文件保存至 Dwg格式如圖 2-7所示,用 CAD打開進(jìn)行編輯如圖 3-6,圖 3-7,圖 3-8所示,在 CAD軟件中對(duì)所導(dǎo)入的圖紙進(jìn)行基本外輪廓尺寸標(biāo)注,并且標(biāo)注好形位公差、尺寸公差,確保車間加工時(shí)能達(dá)到好的公差要求,當(dāng)然考慮到外協(xié)工廠的實(shí)際加工設(shè)備,CAD 圖中標(biāo)注的實(shí)際公差范圍盡量要求低一些,因?yàn)樵摴S的設(shè)備能力有限,且工藝流程不是很完善。圖 3-6 SolidWorks轉(zhuǎn)換二維圖圖 3-7 上鑲模塊 CAD二維圖14圖 3-8 下鑲模塊 CAD二維圖3.2 鍛造模具設(shè)計(jì)圖鍛造模具設(shè)計(jì)圖如圖 3-9所示。15圖 3-9 模具設(shè)計(jì)三維圖3.3 鍛模飛邊槽的設(shè)計(jì)終鍛模作為錘上模鍛鍛模中的重要組成部分,其必須要設(shè)計(jì)在終鍛型槽周圍。在實(shí)際鍛件鍛造中,它能夠增加液體金屬在模膛里面的流通阻力,并且包含余下的金屬,使其充滿模膛。當(dāng)然飛邊槽的尺寸和設(shè)計(jì)方案直接影響到鍛件的成型特征及質(zhì)量,因此飛邊槽在整個(gè)鍛模設(shè)計(jì)中尤為重要 11。查閱相關(guān)資料得知在終鍛模設(shè)計(jì)中,模鍛的飛邊槽基本上機(jī)械行業(yè)內(nèi)基本上有下面如圖 3-10 所示的三種形式:圖 3-10 飛邊槽三種設(shè)計(jì)方式16圖 3-11 二維 CAD圖中的飛邊槽設(shè)計(jì)(如上圖中的箭頭所示)接下來(lái)再根據(jù)萬(wàn)向節(jié)叉的形狀大致沿軸線對(duì)稱,并且考慮到萬(wàn)向節(jié)叉鍛件在鍛造時(shí),流體阻力對(duì)類似圓柱形狀的零件在成型時(shí)的作用力比較小,而飛邊槽的作用是包含盡可能多的金屬,因此此鍛件鍛造時(shí)采用的飛邊槽設(shè)計(jì),選用第二種方案。設(shè)計(jì)二維圖如圖 3-11 所示。飛邊槽有其自身的尺寸衡量標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于其槽高度 H、入口圓角半徑 R、槽寬 B 的選用規(guī)則如下表 3-1 所示,它們之間的關(guān)系是:當(dāng) B 變小,H 增大時(shí),則在流動(dòng)阻力(水平方向)會(huì)減小,同時(shí)減小了鍛模的磨損量 12。并且本設(shè)計(jì)所用的鍛造設(shè)備噸位是 1.6 萬(wàn)千牛,但在實(shí)際的應(yīng)用中還需考慮眾多影響因素比如環(huán)境、加熱溫度的影響,選用時(shí)要根據(jù)情況適當(dāng)擴(kuò)大或減小飛邊槽的個(gè)別尺寸??傮w根據(jù)鍛壓機(jī)的噸位(kN)結(jié)合下表中的數(shù)據(jù)選用 H=2.1mm,B=6mm,H 1=6mm,R=20mm R1=1.8mm。表 3-1 飛邊槽尺寸鍛壓機(jī)噸位(kN)H/mm B/mm H1/mm R/mm R1/mm6 30010 00016 00020 00025 00031 50040 0001.01.51.52.02.02.52.53.02.53.03.54.04546566668566686881515202020250.51.01.01.51.52.02.03.03.03.54.0173.4 模架總體設(shè)計(jì)鍛造過(guò)程中錘鍛過(guò)程要求速度低且平穩(wěn),所以鍛模不需要或少量受到?jīng)_擊,為了減輕本方案的設(shè)計(jì)難度,盡量不考慮鍛模的打擊面。本文設(shè)計(jì)的鍛件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,又是旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),采用了單工位矩形鑲塊緊固結(jié)構(gòu),此種模架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,通過(guò) T形螺栓及壓板可以方便的調(diào)整鑲塊。模架是組合結(jié)構(gòu),設(shè)置有下頂出機(jī)構(gòu)并兩側(cè)設(shè)置有導(dǎo)向柱及配套的導(dǎo)套,起導(dǎo)向作用,進(jìn)行上下分模導(dǎo)向,一次出一個(gè)鍛件產(chǎn)品,緊固壓板是為了更好地固定下模座,據(jù)此選用了單腔鍛模。具體的總體框架如圖 3-12所示: 1上模座,2上墊板,3上模鑲塊,4下模鑲塊,5下模座,6下墊板,7導(dǎo)向裝置,8緊固壓板圖 3-12 模具框架總體結(jié)構(gòu)圖18圖 3-13 模具總體結(jié)構(gòu)的二維 CAD圖3.5鑲塊設(shè)計(jì)鑲塊在整個(gè)模具設(shè)計(jì)中也尤為重要,它直接通過(guò)與鍛件接觸直接影響了鍛件的形狀及成型質(zhì)量。有鑲塊存在的地方就必然會(huì)涉及到鑲塊貼合面,而模具約復(fù)雜鑲塊的貼合面越多,配合精度越高,其加工越不易。其外形尺寸與模腔的尺寸及模架閉合高度相關(guān)。在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮鑲塊底部厚度 h必須大于 0.60.65 倍模架的閉合高度 H??紤]了鑲塊在實(shí)際鍛件成型中的關(guān)鍵作用及承力的大小,應(yīng)該校核它的受力面。使其壓力機(jī)的公稱壓力 P小于 1KMPa。通過(guò)計(jì)算:p = P / S 200 MPa 1000 MPaP 施加鍛造壓力值 16000(kN)S 鑲塊實(shí)際承壓面積 80(mm 2)明顯看出鑲塊的設(shè)計(jì)是合理的。4 萬(wàn)向節(jié)叉有限元分析19為了適應(yīng)工業(yè)發(fā)展,ANSYS 公司每隔一段時(shí)間會(huì)推出 ANSYS經(jīng)典版(Mechanical APDL)及其配套的可視化并方便操作的 Workbench軟件 13。在不斷地優(yōu)化升級(jí)過(guò)程中,軟件的功能也逐漸強(qiáng)大,此軟件占據(jù)了國(guó)內(nèi)工業(yè) CAE分析的半壁江山,很好地解決了各企業(yè)的實(shí)際對(duì)于不同產(chǎn)品不同方案的模擬分析。本論文設(shè)計(jì)的萬(wàn)向節(jié)叉協(xié)同熱應(yīng)力分析便采用了較為成熟的 Workbench15.0版本。為了清楚看到鍛件在實(shí)際鍛造過(guò)程中因不同溫度而對(duì)鍛件不同位置的溫度分布影響,并且直觀地展現(xiàn)其相應(yīng)的應(yīng)力分布范圍,對(duì)此進(jìn)行了有限元熱應(yīng)力分析 14。有限元分析的操作流程大致分為:1、 通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件或 Workbench軟件進(jìn)行萬(wàn)向節(jié)叉三維模型設(shè)計(jì)。2、 確定模型的材質(zhì),并在 Workbench前置處理器,進(jìn)行材質(zhì)屬性配置,要著重注意材料的熱屬性及彈性模量及相關(guān)的參數(shù)。3、通過(guò)計(jì)算或查閱相關(guān)資料,確定網(wǎng)格劃分方案,進(jìn)行網(wǎng)格劃分。4、在 Workbench軟件中使用 Steady-State Thermal進(jìn)行熱力學(xué)設(shè)置,涉及到外界溫度、施加溫度、冷卻速率等參數(shù)設(shè)置,參數(shù)設(shè)置好后進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。5、將 Steady-State Thermal分析結(jié)果導(dǎo)入 Static Structral模塊的 Setup進(jìn)行熱應(yīng)力分布分析。6、導(dǎo)出 Static Structral體系中 Results結(jié)果進(jìn)行查看分析。4.1不同溫度下 45鋼的性能變化在不同溫度下碳鋼 45的導(dǎo)熱系數(shù)是不同的。0攝氏度: 52.34100攝氏度: 48.85200攝氏度: 44.19300攝氏度: 41.87400攝氏度: 34.89 單位都是:KW/(m.)千瓦每米.攝氏度如圖 3-1所示,首先設(shè)置碳鋼的終鍛溫度約在鐵一碳平衡圖 A,線以上2575。中碳鋼的終鍛溫度位于奧氏體單相區(qū),組織均勻,塑性良好,完全滿足終鍛要求。低碳鋼的終鍛溫度雖處在奧氏體和鐵素體的雙相區(qū),但因兩相塑性均較好,不會(huì)給鍛造帶來(lái)困難。高碳鋼的終鍛溫度是處于奧氏體和滲碳體的雙相區(qū),在20此溫度區(qū)間鍛造時(shí),可借助塑性變形,將析出的滲碳體破碎呈彌散狀,而在高于Acm線的溫度下終鍛將會(huì)使鍛后沿晶界析出網(wǎng)狀滲碳體。圖 4-1 碳鋼材料溫度平衡圖4.2有限元分析前置參數(shù)設(shè)置進(jìn)入 Workbench軟件中先建立總體邏輯體系如圖 3-2所示,保證分析的時(shí)整體完整性。正確接連關(guān)系映射線,保證上一步結(jié)果對(duì)應(yīng)著下一步的設(shè)置,并且保證兩步的模型及材料屬性共享。圖 5-2 前置邏輯體系建立在體系頁(yè)面中單擊 Geometry模塊,進(jìn)入 MD系統(tǒng)。將用 Solidworks軟件已經(jīng)建模完成的鍛件三維圖導(dǎo)入至 Geometry模塊中并生成模型。在 Engineering Data模塊中對(duì)其材料進(jìn)行定義設(shè)置,如圖 3-3所示。21圖 4-3 模型材料參數(shù)設(shè)置用 Workbench的 mesh模塊對(duì)導(dǎo)入的鍛件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,根據(jù)其形狀采用三角面網(wǎng)格劃分形式并且采用 patch conforming算法,同時(shí)為了簡(jiǎn)化流程采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格。因?yàn)殄懠緸榉忾]模型且精度要求較高,但不應(yīng)該忽略諸如倒角,小孔等一些小細(xì)節(jié),對(duì)此采用了 patch conforming算法,如圖 3-4所示,并且設(shè)置網(wǎng)格的最大邊長(zhǎng)為 2mm,在保證電腦性能及分析運(yùn)行時(shí)間的基礎(chǔ)上盡可能細(xì)分網(wǎng)格,這樣會(huì)提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格劃分完成后的模型如圖 3-5所示。最后設(shè)置鍛件在不同環(huán)境溫度下的溫度屬性如圖 3-6所示,是鍛件在冷卻水為 10度時(shí)的鍛件模型,如圖 3-7所示,是鍛件在空氣溫度為 22度時(shí)的鍛件模型 15。圖 4-4 網(wǎng)格劃分設(shè)置22圖 4-5 網(wǎng)格劃分后模型接下來(lái)確定流體對(duì)流:圖 4-6 冷卻水為 10度時(shí)的鍛件模型23圖 4-7空氣溫度為 22度時(shí)的鍛件模型4.3鍛件溫度場(chǎng)及應(yīng)力分布分析求解熱應(yīng)力先理解其概念,非剛形體受外力沖擊載荷或者受外界變化影響會(huì)或多或少因其塑性變形或引起應(yīng)力應(yīng)變的變化。確定對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng),尤其確定好依規(guī)定時(shí)間變化范圍內(nèi)的隨時(shí)間變化的溫度分布及引起的非定常應(yīng)力分布。熱應(yīng)力的求解步驟:由熱傳導(dǎo)方程和邊界條件(求非定常溫度場(chǎng)還須初始條件)求出溫度分布;再由熱彈性力學(xué)方程求出位移和應(yīng)力。鍛造過(guò)程中,加熱后的液體金屬流動(dòng)性高,相應(yīng)的對(duì)鍛件材質(zhì)的各性能比如說(shuō)熱穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度、耐熱疲勞性等要求就較高,不可金屬的材質(zhì)屬性、截面溫差、熱處理等參數(shù)都能直接或間接影響熱應(yīng)力的大小及分布,尤其對(duì)于是終鍛件材料的橫截尺寸、輪廓尺寸,厚度都能直接影響熱應(yīng)力 16。完成鍛件有限元網(wǎng)格劃分及相應(yīng)環(huán)境溫度及熱鍛溫度的設(shè)置,接下來(lái)選擇合適的求解器進(jìn)行分析求解。得到不同溫度下的鍛件熱應(yīng)力分布。熱應(yīng)力的大小與金屬的性質(zhì)、截面溫差有關(guān),而截面溫差取決于金屬的導(dǎo)溫性、截面尺寸和加熱速度若金屬導(dǎo)溫性差、截面尺寸大、加熱速度快,則溫差大,熱應(yīng)力也大。反之,熱應(yīng)力就小。要明確,鋼料在室溫至 500-550范圍內(nèi)的彈性狀態(tài)時(shí),開裂可能最大。模擬萬(wàn)向節(jié)叉鍛件在不同溫度下的溫度場(chǎng)模擬,分析不同鍛造溫度以及不同環(huán)境外界溫度下鍛件的溫度場(chǎng)分布情況如圖 3-8所示,以及鍛件的應(yīng)力分布情況 17。在 Steady-State Thermal體系中的 Setup模塊中設(shè)置外界溫度參數(shù)及相應(yīng)的鍛件800至 900度鍛造溫度,并且設(shè)置好不同溫度下的冷卻速率及對(duì)流系數(shù)。24圖 4-8 鍛件的溫度場(chǎng)及應(yīng)力分布通過(guò)溫度場(chǎng)云圖分析結(jié)果看以看出,該鍛件的最小溫度值出現(xiàn)在其側(cè)壁上,最高溫度值出現(xiàn)在掛耳處,且該溫度場(chǎng)關(guān)于 YZ平面對(duì)稱。通過(guò)熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析易看出萬(wàn)向節(jié)叉鍛件的應(yīng)力大小及分布范圍總體在理想范圍內(nèi)。255.鍛前加熱、鍛后冷卻及熱處理要求的確定5.1確定加熱方式,及鍛造溫度范圍本文前面已經(jīng)確定了制造終鍛模的總體方案并且對(duì)鍛件進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的有限元分析,得出了鍛件在不同溫度下的熱應(yīng)力表現(xiàn)及溫度場(chǎng)分布。鍛造件在正式機(jī)加工之前都需要進(jìn)行熱處理,以便利于機(jī)加工時(shí)切削,同時(shí)也是細(xì)化晶格消除內(nèi)應(yīng)力以延長(zhǎng)鍛件的使用壽命。下面將針對(duì)萬(wàn)向節(jié)叉鍛件進(jìn)行熱處理要求設(shè)計(jì)。在整個(gè)鍛造過(guò)程中,鍛造毛坯料熱處理的目的是在鍛造時(shí)減小變形量、提高金屬塑性以致液體金屬能更好的在模腔內(nèi)流動(dòng)成型,以使終鍛后的鍛件獲得好的金屬力學(xué)性能。金屬毛坯件的可以通過(guò)通電加熱或者燃料辦連續(xù)加熱爐加熱,本論文設(shè)計(jì)的鍛件是采用半連續(xù)加熱爐加熱。為了保證金屬在理論的鍛造溫度范圍里獲得更好的力學(xué)性能,查閱了相關(guān)熱處理資料,熱軋鋼 45#鋼是碳鋼且屬于含碳量在0.42%0.50%之間的中碳鋼,根據(jù)圖 4-1可知設(shè)計(jì)選用鍛件的初始鍛造溫度為1050,終鍛溫度為 850。圖 5-1 常見金屬材質(zhì)鍛造溫度5.2 加熱時(shí)間及冷卻方式的確定26這里所指的加熱時(shí)間是自毛坯進(jìn)入加熱爐內(nèi)加熱時(shí)到從加熱爐取出的整個(gè)過(guò)程所消耗的時(shí)間,它包含整個(gè)過(guò)程的升溫和保溫兩個(gè)過(guò)程。 加熱時(shí)間是坯料裝爐后從開始加熱到出爐所需的時(shí)間,包括加熱個(gè)階段的升溫時(shí)間和保溫時(shí)間。加熱時(shí)間可以按照 D計(jì)算,其中 D表示毛坯的直徑(cm) , 表示 45鋼的金屬化學(xué)影響系數(shù),一般取值為 0.11(h/cm) 。模具熱疲勞會(huì)導(dǎo)致疲勞失效,這種失效現(xiàn)象尤其體現(xiàn)在凸凹模成型面上,甚至?xí)樦鸭y逐漸擴(kuò)大,模具經(jīng)過(guò)反復(fù)的受熱受冷刺激后其內(nèi)部多少會(huì)有些疲勞變形。為了盡可能避免模具生產(chǎn)后的疲勞破壞等問(wèn)題,這里需要著重保證其熱處理工藝,比如在壓鑄之前模具本身必須進(jìn)行充分的高溫加熱,并盡可能保持一定的高溫。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要,常規(guī)的冷卻的方式有氣冷、水冷、爐內(nèi)冷卻等方式,其中爐內(nèi)冷卻因隔絕空氣使其冷卻速度最慢,這里我們選擇常規(guī)的在空氣中冷卻。27總結(jié)本論文以長(zhǎng)安汽車萬(wàn)向節(jié)叉鍛件為例,詳盡的闡述了鍛件終鍛鍛造的工藝流程、鍛造模具設(shè)計(jì)、模具毛坯選取以及鍛件有限元溫度場(chǎng)應(yīng)力分析。更好地把機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)科知識(shí)相融合,更肯定了模具行業(yè) CAE方向的廣闊前景。作為大學(xué)生的我們,理應(yīng)當(dāng)跟隨時(shí)代的腳步,不斷接觸機(jī)械行業(yè)的創(chuàng)新知識(shí),傳統(tǒng)行業(yè)的機(jī)械加工需要當(dāng)今社會(huì)高科技設(shè)備的輔助,更是離不開計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)及虛擬樣機(jī)仿真的功勞。與其說(shuō)是時(shí)代的進(jìn)步,不如說(shuō)是機(jī)械行業(yè)工程師們的不斷創(chuàng)新挖掘,想到這里,我由衷對(duì)我過(guò)機(jī)械行業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)步如此極快感到欣慰,我過(guò)尚處在高速發(fā)展階段,我相信在不斷的將來(lái),一定會(huì)超越世界上先進(jìn)國(guó)家的制造水平,畢竟我們也在不斷創(chuàng)新進(jìn)步。在本文設(shè)計(jì)過(guò)程中使用了當(dāng)今機(jī)械行業(yè)廣泛應(yīng)用的三維設(shè)計(jì)軟件和 CAE輔助分析軟件,更好地結(jié)合模具行業(yè)實(shí)際需求,完成本論文的創(chuàng)作。本畢業(yè)設(shè)計(jì)歷時(shí)近 5個(gè)月的時(shí)間,伴隨著指導(dǎo)老師的指導(dǎo)才使我的論文達(dá)到預(yù)期的效果,雖然本文設(shè)計(jì)的鍛件比較簡(jiǎn)單,但是我們可以以小見大,映射出更復(fù)雜的模型對(duì)其進(jìn)行這一系列的建模、分析、出圖等。當(dāng)然鍛造的過(guò)程也不是很難,但是為了追求更高的精度及更好地可靠性,我們需要更努力的去考察其他工廠的鍛造流程及工藝。在實(shí)際的論文撰寫中,我深刻地體會(huì)到了理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要性,當(dāng)然了,更重要的是要注重創(chuàng)新的精神,用新思維考慮設(shè)計(jì)方案。如今,機(jī)械行業(yè)正在蓬勃發(fā)展,更是離不開我們大學(xué)生的努力,我要學(xué)的知識(shí)還有很多,這只是冰山一角。我們要將理論付諸于實(shí)踐,無(wú)論是看教學(xué)書還是聽老師講課我們都應(yīng)該把理論的知識(shí)搬移到實(shí)際工作中,在工作中,我們更應(yīng)該勤思考,更深入的理解所學(xué)知識(shí)。本文在撰寫的過(guò)程中遇到了不少的技術(shù)難題,但我們應(yīng)該積極地去面對(duì),而不是逃避,找出問(wèn)題所在,逐個(gè)攻破,問(wèn)題迎刃而解。28致謝本次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠順利的結(jié)題,離不開老師同學(xué)們的幫助,并在設(shè)計(jì)過(guò)程中得到了很多同學(xué)和老師的幫助和關(guān)懷,并提出了許多寶貴的意見,使我能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。我的指導(dǎo)老師何斌鋒老師能夠在百忙中指導(dǎo)我,為此我深表感激。值此結(jié)束之際,我真誠(chéng)地向各位幫助過(guò)我的老師和同學(xué)表示衷心的感謝,感謝你們的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)。感謝我的指導(dǎo)老師在這段時(shí)間給予我的耐心指導(dǎo)和幫助。感謝舍友及同學(xué)給予的支持和關(guān)心。29參考文獻(xiàn)1 . 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