材料成型及控制工程專業(yè)本科畢業(yè)論文論文題目五菱凸緣叉鍛件成形的工藝研究學生姓名學號指導教師專業(yè)材料成型及控制工程年級200X級學校河南理工大學摘要本課題主要研究凸緣叉的鍛造成形工藝。首先分析鍛件圖并利用PRO/ENGINEE軟件對鍛件進行三維建模，然后根據(jù)鍛件模型生成終鍛模具,并開設(shè)飛邊槽。由鍛件的相關(guān)信息確定初始毛坯尺寸,接著運用數(shù)值仿真模擬技術(shù)分析其能否一次鍛造而成因為該鍛件為短軸分叉類，并且凸緣較高,進而凸緣頂部與側(cè)壁凹陷處很難充滿,無法一次成形。故依據(jù)鍛件形狀特點，設(shè)置鍛造工步為加熱鐓粗制坯預鍛終鍛精整，經(jīng)過多次的模擬優(yōu)化，確定了各工步的工藝參數(shù)，獲得了良好的模擬效果。因此,最終設(shè)計生產(chǎn)該鍛件的熱加工工序為加熱鐓粗制坯預鍛終鍛精整。本次設(shè)計模擬分析了凸緣叉的熱成形過程，確定了其熱加工工藝參數(shù)和加工過程中的變形規(guī)律，這為提高材料的組織性能，避免缺陷的產(chǎn)生將會大有幫助。關(guān)鍵詞鍛件突緣叉數(shù)值模擬熱加工ABSTRACTTHEPAPERMAINLYCONCENTRATESONTHERESEARCHINGANDSIMULATINGOFTHEFORGINGPROCESSOFTHEFLANGEYOKEINTHEFIRST,ANALYZINGFORGINGDRAWINGANDSETTINGUPTHETHREEDIMENSIONALMODELOFFORGINGBYUSINGTHEPRO/ENGINEERSOFTWARE,THENTHEFINALFORGINGDIEISGENERATEDACCORDINGTOTHEMODELANDTHEGUTTERISSETTEDUPATTHESAMETIMETHEINITIALBLANKSIZEAREDETERMINEDBYTHERELEVANTINFORMATIONOFFORGINGANDTHENUMERICALSIMULATIONISUSEDTOANALYSISWHETHERTHEFORGINGCANBEMADEBYONCESHAPINGBECAUSETHETOPFLANGESANDSIDEWALLRECESSOFTHEFORGINGWITHSHORTSHAFT,COMPLEXFORKISDIFFICULTTOFILLIN,ITCANNOTBEDIRECTLYFORGEDSOACCORDINGTOTHESHAPEFEATURES,THEFORGINGSTEPSSETTEDAREHEATINGUPSETTINGFORMINGPERFORMFORGINGFINISHFORGINGFINISHINGTHROUGHSEVERALSIMULATIONANDOPTIMIZATION,THEPROCESSPARAMETERSOFEACHSTEPAREDETERMINEDANDTHEFORGINGSWITHTHEEXCELLENTQUALITYAREOBTAINED,TOOFINALLY,THESTEPOFTHERMALPROCESSINGPRODUCTIONOFTHEFORGINGSDETERMINEDAREHEATINGUPSETTINGFORMINGPERFORMFORGINGFINISHFORGINGFINISHINGTHISDESIGNANALYSESANDSIMULATESTHEHOTFORMINGPROCESS,GETSTHETHERMALPROCESSPARAMETERSANDTHEDEFORMATIONLAWINTHEPROCESS,WHICHWILLBEOFGREATHELPTOIMPROVETHEMICROSTRUCTURALPROPERTIESOFMATERIALSANDAVOIDTHEDEFECTSKEYWORDSFORGINGTHEFLANGEYOKENUMERICALSIMULATIONTHERMALPROCESSING目錄摘要I1緒論111前言112當前研究現(xiàn)狀213有限元數(shù)值模擬技術(shù)及在金屬塑性成形中的應(yīng)用發(fā)展4131金屬塑性加工成形過程研究方法4132塑性加工數(shù)值模擬的發(fā)展現(xiàn)狀614課題來源及研究對象、目的意義10141課題來源10142研究對象11143本文的研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)112五菱凸緣叉鍛件熱成形工藝和模具設(shè)計1221五菱叉凸緣鍛造工藝分析12211五菱凸緣叉鍛件圖的分析12212熱鍛件圖的設(shè)計15213毛邊槽的確定16214鍛錘噸位17215模塊結(jié)構(gòu)尺寸確定18216毛坯尺寸確定1922模具設(shè)計19221終鍛模具19222預鍛模具20223制坯模具設(shè)計2223本章小結(jié)223五菱凸緣叉模鍛成形工藝模擬優(yōu)化2331模擬流程23311建立模型23312模型簡化以及模擬初始條件和參數(shù)的確定2332方案一直接成形鍛造模擬24321直接成形鍛造工步模型的建立24322模擬成形的過程分析26323直接成形模擬結(jié)論2633方案二制坯預鍛終鍛成形模擬27331制坯成形過程模擬27332預鍛成形過程模擬29333終鍛成形過程模擬32334終鍛模擬結(jié)果分析3534本章小結(jié)364結(jié)論40致謝41參考文獻421緒論11前言鍛造是人類發(fā)明的最古老的的生產(chǎn)技術(shù)之一。人類發(fā)現(xiàn)和使用金屬幾千年的歷史都伴隨著鍛造技術(shù)的發(fā)展。從最初鍛造農(nóng)具和制造盔甲，到現(xiàn)在生活中隨處可見的千千萬萬的鍛造產(chǎn)品，都證明了這一技術(shù)對人類的寶貴價值。不僅如此，鍛造也是一種既古老而又正處在蓬勃發(fā)展之中的一種金屬加工技術(shù)。從規(guī)模上課，它從昔日的紅爐手工鍛造已發(fā)展到在萬噸級的液壓機上鍛造幾百噸的鋼錠；從工藝上來說，它沖破了舊有的單一的觀念，又開發(fā)出了冷鍛、溫鍛、近熔點鍛、等溫和超塑性鍛造等；從設(shè)備上看，它已經(jīng)由單方向的直線動作擴展到了多向、回轉(zhuǎn)和其他更復雜的動作；從鍛造原材料看，它由一般鋼擴展到了許多特種用途鋼、難變形鋼和高溫有色合金，也由錠料和棒料擴展到了液料和粉料。鍛造作為金屬加工的一種重要工藝方法，它不僅生產(chǎn)效率高、原材料消耗少，而且可以有效地改善金屬材料的力學性能和組織。因而，鍛造加工作為制造業(yè)的一個重要分支，廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造中。鍛造產(chǎn)品主要用于汽車、飛機、機車車輛、工程機械、石化通用等行業(yè)，汽車用鍛件占到總量的90。按重量計算，汽車零件中有1719的鍛件。鍛件也是汽車零部件中的“保安件”，汽車發(fā)動機所使用的曲軸、連桿、凸輪軸，前橋所需的前梁、轉(zhuǎn)向節(jié)，后橋使用的半軸、半軸套管、橋箱內(nèi)的傳動齒輪等等，都是關(guān)系汽車安全運行的保安關(guān)鍵鍛件。2003我國年的鍛件產(chǎn)量為300萬噸左右，模鍛件產(chǎn)量為200萬噸左右。我國是鍛件生產(chǎn)大國，鍛件產(chǎn)量居世界第一。隨著中國汽車工業(yè)的進一步發(fā)展，鍛件的需求量會持續(xù)增長。過去由于缺乏科學的預測方法，鍛造工藝設(shè)計與模具設(shè)計的主要依據(jù)設(shè)計人員在長期積累中獲得的經(jīng)驗以及由對簡單模型的實驗研究總結(jié)出來的多種圖表。作為塑性加工行業(yè)整體來講，目前鍛造仍處于以“試錯”為基本方法的工藝技術(shù)階段。塑性加工生產(chǎn)的程序一般如下首先根據(jù)市場需求，對制品進行加工工藝分析，確定成形工藝方案，同時進行模具的設(shè)計與制造，然后利用模具依照已確定的工藝規(guī)程進行生產(chǎn)。其中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是模具的設(shè)計和制造。模具的設(shè)計與制造合理與否，直接決定著能否生產(chǎn)出滿足要求的制品。模具的設(shè)計與制造過程主要依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗，需要經(jīng)過反復的試模、修模和調(diào)整工藝參數(shù)，即使經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員也很難保證一次成形出合格的終鍛件，反復的試模、修模不僅浪費大量時間、人力和物力，進而導致模具設(shè)計周期長、成本高，產(chǎn)品質(zhì)量不容易得到保證，市場競爭的優(yōu)勢難以確立。這種“反復試制直到模具設(shè)計合理”的工藝是傳統(tǒng)塑性加工技術(shù)的重要特征，它使得產(chǎn)品質(zhì)量靠檢驗來保證，而不是融入設(shè)計、制造的全過程12。近年來，隨著計算機軟硬件技術(shù)、金屬塑性流動理論和計算機圖形學等交叉學科的迅猛發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術(shù)得到了快速發(fā)展，以數(shù)值模擬等先進方法解決工業(yè)生產(chǎn)中的實際問題已成為金屬成形技術(shù)的發(fā)展方向。目前，有限元數(shù)值模擬方法在鍛造工藝和模具設(shè)計中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。通過有限元數(shù)值模擬方法對鍛造過程進行模擬仿真，可預測成形過程中的金屬流動情況，溫度、速度、應(yīng)力應(yīng)變、壓力等物理場量的分布及變化情況，以及模具應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)，判斷鍛件是否產(chǎn)生折疊、充不滿和過熱等缺陷，以及模具是否會過早破壞，可以指導工藝和模具設(shè)計，大幅度縮短模具設(shè)計周期，降低制造成本，以較小的代價在較短的時間內(nèi)找到最優(yōu)的和可行的設(shè)計方案，為同類零件成形工藝的研究開發(fā)和應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)和理論指導。鍛造生產(chǎn)中，模鍛件約占鍛件總產(chǎn)量的65。鍛模的壽命（熱鍛25千個，溫鍛12萬個，冷鍛25萬個）與其它模具相比很低，鍛件的生產(chǎn)消耗大量的模具，是鍛件制造成本居高不下的重要因素。調(diào)查資料表明，濟南某汽車零件鍛造廠的模具費一年在2000萬元左右。模具成本構(gòu)成可以某機車車輛廠生產(chǎn)的大連桿為例大連桿重量50KG/件，采用10T錘用熱鍛模模具長1300MM、寬800MM、高450MM；模具成本材料（5CRNIMO）約6萬元，加工費約5萬元，合計11萬元；模具生產(chǎn)定額2000件。如何降低模具的材料費用和加工費是企業(yè)非常重視的問題1,3,4。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車零部件中對高精度、形狀復雜鍛件的需求量越來越大。因而對于汽車制造業(yè)來說，未來的競爭核心將是新產(chǎn)品的競爭，如何實現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、短周期的汽車零件的開發(fā)、生產(chǎn)，是贏得汽車市場的關(guān)鍵。在這種情況下，鍛造新工藝的開發(fā)對于汽車零件的生產(chǎn)尤為重要，而先進工藝模具設(shè)計方法將對提高汽車零件設(shè)計水平、縮短零件研制周期和降低成本起著舉足輕重的作用?；谝陨媳尘?，本文以許五菱突緣叉鍛件為研究對象，應(yīng)用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對其鍛造過程進行研究，以優(yōu)化鍛造工藝和模具設(shè)計；以降低鍛件制造成本為目標，研究其模具的再制造技術(shù)。12當前研究現(xiàn)狀傳動軸凸緣叉是汽車上的重要部件，它是連接變速器和驅(qū)動橋的重要零件，同時也是承受高速運動的零件。目前，凸緣叉大都帶一個平法蘭，但也有帶一個花鍵齒法蘭的，帶有法蘭盤的，帶凸緣的，帶翼元的，折邊的。由于其結(jié)構(gòu)和使用上的要求,突緣叉零件的幾何形狀比較復雜，加工面亦較少。對于該零件，目前國內(nèi)外一般采用中碳鋼或中碳合金鋼進行鍛造而成，但也有采用中碳鋼或中碳合金鋼鑄造而出的，還有采用球墨鑄鐵的砂型鑄造成的，此外還要進行少量機械加工。當然，無論選用哪種方法，都要滿足優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)約和經(jīng)濟的原則?？偟膩碚f，凸緣叉的主要成形工藝采用鍛造成形,其主要原因有如下幾點（1）凸緣叉模鍛件的內(nèi)部組織和機械性能大大優(yōu)于凸緣叉鑄件，特別是經(jīng)過熱處理后的模鍛件，無論是沖擊韌性還是斷面收縮率、疲勞強度等機械性能均占很大優(yōu)勢。另外，金屬經(jīng)過加熱、模鍛后，夾雜物得到細化，組織致密，沿著外力方向被拉長，形成流線，使鍛件的質(zhì)量提高，使用穩(wěn)定可靠，壽命長。凸緣叉零件選用模鍛方法生產(chǎn)，其根本優(yōu)點就在于此。2叉鑄件在鑄造生產(chǎn)過程中工序比較多，有些工藝過程難以控制，使鑄件的質(zhì)量不穩(wěn)定，因而鑄件內(nèi)部常出現(xiàn)縮松、氣孔等缺陷。經(jīng)機械加工后其缺陷反映不穩(wěn)定，影響了零件的質(zhì)量，造成廢品，增加了零件的成本。鋼質(zhì)模鍛件就無上述缺陷，內(nèi)部質(zhì)量好，成品率高，降低了零件的成本。3凸緣叉鑄件表面粘沙糙，難以清理，不易加工，刀具損壞較多。而鋼質(zhì)模鍛件容易切削。故而，汽車用傳動軸凸緣叉目前生產(chǎn)方式大多采用熱模鍛，模鍛工藝為傳統(tǒng)工藝下料模鍛切邊，其中模鍛又分為預鍛和終鍛兩個過程。傳統(tǒng)熱擠壓成形工藝及模具設(shè)計主要依賴經(jīng)驗方法,往往需要反復試模才能獲得所需的鍛件。隨著計算機技術(shù)的飛躍發(fā)展，以有限元法為代表的數(shù)值模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于分析金屬塑性成形過程，運用剛塑性有限元法進行金屬塑性成形過程的數(shù)值模擬取技術(shù)得了較大成功。一方面，高性能的計算機使得在短時間內(nèi)模擬不同成形條件下的塑性成形過程成為可能，并且在有限的時間內(nèi)獲得比較全面的模擬結(jié)果。另一方面，數(shù)值模擬方法以圖形或動畫的形式表達金屬的變形過程，以及各個物理量隨時間和空間的變化，因此具有直觀、形象的特點。采用數(shù)值模擬仿真技術(shù)對傳動軸凸緣叉的成形過程進行模擬分析，根據(jù)坯料在模具中的填充情況，不斷改進模具的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化毛坯尺寸，從而消除種種成形缺陷，確定合理的成形工藝。基于模擬優(yōu)化的結(jié)果，開發(fā)出結(jié)構(gòu)合理的模具，極大地降低了生產(chǎn)成本,縮短了開發(fā)周期。當前針對凸緣叉的熱成型的工藝發(fā)展有兩大趨勢一是凈成形或少無機加工熱成形工藝；二是以模擬仿真作為模具設(shè)計的基礎(chǔ)，采用三維體積成形模擬分析軟件對汽車用傳動軸凸緣叉的成形過程進行模擬分析，解決原工藝存在的充不滿、折疊及變形不穩(wěn)定等缺陷，確立成形優(yōu)化工藝。模擬分析為模具沒計提供了很好的理論依據(jù)，所開發(fā)出的精密成形模具更具可靠性合理性，這必將為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)約大量成本，縮短開發(fā)周期，大大提高其在市場上的競爭力5。13有限元數(shù)值模擬技術(shù)及在金屬塑性成形中的應(yīng)用發(fā)展131金屬塑性加工成形過程研究方法金屬塑性成形過程是一個非常復雜的變形過程，材料特性、溫度條件、摩擦條件、潤滑情況、坯料形狀及尺寸和模具形狀等因素對變形過程都有一定的影響。這些因素及其作用是塑性加工研究的主要對象。金屬塑性成形過程研究的主要任務(wù)是結(jié)合金屬材料的特征，分析金屬塑性成形過程中的應(yīng)力、應(yīng)變場以及變形條件等因素對變形的影響，在此基礎(chǔ)上充分了解和掌握成形規(guī)律，從而為解決塑性加工中出現(xiàn)的各種實際問題，確定最佳工藝參數(shù)，高效低耗地獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品提供科學依據(jù)。如圖11所示，塑性加工工藝模擬時采用的分析方法大致分為三類（1）解析法，主要包括主應(yīng)力法、滑移線法和上限法，它們都屬于塑性力學中的經(jīng)典解法；（2）實驗/解析法，即實驗與解析的綜合方法，有相似理論法和視塑性法；（3）數(shù)值模擬法，它是隨著計算機的發(fā)展和應(yīng)用而產(chǎn)生的，包括有限元法、有限體積法、有限差分法和邊界元法6。圖11塑性加工模擬方法FIG11SIMULATIONMETHODSOFPLASTICFORMING其中數(shù)值模擬法是以電子計算機為工具，用現(xiàn)代數(shù)值方法求解塑性加工問題的方法。較典型的有有限元法、有限體積法、有限差分法和邊界元法。有限差分法和邊界元法在塑性問題中應(yīng)用比較少。（1）有限元法有限元法（FEM，F(xiàn)INITEELEMENTMETHOD）最初用于結(jié)構(gòu)分析，其本質(zhì)思想是當在全域內(nèi)描述力學場的微分方程的原函數(shù)困難時，則用有限個單元將求解域離散化；在單元內(nèi)假設(shè)滿足邊界條件的原函數(shù)，并考慮單元之間的聯(lián)系，最終求得全域的解。目前，有限元法已高度形式化和系統(tǒng)化，且單元類型十分豐富，能有效地分析二維和三維工程問題。應(yīng)用于塑性成形領(lǐng)域的有限元法主要有剛粘塑性有限元法、大變形彈塑性有限元法等。隨著計算機技術(shù)和數(shù)值計算理論的快速發(fā)展，以有限元為主的數(shù)值模擬技術(shù)已成為塑性成形問題的主要求解方法。但對于復雜、大變形塑性成形問題，由于有限元采用拉格朗日坐標，網(wǎng)格節(jié)點隨著材料運動，變形程度大時，會使網(wǎng)格單元嚴重變形，甚至會使邊界網(wǎng)格與模具表面出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，嚴重影響計算精度。解決數(shù)值模擬網(wǎng)格再劃分問題，一方面可從網(wǎng)格再劃分技術(shù)著手，研制完善的網(wǎng)格自動生成器。但目前對于復雜形體的三維網(wǎng)格自動生成（尤其是成形性能較好的六面體網(wǎng)格）還未得到圓滿的解決。另一方面，也可以采用別的方法來避開網(wǎng)格再劃分，基于EULER網(wǎng)格的有限體積法就是其中的一種最具代表性的方法。（2）有限體積法有限體積法（FVM）又稱為控制體積法。其基本思路是將計算區(qū)域劃分為一系列不重復的控制體積，并使每個網(wǎng)格點周圍有一個控制體積；將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程。EULER網(wǎng)格是一個固定的參考框架，單元由節(jié)點連接構(gòu)成，節(jié)點在空間固定不動。物體的材料在分析過程中可以在網(wǎng)格中流動，并且材料的質(zhì)量、動量和能量也隨之從一個單元流到另一個單元。因此，在劃分有限體積單元時，EULER網(wǎng)格的范圍必須包含材料所有可能流經(jīng)的區(qū)域。有限體積法完全避免了有限單元技術(shù)和LAGRANGE方法難以處理又無法回避的三維網(wǎng)格重劃分問題。有限體積法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解釋。離散方程的物理意義，就是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無限小的控制體積中的守恒原理一樣。有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對任意一組控制體積都得到滿足，對整個計算區(qū)域，自然也得到滿足。這是有限體積法吸引人的優(yōu)點。有一些離散方法，例如有限差分法，僅當網(wǎng)格極其細密時，離散方程才滿足積分守恒；而有限體積法即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準確的積分守恒。由于有限體積法既保持了計算精確性，又兼有計算簡單性，因此它在塑性加工模擬中迅速得到了非常廣泛的應(yīng)用，是塑性加工模擬技術(shù)的發(fā)展方向7,8。132塑性加工數(shù)值模擬的發(fā)展現(xiàn)狀近幾十年來，有限元數(shù)值模擬技術(shù)由于其強大的運算能力，能夠模擬材料流動等異常復雜的鍛造過程，越來越顯其優(yōu)越性。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)值計算方法的日益完善，尤其是隨著有限元技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術(shù)在塑性加工中的應(yīng)用蓬勃發(fā)展，應(yīng)用范圍越來越廣。從板料成形到體積成形，從正向模擬對成形結(jié)果的預測到反向模擬對預成形件的設(shè)計，從同時考慮變形和熱傳導的熱力耦合分析到對工件微觀組織的預測等等，顯示了該技術(shù)在塑性加工領(lǐng)域中的重要地位和作用。從塑性有限元模擬技術(shù)的發(fā)展看，它已經(jīng)走出了單純?yōu)槔碚摲治龆M行模擬的探索階段，廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)生產(chǎn)中。目前，在工業(yè)發(fā)達國家，材料成型計算機數(shù)值模擬技術(shù)已越來越廣泛的在各工業(yè)部門得到應(yīng)用，并產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟效益，正在深刻地改變著傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計及制造方式。在工業(yè)需求的推動下，國外已涌現(xiàn)出一批專門用于鍛壓成形計算機數(shù)值模擬軟件。我國在數(shù)值模擬技術(shù)的實際應(yīng)用方面與工業(yè)發(fā)達國家相比還有差距，計算技術(shù)之模擬技術(shù)有著巨大的發(fā)展前景。一方面，人們對于模擬的精度、速度和能力的期望是沒有止境的；另一方面，隨著各種新材料的發(fā)明和應(yīng)用，必然會出現(xiàn)各種物理的、化學的甚至生物的材料成形新工藝，這將擴展計算機數(shù)值模擬的研究領(lǐng)域。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和人們對鍛造技術(shù)基本規(guī)律尤其是材料本構(gòu)關(guān)系和邊界條件研究的深入，模擬中將采用越來越精確的計算模型，更深刻地結(jié)實材料的各種物理性能，力學性能和細觀、微觀組織性能與成形工藝的關(guān)系，以更短的模擬時間計算出更精確的模擬結(jié)果9。1321有限元模擬系統(tǒng)的組成金屬塑性成形過程模擬系統(tǒng)的建立就是將塑性有限元、金屬塑性成形工藝、計算機圖形處理等相關(guān)理論和技術(shù)進行有機結(jié)合的過程。按照實施成形過程模擬的流程如圖12，模擬系統(tǒng)的功能大致可分為前置處理部分、有限元求解部分和后置處理部分。其中，前置處理部分和后置處理部分又是建立在計算機圖形處理系統(tǒng)或平臺的基礎(chǔ)之上。圖12有限元分析過程流程圖FIG12THEFLOWCHARTOFFINITEELEMENTANALYSISPROCESS1322有限元模擬系統(tǒng)的發(fā)展過程有限元的概念是早在上世紀40年代就有人提出，但由于當時計算機尚未出現(xiàn)，它并未受到人們的重視。有限元法則是克拉夫1960年提出來的，是計算機時代的產(chǎn)物。它的基本思想是“化整為零”，即把連續(xù)體視為離散單元的集合，將連續(xù)體分解為有限個形態(tài)比較簡單的“單元”，對這些簡單單元分別進行分析，然后采用“積零為整”的方法，將各單元重新組合為由原來的連續(xù)體簡化了的“模型”，通過求解這個模型得到問題的基本未知量（例如位移）在若干個離散點上的數(shù)值解，最后根據(jù)得到的數(shù)值解再回到各個單元中計算其他物理量例如應(yīng)變、應(yīng)力等。由此而產(chǎn)生的有限元分析技術(shù)是最重要的工程分析技術(shù)之一。它廣泛應(yīng)用于彈塑性力學、斷裂力學、流體力學、熱傳導等領(lǐng)域。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元法在各個工程領(lǐng)域中不斷得到應(yīng)用，現(xiàn)已遍及宇航工業(yè)、核工業(yè)、機電、化工、建筑、海洋等領(lǐng)域，是機械產(chǎn)品動、靜、熱特性分析的重要手段。早在上世紀70年代初期就有人給出結(jié)論有限元法在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，使機電產(chǎn)品設(shè)計產(chǎn)生革命性的變化，理論設(shè)計代替了經(jīng)驗類比設(shè)計。目前，有限元法仍在不斷發(fā)展，理論上不斷完善，各種有限元分析程序包的功能越來越強大，使用越來越方便。直到上世紀80年代中期，有限元分析軟件還處在獨立成長階段，主要是擴充和完善基本功能、算法和軟件結(jié)構(gòu)，逐步形成了商品化的通用和專用有限元軟件。專用的有限元分析軟件和特定的工程或產(chǎn)品應(yīng)用軟件相連接，名目繁多。近15年為有限元分析軟件的商品化發(fā)展階段，有限元分析軟件的功能、性能，特別是用戶界面和前、后處理能力，進行了大幅度擴充；軟件的部分結(jié)構(gòu)和部分軟件模塊，特別是數(shù)據(jù)管理和圖形處理部分，進行了重大的改造。這就使得目前市場上知名的有限元分析軟件在功能、性能、可用性、可靠性以及對運行環(huán)境的適應(yīng)性方面，基本上滿足了用戶當前的需求，這些有限元分析軟件可以在超級并行機，分布式微機群，大、中、小、微各類計算機和各種操作系統(tǒng)平臺上運行。世界各地的研究機構(gòu)和大學也開發(fā)了一批規(guī)模較小但使用靈活的專用或通用有限元分析軟件，主要有德國的ASKA，英國的PAFEC，法國的SYSTUS，美國的DEFORM、ABAQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和ATARDYNE等。應(yīng)用于體積成形模擬的商用軟件主要有美國的DEFORM和MARCAUTOFORGE，法國的FORGE3，以及俄羅斯的QFORM等。這些軟件以其友好易用的界面和可靠的性能在世界各地的科研院所及生產(chǎn)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。有限元分析軟件是一種集多種科學與工程技術(shù)于一體的綜合性、知識密集型產(chǎn)品，隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，知識經(jīng)濟的到來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及和全球信息化，它們將有更大的發(fā)展，不僅功能會進一步擴充，性能會進一步提高，而且伴隨網(wǎng)絡(luò)化、智能化，特別是多媒體和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，用戶界面也會有全新的變化10,11,。我國在“九五“計劃期間大力推廣CAD技術(shù)，機械行業(yè)大中型企業(yè)CAD的普及率已從20提高到目前的70。隨著企業(yè)CAD應(yīng)用的普及，工程技術(shù)人員已逐步甩掉圖版，而將主要精力用于如何優(yōu)化設(shè)計，提高工程和產(chǎn)品質(zhì)量，計算機輔助工程分析CAE，COMPUTERAIDEDENGINEERING方法和相應(yīng)的有限元分析軟件將成為關(guān)鍵的技術(shù)要素。在工程實踐中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的集成應(yīng)用使設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。在國內(nèi)有關(guān)體積成形過程有限元模擬軟件開發(fā)方面，北京機電研究所開發(fā)了MAFAPMASSFORGINGANALYSISPROGRAM，上海交通大學開發(fā)了SFORM，山東大學模具工程技術(shù)研究中心開發(fā)了體積成形二維有限元仿真軟件CASFORMCOMPUTERAIDEDSIMULATIONFORFORMINGPROCESS，上述軟件都是自主版權(quán)的微機版系統(tǒng)，能夠用于各種體積成形工藝的分析。有限元模擬在成形中的應(yīng)用是近十幾年來各種有關(guān)成形的國內(nèi)和國際會議的重要論題，鍛造成形一般是三維問題，但二維模擬是目前的主要工程應(yīng)用。毋庸置疑，三維模擬是鍛造成形模擬未來的發(fā)展方向，隨著計算機技術(shù)和有限元技術(shù)的發(fā)展，三維模擬將在工業(yè)生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。1323DEFROM有限元模擬系統(tǒng)DEFORM是由美國SFTC公司開發(fā)的一個體積成形有限元工藝模擬專用商業(yè)軟件。其前身是20世紀80年代早期美國BATTELLE研究院在美國空軍系統(tǒng)有關(guān)基金的資助下開發(fā)的有限元計算程序ALPIDANALYSISOFLARGEPLASTICINCREMENTALDEFORMATION。它開創(chuàng)了塑性加工模擬技術(shù)的新紀元。到1985年，美國已有6家大公司使用該程序，當時的APLID只能分析平面問題和軸對稱問題，并且沒有考慮非等溫成形問題和加工設(shè)備的類型，也沒有網(wǎng)格再劃分功能。隨后幾年中，APLID的開發(fā)者針對用戶提出的種種要求，逐漸將程序完善，并采用MOTIF界面設(shè)計工具，將計算程序發(fā)展為商品化分析軟件DEFORM由美國SFTC公司推廣應(yīng)用。利用DEFORM的體積成形有限元模擬技術(shù)，能夠全面模擬鍛造成形過程，大幅度減少反復試驗，縮短鍛造工藝開發(fā)周期，加快產(chǎn)品投放市場時間，增加獲利。DEFORM軟件采用剛粘塑性本構(gòu)關(guān)系，其基本方程是對EULER坐標系建立的。EULER參考系在運動方程中不能自動滿足質(zhì)量守恒，若認為材料不可壓縮的，則通過使LAGRANGE乘子法或罰函數(shù)法使運動方程滿足質(zhì)量守恒定律。DEFORM是高度模塊化、集成化的模塊系統(tǒng)，由有限元模擬器、前處理器、后處理器及用戶處理器四大模塊組成。其中，有限元模擬器是集彈性、彈塑性、剛粘塑性、熱傳遞于一體的有限元求解器。前處理器處理模具和坯料的幾何信息和成形條件的輸入。后處理器將模擬結(jié)果可視化，并輸出模擬信息。用戶處理器是用戶對DEFORM數(shù)據(jù)庫進行操作、對系統(tǒng)設(shè)置進行修改及定義自己的材料模型等12,13。作為一個功能強大的模擬系統(tǒng)，DEFORM軟件有效地解決了自動進行網(wǎng)格畸變、網(wǎng)格與模具干涉判斷，網(wǎng)格重劃分、自動完成有限元場量信息的傳遞等有限元模擬中的關(guān)鍵技術(shù)；能嚴格控制體積損失，保證場量的有效繼承并很好地考慮了生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況。本文主要采用DEFORM一3D軟件進行十字軸成形過程的模擬計算。DEFORM3D是模擬3D材料流動的理想工具。DEFORM3D的最大優(yōu)勢是強大的模擬引擎能夠分析金屬成形過程中多個關(guān)聯(lián)對象耦合作用的大變形和熱特性，并且系統(tǒng)中集成了在任何必要時能夠自行觸發(fā)自動網(wǎng)格重劃生成器，生成優(yōu)化的網(wǎng)格系統(tǒng)，以保證有限元計算的順利進行。在要求精度較高的區(qū)域，可以劃分較細密的網(wǎng)格，從而降低題目的規(guī)模，并顯著提高計算效率。此外，DEFORM3D具有如下突出技術(shù)特色1模擬范圍廣材料流動、模具填充、成形載荷、纖維流向、晶粒流動、缺陷成因、韌性破壞等信息；2適用工藝廣鍛造、擠壓、軋制、鐓粗、沖切、熱處理等多種成形工藝；熱、冷、溫鍛的成形分析；3成形設(shè)備完整液壓鍛造機、鍛錘、摩擦壓力機、機械壓力機、軋機、擺輾機等眾多加工設(shè)備4材料模型多彈性、剛塑性、熱彈塑性、熱剛粘塑性、粉末材料、剛性材料和自定義材料5材料庫豐富鋼、合金、鈦合金、超合金等146種專用材料數(shù)據(jù)庫，并允許用戶自行輸入材料庫中沒有的材料；6后處理功能直觀強大FLOWNET和點跡跟蹤、等值線、云圖、矢量圖、載荷行程曲線、鏡面反射、2D切片等功能；7前處理中自動生成邊界條件，確保數(shù)據(jù)準備快速可靠；8數(shù)據(jù)接口強與CADCAM有IGES和STL接口，同IDEAS、PATRAN等分析軟件直接調(diào)用9網(wǎng)格自動生成及再劃分自我接觸條件及完美而強大的網(wǎng)格再劃分技術(shù)，可有效地解決網(wǎng)格畸變，使得在成形過程中即便形成了缺陷，模擬也可以進行到底。并能嚴格控制體積損失，保證場量的有效繼承，模擬精度高；10多工步成形可將多工步成形問題的各個預成形及終成形工步進行有效安排，依次進行模擬并自動實現(xiàn)工步問物理信息的相互傳遞；11運行平臺多樣化為了滿足不同規(guī)模、不同經(jīng)濟實力的用戶的需要，具有分別適用于工作站PC機運行的版本。DEFORM3D圖形界面，既強大又靈活,為用戶準備輸入數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果數(shù)據(jù)提供了有效工具。DEFORM3D還提供了3D幾何操縱修正工具，這對于3D過程模擬極為重要。DEFORM3D延續(xù)了DEFORM系統(tǒng)幾十年來一貫秉承的力保計算準確可靠的傳統(tǒng),在最近的國際范圍復雜零件成形模擬招標演算中，DEFORM3D的計算精度和結(jié)果可靠性，被國際成形模擬領(lǐng)域公認為第一。相當復雜的工業(yè)零件，如連桿、曲軸、扳手、具有復雜筋翼的結(jié)構(gòu)零件、泵殼和閥體，DEFORM3D都能夠令人滿意地例行完成。1324有限元軟件研究方向國內(nèi)外學者為完善有限元軟件技術(shù)仍然在進行不懈的努力，近期的研究工作主要集中在以下幾個方面141邊界條件和材料本構(gòu)關(guān)系的準確描述；2成形過程的優(yōu)化；3反向模擬技術(shù)；4動態(tài)網(wǎng)格劃分與重劃；5預測微觀組織結(jié)構(gòu)的演化；6誤差估計；7并行環(huán)境下與生產(chǎn)系統(tǒng)其他技術(shù)的集成；8非穩(wěn)定性和應(yīng)變集中；9新型數(shù)值模擬法，如無網(wǎng)格法、自適應(yīng)FEM法、FBEM法、基于特征的FBEM法7。14課題來源及研究對象、目的意義141課題來源本課題是許昌某鍛造公司的生產(chǎn)研究項目，該廠生產(chǎn)五菱凸緣叉鍛件，如圖12所示。圖11傳動軸突緣叉FIG11THEFLANGEYOKEINTRANSMISSIONSHAFT142研究對象本課題研究對象是五菱凸緣叉鍛件，由于結(jié)構(gòu)和使用性能上的要求,它的幾何形狀比較復雜，加工面亦較少,成形相對比較困難。對于不同品牌和型號的汽車，其凸緣叉的形狀也有所不同，但大體相似，均屬于短軸分叉類鍛件。目前，凸緣叉大都帶一個平法蘭，但也有帶一個花鍵齒法蘭的，帶有法蘭盤的，帶凸緣的，帶翼元的，折邊的。由于其形狀較為復雜，一次成形難度很大，因此確定傳動軸凸緣叉熱成形工藝為先加熱后鐓粗制坯,接著預成形，然后鍛壓精成形，最后進行精整。該凸緣叉成形難度大，成形的難點在于頂部凸緣處以及側(cè)壁凹陷處。143本文的研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)本文以五菱凸緣叉鍛件為研究對象，以PRO/E、DEFORM3D軟件為基礎(chǔ)，對該產(chǎn)品的鍛造工藝流程進行了三維建模和模擬分析，并對其熱鍛模的設(shè)計和生產(chǎn)進行了系統(tǒng)研究，具體內(nèi)容如下第一章緒論。介紹課題的研究背景，塑性加工數(shù)值模擬技術(shù)的原理、現(xiàn)狀與發(fā)展、汽車傳動軸凸緣叉的應(yīng)用現(xiàn)狀，課題來源、對象等等相關(guān)問題。第二章五菱凸緣叉鍛件的熱成形工藝和模具設(shè)計。第三章五菱凸緣叉熱模鍛成形工藝的有限元模擬。第四章結(jié)論。2五菱凸緣叉鍛件熱成形工藝和模具設(shè)計21五菱叉凸緣鍛造工藝分析211五菱凸緣叉鍛件圖的分析模鍛生產(chǎn)過程、工藝規(guī)程制訂、鍛模設(shè)計、鍛件檢驗及鍛模制造，都離不開鍛件圖。鍛件圖是熱鍛生產(chǎn)過程控制工藝規(guī)程，制訂熱鍛模具設(shè)計與制造，以及鍛件的檢驗與后續(xù)機械加工的依據(jù)。鍛件圖根據(jù)零件圖設(shè)計，分為冷鍛件圖和熱鍛件圖兩種。冷鍛件圖是在零件圖基礎(chǔ)上加上了機械加工余量、成形公差和工藝余料等繪制而成的，主要用于最終鍛件的檢驗、后續(xù)機械加工工藝的編制和工夾具的設(shè)計等。一般將冷鍛件圖稱為鍛件圖，本次設(shè)計廠家已經(jīng)提供了冷鍛件圖,如圖21,圖21五菱凸緣叉鍛件圖FIG21THESHAPEOFTHEFLANGEYOKEFORGING從鍛件圖可以看出零件的加工余量、倒圓角大小、拔模斜度以及鍛造公差等都已經(jīng)給出，進而五菱凸緣叉零件圖相當于也已經(jīng)給出，并且通過此鍛件圖我們可以利用PRO/ENGINEER進行三維建模，繪出凸緣叉立體圖，這樣則更有真實感，便于分析其分模面。其三維立體圖形如圖22,圖22鍛件三維立體圖FIG22THESHAPEOFTHETHREEDIMENSIONALFORGING結(jié)合鍛件圖和其三維圖形可得到如下1確定分模面模鍛件是在可分的模腔中成形，組成模具型腔的各模塊的分合面稱為“分模面”；分模面與鍛件表面的交線稱為分模線。分模線是模鍛件最重要、最基本的結(jié)構(gòu)要素。鍛件分模位置合適與否，關(guān)系到鍛件成形、鍛件出模、材料利用率等一系列問題。確定分模面位置最基本的原則是保證鍛件形狀盡可能與零件形狀相同，容易從鍛模型槽中取出；此外，應(yīng)爭取獲得鐓粗充填成形。故此，鍛件分模位置應(yīng)選在具有最大水平投影尺寸的位置上，由于此鍛件形狀較為復雜，內(nèi)部有孔，法蘭較高，上部有兩處拔模處，法蘭側(cè)壁又有凹陷，所以平面分模很難出模，需要進行曲面分模，得如圖23圖23分模面圖FIG23THESHAPEOFTHEPARTINGPLANE2沖孔連皮此凸緣叉中部有孔洞，而熱模鍛不能直接鍛出透孔，因此在設(shè)計熱鍛件圖時必須在孔內(nèi)保留一層連皮，一般情況下，當斷件內(nèi)孔直徑大于30MM時需要考慮沖孔連皮，由于此鍛件內(nèi)孔直徑為34MM，故需要考慮沖孔連皮。連皮厚度S應(yīng)適當，若過薄，鍛件容易發(fā)生鍛不足和要求較大的打擊力，從而導致模具凸出部分加速磨損或打塌；若連皮太厚，雖有助于克服上述現(xiàn)象，但是沖出連皮困難，容易使鍛件走樣，而且浪費金屬。所以在設(shè)計有內(nèi)孔的鍛件時，必須正確選定連皮形狀及其尺寸。該課題中采用常用的平底連皮形式。連皮厚度S可根據(jù)公式21計算確定MM21HDS6052450D34MM,H5MM,代入計算，得S378。又因為鍛件圖已經(jīng)給出孔上下端各5MM高度的處拔模斜度，所以為了成形以及加工起見，選擇連皮厚度為4MM。連皮上的圓角半徑R1，因模鍛成形過程中金屬流動激烈，應(yīng)比同尺寸壓凹件內(nèi)圓角半徑大一些，可按下式確定15R1R01H2MM其沖孔連皮如圖24如圖24沖孔連皮3FIG24THESHAPEOFTHEPUNCHINGRECESS4212熱鍛件圖的設(shè)計熱鍛件圖主要用于鍛件模具的設(shè)計與制造、鍛造過程的質(zhì)量控制等，它以冷鍛件圖為依據(jù)，但又有所區(qū)別。首先，熱鍛件圖的尺寸標注，高度方向尺寸以分模面為基準，以便于鍛模機械加工和準備檢驗樣板。其次考慮到金屬冷縮現(xiàn)象，熱鍛件圖上的所有尺寸應(yīng)計入收縮率，即按下式計算熱鍛件圖尺寸1LL式中L熱鍛件尺寸冷鍛件尺寸L終鍛溫度下金屬的收縮率，鋼為0815，不銹鋼為1018等等。對于薄而寬或細而長的鍛件，在模具中冷卻快，或打擊次數(shù)多而使終鍛溫度較低，其收縮率應(yīng)該適當減小，有些工廠采用按不同厚度加放收縮率，見表21截面厚度（MM）一般鋼奧氏體鋼銅合金鋁合金鎂合金鈦合金151215181008表21TABLE21因本課題鍛件材料為45鋼，厚度在1015間，故選取收縮率為105。此外，在制定熱鍛件圖時應(yīng)該考慮161熱鍛件圖不標注公差和技術(shù)條件，也不繪制零件輪廓線；如有內(nèi)孔必須繪出連皮形式。（2）當鍛錘噸位不足，發(fā)生鍛不足或欠壓現(xiàn)象時應(yīng)將鍛件高度尺寸適當減小，以抵消欠壓的影響；（3）形狀特別而又不對稱的鍛件，上半部分復雜，下半部分簡單，在鍛擊過程中，可能因轉(zhuǎn)動而導致鍛件報廢，應(yīng)考慮在熱鍛件圖上增設(shè)方形定位余塊；（4）模膛易磨損處，在鍛件負公差范圍內(nèi)增加一層磨損量，以提高鍛模壽命。（5）分模面兩側(cè)形狀不對稱的鍛件，考慮到金屬的流動特點，將難以充填的復雜形狀一側(cè)放在上模。（6）下模型槽底部易積聚氧化皮，致使鍛件表面壓坑或缺肉，為避免產(chǎn)生此缺陷應(yīng)在鍛件上作相應(yīng)補償修改。以熱鍛件圖為依據(jù)，并加上沖孔連皮以及相應(yīng)修該設(shè)計，再重新利用PRO/E繪制熱鍛件三維圖，此三維零件圖上帶有沖孔連皮，并且利用PRO/E上自帶工具測量鍛件在分模面上投影面積為F5670（MM2），體積V101070（MM2）。新繪制三維立體，如圖24圖25帶有沖孔連皮的鍛件立體FIG25THESHAPEOFTHETHREEDIMENSIONALFORGINGWITHTHEPUNCHINGRECESS213毛邊槽的確定（1）毛邊槽的作用增加金屬流出模膛的阻力，迫使金屬充滿模膛；容納多余金屬；在模具之間起到緩沖作用。圖26毛邊槽形式FIG26THESHAPEOFTHEFLASHCAVE（2）毛邊槽的形式毛邊槽的常見形式如圖25所示15，圖23A為最常用的毛邊槽形式，圖23B用于不對稱鍛件，切邊時須將鍛件翻轉(zhuǎn)180，圖23C用于鍛件形狀復雜，坯料體積偏大的情況，圖23D設(shè)有阻力溝，用于鍛件難以充滿的局部位置。毛邊槽在鍛后利用壓力機上的切邊模去除。由于該課題中鍛件較小，但形狀復雜，分模面上下不對稱，上部不易充滿，應(yīng)選用圖（B）形式毛邊槽。（3）毛邊槽尺寸的確定毛邊槽的關(guān)鍵尺寸是橋部高度HF及寬度B。HF增大，金屬流向飛邊的阻力減小，不利于模膛充填，但模膛的應(yīng)力亦隨之減?。环粗?，增大。寬度B增大時，阻力增加；反之，減小。毛邊槽的具體尺寸通常按鍛錘噸位法和計算法來確定10。其中計算法是采用經(jīng)驗公式計算毛邊槽的橋部高度，即015HMF件式中鍛件在分模面上的的投影面積。5670（MM2）件件F然后根據(jù)計算得到的H113值查鍛造手冊，可以確定其他尺寸，進而可得H16MM,H135MM,B9MM,B125MM,R11MM。214鍛錘噸位由于此五菱凸緣叉鍛件有孔，需留有沖孔連皮，又根據(jù)鍛件圖以及其三維立體圖確定其分模面在其下部，故計算鍛件在分模面上的投影面積時應(yīng)該加上此面積。本次設(shè)計按照鍛件復雜程度和變形抗力大小來確定模鍛錘噸位17GF（22）式子中，合金變形抗力系數(shù)，查表22；鍛件復雜程度系數(shù)，查表22；F不包括飛邊的模鍛件在分模面上的投影面積（MM2）鍛件材料銅合金05鍛件形狀鈦合金其他材料鎂合金06鋁合金08形狀復雜的（帶有薄而寬的腹板）00901鈦合金1215中等復雜程度的007009結(jié)構(gòu)鋼10不銹鋼15耐熱鋼20形狀簡單的005007表22系數(shù)，的值TABLE21THEVALUESOFCOEFFICIENTOF，由于45鋼屬于結(jié)構(gòu)鋼，故，分別取值為10，007，又有F5670（MM2），故鍛錘噸位GF1000756703969KG，故采用1T模鍛錘。215模塊結(jié)構(gòu)尺寸確定由以上可知此次鍛造噸位為1T，故由模塊高度與鍛造噸位關(guān)系圖，如表25，從而可以鍛錘噸位/T123510模塊最小高度/MM220260290330360模塊最大高度/MM290330370420460表25THETABLE25取H220MM。又因為鍛錘噸位與燕尾寬度關(guān)系如圖表26鍛錘噸位/T0512351016燕尾寬度/MM160200260300400表26THETABLE26又由經(jīng)驗公式可得，模塊最小寬度,所以模塊寬度MM,為保證鍛模1B0B1B20不與錘的導軌相碰模塊的最大寬度應(yīng)該保證模塊邊緣與導軌間留有單邊間距大于MAX20MM,1T鍛錘導軌間間距為430MM,綜上所述，可以取B240MM，又因為鍛件長寬相差不大，為了方便于加工與選材，故其長度也選為240MM18。216毛坯尺寸確定模鍛用材料的體積應(yīng)包括鍛件本體、毛邊、連皮、夾鉗料頭和加熱引起的氧化皮之總和。原材料的橫截面尺寸及尺寸是以計算毛坯為基礎(chǔ)，再根據(jù)熱鍛件特點及選定的制坯工步、模鍛方法（單件鍛、調(diào)頭鍛、逐件連續(xù)鍛）確定11。五菱凸緣叉鍛件屬于圓餅類鍛件，而圓餅類鍛件一般用鐓粗制坯，所以此毛坯尺寸應(yīng)以鐓粗變形為依據(jù)進行計算。毛坯體積為V1KVP因為由前面可得V101067（MM2）所以V131387（MM2）毛坯直徑DP083095456MM，3P式中K寬裕系數(shù)，考慮到鍛件復雜程度影響毛坯體積，并計及火耗量。對圓形鍛件，K012025，對非圓形K02035M毛坯高度與直徑之比值，一般取M1822按標準規(guī)格取為直徑DP50MM，則毛坯下料高669，取精整24DPVL67，134MM，高徑比為13425，高徑比合適，則坯料尺寸為50MM67MM。DPL22模具設(shè)計從對五菱凸緣叉鍛件圖、三維立體圖的分析以及鍛造常識我們可以得到如下分析結(jié)論此五菱凸緣叉鍛件是短軸類分叉零件，呈軸對稱，形狀較為復雜，屬于難成形鍛件。鍛壓過程中，金屬向上充填叉形頭部，同時從兩側(cè)壁上凹陷處流出，由于叉形部分高徑比較大，且側(cè)壁凹陷處較深，金屬流動較為困難，一次成形難度很大，所以需要進行預鍛。又由于該件體積較小，為節(jié)省成本，因此確定此五菱凸緣叉鍛壓熱成形工藝為下料加熱制坯預成形一鍛壓精成形切邊、沖孔熱處理精壓檢驗，并對鍛造過程進行模擬19。221終鍛模具本次課題模具設(shè)計采用逆向設(shè)計方法，先設(shè)計終鍛模具，根據(jù)由熱鍛件圖得到的三維立體圖形，以及設(shè)計的模塊大小尺寸，在PRO/E中利用工具自動生成終鍛模具三維圖形，且型腔各拐角處倒圓角，使金屬流動順利，以防終鍛件出現(xiàn)折疊，充不滿等缺陷。并且根據(jù)以上所計算所得到的毛邊橋部、倉部相關(guān)尺寸，在模具上挖出毛邊槽，綜合以上可得到，終鍛模具如圖27，圖27終鍛模形狀FIG27THESHAPEOFFINISHFORGINGDIES222預鍛模具由于凸緣叉鍛件一次難成行所以需要進行預鍛，由于叉鍛件叉形部分較高不容易充滿，且側(cè)壁凹陷處金屬流動困難，所以預鍛件設(shè)計成上部兩側(cè)有兩個突起部，下面兩側(cè)各有一個較淺形凹陷的鍛件，其三維立體，如圖28圖28預鍛件FIG28THESHAPEOFTHEPERFORMFORGING由此預鍛件可以利用PRO/E自動生成模具，由于鍛件較小，且預鍛件形狀較為簡單所以預鍛模具不設(shè)飛邊槽，但需要在一些必要部分進行倒圓角，以利于金屬流動，易于成形，進而生成預鍛模具，如圖29圖29預鍛模具FIG29THESHAPEOFTHEPERFORMFORGINGDIES223制坯模具設(shè)計坯料直徑的確定要確保在預鍛鍛過程中，能夠放入預鍛模膛，不會卡在外面；另外，還需要確保坯料放入預鍛模膛后，能夠穩(wěn)定的停放，很好的定位。坯料長度的確定要遵循體積變形原則，在變形前后，體積V不變。因為下料為50MM67MM，而預鍛模膛寬度為435MM左右，所以需要進行一次橫向鐓粗制坯工部，從而使坯料厚度減小，使之側(cè)放入預鍛模膛中，此模具設(shè)計要求不太高，可進行自由鍛制坯，其示意圖如圖210圖210制坯示意圖FIG210THEDIAGRAMMATICSKETCHOFMANUFACTURINGBLANK23本章小結(jié)本章對所研究的五菱凸緣叉進行了工藝分析，確定了熱加工工藝相關(guān)參數(shù)，給出了凸緣叉的鍛造工藝流程，進行了其制坯、預鍛、終鍛模具設(shè)計，并繪制了毛坯圖、鍛件及制坯模具、預鍛模具、終鍛模具三維立體圖形。3五菱凸緣叉模鍛成形工藝模擬優(yōu)化31模擬流程基于DEFORM3D模擬過程如下311建立模型應(yīng)用PROENGINEER創(chuàng)建坯料以及上模和下模的三維實體，并輸出為DEFORM3D軟件可以識別的STLSTANDARDTEMPLATELIBRARY,標準模板庫文件，并按照一定步驟導入軟件。312模型簡化以及模擬初始條件和參數(shù)的確定模擬過程需要做的工作有導入坯料和模具模型并定位,設(shè)置環(huán)節(jié)溫度，坯料材料、溫度,劃分網(wǎng)格,設(shè)置體積補償,定義模具運動狀態(tài)或定義所用設(shè)備性能,設(shè)置接觸點的摩擦、潤滑條件、步長、運行長度以及步數(shù)等。參數(shù)的設(shè)置要應(yīng)確保模擬環(huán)境盡量符合實際工作條件，因為這里的參數(shù)設(shè)置對后續(xù)的模擬過程的計算起決定性作用。（1）單位SI；MODEDEFORMATION,HEATTRANSFER。（2）材料本課題鍛件材料為45鋼，這里選擇AISI105514502200F8001200。C（3）溫度參數(shù)溫度參數(shù)是模擬過程另一個重要的參照量，材料的性能，如流動應(yīng)力被定義為溫度的函數(shù)。在變形過程中，溫度的高低直接影響金屬流動的難易。本次課題材料始鍛溫度設(shè)為1200。C，終鍛800。C，環(huán)境溫度設(shè)為20。C，模具預熱溫度為300。C。（4）網(wǎng)格劃分劃分網(wǎng)格是DEFORM3D計算的基礎(chǔ)，合理的網(wǎng)格劃分會直接影響計算的準確性，對現(xiàn)實結(jié)果的逼近程度以及計算時間和生成數(shù)據(jù)庫的規(guī)模。網(wǎng)格長度T和單元格L之間存在如下關(guān)系TL3312網(wǎng)格劃分有絕對長度和相對長度兩種方式，本文采用了相對長度RELATIVEELEMENTSIZE模式。5摩擦摩擦系數(shù)是影響金屬流動的另一個重要物理量，摩擦系數(shù)的大小，直接決定了模腔對金屬流動的阻礙程度。摩擦模型采用剪切模型，也稱之為塑性摩擦，或者TRESCA模型，它表示為FSMKM353式中,FS剪切摩擦因子K剪切屈服強度模具為剛性體，與坯料之間的摩擦采用常摩擦模型，摩擦因子為03；本次課題，即選取摩擦因子FS036熱傳導模具與坯料之間的熱傳導也采用常系數(shù)模型，換熱系數(shù)為5。7步長步長F的選擇是影響計算精度、數(shù)據(jù)庫規(guī)模和運算時間的另一個參數(shù)。步長越小，計算結(jié)果越準確，但是會造成運算量成倍增加，因而，在DEFORM3D中，為計算準確，步長F和網(wǎng)格長度T滿足下面的關(guān)系FT33318材料的流動應(yīng)力采用表列數(shù)據(jù)模型34T,，（式中等效應(yīng)變等效應(yīng)變速率T溫度數(shù)據(jù)由DEFORM軟件的自帶數(shù)據(jù)庫獲得。9設(shè)備噸位10000KN水壓機。10打擊速度30MM/S。11初始坯料尺寸為50MM67MM（12）其它