212加大盘突缘叉锻造工艺设计及温度场模拟

I212 加大盘突缘叉锻造工艺设计及温度场模拟摘 要锻造是一种广泛应用于汽车、通用机械等零件的加工技术，主要利用的是锻压机对材料施加压力发生塑性变形，从而获得所需形状的零件。本课题主要确定了传动轴突缘叉的锻造工艺参数，完成了该锻件的锻造工艺设计，并完成了该锻件锻模的设计；采用有限元 ABAQUS 软件对锻件温度场进行模拟,观察它在不同终锻温度下锻件冷却温度场的分布情况，各种性能参数的变化并分析，确定合适的锻造温度，分析其应力的变化。最后，通过有限元软件 ABAQUS 模拟终锻状态，通过取不同的温度模拟锻件的应力分布情况，最终发现当锻件处于 1000 摄氏度左右时，锻件的温度应力水平最低，因此可以判定，该温度就是锻件的最佳温度。本文通过选用有限元分析法对锻造过程中的温度场、应力场进行了模拟，预测了不同终锻温度下温度场、应力场的分布情况，为制定合理的锻造工艺奠定了基础。关键词：锻造； 突缘叉； ABAQUS； 有限元分析IIABSTRACTForging technology is mainly used to obtain a complex components get through the metal materials plastic deformation, which was widely used in automobiles, 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 simulation 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 that the stress value is lowest when the final forging temperature is 1000, and 1000is 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 reasonable forging technological.Keywords：Forge ，Flange fork，ABAQUS，Finite element analysis III目 录摘 要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 锻造技术的发展 .11.2 锻造技术的分类 .21.3 热模锻压力机优缺点 .31.4 突缘叉锻件的应用及优缺点 .31.5 本课题研究的主要问题 .42 锻造工艺设计 .52.1 工艺分析 .52.2 锻件图设计 .52.3 锻造工序确定 .82.4 毛坯尺寸及工艺压力的确定 .82.5 锻造温度确定 .103 突缘叉最佳终锻温度确定 .113.1 有限元分析软件简介 .113.2 有限元法概述 .123.3 突缘叉锻造问题的描述 .133.4 ABAQUS 分析的步骤 .133.5 结果可视化 .193.6 改变温度结果比较 .204 突缘叉冷却分析 .224.1 突缘叉冷却分析过程 .224.2 分析结果 .265 模具设计 .285.1 锻模结构设计 .285.2 飞边槽的选择 .285.3 顶料装置设计 .295.4 模具材料选择 .295.5 预锻模膛设计 .305.6 制坯模膛选择 .315.7 机锻模高度设计 .316 总结和展望 .336.1 总结 .336.2 展望 .33参考文献 .35致 谢 .36附录 A .3711 绪论1.1 锻造技术的发展锻造是一种利用模具在冲击力的作用下来生产金属零件的方式。锻造生产广泛应用于兵器、航空、机械、冶金等行业，锻造水平在一定程度上代表着一个国家工业水平一件装备制造业水平的发展 1。在我国锻造的历史最早可以追溯到春秋战国时期，在当时我国广大劳动人民就已经基本掌握了锻造相关的工艺，开始利用锻造技术来制备各种宝剑以及各种兵器，这反映了在古代，我国的锻造技术就已经达到了很高的水平。例如在陕西西安的秦始皇陵出土的一件文物里面就有一把经过锻造的宝剑，这把宝剑虽历经千年岁月，但是表面光洁度依然如新，可谓是古代锻造技术的登峰造极之力做。另外在古代南方的一些城市，出土了经过锻造的船锚，其直径在0.4 米左右 2。而近代以来锻造真正作为一门科学技术发展是在工业革命时期，19 世纪中叶，英国工程师 NASMISH 发明了一种新的锻造方法双作用锤，这个发明已经初步具备了现代锻造机理的特点。而随后的几十年里面，人们对于锻造机器不断进行改进，到了 19 世纪 70 年代，美国著名的工程师 Haswell 发明了人类历史上迄今为止可以能够称得上第一套锻造机器自由锻造水压机，该设备的发明从此标着着锻造成为了一门新的科学技术而进入了人们的视线 5。经过两百多年的不断发展和进步，锻造技术已经很好的应用于人类上产生获得的各个方面，锻造技术以技术科学，成型原理，以及其他材料学科为基本原理，同时又包含了机械，传热，等一些相关学科，可以说是一种学科互相交会的自然科学。锻造行业在我国已经有很长的发展历史，20 世纪 90 年代初，我国的锻造市场处于无序竞争状态，直至 90 年代中后期才逐渐稳定下来，随后我国锻造业进入相对稳定的发展时期。目前国内部分企业已配备最新的检测仪表和测试技术，采用计算机控制数据处理的现代自动化超声波探伤检测系统，采用各种专用的自动超声波探伤系统，完成各种质量体系的认证等 3。高速重载齿轮锻件产品的关键生产技术不断被攻克，并在此基础上实现了产业化生产。在引进国外先进生产技术和关键设备的基础上，中国已能自己设计和制造高速重载齿轮锻件的生产装备，这些装备已接近国际先进水平，技术和装备水平的提升有力的促进了国内锻造行业的发展 6。目前，我国锻造行业虽然有了一定的发展基2础，但并未完全掌握锻造行业中的高端核心技术。近年来，国内锻造企业产量在逐年上升,出口增加,凭借锻件生产数量在国际上虽赢得了“锻造大国”称号，却不是“锻造强国”。高档次模锻件产品的研制生产仍相当落后，航空航天的核心锻件主要依赖进口。据统计,汽车锻件的高档次产品有 7080是进口。另外,我国的锻造设备供应滞后,主要锻造设备仍然以摩擦压力机为主。总体来看,我国锻造行业中,精密锻造成形技术应用相对薄弱,锻件品质不高。总体来说我国锻造业仍存在以下的问题:（1）大型自由锻的设备能力过剩，设备布局分散，利用率极低，机械化自动化程度低，锻件加工余量大，工人劳动条件差，劳动强度大；（2）人才，尤其是各类高级专业人才匮乏；（3）管理基础薄弱，规模小，技术落后，大部分靠手工操作；（4）做市场的能力较低，做国际市场的能力更低；（5）产品业务单一；基本没有开展模具制造、产品开发、锻造、机械加工等结合在一体的综合经营业务。1.2 锻造技术的分类锻造总共分为以下几类，据工艺生产的特点，将锻造分为了自由端、模锻、特种锻三大类：（1）自由锻：是一种较为原始的锻造方法，一般借用简单的工具进行锻造加工例如榔头冲子等，这种加工方法的缺点是生产效率低下而且锻件的产品品质较差，容易受到人为因素的影响，因此产品的质量难以保证。但是早期的锻造都是经过这个过程逐步发展到来的。（2）模锻：是一种利用冲击力或者压力让加热好的金属在上、下抵铁和辅具之间产生形变。工艺特点是坯料形变时，除了和上、下抵铁或其它辅助工具接触部分的表面之外，其余的都是自由表面，形变不受影响。模锻用的设备有模锻锤、螺旋段、机械压力机等末端的优点是锻件的品质可以保证，加工效率相比较与自由锻有了和大的提高，但是缺点是设备昂贵，不太适合小规模生产，对于大规模的生产活动较为合适 7。（3）特种锻造：有时候有些零件适合于使用特定的机器进行锻造，这样可以极大的提高工作效率例如螺钉的生产，就是一种典型的特种锻造结果，一般对于螺钉采用的是搓丝机和墩头机两者相互配合，因此工作效率大大的提高了。特种锻造可以极大地提高锻造的效率但同时由于锻造是特制的，因此一种机器仅能锻造出一种零件，所以通用性不好。31.3 热模锻压力机优缺点热模锻压力机广泛应用于汽车、船舶、矿山机械、五金制造等行业中，用于大规模生产精整锻件，可以锻造出材料利用率高，加工精度好的产品。由于热模锻压力机采用整体式机床床身或有预应力框架式机床床身，宽偏心轴曲柄或斜楔机构传动，导向性能优良可靠的滑块，行程的速度比较低 3，近似静压成形等结构特点，使其具有相应的工艺特点。锻模加工有以下几个优点：（1）热模锻压力机锻件的加工精度与锤上模锻加工精度相比，热模锻的精度更高；（2）热模锻压力机模锻拥有静压力的特点，金属在锻模内流动较缓慢，这对变形速度比较敏感的合金材料的成形非常有利；（3）由于滑块的行程固定，移动速度比较小，操作方便，对执行者的技术要求也不高，导致锻件成形过程中受人为因素的影响比较小；（4）可以安排一模一件或者一模多件的方式生产；（5）热模锻压力机上模锻件内部形变深透且分布均匀，其流线分布较合理，力学性能基本均匀一致 8；但同时，模锻也有以下的缺陷：（1）容易产生较大的飞边，上模与下模的金属充填相差较小（2）和相同生产能力的模锻锤进行比较，热模锻压力机生产的成本比较高，再加上与之配套的各类设备，使之前期一次性投入资金较多；（3）要求减少毛坯材料表面的氧化皮，且表面加热质量尽可能的高；（4）在操作过程中或模具调整时，一旦操作错误，滑块接近下死点时很可能会发生闷车现象，导致生产停止，严重的甚至会损坏曲柄、连杆或模具 9。1.4 突缘叉锻件的应用及优缺点随着我国加入世界贸易组织（WTO）以来，我国的汽车产业呈现井喷式增长。汽车产业是十九世纪末开始在欧洲发展，并二十世纪在一些发展强国繁衍壮大。进入二十一世纪，经过一百多年的成长，汽车现在已经是一个方便快捷的交通工具了。尤其是最近几年，中国的汽车市场已经开始崭露头角，销量屡创新高，以年销售增长百分之二十的速度成为世界销售第一大国。中国汽车行业前景广阔，预计 2020 年以后，中国自产汽车的产量将超过 2000 万辆，其中大约 20%的产品将被国际市场消化。因此中国汽车行业在向国际汽车行业的尖端行列大步的迈进 7。4在汽车工业如此的发展势头下，汽车企业也就对各系统部件的需求旺盛。其中，转向系统是汽车的主要子系统之一，它的性能的优良与否直接影响汽车在操纵时的稳定性和舒适性。对于保证驾车行驶安全、降低交通事故的发生频率以及保护汽车驾驶员的生命财产的安全、改善驾驶员的驾驶环境有着极其重要的影响。随着汽车工业的发展，对于汽车的零件的可靠性和精度要求也越来越高。同时对于加工零件的方法也有了很大的改变，对于一些应力大，要求寿命高的零件例如传动轴的突缘，一般采用锻造的加工方法 3。锻造是一种借助锻压工具在压力的作用下加工各种金属零件的方法。通过锻造，可以得到零件预期的形状，还可以改善零件材料的内部组织的状态，从而极大地提高金属的机械性能与物理性能 10。锻件的优点是金属材料经过塑性变形后,把它的内部缺点消除,例如锻(焊)合空洞,压实疏松,打碎碳化物,非金属夹杂并让它沿着锻件的变形方向分布,改善或消弭成分偏析等缺点,得到了均匀、微小的低倍组织与高倍组织 8。如果零件经过铸造工艺得到,虽然可以得到较为准确的工艺尺寸,与锻件相比更加复杂的工艺形状,但是铸造很难消弭金属材料的疏松、空洞、成分偏析、非金属夹杂等弊端 6。经过机械加工工艺得到的金属零件,其尺寸精度比较高,零件表面光滑,但其内部流线大多被切断,很容易形成应力侵蚀,承受拉压交变应力的能力比较弱 7。1.5 本课题研究的主要问题该课题通过运用模锻锻模的知识和其它与之有关的课程的知识，以及生产实践中的经验去分析和解决在锻造工艺设计中所遇到的各种难题，并且进一步巩固和深化了所学的专业知识。通过各类计算以及计算机制图，学会了在理论知识与实际操作过程中的合理运用，是所学的知识真正的转变为自己的东西，并查阅相关的技术资料，可以培养锻造工艺设计的基本能力，从而掌握锻造工艺，熟悉各类模锻锻模的锻造方法以及各种锻造设备，较为熟练的掌握计算机AutoCAD 绘图软件,熟悉模锻锻模的设计流程，最后通过 ABAQUS 有限元分析软件进行三维建模并分析在不同终锻温度下温度场及应力场分布。52 锻造工艺设计2.1 工艺分析2.1.1 零件特点 汽车传动轴中的突缘叉零件材料为 45 号钢结构。该汽车突缘叉零件高度与直径之比为 86.5/138，在零件分类中属于短轴线类型的零件。可以看出锻模主要的难度是要求挤出两边的凸肩的形状，并且两个凸肩的相对高度较大。所以，在锻模加工中，为了达到所要求去的凸肩高度，需在对于模具的结构进行很大的改进从而来满足次突缘锻模加工的要求。同时选择合适的模具，可以提高加工效率，也可以在很大程度上避免锻件充不满、意外变形、折叠等其他缺陷情况的发生。2.1.2 确定工艺方案对于加工方法的确定，国内外已经有一些先关的研究。查阅资料，对于叉形锻件的加工主要有两种方案，一种是一模两件加工和一模一件加工方法。最后通过考虑课题研究是实际情况，确定了加工方法为一模一件。根据模锻材料的利用率的要求,突缘叉锻件的锻模加工工艺过程如下:下料加热拔杆拍扁镦粗(去除氧化皮) 预锻终锻最后切边。2.2 锻件图设计锻件图对于锻模生产过程的确定、工艺的设计有着很大的影响。因此作为锻模设计中最重要的一个环节，在设计时一般考虑解决以下问题。2.2.1 分模位置锻件分模位置对于模锻件成形、出模、以及材料利用率等许多问题有很大的影响。关于确定分模位置确定的原则是：尽可能保证锻件的形状和零件的形状有较高的相似度，锻件在冷却后可以较为容易的从锻模里面取出来。除此之外，应尽可能获得镦粗充填成形的最优结果。所以，锻件的侧面不能出现凹形，除了上面所说之外，还要考虑以下这些条件：6（1）使零件脱模简单容易，一般情况下分模面为零件最大投影面； （2）比较容易检查上下膛模的相对错移，从而保证成形充满；（3）为了使锻模更加简单，分模线应该尽量选择直线；不过对于头部尺寸大，而且上下不对称的零件，应该选取折线进行分模，从而保证成形充满；（4）使锻件的金属流线分布保持合理；（5）使零件加工余量尽可能的最小，所以应该选择在零件高度的一半处进行分模，以便节省材料；（6）使金属方便充满模膛，应该使膛模的宽带大且使其深度小，这样锻件容易出模。因此，本锻件的分模位置应选择在如图 2.1 所在位置，为锻件左视图的中间位置。图 2.1 分模面位置2.2.2 确定余量和公差相比于锻模锤，锻模零件的公差和余量在锻模压力机上比较大。对于余量和公差的选取，查阅参考文献，并参考锻模压力机的吨位选取，最终确定的余量公差分为别：在高度方向 mm，在水平方向为 mm。如下图 2.2，锻0.15- 2.150-件图（含敷料及加工余量）。7图 2.2 锻件图 （含敷料及加工余量）2.2.3 模锻斜度一方面，为了使零件锻造后能够顺利的从模膛里面拿出来，在设计锻模时候必须给定一定的锻模斜度。另一方面如果锻模斜度给的不合理，则在锻造过程中会增加材料的损耗，并且也会增大锻造时间，增加工作量。因此选取一个合理的锻模斜度非常重要，一般应该选取一个尽可能小的锻模斜度，这样既可以使零件顺利取出，又不至于耗费过多的材料以及增加加工时间。由于本课题采用的是热模锻压力机的下顶出机构, 未标注模锻斜度两耳外侧可选择较小的模锻斜度 3，其余模锻斜度为 5。2.2.4 圆角半径考虑到在锻模过程中金属的流动问题，那么在锻模零件的凸出和凹进去部分一般不允许有小于 90 度交的结构出现，这也是基于零件成型后的结构强度考虑，如果角度过小的话，在使用过程中容易产生应力集中现象。参考文献给出了在锻模中的圆角选取规则，按规定，选用以下相应的圆角半径 R3 mm、R5 mm、R8mm、R12mm 及 R28mm。凸圆角的作用是避免模锻锻模在热处理过程和模锻过程中因应力过于集中从而导致锻件开裂。凹圆角的作用是使金属易于流动充填模膛，避免产生折叠、防止模膛过早被压塌等问题。最终按照上面确定的各个参数进行突缘叉锻模三维图的绘制，如图 2.3 所示。8图 2.3 突缘叉三维图2.3 锻造工序确定在锻造的过程中，由于零件的形状不同，导致锻造工序也有所不同。对于本设计中的凸缘叉，查阅参考文献给出的相关相关锻造工序选择，最终确定的锻造工序为：(1）镦粗：其目的在于由横截面积较小的坯料获得面积较大的坯料，并且反复地镦粗可以使得合金钢中的碳化物均匀，从而提高锻件的力学性能。本设计中采用局部镦粗，是因为在底下圆盘处需要进行局部镦粗。（2）拔长：拔长是使得坯料中的横截面积进一步缩小而长度进一步增长的过程，可以说是镦粗的进一步过程。（3）预锻：预锻是进行初步的锻造，先粗略的进行锻造，锻造出大概的形状。（4）终锻：终锻目的是为了在预锻的基础上进行细节的修补，这样锻件能够最终成型，从而提高锻造效率。（5）切边 ：对带飞边的锻件进行切除。2.4 毛坯尺寸及工艺压力的确定2.4.1 毛坯尺寸该锻件选用镦粗方式坯料成形，根据上面给出的锻件的几何形状及标注的尺寸,并在计算过程中考虑热损耗，计算出所需的锻件体积，按镦粗规则选用毛坯尺寸：9V 坯 =（V 锻 +V 飞 +V 连 ） （1+） （2.1）V 坯 坯料体积；V 锻 锻件体积；V 飞 飞边体积；V 连 冲开连皮体积；加热损耗率；坯料体积 V 坯 =（V 锻 +V 飞 +V 连 ） （1+）=850076 mm 3坯料直径 D 坯 =0.9（ ）=85.5mm3坯坯料长度 m148L2坯坯坯 2.4.2 工艺压力( 1 )镦粗压力确定在实际生产过程中为了尽可能提高生产效率，可以把镦粗过程单独的空气锤里面来完成，这样所有的锻模件初次加工都在空气锤进行处理，而不会影响锻模机的工作进度，有利于提高效率。按照参看文献里面给出的相关数据，并结合本课题的锻模件的实际情况，最终确定的空气锤可以选用落下部分重 250千克的 C41-250 型。( 2 )模锻压力确定 后两个过程，预锻和终锻的完成需要在热模锻压力机完成。其中对于终端成型压力的确定可以参考文献中给出的公式：（2.2）锻锻段锻 ）（）（ Fb2D01.0.-18P式中 P 模 为模锻所需压力,N；D 锻 为平面图为圆形的锻件直径, mm ; b为金属在终锻温度下的抗拉强度, N/mm 2 ；F 锻 为分模面上锻件的投影面积，mm 2；在本锻件中，直径 D 锻 =134 mm；本金属的抗拉强度 b =600 N/ mm2；F 锻 = D 锻 /4=14095.46mm2最终代入数据可以计算出所需要的锻模压力为 P 锻 =10966.2KN最终选取的锻模压力机为 16000KN 规格的锻模压力机。10（3）切边压力确定 等终锻完成后还需要对带飞边的锻件进行切割，此过程需要在切边压力机上完成，对于切板压力机的选择，准确来说是选择适合的切边压力，参考文献给出了相关切边压力选取的规则，其切边压力计算的公式为：P 切 =1.7 bL(2.5t +B) （2.3）公式中: P 切 为切边压力,单位 N； b为在该温度下材料抗拉强度，单位 N/ mm 2 ；L 为锻件分模线周长, 单位 mm ； t 飞边桥部厚度, 单位 mm ；B 为零件高度方向的正偏差,单位 mm ；本零件的金属的抗拉强度 b=600 N/mm2；锻件的周长 L=433.32mm；飞边桥部厚度 t=3 mm；本锻件为 B=1 mm 。将以上数据带入计算公式得到：切变压力大小为 P 切 =1.7 600 433.32 （2.5 3+1）=3756.8KN，考虑到实际情况选取切边压力机规格为 4000KN。2.5 锻造温度确定对于锻造温度的确定，可以参考表 2.4 所给出的资料，该资料给出了不同材料的初始锻造温度和终锻温度，最终确定的始锻温度为 1200，终锻温度大于800。表 2.4钢材牌号 始锻温度 终锻温度 退火温度 正火温度15 1200-1230 800-960 880-960 900-95030 1190-1210 800 850-900 850-90045 1180-1200 800 800-840 850-87040Mn 1180-1250 800-850 820-860 850-90040Mn2 1180-1200 800820-850 830-87020Gr 1200 800 860-890 870-900113 突缘叉最佳终锻温度确定本章主要介绍有限元相关知识，包括有限元分析软件的基本概述以及有限元法的简介。在有限元分析软件 ABAQUS 中进行不同温度下的该锻件的模拟，通过 ABAQUS 分析得到在不同温度相同加载条件下时该锻件的应力云图和形变位移图，从而确定适合该锻件锻造的最佳温度。3.1 有限元分析软件简介3.1.1 有限元软件概述有限元方法出现于上世纪中叶（1950 年左右），当时结构力学的迅速发展带动了新的力学计算方法的发展，最开始有限元软件应用于飞机结构设计等静强度问题的分析，随后随着不断地发展，开始逐步适用于传热学、流体力学等分析问题，其强大的分析能力伴随着有限元软件的不断更新而得到了不断的体现。目前有限元分析软件大概有几十种，其中在中国比较著名的有ANASYS，ABAQUS，MARC，SAP 等，各种软件应用各有所长。本次毕业设计中使用的有限元软件是 ABAQUS，为了保证论文的完整性，本节将对 ABAQUS 软件做一些介绍。3.1.2 ABAQUS 软件概述ABAQUS 是由著名的绘图软件开发公司法国达索公司持有的有限元分析软件(FAE)品牌。ABAQUS 套件包括三个核心产品：即ABAQUS/Standard，ABAQUS/Explicit 和 ABAQUS / CAE（完整的 ABAQUS 环境）。除此之外，ABAQUS 软件新版本（6.10 起）也包含 ABAQUS / CFD 计算流体动力学模拟。（1）ABAQUS/Standard 提供有限元分析技术来解决传统的隐有限元分析，包括静态、动态、和热分析，所提供的接触范围最广、非线性材料的选择。12ABAQUS/Standard 也有地址的设计灵敏度分析，海洋工程可选的插件和接口产品，并集成第三方软件，例如，注塑成型分析。（2）ABAQUS/Explicit 提供有限元分析技术主要集中在瞬态动力学和准静态分析中使用显式时间积分，这在许多应用中是合适的，如跌落试验，破碎，和制造过程。（3）ABAQUS/CAE 建立完整的建模和有限元分析的产品提供了可视化环境。直接访问计算机辅助设计模型，先进的网格化和可视化，并对 ABAQUS 分析产品的独家观点，ABAQUS/CAE 是建模环境的选择很多 ABAQUS 用户。ABAQUS 对于问题的处理和大多数的软件分析步骤大体相同，一般分为以下几个步骤：（1）创建分析模型，具体包括：创建部件指派模型空间（三维、二维或者轴对称），可以从草图绘制器开始，也可以从各种 CAD 系统导入几何模型；定义属性，包括材料属性，创建截面，指派截面；装配，将所有的部件进行装配成整体，形成分析模型；（2）加载及求解，具体包括：定义分析步，操作员可以把所有的加载历史切割为多步进行，同时有相应的分析类型、载荷、边界条件、接触方式等与之相对应；定义相互作用，经过简洁直观的界面操作不但可以定义各类接触方式：如面面接触、自接触等，而且能够定义机械接触或热接触的接触类型；预设条件，施加在三维模型上的初始条件、加载过程和边界条件等全都可以在载荷模块中定义，并且显示在 CAE 中；网格划分并选单元类型，ABAQUS/CAE 能够提供复杂的分网工具、操作者可以较为精确地创建各种不同的一维网格、二维网格与三维网格；创建分析作业，将模型创建为新的作业并提交。（3）结果后处理在可视化里面查看分析结果，可以在结果选项里面选每一步输出结果查看对应的应力、应变云图。3.2 有限元法概述有限元方法的核心概念是把一个复杂的连续的整体经过网格划分为多个比较简单的单元结构体，把无限自由度问题转化成有限的自由度问题，把连续场函数的微分方程的求解问题转化成有限个参数的代数方程组的求解问题 5。在13采用有限元的方法进行工程结构计算时，在理想体离散化后，怎样保证它的数值解的收敛性和稳定性是有限元理论急需着重研究的内容之一，而其数值解的收敛性与划分的单元格数量及单元格形状有非常大的联系。在固体力学问题求解过程中，通常将位移作为基本变量，使用虚位移原理或最小势能原理建立方程组来求解。（1）结构物的离散化有限元方法的基础思想是先化整为零，再分散分析，最后再集零为整。因此，对一个复杂结构进行有限元分析的第一步就是将该结构进行离散化，也就是根据所求解问题要求的不同精度、不同要求等，把整个结构划分为有限个单元，各个单元之间、单元与边界之间都是通过结点连接。（2）进行单元分析所谓单元分析是指将离散化后的每个单元都看做一个独立的研究对象，研究单元结点位移与结点力之间的存在的关系。（3）整体分析在确定了每个单元的单元刚度方程之后，将各单元集合成整体结构进行分析，建立起包含整个结构所有结点平衡的方程组，即结构的整体刚度方程。然后引入结构的边界条件，对该方程组进行求解，得到结点位移，进而可以求出各单元的内力和形变。3.3 突缘叉锻造问题的描述锻模压力机锻造锻件的过程，实际上是利用压力对高温下的材料进行特定形状的挤压，从而形成既定的形状。材料的温度对于材料的参数有很大的影响，所以在不同温度下进行锻模对于锻模成型件的质量有很大的区别。从资料给出的情况可以看出，对于锻造的温度选取一般在 800-1200左右之间，下面将在800-1200之间每 100 摄氏度取一个温度即总共会有 800，900，1000，1100，1200五个温度，进行有限元模拟，从而进行比较确定最佳温度。3.4 ABAQUS 分析的步骤3.4.1 实体模型建立创建部件，点击工具栏中的 Create Part（创建部件）工具，如图 3.1 所示，选择轴对称模型空间，点“继续”根据第 1 章确定的零件尺寸模型，在 ABAQUS的 Part 模块中完成零件的三维实体模型的建立，如图 3.2 所示。单位为14mm（保证在有限元计算中单位统一）。图 3.1 创建部件图 3.2 创建的三维零件图3.4.2 属性定义查阅材料手册得到了该锻件的材料参数，下表 3.1 给出 45 号钢的材料参数随着温度的变化情况：15表 3.1 45 号钢的材料参数随温度的变化温度/ 密度 Kg/m3 弹性模量 Gpa 比热 J/kg 泊松比100 7800 207 480200 7800 202 498300 7800 196 524400 7800 186 560500 7800 174 6151000 7800 90 6020.31500 7800 20 / /2000 7800 1 / /（1）定义材料属性，分别输入给出的温度下的对应的密度、弹性模量、泊松比以及比热容并创建材料 1，图 3.3 所示。（2）编辑截面，然后用所定义的材料属性定义截面，如图 3.4 所示（3）截面指派，最后把该截面指派给零件的截面，图 3.5 所示。图 3.3 定义材料参数16图 3.4 定义截面图 3.5 指派截面到零件3.4.3 装配将锻件的部件进行装配，最终如图 3.6 所示。17图 3.6 装配好的零件图3.4.4 创作分析步根据锻模积压的实际过程，我们只是需要进行最后的终锻过程，所以整个分析过程只需要一个分析步即可，创建的分析步如图 3.7 所示。图 3.7 创建分析步3.4.5 加载对于本课题需要模拟的部分，也就是最终成型阶段。该阶段除过零件头部（圆盘底部）部分受到压力载荷的作用，其他部分均受到模具的约束，在有限元模拟中，零件头部设置为压力面，其余部分则根据具体的情况进行位移约束约束。给零件圆盘底部设置压力载荷，按照前面选取的热锻压力机的型号，给定的压应力为：P=F/S=4*16000*103/(3.14*0.1342)=1135.6MPa最终加载的示意图如图 3.8 所示。18图 3.8 加载示意图加载和约束设置好以后，需要在加载模块里面设置零件的温度。点击创建预定义场，输入初始验证的温度 800，点击保存，如图 3.9 所示。图 3.9 设定锻件的温度场3.4.6 网格划分对于整体部件的网格划分，设置网格属性为四面体单元，网格尺寸为 5mm，整个部件共生成网格单元 24512 个。如图 3.10 所示。图 3.10 网格单元划分示意图193.4.7 运行分析创建作业并进行作业提交，等待软件运行结束。如图 3.11 所示。图 3.11 创建作业3.5 结果可视化 进入可视化模块，点击应用云图查看 800温度下，锻件对应的应力云图。并调整 ABAQUS 字体的大小至合适。最终看到的 800对应的应力云图如下图3.12 所示，可以看到最大应力点的位置，最大等效应力为盘和突缘的连接处，这个位置最大的应力是 442.4 MPa，相比于 45 号钢的材料屈服应力 s=355MPa来说比较大。图 3.12 800下锻件的应力分布云图203.6 改变温度结果比较上一小节给出了 800温度下突缘叉在锻压机作用下对应的应力云图，下面将改变锻件的温度，重新进行计算。以获得不同温度下的锻件应力分布云图，从而进行比较锻件在那个温度下应力水平最低，从而该温度下即为锻件最适合温度。打开 ABAQUS，调出前面计算的 CAE 文件，进入加载模块。温度的加载在此模块中，所以必须在此模块中该变温度的大小。而材料系数在属性模块中已经给出了，在这里不再重复给出。而其他的载荷以及边界条件和网格划分的步骤与 800 摄氏度计算的时候完全相同，因此在这里不必进行改变。改变温度为900 摄氏度，如图 3.13 所示：图 3.13 900下锻件的应力分布云图下面不断改变加载温度，分别得到 900 摄氏度、1000 摄氏度、1100 摄氏度、1200 摄氏度下锻件的应力云图分布，如图 3.14、3.15、3.16 所示。 图 3.14 1000下的锻件应力分布云图21图 3.15 1100下的锻件应力分布云图图 3.16 1200下的锻件应力分布云图由以上分析结果可知锻件锻造温度在 1200左右时应力最小，但是考虑实际情况，锻造温度下降比较快，所以锻件最佳锻造温度为 1000。224 突缘叉冷却分析4.1 突缘叉冷却分析过程1.设置模型属性，将参考温度设为 0 摄氏度，设置斯蒂芬-波尔兹曼常数：5.67E-8 如下图 4.1 所示：)m/(42KW图 4.1 设置模型参数232.设置材料参数，包括导入常数，弹性模量，泊松比。如下图 4.2 所示：图 4.2 设置材料参数材料的参数如下所示:密度：7850kg/m 3弹性模量：2E11Pa泊松比：0.3传热系数：60.64W/( m K )比热容：460 kg/(J辐射率：13.设置网格属性，为传热单元。如下图 4.3 所示：24图 4.3 设置网格属性4.创建分析步，并设置时间参数和步长参数。如下图 4.4 所示：图 4.4 设置分析步255.设置场输出为热结果。如下图 4.5 所示：图 4.5 输出设置6.设置相互作用，设边界条件，为室温。如图 4.6 所示：图 4.6 设置边界条件267.添加温度，设置初始温度为 800。如下图 4.7 所示：图 4.7 设置初始温度4.2 分析结果计算得到结果。并做切片显示。如下图所示 4.8 所示：图 4.8（a） 初始温度分布27图 4.8（b）温度分布图以上为突缘叉在终锻 800温度场中冷却过程中的温度分布。285 模具设计本章主要是关于突缘叉模具的设计，锻模结构主要是由夹持器和专用的模块等工作件组成。5.1 锻模结构设计首先，对于锻模结构的设计必须予以足够的重视，因为锻模在锻造过程中是对锻件施加载荷的机构，所以需要承载较大的作用力。因此，锻模是促进生产效率、生产质量以及生产最终效果的最主要因素。并且，在整个过程中，锻模结构始终承受着较大的载荷，并且工作速度较小，还承受着热量的交换，因此会产生着较大的应力。锻模模架主要是由导套、模座、垫板、导柱等构成。其中，上下两个模座为模架最大的零件，因此要求上下模座需要足够大的强度，结实耐用。并且为了容纳足够行程的顶出机构，承压部件的厚度应尽量大，才能满足顶出机构的工作要求。在模块和模座之间需要有垫板来过渡，对于垫板的要求是有足够大的面积来保证压强不会太大。导柱和导套的作用是为了防止模件的差错，而模柱和模套的位置一般在模架的后方位置。导套与上面的模座之间采取过盈配合，其目的是为了防止滑块脱开。导套的内部一般采取耐磨材料，这样是为了较少对于导套的磨损，而导套的下部一般有密封圈，密封圈在此起着防止外界的杂物进入磨具内部。5.2 飞边槽的选择热模锻压力机所用锻模的飞边槽形式与锤用锻模的飞边槽基本类似，它的主要不同在于热模锻压力机所用锻模的飞边槽不存在承击面，在上模面与下模面之间留有高度与飞边桥部高度相等的的间隙，其目的是为了防止热模锻压力机超载，从而发生“闷车”现象。开式模锻的终锻模膛必须存在飞边槽，飞边槽的形状及其尺寸大小是否合适对锻件的成形影响很大，所以设计终锻模膛的另一个重要任务便是确定飞边槽形式及与其有关的尺寸。突缘叉锻模的飞边槽形及有关尺寸，查阅参考文献,并经过计算，最终确定的终锻模具如下图 5.1 如图所示。锻件的尺寸大小参照设计图上的标注尺寸。29图 5.1 突缘叉模具（终锻）主视图5.3 顶料装置设计 压力机的滑块和工作台都配有主顶杆，热模锻压力机的顶出装置主要用于顶出预锻模膛或终锻模膛内的锻件。旧的压力机上一般只有一对主顶杆，即上下各一个主顶杆，而这样设计对于需要多个定出的时候不适应，因此新式的压力机都是多对的主顶杆，一般有 3-4 对，这样的话，每一对即可以独立工作，也可以在不用时只让一对工作，从而提高了工作效率。顶料装置的设计如下图 5.1 所示，在模具中的顶出位置及顶出装置的尺寸如图所示。在该顶出装置中, 设计的顶出装置的直径 33 mm，这样设计有两个目的，第一就是提供在锻模结束后，顶出锻件，其二这样设计还可起到排气的作用，因此有了排气装置，排除了模具里面的残余气体，使得金属比较顺利地充满模膛的深处。5.4 模具材料选择对于模具材料的选取主要由以下几个原则：首先必须采用经过锻制的材料制成，因为这种材料具有较高的硬度和强度。其次锻模在整个锻造过程中，相30比较于其他部件，承载着巨大的冲击力和产生很大的盈利，因此从提高锻模疲劳寿命的角度来考虑，必须采取合适的材料来尽可能提高锻模的寿命。对于本设计中的突缘叉经过查资料最终选择了硬度 47-51HCR 之间的 H13 热锻模钢材。5.5 预锻模膛设计热模锻压力机经过一次行程完成金属材料的变形。因此，热模锻压力机上的模锻的成形规律一般为：金属液体在高度方向流动时相对比较缓慢，而沿着水平方向流动时比较剧烈。这使得模锻压力机上模锻容易出现模膛充不满或折叠等问题。所以，通常情况下都要设计预锻模膛。设计原则如下：预锻模膛通常比终锻模膛的高度尺寸相应大 25mm，宽度尺寸适当缩小，并使预锻件的横截面稍微大于终锻件相对应的横截面积。如图 5.2 所示。严格控制预锻件各个部分的体积大小，使终锻时多余的金属能够合理流动，避免出现由金属回流而引起的折叠问题。图 5.2 预锻模膛装配图表 5.1序号 名称 序号 名称1 上模座 2 上凸模3 弹簧 4 拉杆5 锁紧圈 6 下模7 活塞杆 8 下模座315.6 制坯模膛选择热模锻压力机常用的制坯模膛有镦粗模膛、挤压（成形）模膛和弯曲模膛等。该零件使用镦粗模膛。5.7 机锻模高度设计机锻模高度的闭合状态在高度方向的关系为：H=hi （5.1）即总的高度等于各个零件的高度之和，包括导套、模座、垫板、导柱等构成的高度。并且模具闭合高度 H 应该在压力机封闭高度所能允许的正确范围之内，即HminHHmax5mm图 5.3 锻模总装图32表 5.2标 号 名 称 标 号 名 称1 上模座 2 螺 栓3 上 模 4 限位块5 定位销 6 限位块7 下模座 8 顶 杆9 垫 块 10 支撑块11 螺 钉 12 下 模13 螺 钉 14 销 钉15 支撑块 16 垫 块336 总结和展望6.1 总结本课题从以下几个方面展开了工作：首先，对于锻造以及锻造工艺做了一个宏观上的介绍，给出了锻造的应用背景，可以知道锻造是一种广泛应用于工业上产中的加工方法。其次介绍了突缘叉锻件的锻造工艺流程，分别从锻模的设计，锻模压力、切边机的设计等几个方面进行了锻件的设计，并最终画出了锻件的三视图。然后，介绍了关于有限元的基础理论，以及有限元软件的基本概况，种种介绍了本课题使用的ABAQUS 有限元分析软件的基本情况，从而为后面的章节软件的使用奠定了基础。接着，通过有限元计算软件 ABAQUS 模拟终锻状态下，锻件处于不同温度场下的状态，通过取不同的温度（800、900、1000、1100、1200）下来模拟锻件的应力分布情况，从而为需找最佳的锻件温度提供理论依据。最终发现当锻件处于 1000左右时，锻件的温度应力水平最低，因此可以判定，该温度下就是锻件的最佳温度。并且分析了锻件从 800冷却到室温的过程中温度场的分布情况。最后，设计了该锻件的模具，并使用 AUTO CAD 画出了它的模具总装图，完成了本次毕业设计。此次毕业设计中需要我们运用机械制图，机械设计，材料学以及热处理等方面的知识，是对我们大学生涯所学的知识一次很好的总结，使我们对以前所学的内容有了新的认识和加深，锻炼了我们的动手实践能力和严谨的学习态度。毕业设计的完成标志着大学生活的结束，在四年的大学生涯中我们得到了老师最好指导与教育，今后迎接我们的将是更多的、更难的挑战，但是通过毕业设计的磨练，我相信我能够更好的面对这些，把握机遇，迎接挑战。我们要将所学到的知识转换成前进的动力，为了自己的理想而努力奋斗。6.2 展望由于理论水平有限，本课题还存在以下不足，希望今后可以加以改进，以希望老师和读者可以进行指出。对于最佳温度场的寻找，在约束方式的选择上虽尽了最大努力来让更符合实际，但是实际中锻件处于复杂的应力状态，对于约束的加载方式还有待于进34一步探讨。对于锻造有限元模拟，目前比较流行的软件是 deform 软件，因此为了得到更精确的计算结果，后续可以使用该软件进行再次模拟，以期得到更好的结果与本课题的结果进行对照。35参考文献1 吕炎.锻模设计手册M 北京：机械工业出版社 2006：12-812 国家机械工业委员会. 初级锻压工工艺学M北京 ：机械工业出版社 1988 12：1-103 尚国生.传动轴零件突缘叉设计分析与研究 J 2014：219-2214 罗晴岚.跨世纪中国锻造行业的发展方向 J 2001：122-1265 张洪欣.汽车设计M 北京：机械工业出版社 1991：89-956 王乐安模锻工艺及其设备使用特性M 国防工业出版社 2009.10：8-9 7 姚泽坤.锻造工艺学与模具设计M 西北工业大学出版社 1998: 3-128 齐卫东.锻造工艺与模具设计M 北京： 理工大学出版社 2012: 18-859 黄鹤汀.机械制造装备M.北京：机械工业出版社，2000：34-5010 陈家瑞.汽车构造下册M.北京：机械工业出版社，2000：10-2511 中国纺织大学机械系手册编写组.机械设计与制造简明手册M.上海：同济大学出版社，2000：93-12012 机械设计手册编委会.机械设计手册齿轮传动分册M.北京：机械工业出版社，2007：10-11013 龙振宇.机械设计M.北京：机械工业出版社，2002：166-239，282-29914洪慎章. 李名尧 .锻造使用数据速查手册 M . 北京 :机械工业出版社 , 2007 .15冯炳尧,韩泰荣,殷振海.模具设计与制造简明手册 M