毕业设计（论文）开题报告-汽车半轴摆动辗压成形过程数值模拟

本科生毕业设计（论文）开题报告题 目： 汽车半轴摆动辗压成形过程数值模拟 学 院： 机电工程学院 系 机械 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级：学 号：姓 名：指导教师：填表日期：一、 选题的依据及意义随着机械行业的快速发展，机械制造技术革新越来越快，为了提高零件的质量，新的制造技术应用在新种类零件制造上也越来越常见。为了降低制造过程的设计及优化成本，常用的手段便是使用模拟软件对零件的加工过程进行模拟，以提前了解加工过程可能出现的缺陷并进行改正。汽车半轴是汽车半桥用于传递动力以及承受力矩的关键性零件，他的质量直接关系整个汽车安全性能。传统的半轴生产工艺是在空气锤上采用胎模锻造的， 其工艺落后，锻件精度低，工件表面质量差，废品率高；工人劳动强度大，胎模易坏，易磨损；成本高，生产率低，只能中、小批量生产。显然, 这种工艺已不适应用目前市场的需要。所以对汽车半轴的制造使用新的成型工艺，选取的是摆动辗压成形技术生产汽车半轴。二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）（一） 摆辗技术及其发展：摆动辗压是 20 世纪初首创于美国的一种新的金属塑性加工方法。在当时,人们只是借助经验来应用摆辗技术，而在理论上全面分析研究摆辗成形技术则是在 20 世纪 60 年代后由波兰、英国等首先进行的。虽然摆辗成形工艺曾一度因模具寿命、生产效率和社会经济效益等原因而发展缓慢，但是随着社会的向前发展，人们对零部件的高精度、低成本，设备的低振动和低噪音，良好的工人劳动条件的需要，使摆辗成形技术正逐渐成为一种适合于现代人们所要求的加工工艺而普遍受到世界各国的重视 1。摆辗机的摆辗原理是利用一个绕中心迅速滚动的圆锥形上模对毛坯端面局部加压。使毛坯逐步成形的一种加工方法。由于摆动辗压变形是局部接触顺序加压，所以其接触面积和单位压力比较小，摆辗加工具有下述特点 3：( 1) 摆辗时，工件以局部变形代替常规锻造中的整体变形，因此具有省力的优点。与常规锻造相比，通常可以省力 85%90%。这样就可以用摆辗机来加工需要大吨位设备加工的工件。( 2) 变形均匀，工件质量高，金属流线好，尺寸精度高，可用于少无切屑加工，省料省能。( 3) 生产率高，便于实现半机械化、机械化操作。( 4) 工作时无冲击、噪声小，劳动条件好。( 5) 投资省，适用于中、小企业 3。 图一 摆辗工作示意图目前，已有美国、英国、波兰、前苏联、德国、捷克、匈牙利、日本、印度、瑞士、法国和中国等国家在从事摆辗成形技术的基础理论研究和工业实际应用研究 1。摆辗技术在无论是在国外还是在国内都已经得到较为广泛的应用和推广，技术也较为成熟，摆辗机的种类更是能够适应各种复杂零件的批量生产。所以进一步深入研究摆动辗压技术，发展摆辗复合精密成形技术以及大力推广数字模拟技术势在必行，这也即将成为摆辗技术新的发展契机。（二） 摆辗技术在汽车半轴成形上的应用与研究：摆辗技术在我国的研究起步较晚，直到 1972 年我国才开始利用热摆辗工艺成功生产汽车半轴，并取得了良好的应用效果。从此，国内越来越多的科研机构加入到摆辗工艺的研究队伍当中。经过四十余年的研究和应用，在摆辗技术的成形工艺及应用方面均取得了重大突破 2。将摆辗技术用于生产汽车半轴，我国属于技术首创，并自行研发了半轴摆辗机，而且有自己独特的结构。至今，其他国家还没有这种摆辗机 5。因为半轴的法兰盘较大，摆辗时不易成形，在摆辗时要对坯料进行一次或者两次头部镦粗制坯。现在已经有人研究出一种新型半轴摆碾机，将复动成形技术应用于摆辗机上。在摆辗机开始摆辗工作时，摆头与坯料接触加压，这与一般摆辗机摆辗时的情况相同，但摆辗成形到一定的程度时，组合模具（凹模）可向后平行移动，然后摆辗过程才会结束。这样能实现有较高的高径比的坯料头部镦粗，在摆辗前不需要对长棒料进行预镦粗制坯 5。但现在比较通用的还是先在油压机上进行半轴头部预镦粗制坯，再在摆辗机上进行摆辗成形，整个过程两次预热，故也称为二次火摆辗成形。国内很多教授在比较早的时候就开始对半轴摆辗成形进行过工艺设计以及技术优化。曾针对不同型号的半轴提出过多种半轴摆辗时的预锻成形毛坯形状。如图一提出的方案是下料后对坯料 图一 锻造工艺一进行拔长使坯料头部形状符合摆辗时的高径比条件，再加热放在摆辗机上对坯料头部进行摆辗成形。图二方案则是下料后将坯料在油压机上压制出蒜头形状后再进行摆辗成形6。这是两种不同的制坯方案，对于常用的制坯方案还是油压机压制。但是头部形状也根据坯料种类型号不一而不同。最主要的是不一样的头部预镦粗形状会使得金属在摆辗时的金属流动性能大不相同，由于摆辗中存在严重的蘑菇 图二 锻造工艺二效应和中心拉薄现象 10，所以摆辗头部预镦粗形状非常重要。研究表明，使用新的摆辗技术对汽车半轴进行成形是目前金属流动性能最好，金属成形应力最小，使用寿命最优化，生产效率最高的生产方法 5。（三） 使用软件对摆辗技术进行模拟过程的研究：DEFORM -3D 是一套基于有限元的工艺仿真系统。它是在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析。适用于热、冷、温成形，提供极有价值的工艺分析数据 9。基于 DEFORM-3D 对汽车半轴摆辗成形过程进行数值模拟分析在国内也有很多先例，王春玲利用 DEFORM 对汽车半轴摆动辗压成形过程中的摩擦系数对成形力的影响得出了研究结果。吴溯源等人使用 DEFORM 对汽车半轴的制坯工艺进行模拟分析，并提出半轴摆辗最佳摆角。还有对半轴摆辗过程的模具受力以及失效分析，模具的磨损直接导致零件质量下降，造成模具寿命降低。为了减小磨损，提高模具寿命，正确地设计和制造模具、合理地使用和维护模具可以有效地提高模具寿命 8。本课题研究对象是半轴摆辗过程在特定条件下控制摆辗预锻毛坯形状和进给速度，探讨它们的变化对零件成形的影响。此项研究将会为提高汽车半轴产品质量和生产效率，节约生产成本，提高经济效益做出巨大贡献，具有很大的研究价值和发展前景。用有限元法进行摆辗工艺的研究，与其他分析和实验方法相比，有限元分析法可以得到工件内部的应力应变及温度场等比较全面的信息，有助于对摆辗变形机理进行深入研究，预测工件缺陷，为实际生产提供较优工艺参数 7。三、本课题研究内容1) 摆辗成形零件名称：汽车后桥全浮半轴 材料：40Cr2）工艺顺序：下料预热预镦粗二次加热摆辗切削加工3）主要研究工艺：预镦粗以及摆辗过程。预镦粗不同坯料形状对摆辗过程零件成形情况的影响设计三种以上不同的预镦粗坯料形状（Pro e 三维造型，CAD 工程图）,参考文献以及毕业实习确定摆辗过程相关参数，使用 3D 塑性成形模拟软件DEFORM-3D 对摆辗过程分别进行模拟，对模拟结果进行分析，分析其成形质量，金属流动性能，成形应力应变情况等，对半轴摆辗生产进行优化提出改进意见。四、本课题研究方案1、确定三种以上预镦粗坯料形状：了解半轴工作特点，了解摆辗生产情况；确定坯料体积，三维造型； 2、确定摆辗工艺参数：依据参考文献和毕业实习确定合理的工艺参数；选取合适的摆辗机进行模拟；3、DEFORM 模拟方案确定：为减少计算量可切除部分材料；使用坯料进给的摆辗方式以使得摆头运动简单化； 4、优化设计：按照零件生产的要求确定模拟过程是否合理；零件成形有无缺陷；分析成形质量以及应力应变情况；确定最优解。 五、研究目标、主要特色及工作进度研究目标：汽车半轴摆动辗压成形过程数值模拟主要特色：将摆辗技术运用于汽车半轴生产是我国独创性技术，生产过程较传统工艺得到优化；对摆辗塑性成形过程进行模拟大多是对模具的失效情况分析或者是半轴已经确定预镦粗形状的情况进行分析，我是对半轴预镦粗形状对摆辗过程的影响进行分析；DEFORM-3D 塑性成形模拟软件是一款比较全面的有限元分析软件，能够对成形过程中工件内部的应力应变及温度场等比较全面的信息展示出来，掌握这款软件的运用对设计和生产都有很大的提升。工作进度：（1）查阅文献 30 篇以上，翻译外文资料 （2）毕业设计实习，撰写毕业实习报告 （3）撰写开题报告 （4）对模具和坯料进行三维建模 （5）设计三种以上不同的坯料预镦粗形状 （6）确定摆辗工艺相关参数 （7）对不同预镦粗形状的坯料进行数值模拟 （8）对模拟结果进行分析（9）优化设计（10）撰写毕业论文 6、参考文献1. 伍太宾.国内外摆动辗压技术的研究和发展.精密成形工程.2009,11.2. 左旭东，游国强.摆动辗压工艺及其应用.热加工工艺.2013，1. 3. 李和平，金曼曼.汽车摆辗的新工艺与传统工艺比较.金属铸锻焊技术.2008，11，045. 4. 韩大华，赵立.摆动辗压技术.江苏南京.南京起重机械厂.2000,4.5. 胡亚明，姚万贵.我国摆动辗压技术现状及展望（二）.重庆理工大学.2011.6. 付建华.汽车半轴一火锻造工艺及设备.锻压机械.2002.7. 孙继旺，付建华.基于 DEFORM-3D 的后桥半轴摆辗新工艺分析.锻压技术.2009,06.8. 龚晓涛.汽车半轴摆辗工艺设计及模具失效分析.热加工工艺.2015.01.9. 孙继旺，付建华.半轴类锻件摆辗成形新工艺研究.太原科技大学.2009.07.10. G. Liu ,S.J. Yuan.Explanation of the mushroom effect in the rotary forging of a cylinder.Journal of Materials Processing Technology.2004.11. Xinghui Han,Lin Hua.Friction behaviors in cold rotary forging of 20CrMnTi alloy.Tribology International.2012.