汽车半轴摆动辗压成形过程数值模拟毕业设计论文

摘要I汽车半轴摆动辗压成形过程数值模拟摘要汽车半轴是汽车传动系统中的一个重要的零件，它将承受多种复杂的交变应力，是汽车最易损坏的零部件之一。传统的半轴成形工艺锻件质量差，效率低，弊端较多，不适于工业批量生产。随着摆辗技术在国内的发展，不少工厂已经将摆辗技术用于汽车半轴的成形。研究半轴摆辗成形工艺有利于提高半轴成形质量和生产效率；降低成本，提高经济效益；也能提高汽车的安全性能，具有很大的研究价值和发展前景。本文以汽车半轴为研究对象，以金属塑性成形原理为基础，通过有限元数值模拟软件 DEFORM-3D 对半轴摆辗成形过程进行模拟分析。在研究过程中，选取了合适的摆辗机和摆辗参数，通过改变半轴坯料形状和进给速度，得出了不同坯料形状在不同进给速度下半轴的成形情况及其变化规律。通过分析摆辗中的金属流动情况和流动应力等信息，预测成形过程中可能出现的缺陷。将不同方案的成形过程和结果进行对比和分析，得出了在符合相关尺寸要求的前提下，锥柱形坯料在 10mm/s 的进给速度下摆辗成形效果最好的结论。关键词：汽车半轴；摆辗成形；数值模拟技术；DEFORM-3DAbstractIIAbstractIIINumerical simulation of the forming process of automobile semi axle rotary forgingAbstractAutomobile semi axle is one of the most important parts in automobile transmission system. It will bear many kinds of complex alternating stress, which is one of the most easily damaged parts. The traditional semi axle forming technology has the disadvantages of poor quality, low efficiency and others, which is not suitable for the industrial mass production. With the development of the rotary forging technology in China, many factories have already used the rolling technology in the forming of automobile semi axle.The research on the semi axis rotary forging technology is beneficial to improve the quality and productivity of the semi axle, reduce the cost and improve the economic efficiency, also can improve the safety performance of the automobile, and has great research value and development prospects. In this paper, based on the theory of metal plastic forming, the semi axle of the automobile is studied by the finite element numerical simulation software DEFORM-3D to simulate and analyze the forming process of semi axle. In the course of the study, the suitable rotary forging and rolling parameters are selected; The forming condition and the changing law of the different billet shape at different feed speed are obtained by changing the shape and feed speed of the semi axle. Through the analysis of the metal flow and flow stress and other information, the defects in the forming process can be predicted. By comparing and analyzing the forming process and the results of the different schemes, the following conclusions are drawn: Under the premise of the relevant size requirements, the shape quality of the conical cylindrical billet with the feed rate of 10 mm/s is the best . Key words: Automobile semi axle; rotary forging; numerical simulation technology; DEFORM-3D目录IV目录摘要 IAbstract.II第一章 绪论 .11.1 选题背景与意义 11.2 国内外研究现状 21.2.1 摆辗成形技术的研究现状 .21.2.2 摆辗成形技术应用于半轴生产的研究现状 .41.2.3 使用软件对半轴摆辗成形技术过程进行模拟的研究 .51.3 研究内容及实验研究方法 51.3.1 主要研究内容 .51.3.2 实验研究方法 .6第二章 摆辗成形原理分析 .72.1 摆辗成形运动机理的简要分析 72.1.1 摆辗成形的运动学原理 .72.1.2 摆辗成形摆头运动轨迹分析 .72.2 摆辗成形变形机理简要分析 82.2.1 摆辗成形变形机理 .82.2.2 摆辗成形特点 .92.3 摆辗成形的重要工艺参数 .10目录V2.3.1 接触面积系数 .102.3.2 摆头倾角 .102.3.3 每转进给量 s 102.3.4 摆头转速 n 112.4 本章小结 .11第三章 半轴摆辗成形设计及有限元模拟方法 123.1 半轴工艺设计 .123.2 半轴三维造型及体积测量 .123.3 摆辗机的选取及摆辗参数的确定 .143.3.1 摆辗机的选取 143.3.2 摆辗参数的确定 143.4 DEFORM 简介 .153.5 本章小结 .16第四章 半轴摆辗成形有限元模拟分析 174.1 圆柱形坯料设计方案 .174.1.1 圆柱坯料形状设计与数值模拟 174.1.2 模拟结果分析 184.2 圆锥形坯料设计方案 .214.2.1 圆锥坯料形状设计与数值模拟 214.2.2 模拟结果分析 214.3 锥柱形坯料设计方案 .244.3.1 锥柱坯料形状设计与数值模拟 24目录VI4.3.2 模拟结果分析 244.4 方案比较 .264.5 本章小结 .28第五章 结论与展望 295.1 主要工作 .295.2 结论 .295.3 展望 .30参考文献 .32致谢 .35第一章 绪论1第一章 绪论1.1 选题背景与意义汽车半轴是组成汽车系统的一个重要的传力零件，位置位于汽车的差速器与汽车的驱动轴之间。半轴的设计分为三个部分：花键、杆部、法兰盘。花键与半轴齿轮啮合，法兰盘则与车轮连接，这样汽车半轴就将差速器传递来的力矩传递给车轮，以驱动汽车前进。汽车常用的半轴有两大分类，根据支承形式不同分为全浮式和半浮式两种。全浮式半轴在工作时仅承受转矩，它的两端不承受任何力和弯矩。半浮式半轴除了传递转矩外还要承受车轮传来的垂直力、驱动力以及侧向力引起的弯矩 123。但是无论是全浮式半轴还是半浮式半轴，它们都会在汽车启动、行驶以及停止的交替过程中不停地受到交变扭矩以及冲击载荷的作用从而导致半轴开裂。复杂的受力情况对半轴质量提出了较高的要求，提高半轴的质量将大大地提高汽车的安全系数，减少交通事故的发生，具有相当高的现实意义 23。汽车半轴的传统成形方法为锤锻工艺，但是这种工艺即将面临淘汰。这种工艺需要三套模具，且锤锻使模具易磨损和损坏，成本高。在成形过程中工人需要反复搬动模具和工件使得工人劳动强度大，生产效率低下。另外，锤锻得到的工件同轴度，平行度以及轴中心线的垂直度等误差较大，使得锻件质量差，精度低。锤锻机的震动以及噪音对工人的健康和安全造成了隐患，所以工作环境差也成了锤锻工艺的一大缺陷 4。现在国内的半轴生产主要是使用摆辗技术成形，这是一种连续的局部加载回转成形的加工工艺，这种加工方法是利用上模绕着中心线连续滚动从而对毛坯局部施加压力。如果上模的母线是一直线，那么摆辗形成的工件表面则是平面；如果上模母线是曲线，则工件表面为复杂的旋转曲面 5。在摆辗锻造中，金属材料部分与上模接触，使得工件只会承受较小的锻造力。金属材料在摆辗过程中不仅沿着进给方向流动，而且会随着上模的圆周运动，在摩擦力的作用下沿着径向和圆周方向流动，由于在摆辗时接触面积较小，所以摩擦力和锻造力都是普通锻造方法的几分之一。与传统锻造工艺相比较，摆辗锻造工艺对半轴成形具有以下优点:第一章 绪论2（1）锻造力小，降低设备的吨位。摆动辗压是连续局部变形，接触面积小，变形力也随之变小。经试验证明，加工相同的锻件，摆辗辗压力仅仅是普通锻造方法的 1/5 1/20。由于其锻造力较小，所以采用的设备吨位也可以相应降低，。（2）锻件质量好，精度高，节省原材料。摆动辗压过程中，金属是在低应力条件下变形，金属的流动性能更好。如果摆辗的模具制造精度高，摆辗成形的金属零件其精度可达到 0.03mm0.1mm，一般的摆辗件可以不需要进行切削加工，节约成本和原材料，同时提高生产效率。（3）摆辗适合加工比较薄而且形状复杂的回转类锻件，但是这类锻件没有办法使用普通的锻造工艺得到。因为在锻造过程中，平均单位压力与坯料的高径比有较大的关系，高径比越大，变形力越大，而且工件越薄，差别越明显。而摆辗锻造的锻造力比普通锻造的小，相当适合加工此类锻件。（4）工人工作环境好，工作强度低。摆辗锻造全程几乎可以达到机械化和自动化，在摆辗过程中，噪音较小，震动较低。（5）模具寿命高。摆辗锻造与传统锻造相比，其锻造力较小，模具承受的载荷较小，而且模具不用承受较大的冲击载荷。在摆头与工件局部接触过程中，模具某区域受到间歇性载荷的作用。这些都使得整副模具更耐磨，失效慢，寿命长。（6）成本低，经济效益高。首先降低了设备的吨位，使得能耗低。其次加工精度高，几乎不用进行切削加工，节省原材料。由于较容易实现机械化和自动化，大大增加了生产效率。有研究证明，在获得相同的利润时，采用摆辗工艺所需要的生产批量要小于普通锻造工艺。并且计算得到的投资回收期普通锻造需要 2.55 年，而摆辗锻造只需要 0.32 年。这些因素都降低了企业的成本，使得经济效益得到提高。因此，摆辗锻造工艺比普通的锻造方法优势更加明显。其生产效率高，锻件质量好，成本低，经济效益高 2345678。1.2 国内外研究现状第一章 绪论31.2.1 摆辗成形技术的研究现状摆辗技术首创于 20 世纪初，是由美国的 E.E.Slick 在 1900 年以前提出的一种金属塑性加工方法。他造出了世界上第一台摆辗机-Slick 机并获得多项美国专利。Slick 机最初只有自转运动，并无摆动，主要代替大型锻压设备用于钢锭的开坯锻造，后来也用于大型车轮坯的生产，直到 1980 年 Bethlehem 钢铁公司对其进行重新设计和制造 3910。英国也是世界上最早对摆辗技术进行研究的少数国家之一。英国人H.F.Massey 于 20 世纪 20 年代开始对摆动辗压技术进行研究，设计了摆头公转的摆辗机，并且获得摆辗技术专利。但是由于模具寿命以及经济效益的原因，摆辗技术在英国的发展受到制约，直到 1960 年索尔夫特大学的 Slater 教授又重新开始研究摆动辗压并设计了一台 100KN 的摆辗机。1973 年马赛公司建造了一条全自动的生产线，该生产线有震动送料装置、电感应加热炉、150 型摆辗机、自动出料装置和切边机等 5 个部分。后来英国的主要科研单位都将精力放在了理论研究上，对摆辗技术的应用比较忽视，以至于除了 1976 年诺丁汉大学的 300KN 摆辗机之外，英国的摆辗制造技术相对迟滞。但是英国的摆辗技术在世界上仍然处于领先地位，对国际回转加工工艺的发展产生了巨大影响。第一届和第二届国际回转加工会议都在英国召开 5101112。波兰对摆辗技术的研究起步晚于英国，但是在很短的时间内就在摆辗机的设计制造技术方面取得了不小的成就 11。1967 年波兰华沙工业大学的Marciniak 教授成功研制了 PXWP 型摆辗机，设计了摆辗分块模具,并取得了专利。并从理论上分析了圆环的摆辗成形以及带有圆盘型联接毂盘的法兰件的温摆辗成形过程。华沙第一压力自动机厂在同年研制出了第一台四轨迹摆辗机，并且该厂还是最早开始出口 1600KN 和 2000KN 摆辗机的厂家。其摆辗机手动设置参数，有四种轨迹种类可供选择，可加工各种复杂零件，是当时世界上最可靠的一类摆辗机之一，并且价格便宜，所以各国都从波兰进口摆辗机。但是设备更新换代慢、自动化程度低、电气控制简易、吨位小等不足之处使得波兰的摆辗机逐渐跟不上时代的发展 31011。亚洲地区中国和日本在摆辗机的研究上几乎同时起步，日本于 1972 年研制出第一台摆辗机，1973 年制造出 1200KN 样机,1983 年研制出 2000KN 的摆辗机第一章 绪论4并投入使用，日本国内先后研制出了 7 种规格的摆辗机，分别为300KN、1000KN、1200KN、1500KN、1600KN、2000KN、2500KN 的摆辗机。日本的工业应用主要用于法兰、齿轮、离合器摩擦片等零件的大量生产 10。日本还采用摆辗工艺与其他成形技术复合的复合成形技术生产复杂的零件，并在金属粉末的摆辗成形以及管形零件的摆辗成形上取得了相关突破 13。著名的森铁株式会社作为日本生产摆辗机的主力厂家生产的摆辗机机架刚性好，稳定性高，润滑和密封性能好，考虑了冷、温、热摆辗各种温度的需求，摆辗机的适用范围更广 3111415。我国对摆辗技术的研究虽然较晚，但极为重视。1972 年上海电机锻造厂开始研制摆辗机并于次年研制出第一台 2000KN 的摆辗机。此后，摆辗技术在国内开始逐步发展。哈尔滨汽车齿轮厂应用 HNJ-400 型摆辗机生产汽车后桥圆柱被动大齿轮坯。1977 年 5 月,东北重型机械学院和齐齐哈尔齿轮厂合作研制成功了一台摆辗机对东方红-54 拖拉机被动齿轮进行了摆辗工艺试验取得成功。1975 年，北京工具厂开始进行热摆辗高速钢锯片铣刀工艺和对碗形直齿插刀片坯的摆动辗压试验均获得了成功。1978 年，上海新华轴承厂和上海机械制造工艺研究所使用摆辗机冷辗压止推轴承沟道,一次成形,使得轴承综合性能提高,平均寿命提高 1 倍左右。国内还用热摆辗工艺生产了双联齿轮坯料、高颈法兰、蝶形弹簧、汽车制动凸轮轴等锻件均取得了相当好的效果 10。在理论研究方面学者们从模拟实验中得到了摆动辗压的变形规律,并对摆动辗压金属薄件时产生中心拉薄的的现象给出了判据。在研究圆柱体、圆环件摆动辗压过程中金属流动规律时采用主应力法、能量法、上限元法、有限单元法等方法,这些方法科学而有效地分析出了缺陷形成与产生原因 101718。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 19。1.2.2 摆辗成形技术应用于半轴生产的研究现状我国研究摆辗工艺多年以来与国外主要的不同之处就是我国更加注重于热第一章 绪论5摆辗技术，其中最具特色的便是将摆辗技术用于汽车后桥半轴的摆辗成形 20。1972 年我国首次将热摆辗技术用于汽车半轴毛坯的预锻成形上并取得成功，这是我国首创的技术，并研发出了半轴摆辗机，具有独特的结构，至今国外还没有这种摆辗机的生产及应用 1119212223。将半轴使用摆辗技术成形其投资少，效率高，半轴成形质量高，创造了极大的经济效益 11。我国许多的学者都对半轴摆辗成形技术进行过相关研究，并且有较为突出的研究成果。1997 年张猛等人发表的汽车半轴锻造生产技术对目前采用摆辗技术生产汽车半轴的多种工艺成本进行了比较 24。1999 年韩济才对汽车半轴的不同制坯工艺进行了研究 25。2003 年井冈山职业技术学院的李和平对汽车半轴的热挤辗压成形特点进行了分析，并对模具设计的相关要素进行了介绍 26。2004 年北京科技大学的赵静，束学道等人将楔横轧技术与摆辗技术在半轴生产中的应用进行了分析，指出采用精密成形技术生产长轴类零件是今后的发展方向 27。2007 年李和平，袁昕研究了 BJ-130 汽车半轴摆辗新工艺，初步分析了汽车半轴通过棒料聚料后再温摆辗成形工艺的可行性 28。汽车半轴摆辗成形生产技术经过多年的生产实践的考验，已大批量投入生产，全国至少有 8 个生产厂家采用摆辗新工艺生产汽车半轴,年产几十万根,收到了明显的经济效益 5。1.2.3 使用软件对半轴摆辗成形技术过程进行模拟的研究随着科学技术的快速发展和有限元技术应用的日益成熟，CAE 技术模拟分析金属在塑性变形过程中的流动规律在现实生产中得到越来越广泛的应用。在企业中使用 CAE 模拟分析技术不仅可以缩短模具和新产品的研发周期，而且可以降低研发成本，获得市场先机，赢取更好的经济效益，提高企业的竞争力。国际上的 CAE 技术水平都已经达到了较高水平，有限元分析软件的开发应用也已经达到商品化程度，如：ANSYS、DEFORM、AUTOFORM、SUPERFORGE 以及MOLDFLOW 等软件都具有良好的前后处理界面，静动态过程分析及线性和非线性分析等强大功能。这些软件的应用无论是对企业的设计制造还是对科学技术的研发都提供了很大的便利，提高了解决问题的能力和效率 29。第一章 绪论6国内也有不少对半轴摆辗成形过程的数值模拟分析的先例，毛春燕等人使用 DEFORM 对半轴的摆动辗压成形可行性进行研究，分析其受力情况和金属流动性能 30。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 31。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 32。陈荷和龚晓涛等人基于 DEFORM 对汽车半轴摆辗中凹模的温度场进行了有限元分析 33。孙继旺对汽车后桥半轴的摆辗提出了优化，使用使用一火加热，并对整个摆辗过程进行了有效分析 34。因此，本课题以金属塑性成形原理的基础，通过有限元数值模拟软件对半轴的摆辗过程进行模拟分析。通过控制坯料形状和摆辗进给速度，分析半轴摆辗成形件的质量，逐步对半轴摆辗成形所需要的各项参数进行优化。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。1.3 研究内容及实验研究方法1.3.1 主要研究内容本课题主要以汽车后桥全浮式半轴的摆辗成形工艺为研究对象，汽车半轴摆辗成形的主要参数有：成形温度、摆辗角、坯料进给速度和坯料预镦粗形状等。摆辗角对半轴摆辗成形过程的影响已有人进行过研究 32；如果考虑成形温度的影响，由于模拟设备的原因，模拟速度会大大减慢，甚至有可能不能得出模拟结果，故成形温度对摆辗成形的影响也暂不考虑。本文选取坯料进给速度和坯料预镦粗形状为半轴摆辗成形的控制变量，在不同的坯料形状和进给速度的情况下，对半轴的摆辗成形规律，坯料的受力情况以及摆辗过程中的金属流动情况进行分析。主要使用的数值模拟软件为 DEFORM-3D 塑性成形模拟软件，选用的半轴摆辗机为 DWY99-200-卧式摆辗机。1.3.2 实验研究方法本课题对半轴摆辗成形工艺的研究理论有金属塑性成形理论、有限元分析和优化设计等。通过控制半轴摆辗成形工艺中初始毛坯形状和摆辗进给速度两第一章 绪论7个因素，使用有限元分析软件对 9 种参数组合的成形过程进行模拟，探讨不同情况下半轴的成形质量和金属流动性能，并对不同方案进行比较分析，选取出较优的参数组合。基于这些研究方法确定了以下的研究方案：（1）确定三种半轴摆辗毛坯形状：了解半轴工作特点和成形情况，明确半轴摆辗成形工艺流程；运用三维造型软件 Pro e 对半轴零件进行建模，确定零件的材料体积并对体积进行修正，确定半轴摆辗的毛坯体积；通过 Pro e 设计出圆柱形、圆锥形、锥柱形三种摆辗毛坯形状，并控制体积； （2）确定摆辗工艺参数：查阅摆辗机的相关资料，对摆辗机的型号和相关参数进行了解，特别是半轴摆辗机。依据毕业实习和工厂实际生产情况确定合适的摆辗机和模拟所用的摆辗参数；（3）DEFORM 模拟方案确定：造型完成的半轴毛坯杆部材料过长，为减少计算量可切除部分杆部材料；大多数半轴摆辗机是使用摆头进给的方式进行摆辗成形，在 DEFORM 模拟中为了使摆头运动设置较为简单，可使用坯料进给的方式进行模拟； （4）DEFORM 模拟分析：对不同形状的坯料在不同进给速度的情况下摆辗成形的结果进行分析、对比。从成形质量以及流动应力等参数分析成形过程中的优点和缺点，查看零件成形有无缺陷，按照零件生产的要求确定工艺参数是否合理；（5）优化设计：对模拟后的结果进行分析，分析成形质量以及应力应变情况，取出每一组的较优解。对每一组的较优解进行比较，取出最优解。第一章 绪论8第二章 摆辗成形原理分析摆辗是一个局部变形的过程，其包含了坯料的轴向进给运动、摆头的自转运动和摆头围绕中心线的公转运动，运动情况较为复杂。在摆辗过程中，摆头和坯料的接触面积和接触点始终在发生变化，摆头和坯料之间还存在着滑动和滚动，这些原因都使得摆辗成形过程受力分析较为困难。所以在研究半轴摆辗成形之前，需要对摆辗技术进行了解和分析。2.1 摆辗成形运动机理的简要分析2.1.1 摆辗成形的运动学原理摆辗技术就是摆头在工件的加压面上滚动，工件或摆头轴向进给，使得接触面局部连续变形的塑性加工技术。如图 2-1，摆辗运动主要由摆头（Upper die)绕着摆头轴线（Upper die axis）的自转运动、摆头绕着机床轴线（Machine axis）的公转运动和工件（Workpiece) 或摆头的轴向进给（v）三个运动组成 3536。图 2-1 摆辗辗压运动原理图第二章 摆辗成形原理分析92.1.2 摆辗成形摆头运动轨迹分析摆辗中摆头的运动可以分解为三种基本形式：进动、转动和章动。进动则是摆头绕机床轴的公转运动；转动就是摆头绕自身自转轴的自转运动；而章动则是摆头轴线绕着机床轴线来回的摆动。这三种运动可以相互之间任意组合，形成不同的运动方式。这些运动方式最终使摆头形成了四种运动轨迹：直线形、圆形、螺旋形、多叶玫瑰形。如图2-2314。（ a）直线形 （ b）圆形 （c ）螺旋形 （d）多叶玫瑰形图 2-2 摆头运动的四种轨迹要理解这四种轨迹的形成原理，首先需要了解摆头的工作原理。如图 2-3 所示，摆头由安装在摆头轴尾端的内、外偏心套驱动，内、外偏心套的转速和转向的异同实现了摆头的四种运动轨迹。内、外偏心套同速同向旋转时摆头运动轨迹为圆形；内、外第二章 摆辗成形原理分析10偏心同速反向旋转时摆头运动轨迹为直线形；内、外偏心异速同 1.摆头轴 2.内偏心套 3.外偏心套向旋转时摆头运动轨迹为螺旋形； 4.齿轮一 5.齿轮二 6.变速箱内、外偏心异速反向旋转时摆头 7.蜗轮副二 8.蜗轮副一 9.电机运动轨迹为多叶玫瑰形 53738。 图 2-3 摆辗机传动结构2.2 摆辗成形变形机理简要分析2.2.1 摆辗成形变形机理半轴在摆辗过程中始终只有部分工件表面与摆头接触并发生变形，于是在锻件的表面存在接触区域与非接触区域两个部分。如图 2-4 所示，图中的阴影区为接触变形区域。在摆辗过程中，阴影区域为直接与摆头接触被施加压力而发生塑性变形的区域，也被称之为“主动变形区”。如图 2-4，如果 W 方向为摆头公转方向，则 EF 为进入摆辗主动变形区的子午面，CD 为正在进行摆辗主动变形的子午面，AB 为即将退出摆辗主动变形区的子午面。在摆辗过程中金属会受力流动，流动的金属会对阻碍它流动的金属产生力的作用，使得未直接接触摆头参与变形的金属也会产生变形，这些区域称之为“被动变形区”，如图 2-4的白色区域。很明显，在 EF 子午面之前的金属被动变形最为严重 5939。 图 2-4 金属流动示意图 2.2.2 摆辗成形特点摆辗运动看似简单，实际运动情况和受力情况受到很多因素的影响。进给第二章 摆辗成形原理分析11速度的不同和毛坯高径比不同都会影响摆辗成形质量。摆辗工艺属于局部变形，成形过程也会出现一些比较规律的特点，对这些特点加以分析并运用可以大大提高工作效率。（1）蘑菇效应当工件较厚时（如 H/D1），如果在摆辗过程中每转进给量较小，那么在达到一定变形量之后，因为工件顶端与上模接触面积较小，单位轴向应力和切向应力较大，所以邻近上模的金属径向流动较为突出，工件顶端会形成“蘑菇头”形状。当工件较薄时（如 H/D0.5），由于工件上下表面的变形程度和形变量相近，所以工件变形比较均匀，侧壁呈直线，类似均匀镦粗，工件不产生“蘑菇头”。当进给速度太大，即每转进给量较多时，如果上模和工件之间摩擦力较大并贴在一起，则工件发生翘曲，使得工件与下模的接触面积减小，则靠近下模的工件首先发生变形，则易形成“倒蘑菇头” 540。蘑菇效应的强弱与工件的变形情况紧密相关，当工件的径向变形较强时，成形过程中摆辗特性较为明显，蘑菇效应较强；当工件的轴向变形较为突出时，成形过程中的镦粗特性更加明显，蘑菇效应也更弱。所以摆辗工艺可以看做是摆辗成形与镦粗成形的复合成形方式，可以通过控制摆辗过程中摆辗特性与镦粗特性的比重来控制摆辗成形的蘑菇效应。（2）“中心拉薄”现象工件摆辗变形时，金属径向流动，工件中心也会受到拉应力。试验证明，当工件越薄，摆角越大，每转的进给量越小，且工件直径越大越容易产生中心拉裂现象 4041。 2.3 摆辗成形的重要工艺参数第二章 摆辗成形原理分析122.3.1 接触面积系数 摆辗成形过程是一个局部变形的过程，接触面的形状类似一个螺旋的曲面。波兰的马尔辛尼克教授假设在摆辗中摆头与坯料之间无冲击，摆头为刚性且为恒定转速，摆头刚开始与坯料的接触形式为线接触；基于这种假设，他提出了计算这种曲面面积的方程式： )tan2/(45.0Rs式中：s每转进给量（mm/r）；摆辗角()；R毛坯原始半径（mm）。从式中可以得出，接触面积系数 由每转进给量 s、摆辗角 和毛坯原始半径 R 决定 239。2.3.2 摆头倾角 摆头倾角是指摆头轴线与摆辗机机床轴线之间的夹角 ，也称为摆辗角。一般来说，当 越小，摆头的轴向运动更加明显，工件的轴向变形也更为突出；当 越大，摆头的摆辗运动更加明显，工件更加倾向于径向变形。 越大，工件锻造过程中的摆辗锻造成分更为突出，也更加省力，但是蘑菇效应也更加明显，选择合适的摆辗角是摆辗成形中重要的一步 32。我国的摆辗机其摆头倾角主要为 2或 34243。2.3.3 每转进给量 s一般设备吨位大小和摆头的功率会很大程度上影响每转下压量的值的范围，在生产中，每转下压量的值主要由锻件生产所需确定。很明显进给量越大，接触面积也就越大，那么就会更加突出摆辗中的镦粗成形部分，使得摆辗力增加。但是如果进给量 s 过小，蘑菇效应过于明显会使得金属产生卷曲折叠。为了提高效率，在蘑菇效应合适的前提下，如果设备允许，一般 s 会取较大值。下压量与进给速度的关系如下：第二章 摆辗成形原理分析13)/(60rmnvs式中：v进给速度（mm/s）；n摆头转速（r/min）；2.3.4 摆头转速 n摆头转速 n 一般由摆辗机的电机功率决定，并且极大地影响到生产效率。增大摆头转速对于摆辗机自身的稳定性和机架刚性提出了较高的要求，但是为了提高生产效率和摆辗质量，一般会将摆速取较大值。近年来，摆头摆速还有增大的趋势，主要理论依据为：高转速能够极大地缩短摆辗成形的时间，减少坯料在模腔中滞留的时间，不仅能够增加模具的寿命，也提高了高温条件下金属的流动性能，提高了摆辗成形件的质量 43。2.4 本章小结本章对摆辗成形的运动原理、变形机制都进行了分析，了解了摆辗变形的相关原理和特点；对摆辗技术的各项参数进行了分析，通过查询相关资料确定了部分摆辗参数，对后续的摆辗机选取和半轴摆辗模拟提供技术支持。第二章 摆辗成形原理分析14第三章 半轴摆辗成形设计及有限元模拟方法上一章节已经对半轴在摆辗成形过程的成形原理以及变形特点有了初步了解，本章将针对半轴的相关数据和结构特点设计半轴摆辗的相关工艺。并利用数值模拟技术对这些参数进行验证和模拟。3.1 半轴工艺设计如图 3-1 所示，是半轴零件的工程图纸，其材料为 40Cr，半轴杆部长度为894mm，杆部直径为 58mm，法兰盘直径为 220mm。由于杆部和法兰盘部分形状差异太大，一次成形太难，所以需要制坯工艺对头部进行预锻成形，一般采用油压机聚料成形。第三章 半轴摆辗成形设计及有限元模拟方法15图 3-1 半轴零件示意图汽车半轴摆辗成形的一般工艺顺序为：锯床下料电频加热炉加热油压机聚料成形电频加热炉二次加热摆辗机摆辗成形摆辗机精整成形 28。3.2 半轴三维造型及体积测量对半轴进行数值模拟分析之前，需要对半轴零件进行分析。在假设半轴摆辗过程中体积不损失的条件下，得出半轴毛坯件的体积，从而确定半轴下料体积。使用 Pro e 三维造型软件对半轴零件进行三维造型，不仅可以直观的得到整个零件的三维形态，而且 Pro e 自带的体积测量可以快速的得到半轴零件的体积。图 3-2 是半轴零件的三维造型，因为在摆辗成形以及后期加工中，半轴的杆部都基本不会参与形变，为了表达方便和后期数值模拟减少运算量，将切除 650mm 杆部坯料。图 3-3 是测量得到的切除 650mm 后半轴零件头部的体积。第三章 半轴摆辗成形设计及有限元模拟方法16图 3-2 模拟用半轴三维模型图 3-3 切除 650mm 后半轴头部体积如图 3-3 所示，测量得到的半轴头部体积为 1512966mm3，但是在半轴坯料在摆辗过程中会产生飞边和其他加工余量，摆辗加热时半轴坯料还会产生氧化现象。为了得到体积合适的半轴毛坯头部，需要对半轴零件头部的体积进行修正，取修正系数 （烧损率）为 1.0343，则修正后的体积为：V 修正 =V=1.031512966=1558355mm 3第三章 半轴摆辗成形设计及有限元模拟方法17所以在毛坯的设计过程中，毛坯体积不应小于 1558355mm3。3.3 摆辗机的选取及摆辗参数的确定3.3.1 摆辗机的选取我国生产的摆辗机种类繁多，型号也各异。选取合适的摆辗机进行半轴摆辗工艺是至关重要的。在某底盘股份有限公司毕业实习后，该企业使用的摆辗设备为 DWY99-200 卧式汽车半轴摆辗机，摆辗机相关参数见表 3-1。表 3-1 DWY99-200 卧式摆辗机相关参数公称摆辗力（KN） 2000摆头偏角（度） 3热辗工件最大直径（mm） 230棒料长度范围（mm） 不限摆辗油缸最大行程（mm） 400压紧油缸最大行程（mm） 400压紧合模力（KN） 2000压紧合模行程（mm） 400夹持工件最大直径（mm） 80总功率（KW） 853.3.2 摆辗参数的确定在 1.3.2 中已经确定半轴摆辗成形模拟需要控制变化的因素为半轴毛坯形状和进给速度，则其他的摆辗参数需要确定下来并使得这些参数在摆辗过程总始终不发生变化。已知零件材料为 40Cr，摆头摆角为 3，在三维造型中已经确定其轴线方第三章 半轴摆辗成形设计及有限元模拟方法18向为 Y 轴，那么摆头公转轴和坯料进给方向都是 Y 轴。（1）自转轴的确定自转轴是摆头自身的轴线位置，在 DEFORM 中通过设定 z=0 时自转轴的位置即可。确定自转轴需要两点，第一点可以选取为摆头顶点（0,0,0），第二点选取单位圆与轴线的交点，那么根据三角函数可以得出坐标：x=1*sin3=0.052335956； y=1*cos3=0.998629534； z=0.所以自转轴的坐标可通过点（0,0,0），（0.0523360,0.9986295,0）两点确定。（2）摆辗转速摆辗转速是摆辗成形中较为重要的一个参数，它的快慢直接影响摆辗成形金属流动的快慢，影响半轴摆辗成形质量的高低。经查阅相关资料和摆辗机参数，确定摆辗转速为 200r/min，即 20.95rad/s2332。（3）成形温度和热变形摩擦系数半轴材料为 40Cr，这种材料的热变形最佳温度为 10001200，半轴摆辗成形过程中由高频加热炉加热。在摆辗过程中坯料本身由于做功会产生热量，但同时也在和周围的环境发生热交换，通过查阅相关资料和工厂实际生产情况，选取加热温度为 1150。半轴摆辗是属于热变形，并且上模和坯料之间属于滚动摩擦，润滑情况较为良好，所以热变形摩擦系数选取 DEFORM 中的推荐系数 0.3 为宜。综上所述，半轴摆辗成形的相关参数总结至表 3-2。表 3-2 摆辗相关参数第三章 半轴摆辗成形设计及有限元模拟方法19零件材料 40Cr(AISI-5140;DIN-41Cr4)材料类型 Plastic坯料加热温度 1150摆头摆角 =3自转轴 x=0.052335956， y=0.998629534， z=0.公转轴 Y 轴摆头自转摆速 n=200r/min=20.95rad/s摆头公转摆速 n=200r/min=20.95rad/s热变形摩擦系数 0.33.4 DEFORM 简介DEFORM-3D 是一款针对复杂金属成形过程的过程模拟分析软件，它主要是基于有限元系统分析成形过程中的三维金属流动情况。能够实现包括摆辗、锻造、轧制、旋压和其他成形工艺在内的各种模拟分析，不仅其运算精确可靠，而且容易上手，易于使用。DEFORM 的成形分析功能主要是对各种冷、温、热变形的材料流动、模具填充和成形载荷等信息的获取。它不仅能够预测变形中的缺陷形成和坯料破裂等情况，还能对模具的相关受力情况进行分析。DEFORM 的热处理功能主要包括模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程，预测工件的硬度、晶粒组织成分以及各种传热和相变等。数据表现形式有等值线、云图、矢量图等，具有 FLOWNET 和点迹示踪等后处理功能，功能强大，结果直观准确，是一款成功的 CAE 模拟软件。3.5 本章小结 本章对汽车半轴及其加工工艺进行了分析，通过三维造型软件 Pro e 对半轴进行三维建模，测量半轴体积，进行体积修正；本章还通过相关资料选取了摆辗机，并确定了半轴摆辗成形模拟的相关参数，列入表格直观表现。第三章 半轴摆辗成形设计及有限元模拟方法20第三章 半轴摆辗成形设计及有限元模拟方法21第四章 半轴摆辗成形有限元模拟分析本章节主要是通过控制坯料形状和进给速度，使用有限元分析软件DEFORM-3D 进行半轴摆辗成形过程的模拟，并对摆辗过程和结果进行分析，从工件成形质量，成形应力以及预测成形缺陷等角度判断设计合理性，并对各种方案进行对比，优选出最合理的工艺参数组合。为了减少试验的样本，降低工作量，借鉴于正交试验原理和方法，确定了 3 种不同的坯料形状和 3 种进给速度，并将这 9 种方案列于表 4-1。表 4-1 半轴摆辗成形数值模拟方案速度形状圆柱形坯料设计方案圆锥形坯料设计方案锥柱形坯料设计方案进给速度 1 10mm/s 10mm/s 10mm/s进给速度 2 20mm/s 20mm/s 20mm/s进给速度 3 30mm/s 30mm/s 30mm/s4.1 圆柱形坯料设计方案4.1.1 圆柱坯料形状设计与数值模拟根据半轴摆辗成形数值模拟方案，首先在 Pro e 中进行形状的设计，并控制体积，如图 4-1 所示为圆柱形坯料的二维图和三维造型图。第四章 半轴摆辗成形有限元模拟分析22图 4-1 圆柱形坯料方案设计切除杆部 650mm经过软件测量模型体积为1569348mm3，较修正后的体积更大一些，在设计公差范围之内，设计合格。将设计好的圆柱形坯料三维造型转为 STL 文件，导入DEFORM-3D 进行数值模拟，如图4-2 所示。设置好各项参数和边界条件，计算出坯料进给量，设置好模拟步数，生成模拟数据库文件。回到主页面进行模拟，模拟成功后在后处 图 4-2 DEFORM 数值模拟示意图理界面进行分析操作。第四章 半轴摆辗成形有限元模拟分析234.1.2 模拟结果分析如图 4-3、4-4、4-5 所示，分别是圆柱形坯料在进给速度分别为10mm/s、20mm/s、30mm/s 时的摆辗模拟过程。按照进给量 s 的逐渐增加，把每个进给速度的模拟过程分为了 5 个阶段，以便于进行分析。当进给速度为 10mm/s 时，整个摆辗过程金属的流动性能较好，流动较为均匀，坯料能够完全进入下模并充满模腔。半轴成形件未出现折叠或凹陷等缺陷，允许少量飞边。成形中较好地利用了摆辗的蘑菇效应，金属的局部成形优势凸显，成形件的成形质量较高。当进给速度为 20mm/s 时，圆柱形坯料摆辗时蘑菇头不明显，金属流动性能一般，这表明摆辗过程中的蘑菇效应减弱。摆辗中还出现材料偏移，坯料中心线倾斜的情况。这是因为随着进给速度的增加，摆头每转带动流动的金属越来越多，金属之间的摩擦力也增大，表现为摆辗力逐渐增加，摆辗抗力逐渐增大。这表明金属的流动随着进给速度的增大而开始受到阻碍，并最终反映为材料一边多一边少,中心线倾斜的情况。成形件未能充型完整，并出现折叠和凹陷等缺陷，成形质量不佳。当进给速度为 30mm/s 时，摆辗中的蘑菇头大大减小，当进给量为 60mm 时出现“ 滑轮形”的蘑菇效应 40。这是因为工件高径比 H/D1，如果进给速度太快，会出现上下模压力穿不透，于是邻近上下模的金属便从两端发生塑性流动，形成s=0mm s=30mm s=60mm s=90mm s=100mm图 4-3 圆柱形坯料进给速度为 10mm/s 时的成形过程模拟第四章 半轴摆辗成形有限元模拟分析24s=0mm s=30mm s=60mm s=90mm s=100mm图 4-4 圆柱形坯料进给速度为 20mm/s 时的成形过程模拟s=0mm s=30mm s=60mm s=90mm s=100mm图 4-5 圆柱形坯料进给速度为 30mm/s 时的成形过程模拟两端大中间小的“轮滑形”坯料 40。“滑轮形”坯料继续摆辗，两端继续变大，并向中间靠拢，使得坯料中部被挤压折叠，最终在成形件上出现折叠缺陷。在摆辗过程中，坯料偏移情况较为严重，随着坯料的进给，还会有部分坯料被挤压出下模，坯料流失最后导致模腔内无法充满。这种情况是进给速度为 20mm/s时材料偏移特性的加剧，这说明随着进给速度的增加，摆辗中的金属流动的确越来越困难。