十字轴模锻工艺设计与数值模拟

西安航空职业技术学院毕业设计论文引言近几年，我国汽车制造业可以说是我国制造业发展的代表，大部分国外厂商的注入，国有品牌的崛起，共同满足着我国国民对私家车日益增长的需求。而汽车转向节中的十字轴正是汽车转向系统中必不可少的组成部分，而且承担着重要分量的安全责任。随着科学技术水平的发展，现阶段生产十字轴的加工方法主要有机加工，热锻，冷挤压等。利用机加工方法生产十字轴，机加工生产出来的十字轴力学性能和金属内部流线结构上受到了限制和破坏，所以一般不易采用此种方法加工。利用热锻方法生产十字轴，由于金属在加热变形过程中，一般情况下其塑性、韧性好，产生断裂的倾向性减少，热锻一般不易产生织构，十字轴的择优取向性较小。利用冷挤压方法生产十字轴，可获得理想的表面粗糙度和尺寸精度，材料利用率高，成形十字轴内部结构组织均匀，有合理的纤维流线分布，但进行冷挤压加工所需要的条件很高，如需要的设备吨位大，模具很容易磨损，生产过程中，从模具设计、润滑到工艺工序的安排都很复杂，而从我国基本国情的角度出发，在我国目前的科学技术水平下，还是有相当的困难，国内使用的还不普遍，而在我国普遍采用热锻方式加工十字轴，我们有成熟的经验可以借鉴，所以，本课题将以热锻十字轴零件为研究对象，对十字轴热锻成形工艺进行研究设计。2冷锻件图的制定2.1零件的工艺性分析如下零件图2-1从上可知，该零件属于完全对称图形。十字轴起传递动力的作用，承受很大的载荷，采用强度和韧性都好的的材料20GrMnTi。三个圆柱端面需要机械加工，加上公差余量。以其中一个端面为基准锻造机械加工为成形，该零件采用热模锻曲柄压力机。热锻的成形工艺。利用传统的模锻工艺：墩粗一模锻一切边。由于该零件面为圆弧过渡，只有中间为矩形块，且厚度较小，无需设计起模斜度。零件图2-1技术要求：1.热处理后硬度在55-65HRC2.表面粗糙度为Ra=6.32.2确定锻件的主要参数2.2.1分摸面的确定分摸面的基本要求是保证锻件的形状尽可能的与零件形状形同，以及锻件容易从模堂中顺利取出。因此锻件的侧表面上不得有内凹的形状。确定分摸面时应考虑以墩粗成形为主，此外还要考虑提高材料利用率，一般情况下热模锻压力机的分摸面选择原则与锤上模锻相同，因此该零件分摸面选择在零件的最大横截面处.分摸面如下图2-2图2-22.2.2公差与机械加工余量的确定确定加工余量的方法有计算法、查表法和经验法三种。查表法此法主要以根据工厂的生产实践和实验研究积累的经验所制成的表格为基础，并结合实际加工情况对数据加以修正，确定加工余量。这种方法方便、迅速，在生产上应用较广泛。本次采用查表法。加工余量与公差的确定与锻件形状的复杂程度，成品零件的精度要求，锻件的材质，模锻设备，工艺条件，热处理的变形量，校正的难易程度，机械加工的工序等许多因素有关。经查锻造模具简明设计手册，表5.9知锻件高度上公差为+1.4mm，下公差为-0.7mm.查表5.10知锻件水平尺寸上公差+1.5mm，下公差为-0.7mm.查表5.25知模锻件机械加工单边余量1.75mm。2.2.3圆角半径的确定锻件上凸起和下凸起的部位均应刚带有适当的圆角，不允许出现锐角。凸圆角的作用是避免模锻在热处理时和模锻过程中因应力集中导致开裂，也使金属容易充满相应的部位。凹圆角的作用是使金属容易流动，防止模锻件产生折叠，防止模堂过早磨损和被压塌。为适应制造磨具所有刀具的标准化，可按照以下序列值设计半径。1.5,2.02.53.04.0。在同一锻件上选定的圆角半径规格应该一致。圆角半径的大小与模锻件各部分高度H以及高度H与宽度B的比值H/B有关，可按照下列公式计算：当H/B<=2时r=0.05H+0.5,R=2.5r+0.5当4>H/B>2时r=0.05H+0.5,R=3.0r+0.5当H/B>4时r=0.05H+0.5,R=3.5r+0.5由公式得该零件H/B=24.98/24.98=1十字轴四个端面的圆角半径r=0.05*24.98+0.5=1.749mm因此取r=2mm十字轴四个内端面的圆角半径r=0.05*34.98+0.5=2.249mm因此取r=2.5mm2.3绘制冷锻件图锻件图是锻造最后的锻件，是机械加工时指定加工工艺过程，设计加工夹具的依据。一般冷锻件图成为锻件图，用于最终锻件检验和热锻件图设计，冷锻件是指在再结晶温度以下的成型加工产品，是在回复温度以下进行的锻造件。生产中习惯把不加热毛坯进行的锻造件称为冷锻件。综上可绘制锻件图如下图2-2锻件图2-3技术要求：1.锻件端面平行度误差为0.1mm2.热处理后硬度在55-65HRC3毛坯尺寸的确定3.1坯料体积的计算首先按下式3.1计算体积。（3.1）该锻件无需冲孔，没有冲孔连皮。由如下Pro/E图3-1可知，由经验公式知。查表5-7得=1.5%。综上得坯料图3-13.2计算坯料尺寸在求出坯料的体积后，根据各类锻件的形状和变形特点，可以确定坯料的直径。该锻件主要以墩粗挤压方式成形，坯料的长度与直径的比值应该在之间。公式3.2坯料直径：（3.2）可得=51.28mm取国际标准的圆钢规格=55mm。选定国际标准的圆钢规格后计算出坯料的长度：=110.95mm4设备吨位的确定模锻锤、螺旋压力机、热模锻压力机是锻造行业的三大主力模锻设备，模锻锤是在中批量或大批量生产条件下进行各种模锻件生产的锻造设备，可进行多型模锻，由于它具有结构简单、生产率高、造价低廉和适应模锻工艺要求等特点螺旋压力机适用于模锻、镦锻、精压、校正、切边、弯曲等工序。但由于螺旋压力机的平均偏载能力远小于热模锻压力机和锻锤。因此，螺旋压力机不适合一次加热完成几道工序机架和曲柄连杆机构的刚性大，工作中弹性变形小，热模锻压力机属于曲柄连杆传动的锻压设备，其吨位是指滑块距下死点前一定距离内，压力机所允许的最大作用力。模锻可以得到精度较高的锻件。压力机的工作行程固定，一次行程完成一个工步。设有自动顶出装置。设备吨位的确定一般有经验公式和理论公式两种方法。该零件采用经验公式来计算。热模锻所需变形力可按经验公式4.1选：（4.1）查锻造工艺与模具设计表7-8得1.4,A=4747.77mm。5模锻工步的选择5.1模锻工步方案的确定本次设计得锻件为十字轴，为墩粗成形，热模锻压力机上采用预锻工步的目的是主要是是坯料接近锻件形状，终锻时金属能更好的充满模堂，避免形成折叠，夹层等缺陷。本次设计采用其设计的工步为墩粗-预锻-终锻的成形方式，进而锻造出优质的锻件。该锻件采用一摸一件的成形过程，墩粗后你的坯料直径应与预锻十字轴模腔的直径大小相近。5.2模锻工步图的绘制取墩粗后的坯料直径为64mm，依据体积不变原则可得坯料的高位72mm。为使预锻后的毛坯在终锻时以墩粗成形为主，。预锻的目的就是实现坯料的预成形，为终锻提供合理的坯料分配。但预锻结束后会产生飞边，这些飞边会导致终锻工艺力增加，所以设计预锻模膛深度比终锻模膛深。终锻变形更困难预锻模堂的高度尺寸比终锻模堂相应的大2-5mm，而宽度尺寸小1-2mm，圆角半径应大于终锻模堂的圆角半径2-5mm。终锻模堂的尺寸应是冷锻件加上热收缩率所得到的各部分的尺寸。模锻工步的如下图5-1所示。模锻工步图5-16模膛的设计6.1终锻模膛的设计6.1.1确定热锻件图终锻模膛按热锻件图制造，热模锻压力机上热锻件图的设计方法与锤上模锻相同。是将锻件图的所有尺寸加上收缩率绘制的。热锻件图是用于锻模设计和加工制造。热锻件图通过机械制图反映在锻模图中，是锻模设计、制造和检验的一项重要技术文件之一该零件为20GrMnTi，属于刚锻件，收缩率一般为1%-1.5%.本锻件取1.3%。绘制热锻件图如下图6-1：未注圆角r=2.5热锻件图6-16.1.2飞边槽的确定热模锻压力机上飞边槽的形式和锤上模锻相似，飞边槽的作用是增加金属流出模膛的阻力，迫使金属充满模膛。设计锤上模锻飞边槽的尺寸有两种方式。吨位法和计算法，该次采用吨位法。查锻造模具简明手册表8.6知飞边槽的尺寸：。可绘制出终锻模膛飞边槽形状尺寸如下图6-2：飞边槽图6-26.2预锻模膛的设计为使预锻后的毛坯在终锻时以墩粗成形为主，预锻的目的就是实现坯料的预成形，为终锻提供合理的坯料分模配。但预锻结束后会产生飞边，这些飞边会导致终锻工艺力增加，所以设计预锻膛深度比终锻模膛深。预锻模膛的高度尺寸比终锻模膛相应的大2-5mm，而宽度尺寸小1-2mm，从传统工艺对金属流动性的分析可以得出坯料向髋部流动是飞边产生的主要原因，因此，通过改进模具的型腔外形，减少坯料在受压时向髋部的流动。以传统工艺下即将出现飞边时，坯料的形状为预锻型腔的造型，再按照改进原则进行模具的优化。改进的方法是将两轴之间容易产生飞边的部位采用较大的圆角过渡，提高料的流动性，使飞边只能在较大的压下量下出现，保证预锻的成形效果。该预锻无需设计飞边槽。(3)预锻模膛的圆角半径一般大于终锻模膛，这样可以减轻金属流动阻力，防止产生折叠。根据经验圆角半径，单位mm，可按下式6.1计算。（6.1）取6.3墩粗台的设计使毛坯高度减小、横断面积增大的锻造工序叫作镦粗。该锻件为完全对称锻件，在模锻时常采用墩粗变形工步，其作用为去除氧化皮，更重要的是墩粗后的坯料能在变形过程中充满模膛和不发生弯曲，为在预锻做好准备。墩粗台设计如下图6-2所示。查锻造模具简明手册表8.9得7锻模结构的设计7.1模块的设计模块尺寸除与模膛数、模膛尺寸、排列方式和模膛间最小壁厚有关外，还须考虑承击面，模块宽度，模块宽度，模块长度。装在模架上的热模锻曲柄压力机用锻模的模块，按形状分为圆形和矩形两种。圆形模块加工方便，适用于模锻回转体锻件，矩形模块可适用于模锻任何的锻件。模块可分为整体式、镶块式、整体式模块易制造，简单。本次设计采用整体式模块，键式矩形模架，可查锻造模具简明设计书册表8.22得：模块规格7.2锻模总体结构及高度尺寸的设计摸座高度在可能下选取最大值，以容纳有足够行程的顶料装置，锻模各零件高度尺寸可按照设备吨位来确定。可查锻造模具简明设计书册表8.12得：上下模块间的间隙可以补偿模具制造和安装的微小误差，防止设备闷车。上下模块间的间隙和和飞边槽的桥部厚度相同，即可得综上可知锻模的闭合高度H：（7.1）式中：可知H=680mm。7.3模膛的布排模锻一种锻件，往往要采用多个工步完成。因此锻模分模面上的模膛布置要根据模膛数、各模膛的作用以及操作是否方便来确定，原则上应使模膛中心（模膛承受反作用力的合力点）与理论上的打击中心（燕尾中心线与键槽中心线的交点）重合，以使锤击力与锻件的反作用力处于同一垂直线上，从而减小锤杆承受的偏心力矩，有利于延长锤杆使用寿命，减小导轨的磨损和模块燕尾的偏心载荷，在保证应有的打击能量和锻模有足够强度的前提下，应尽量减少模块尺寸，这样，模块寿命长，锻件精度高。当模面上既设有终锻模膛，又有预锻模膛和制坯模膛时，可选择平行布排。将各工步模膛平行布排在模面上，本次采用平行布排，经查锻造模具简明设计手册表8.45得预锻模膛与终端模膛之间的距离为116mm，预锻模膛与墩粗台间距离为90mm，导向装置分别分布在锻模的四角。7.4顶料装置的设计模架内设有顶料装置，用于传递热模锻压力机顶料力。该零件为完全对图形，使用单顶杆时，为保证锻件能平稳顶出，必须使用顶杆处于锻件的中心或中心附近，本次设计采用直接式顶料机构。该零件无需设计排气孔，设计顶料装置与锻模装置之间的空隙即可排气订料装置设计在锻件的中心。顶料装置设计如下图7-1所示。图7-1墩粗台图6-28导向装置的设计热模锻压力机锻模采用导向装置主要是为了减少模具错移，提高锻件精度，便于模具调整。导柱要有足够的强度和刚度以承受模锻过程中产生的错移力，导柱和导套之间应留有足够的间隙以补偿制造中的偏差、设备滑块和工作台的不平行度、锻造过程中的自身受热膨胀等因素的影响。8.1导柱的设计经查锻造模具简明设计手册表8.28得：导柱的材料：20钢，得如下图8-1:8.2导套的设计经查锻造模具简明设计手册表8.28得：导套的材料：20钢，得如下图8-2::导柱图8-1导套图8-28.3刮圈的设计经查锻造模具简明设计手册表8.28得：刮圈的材料：黄铜，得如下图8-3刮圈图8-310装配图的绘制可以绘制装配图如下图10-1所示装配图10-111锻件的加热规范与后续处理11.1锻件的加热规范原材料在锻造之前必须要按照锻件的大小和工艺要求切割成一定的坯料。本次的下料方法采用应用最普遍的锯切的方法。锻造的加热方法有燃料加热、电加热等。电加热有电阻炉加热，接触电加热，盐浴炉加热，感应加热。电阻炉加热操作方便，加热温度易控制。本次加热方法用电阻炉加热。经查锻造模具简明设计手册表1.12得：20GrMnTi的锻造温度范围900℃--1200℃。坯料的直径或边长小于300mm时,20GrMnTi的最高允许装炉温度为900度。根据实际情况取800℃为装炉温度，加热时间为0.5h，单列顺排装料最小保温时间为2h，总加热时间为2.5h。可得出本次加热的加热规范如下图11-1加热规范图11-111.2锻件的冷却锻件的冷却规范制定的关键是冷却速度，锻件的冷却方法有：在空气中冷却、在坑（箱）内冷却、在炉内冷却。锻件的冷却方法应根据材料的性质、锻件的形状、尺寸和锻造变形情况，等因素来确定合适的冷却速度。一般，合金化程度低、断面尺寸较小、形状比较简单的锻件可以冷却速度较快，比如可以锻后空冷；反之，则需缓冷或分阶段冷却。该零件为20GrMnTi，为合金渗碳钢；锻件尺寸较小，考虑到企业的经济性，本次采用在空气中冷却。11.3锻件切边的选择模锻件的冲切方式应根据锻件的材料性质，形状尺寸以及工序间的配合等因素综合考虑。对于冷切而言，所需设备吨位大，锻件容易产生裂纹。所以本次采用热切方法。11.4锻件的热处理锻件的热处理是调整锻件的硬度，利于切削加工，消除锻件的内应力。避免机械加工时变形，改善组织，消除白点等。该零件为20GrMnTi，为合金渗碳钢，可用调质的方法对锻件来进行热处理。热处理规范：淬火:第一次880℃,第二次870℃,油冷;回火200℃,水冷、空冷即可。锻件的热处理如下图11-2。为了使锻件具有更好的硬度与耐磨性最后对锻件渗碳淬火，使用热处理设备为：渗碳炉。热处理图11-212deform软件的数值模拟12.1上下模膛Pro/E的绘图首先，创建一个新文件，进入建模功能。点击【新建】，选择制造、模具型腔，使用缺省模板，点击【确定】，选择毫米单位。点击【确定】，再点击工具条选项中的【装配】，点击【创建】【手动】【自动】【确定】。点击工具条选项中的【拉伸】，选择xoy平面作为草图平面，第一步画出一个长宽分别为240*240的一个矩形模块然后也是运用【拉伸】将圆面拉伸成一个矩形。在拉伸高位130的矩形点击还是点击【拉伸】在xoy平面草绘一个长宽为240*240的一个平面图，点击【聚中】得到一个分型面。在点击分型面，在点击【特征】【抽取】。确定的到上模膛如图12-1，下模膛如图12-2，上模膛图12-1下模膛图12-212.2坯料的Pro/E绘图首先，创建一个新文件，进入建模功能。点击【新建】，选择制造、模具型腔，使用缺省模板，点击【确定】，选择毫米单位。点击【确定】，再点击工具条选项中的【装配】，点击【创建】【手动】【自动】【确定】。点击工具条选项中的【旋转】，选择xoy平面作为草图平面，第一步画出一个墩粗后坯料的半个截面图，点击如下图13-2。第二步将画出的截面图旋转成一圆台。在拉伸高为72mm的圆台型点击得到如下图12-3所示的毛坯料。坯料图12-312.3deform的数据处理打开软件DEFROM中，点击图标，单位改换成毫米。在点击【Geometry】按钮，弹出一对话框，在电脑中找到所用毛坯的stl文件，再单击点击物体信息栏中【Mesh】按钮，在【NumberofElements】栏中，滑动控制块到30000网格处，点击【Preview】按钮，预览毛坯网格划得是否理想，生成毛坯网格划分三维图，如下图12-4所示。激活毛坯，在【General】栏中找到【Material】项，点击【Loadmaterialfromlibrary】按钮，选择Steel材料中的20CrMnTi，十字轴的锻造温度为900℃-1200℃摄氏度，本次取为1100℃，在毛坯【General】中的【Temperature】中输入,1100℃。点击【Load】，完成材料数据输入然后就是添加模具，单击物体树下的【Insertobject】按钮，添加上模和下模由于本模拟不考虑，模具的变形，所以对象类型都定义为刚体（rigid）。因为只有上模是运动模，所以要激活【Primarydie】按钮，如下图12-5所示。在对象信息栏中单击【Movement】运动按钮。该模具按一定速度移动，定义速度为10mm/s,方向是向着Y轴的正方向，点击进入模拟控制设定窗口，打开【Step】模拟设置模拟步数NumberofSimulationSteps为172。每5步保存一次。点击完成后单击【OK】键。，最后进行运算。如下图12-6所示。坯料图12-4三维图12-5图12-612.4deform数据模拟结果与分析(1)图12-7是坯料在不同压下量时的变形情况的网格图。十字轴坯料在预锻过程中，首先与接触点充分接触然后在模锻压力机的作用下，发生镦粗变形金属向髋部和轴部流动在，预锻结束时，坯料首先填充髋部，然后再填充轴部。充型图12-7(2)如图12-8中可以看出，等效应力变化的均匀，没有出现跳跃性变化，等效应力在一定区域数值内的分布占了很大的面积，这就说明终锻件在相交部位没有应力相对集中的区域，由于十字轴自身的结构特点和用途，在髋部要承受较大载荷，从等效应变效果中可以看出，在整个预锻过程中，金属的流动性较好，应变性也比较好，变形区衔接连贯，应变跨度不大，没有飞边的产生，金属在向髋部流动时受到了相对小的阻力，金属容易成形。十字轴等效应力图12-8(3)如下图12-9可以看出金属流动的总体速度高，从图中可以看出金属的运动方大部分区域都是线性流动，说明金属的流动性比较好，特别是在预锻结束时，金属运动方向集中在靠近下模的两侧，朝向髋部方向，这一特点的原因是因为坯料与下模接触处的阻力小，金属流动很好，上端的金属可以受力的做用产生轴向和髋向的同时流动，离得下模越远，轴向流动更显主动。此外，注意观察，模腔的金属流动方向过渡很平缓，没有出现直接成90度的过度，可以看出金属的流动性很好，金属在填充相同区域所受的载荷减小，同时，图中可以看出金属过度平缓，由于金属朝一个方向流动困难而溢出模腔的情况，出现了少量的飞边槽。十字轴速率图12-9(4)如图12-11中可以看出模具和坯料接触的初期，模具载荷不大，随着压下量的增加，载荷增量很小趋于水平线，当进行到6.12秒时出现一个小转折，载荷增量增大并使载荷线性增加，随后一小段时间，载荷增量又减小，这是由于模具拐角与坯料接触面积太小，在将坯料压进模腔中时，相当于模具拐角切入坯料中，这样就会需要很大的载荷，随后由于坯料被切开，模具和坯料的接触面积逐渐增大，载荷的增量也就线性增加，表现在图上为有一定弧度的曲线，载荷图12-1112.5十字轴模拟的缺陷分析与改进从上图12-12中可以看出十字轴在预锻过程中髋部方向最外端的应变高与处在轴部方向的应变，其前者的应变速率也高于后者，坯料先向髋部流动。在金属流动的拐角处速率相对于其他区域来说很小，这是受到预锻模腔设计的影响，拐角不合适或存在比较大的轴肩差，阻碍了金属的流动。这样最终会导致填充轴部型腔受到影响，而髋部就像模拟所示出现飞边在预锻阶段产生飞边，不利于十字轴的最后成形，预锻飞边的存在，不仅使十字轴的终锻产生很强的应力集中，而且增大了加工载荷，而且带着飞边进行终锻还会阻碍金属在终锻模腔中的流动造成最终的锻不足。而产生预锻飞边的原因一个是预锻模腔设计的不合理，另一个是坯料的尺寸，当坯料尺寸较大时，就会产生预锻飞边，模具不能打靠，对加工精度也会有影响。从模拟结果上看，那么要消除飞边就要改变预锻模腔外形设计。通过改变预锻型腔的外形，使终锻时所用的预锻件不仅没有飞边，还能与终锻模腔有更大的接触面积，这样，就能降低加工载荷，节约能量，使金属更好的填充模腔，最重要的使坯料在成形过程中受力均匀。减少飞边槽的改进的方法是将体积精算后。将两轴之间容易产生飞边的部位采用较大的圆角过渡，提高材料的流动性，使飞边只能在较大的压下量下出现，保证预锻的成形效果。然后通过多次模拟并进行改进。缺陷图12-12结束语经过一个月的努力，在设计十字轴锻造过程中出现过很多的难题，但都在老师和同学的帮助下顺利解决了。在不断的学习中，我体会到设计论文是一个不断学习的过程，从最初刚写论文时，面临着种种难题，我深深地体会到对专业知识的匮乏，懂得了知识的重要性，只有知识与企业实践相结合才能设计出最优的方案。通过毕业设计，我深刻体会到做好一个完整的事情需要有一个系统的思维方式和方法，对待要解决的问题要有耐心，要善于运用已有的资源来充实自己，同时我也深刻体会到对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步后再做下一步，这样才能更加有效。致谢词本文是在指导教师张琳老师的悉心指导下完成的。张老师渊博的学识、严谨的治学态度和高度的责任心使我终生受益。在论文研究设计的整个过程中，张老师对我学习和生活上无微不至的关心和帮助，使我能顺利完成学业，值此论文完成之际，谨向张老师的辛勤培养致以衷心的感谢！感谢张老师在这三年来给予的教诲、关心与帮助。再次表示深深的谢意！在论文的完成期间，得到了强立行同学的热情帮助，为课题的顺利进展提供了很多建议！感谢同班的陈少波在平时工作、学习和生活中的无私帮助，愿兄弟情谊永存。在大学四年更得到家人无微不至的关怀和照顾，感谢父母对我学业的支持！他们的鼓励与支持，才能使自己安心学习、积极进取，顺利毕业。谨向在这大学三年帮助过和关心过我而在此无法一一提及的师长、同学和朋友致以诚挚的谢意。参考文献[1]：马修金.锻造工艺与模具设计.北京：北京理工大学出版社.2010.1[2]：魏汝梅.锻造工(高级工).北京：化学工业出版社.2004.1[3]：郝滨海.锻造模具简明设计手册.北京：化学工业出版社.2006.2[4]：吕炎.锻造工艺学.北京：机械工业出版社.1995.4[5]:编写组编.锻模设计手册.北京：机械工业出版社.2001.4西安航空职业技术学院毕业设计（论文）审查意见书指导教师对学生所完成的题目为的毕业设计（论文）进行情况、完成质量的审查意见：成绩：指导教师：年月日西安航空职业技术学院毕业设计（论文）评阅意见书评阅人对学生所完成的题目为的毕业设计（论文）评阅意见为：