摘要I汽車半軸擺動(dòng)輾壓成形過程數(shù)值模擬摘要汽車半軸是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要的零件，它將承受多種復(fù)雜的交變應(yīng)力，是汽車最易損壞的零部件之一。傳統(tǒng)的半軸成形工藝鍛件質(zhì)量差，效率低，弊端較多，不適于工業(yè)批量生產(chǎn)。隨著擺輾技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展，不少工廠已經(jīng)將擺輾技術(shù)用于汽車半軸的成形。研究半軸擺輾成形工藝有利于提高半軸成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率；降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益；也能提高汽車的安全性能，具有很大的研究價(jià)值和發(fā)展前景。本文以汽車半軸為研究對象，以金屬塑性成形原理為基礎(chǔ)，通過有限元數(shù)值模擬軟件 DEFORM-3D 對半軸擺輾成形過程進(jìn)行模擬分析。在研究過程中，選取了合適的擺輾機(jī)和擺輾參數(shù)，通過改變半軸坯料形狀和進(jìn)給速度，得出了不同坯料形狀在不同進(jìn)給速度下半軸的成形情況及其變化規(guī)律。通過分析擺輾中的金屬流動(dòng)情況和流動(dòng)應(yīng)力等信息，預(yù)測成形過程中可能出現(xiàn)的缺陷。將不同方案的成形過程和結(jié)果進(jìn)行對比和分析，得出了在符合相關(guān)尺寸要求的前提下，錐柱形坯料在 10mm/s 的進(jìn)給速度下擺輾成形效果最好的結(jié)論。關(guān)鍵詞：汽車半軸；擺輾成形；數(shù)值模擬技術(shù)；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目錄IV目錄摘要 IAbstract.II第一章 緒論 .11.1 選題背景與意義 11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2.1 擺輾成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀 .21.2.2 擺輾成形技術(shù)應(yīng)用于半軸生產(chǎn)的研究現(xiàn)狀 .41.2.3 使用軟件對半軸擺輾成形技術(shù)過程進(jìn)行模擬的研究 .51.3 研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)研究方法 51.3.1 主要研究內(nèi)容 .51.3.2 實(shí)驗(yàn)研究方法 .6第二章 擺輾成形原理分析 .72.1 擺輾成形運(yùn)動(dòng)機(jī)理的簡要分析 72.1.1 擺輾成形的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理 .72.1.2 擺輾成形擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡分析 .72.2 擺輾成形變形機(jī)理簡要分析 82.2.1 擺輾成形變形機(jī)理 .82.2.2 擺輾成形特點(diǎn) .92.3 擺輾成形的重要工藝參數(shù) .10目錄V2.3.1 接觸面積系數(shù) .102.3.2 擺頭傾角 .102.3.3 每轉(zhuǎn)進(jìn)給量 s 102.3.4 擺頭轉(zhuǎn)速 n 112.4 本章小結(jié) .11第三章 半軸擺輾成形設(shè)計(jì)及有限元模擬方法 123.1 半軸工藝設(shè)計(jì) .123.2 半軸三維造型及體積測量 .123.3 擺輾機(jī)的選取及擺輾參數(shù)的確定 .143.3.1 擺輾機(jī)的選取 143.3.2 擺輾參數(shù)的確定 143.4 DEFORM 簡介 .153.5 本章小結(jié) .16第四章 半軸擺輾成形有限元模擬分析 174.1 圓柱形坯料設(shè)計(jì)方案 .174.1.1 圓柱坯料形狀設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬 174.1.2 模擬結(jié)果分析 184.2 圓錐形坯料設(shè)計(jì)方案 .214.2.1 圓錐坯料形狀設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬 214.2.2 模擬結(jié)果分析 214.3 錐柱形坯料設(shè)計(jì)方案 .244.3.1 錐柱坯料形狀設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬 24目錄VI4.3.2 模擬結(jié)果分析 244.4 方案比較 .264.5 本章小結(jié) .28第五章 結(jié)論與展望 295.1 主要工作 .295.2 結(jié)論 .295.3 展望 .30參考文獻(xiàn) .32致謝 .35第一章 緒論1第一章 緒論1.1 選題背景與意義汽車半軸是組成汽車系統(tǒng)的一個(gè)重要的傳力零件，位置位于汽車的差速器與汽車的驅(qū)動(dòng)軸之間。半軸的設(shè)計(jì)分為三個(gè)部分：花鍵、桿部、法蘭盤?；ㄦI與半軸齒輪嚙合，法蘭盤則與車輪連接，這樣汽車半軸就將差速器傳遞來的力矩傳遞給車輪，以驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。汽車常用的半軸有兩大分類，根據(jù)支承形式不同分為全浮式和半浮式兩種。全浮式半軸在工作時(shí)僅承受轉(zhuǎn)矩，它的兩端不承受任何力和彎矩。半浮式半軸除了傳遞轉(zhuǎn)矩外還要承受車輪傳來的垂直力、驅(qū)動(dòng)力以及側(cè)向力引起的彎矩 123。但是無論是全浮式半軸還是半浮式半軸，它們都會(huì)在汽車啟動(dòng)、行駛以及停止的交替過程中不停地受到交變扭矩以及沖擊載荷的作用從而導(dǎo)致半軸開裂。復(fù)雜的受力情況對半軸質(zhì)量提出了較高的要求，提高半軸的質(zhì)量將大大地提高汽車的安全系數(shù)，減少交通事故的發(fā)生，具有相當(dāng)高的現(xiàn)實(shí)意義 23。汽車半軸的傳統(tǒng)成形方法為錘鍛工藝，但是這種工藝即將面臨淘汰。這種工藝需要三套模具，且錘鍛使模具易磨損和損壞，成本高。在成形過程中工人需要反復(fù)搬動(dòng)模具和工件使得工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低下。另外，錘鍛得到的工件同軸度，平行度以及軸中心線的垂直度等誤差較大，使得鍛件質(zhì)量差，精度低。錘鍛機(jī)的震動(dòng)以及噪音對工人的健康和安全造成了隱患，所以工作環(huán)境差也成了錘鍛工藝的一大缺陷 4?，F(xiàn)在國內(nèi)的半軸生產(chǎn)主要是使用擺輾技術(shù)成形，這是一種連續(xù)的局部加載回轉(zhuǎn)成形的加工工藝，這種加工方法是利用上模繞著中心線連續(xù)滾動(dòng)從而對毛坯局部施加壓力。如果上模的母線是一直線，那么擺輾形成的工件表面則是平面；如果上模母線是曲線，則工件表面為復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)曲面 5。在擺輾鍛造中，金屬材料部分與上模接觸，使得工件只會(huì)承受較小的鍛造力。金屬材料在擺輾過程中不僅沿著進(jìn)給方向流動(dòng)，而且會(huì)隨著上模的圓周運(yùn)動(dòng)，在摩擦力的作用下沿著徑向和圓周方向流動(dòng)，由于在擺輾時(shí)接觸面積較小，所以摩擦力和鍛造力都是普通鍛造方法的幾分之一。與傳統(tǒng)鍛造工藝相比較，擺輾鍛造工藝對半軸成形具有以下優(yōu)點(diǎn):第一章 緒論2（1）鍛造力小，降低設(shè)備的噸位。擺動(dòng)輾壓是連續(xù)局部變形，接觸面積小，變形力也隨之變小。經(jīng)試驗(yàn)證明，加工相同的鍛件，擺輾輾壓力僅僅是普通鍛造方法的 1/5 1/20。由于其鍛造力較小，所以采用的設(shè)備噸位也可以相應(yīng)降低，。（2）鍛件質(zhì)量好，精度高，節(jié)省原材料。擺動(dòng)輾壓過程中，金屬是在低應(yīng)力條件下變形，金屬的流動(dòng)性能更好。如果擺輾的模具制造精度高，擺輾成形的金屬零件其精度可達(dá)到 0.03mm0.1mm，一般的擺輾件可以不需要進(jìn)行切削加工，節(jié)約成本和原材料，同時(shí)提高生產(chǎn)效率。（3）擺輾適合加工比較薄而且形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)類鍛件，但是這類鍛件沒有辦法使用普通的鍛造工藝得到。因?yàn)樵阱懺爝^程中，平均單位壓力與坯料的高徑比有較大的關(guān)系，高徑比越大，變形力越大，而且工件越薄，差別越明顯。而擺輾鍛造的鍛造力比普通鍛造的小，相當(dāng)適合加工此類鍛件。（4）工人工作環(huán)境好，工作強(qiáng)度低。擺輾鍛造全程幾乎可以達(dá)到機(jī)械化和自動(dòng)化，在擺輾過程中，噪音較小，震動(dòng)較低。（5）模具壽命高。擺輾鍛造與傳統(tǒng)鍛造相比，其鍛造力較小，模具承受的載荷較小，而且模具不用承受較大的沖擊載荷。在擺頭與工件局部接觸過程中，模具某區(qū)域受到間歇性載荷的作用。這些都使得整副模具更耐磨，失效慢，壽命長。（6）成本低，經(jīng)濟(jì)效益高。首先降低了設(shè)備的噸位，使得能耗低。其次加工精度高，幾乎不用進(jìn)行切削加工，節(jié)省原材料。由于較容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，大大增加了生產(chǎn)效率。有研究證明，在獲得相同的利潤時(shí)，采用擺輾工藝所需要的生產(chǎn)批量要小于普通鍛造工藝。并且計(jì)算得到的投資回收期普通鍛造需要 2.55 年，而擺輾鍛造只需要 0.32 年。這些因素都降低了企業(yè)的成本，使得經(jīng)濟(jì)效益得到提高。因此，擺輾鍛造工藝比普通的鍛造方法優(yōu)勢更加明顯。其生產(chǎn)效率高，鍛件質(zhì)量好，成本低，經(jīng)濟(jì)效益高 2345678。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀第一章 緒論31.2.1 擺輾成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀擺輾技術(shù)首創(chuàng)于 20 世紀(jì)初，是由美國的 E.E.Slick 在 1900 年以前提出的一種金屬塑性加工方法。他造出了世界上第一臺(tái)擺輾機(jī)-Slick 機(jī)并獲得多項(xiàng)美國專利。Slick 機(jī)最初只有自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并無擺動(dòng)，主要代替大型鍛壓設(shè)備用于鋼錠的開坯鍛造，后來也用于大型車輪坯的生產(chǎn)，直到 1980 年 Bethlehem 鋼鐵公司對其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制造 3910。英國也是世界上最早對擺輾技術(shù)進(jìn)行研究的少數(shù)國家之一。英國人H.F.Massey 于 20 世紀(jì) 20 年代開始對擺動(dòng)輾壓技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了擺頭公轉(zhuǎn)的擺輾機(jī)，并且獲得擺輾技術(shù)專利。但是由于模具壽命以及經(jīng)濟(jì)效益的原因，擺輾技術(shù)在英國的發(fā)展受到制約，直到 1960 年索爾夫特大學(xué)的 Slater 教授又重新開始研究擺動(dòng)輾壓并設(shè)計(jì)了一臺(tái) 100KN 的擺輾機(jī)。1973 年馬賽公司建造了一條全自動(dòng)的生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線有震動(dòng)送料裝置、電感應(yīng)加熱爐、150 型擺輾機(jī)、自動(dòng)出料裝置和切邊機(jī)等 5 個(gè)部分。后來英國的主要科研單位都將精力放在了理論研究上，對擺輾技術(shù)的應(yīng)用比較忽視，以至于除了 1976 年諾丁漢大學(xué)的 300KN 擺輾機(jī)之外，英國的擺輾制造技術(shù)相對遲滯。但是英國的擺輾技術(shù)在世界上仍然處于領(lǐng)先地位，對國際回轉(zhuǎn)加工工藝的發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響。第一屆和第二屆國際回轉(zhuǎn)加工會(huì)議都在英國召開 5101112。波蘭對擺輾技術(shù)的研究起步晚于英國，但是在很短的時(shí)間內(nèi)就在擺輾機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)方面取得了不小的成就 11。1967 年波蘭華沙工業(yè)大學(xué)的Marciniak 教授成功研制了 PXWP 型擺輾機(jī)，設(shè)計(jì)了擺輾分塊模具,并取得了專利。并從理論上分析了圓環(huán)的擺輾成形以及帶有圓盤型聯(lián)接轂盤的法蘭件的溫?cái)[輾成形過程。華沙第一壓力自動(dòng)機(jī)廠在同年研制出了第一臺(tái)四軌跡擺輾機(jī)，并且該廠還是最早開始出口 1600KN 和 2000KN 擺輾機(jī)的廠家。其擺輾機(jī)手動(dòng)設(shè)置參數(shù)，有四種軌跡種類可供選擇，可加工各種復(fù)雜零件，是當(dāng)時(shí)世界上最可靠的一類擺輾機(jī)之一，并且價(jià)格便宜，所以各國都從波蘭進(jìn)口擺輾機(jī)。但是設(shè)備更新?lián)Q代慢、自動(dòng)化程度低、電氣控制簡易、噸位小等不足之處使得波蘭的擺輾機(jī)逐漸跟不上時(shí)代的發(fā)展 31011。亞洲地區(qū)中國和日本在擺輾機(jī)的研究上幾乎同時(shí)起步，日本于 1972 年研制出第一臺(tái)擺輾機(jī)，1973 年制造出 1200KN 樣機(jī),1983 年研制出 2000KN 的擺輾機(jī)第一章 緒論4并投入使用，日本國內(nèi)先后研制出了 7 種規(guī)格的擺輾機(jī)，分別為300KN、1000KN、1200KN、1500KN、1600KN、2000KN、2500KN 的擺輾機(jī)。日本的工業(yè)應(yīng)用主要用于法蘭、齒輪、離合器摩擦片等零件的大量生產(chǎn) 10。日本還采用擺輾工藝與其他成形技術(shù)復(fù)合的復(fù)合成形技術(shù)生產(chǎn)復(fù)雜的零件，并在金屬粉末的擺輾成形以及管形零件的擺輾成形上取得了相關(guān)突破 13。著名的森鐵株式會(huì)社作為日本生產(chǎn)擺輾機(jī)的主力廠家生產(chǎn)的擺輾機(jī)機(jī)架剛性好，穩(wěn)定性高，潤滑和密封性能好，考慮了冷、溫、熱擺輾各種溫度的需求，擺輾機(jī)的適用范圍更廣 3111415。我國對擺輾技術(shù)的研究雖然較晚，但極為重視。1972 年上海電機(jī)鍛造廠開始研制擺輾機(jī)并于次年研制出第一臺(tái) 2000KN 的擺輾機(jī)。此后，擺輾技術(shù)在國內(nèi)開始逐步發(fā)展。哈爾濱汽車齒輪廠應(yīng)用 HNJ-400 型擺輾機(jī)生產(chǎn)汽車后橋圓柱被動(dòng)大齒輪坯。1977 年 5 月,東北重型機(jī)械學(xué)院和齊齊哈爾齒輪廠合作研制成功了一臺(tái)擺輾機(jī)對東方紅-54 拖拉機(jī)被動(dòng)齒輪進(jìn)行了擺輾工藝試驗(yàn)取得成功。1975 年，北京工具廠開始進(jìn)行熱擺輾高速鋼鋸片銑刀工藝和對碗形直齒插刀片坯的擺動(dòng)輾壓試驗(yàn)均獲得了成功。1978 年，上海新華軸承廠和上海機(jī)械制造工藝研究所使用擺輾機(jī)冷輾壓止推軸承溝道,一次成形,使得軸承綜合性能提高,平均壽命提高 1 倍左右。國內(nèi)還用熱擺輾工藝生產(chǎn)了雙聯(lián)齒輪坯料、高頸法蘭、蝶形彈簧、汽車制動(dòng)凸輪軸等鍛件均取得了相當(dāng)好的效果 10。在理論研究方面學(xué)者們從模擬實(shí)驗(yàn)中得到了擺動(dòng)輾壓的變形規(guī)律,并對擺動(dòng)輾壓金屬薄件時(shí)產(chǎn)生中心拉薄的的現(xiàn)象給出了判據(jù)。在研究圓柱體、圓環(huán)件擺動(dòng)輾壓過程中金屬流動(dòng)規(guī)律時(shí)采用主應(yīng)力法、能量法、上限元法、有限單元法等方法,這些方法科學(xué)而有效地分析出了缺陷形成與產(chǎn)生原因 101718。擺輾技術(shù)在無論是在國外還是在國內(nèi)都已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用和推廣，技術(shù)也較為成熟，擺輾機(jī)的種類更是能夠適應(yīng)各種復(fù)雜零件的批量生產(chǎn)。所以進(jìn)一步深入研究擺動(dòng)輾壓技術(shù)，發(fā)展擺輾復(fù)合精密成形技術(shù)以及大力推廣數(shù)字模擬技術(shù)勢在必行，這也即將成為擺輾技術(shù)新的發(fā)展契機(jī) 19。1.2.2 擺輾成形技術(shù)應(yīng)用于半軸生產(chǎn)的研究現(xiàn)狀我國研究擺輾工藝多年以來與國外主要的不同之處就是我國更加注重于熱第一章 緒論5擺輾技術(shù)，其中最具特色的便是將擺輾技術(shù)用于汽車后橋半軸的擺輾成形 20。1972 年我國首次將熱擺輾技術(shù)用于汽車半軸毛坯的預(yù)鍛成形上并取得成功，這是我國首創(chuàng)的技術(shù)，并研發(fā)出了半軸擺輾機(jī)，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，至今國外還沒有這種擺輾機(jī)的生產(chǎn)及應(yīng)用 1119212223。將半軸使用擺輾技術(shù)成形其投資少，效率高，半軸成形質(zhì)量高，創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)效益 11。我國許多的學(xué)者都對半軸擺輾成形技術(shù)進(jìn)行過相關(guān)研究，并且有較為突出的研究成果。1997 年張猛等人發(fā)表的汽車半軸鍛造生產(chǎn)技術(shù)對目前采用擺輾技術(shù)生產(chǎn)汽車半軸的多種工藝成本進(jìn)行了比較 24。1999 年韓濟(jì)才對汽車半軸的不同制坯工藝進(jìn)行了研究 25。2003 年井岡山職業(yè)技術(shù)學(xué)院的李和平對汽車半軸的熱擠輾壓成形特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對模具設(shè)計(jì)的相關(guān)要素進(jìn)行了介紹 26。2004 年北京科技大學(xué)的趙靜，束學(xué)道等人將楔橫軋技術(shù)與擺輾技術(shù)在半軸生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，指出采用精密成形技術(shù)生產(chǎn)長軸類零件是今后的發(fā)展方向 27。2007 年李和平，袁昕研究了 BJ-130 汽車半軸擺輾新工藝，初步分析了汽車半軸通過棒料聚料后再溫?cái)[輾成形工藝的可行性 28。汽車半軸擺輾成形生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐的考驗(yàn)，已大批量投入生產(chǎn)，全國至少有 8 個(gè)生產(chǎn)廠家采用擺輾新工藝生產(chǎn)汽車半軸,年產(chǎn)幾十萬根,收到了明顯的經(jīng)濟(jì)效益 5。1.2.3 使用軟件對半軸擺輾成形技術(shù)過程進(jìn)行模擬的研究隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和有限元技術(shù)應(yīng)用的日益成熟，CAE 技術(shù)模擬分析金屬在塑性變形過程中的流動(dòng)規(guī)律在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。在企業(yè)中使用 CAE 模擬分析技術(shù)不僅可以縮短模具和新產(chǎn)品的研發(fā)周期，而且可以降低研發(fā)成本，獲得市場先機(jī)，贏取更好的經(jīng)濟(jì)效益，提高企業(yè)的競爭力。國際上的 CAE 技術(shù)水平都已經(jīng)達(dá)到了較高水平，有限元分析軟件的開發(fā)應(yīng)用也已經(jīng)達(dá)到商品化程度，如：ANSYS、DEFORM、AUTOFORM、SUPERFORGE 以及MOLDFLOW 等軟件都具有良好的前后處理界面，靜動(dòng)態(tài)過程分析及線性和非線性分析等強(qiáng)大功能。這些軟件的應(yīng)用無論是對企業(yè)的設(shè)計(jì)制造還是對科學(xué)技術(shù)的研發(fā)都提供了很大的便利，提高了解決問題的能力和效率 29。第一章 緒論6國內(nèi)也有不少對半軸擺輾成形過程的數(shù)值模擬分析的先例，毛春燕等人使用 DEFORM 對半軸的擺動(dòng)輾壓成形可行性進(jìn)行研究，分析其受力情況和金屬流動(dòng)性能 30。王春玲利用 DEFORM 對汽車半軸擺動(dòng)輾壓成形過程中的摩擦系數(shù)對成形力的影響得出了研究結(jié)果 31。吳溯源等人使用 DEFORM 對汽車半軸的制坯工藝進(jìn)行模擬分析，并提出半軸擺輾最佳擺角 32。陳荷和龔曉濤等人基于 DEFORM 對汽車半軸擺輾中凹模的溫度場進(jìn)行了有限元分析 33。孫繼旺對汽車后橋半軸的擺輾提出了優(yōu)化，使用使用一火加熱，并對整個(gè)擺輾過程進(jìn)行了有效分析 34。因此，本課題以金屬塑性成形原理的基礎(chǔ)，通過有限元數(shù)值模擬軟件對半軸的擺輾過程進(jìn)行模擬分析。通過控制坯料形狀和擺輾進(jìn)給速度，分析半軸擺輾成形件的質(zhì)量，逐步對半軸擺輾成形所需要的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。此項(xiàng)研究將會(huì)為提高汽車半軸產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益做出巨大貢獻(xiàn)，具有很大的研究價(jià)值和發(fā)展前景。1.3 研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)研究方法1.3.1 主要研究內(nèi)容本課題主要以汽車后橋全浮式半軸的擺輾成形工藝為研究對象，汽車半軸擺輾成形的主要參數(shù)有：成形溫度、擺輾角、坯料進(jìn)給速度和坯料預(yù)鐓粗形狀等。擺輾角對半軸擺輾成形過程的影響已有人進(jìn)行過研究 32；如果考慮成形溫度的影響，由于模擬設(shè)備的原因，模擬速度會(huì)大大減慢，甚至有可能不能得出模擬結(jié)果，故成形溫度對擺輾成形的影響也暫不考慮。本文選取坯料進(jìn)給速度和坯料預(yù)鐓粗形狀為半軸擺輾成形的控制變量，在不同的坯料形狀和進(jìn)給速度的情況下，對半軸的擺輾成形規(guī)律，坯料的受力情況以及擺輾過程中的金屬流動(dòng)情況進(jìn)行分析。主要使用的數(shù)值模擬軟件為 DEFORM-3D 塑性成形模擬軟件，選用的半軸擺輾機(jī)為 DWY99-200-臥式擺輾機(jī)。1.3.2 實(shí)驗(yàn)研究方法本課題對半軸擺輾成形工藝的研究理論有金屬塑性成形理論、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等。通過控制半軸擺輾成形工藝中初始毛坯形狀和擺輾進(jìn)給速度兩第一章 緒論7個(gè)因素，使用有限元分析軟件對 9 種參數(shù)組合的成形過程進(jìn)行模擬，探討不同情況下半軸的成形質(zhì)量和金屬流動(dòng)性能，并對不同方案進(jìn)行比較分析，選取出較優(yōu)的參數(shù)組合?；谶@些研究方法確定了以下的研究方案：（1）確定三種半軸擺輾毛坯形狀：了解半軸工作特點(diǎn)和成形情況，明確半軸擺輾成形工藝流程；運(yùn)用三維造型軟件 Pro e 對半軸零件進(jìn)行建模，確定零件的材料體積并對體積進(jìn)行修正，確定半軸擺輾的毛坯體積；通過 Pro e 設(shè)計(jì)出圓柱形、圓錐形、錐柱形三種擺輾毛坯形狀，并控制體積； （2）確定擺輾工藝參數(shù)：查閱擺輾機(jī)的相關(guān)資料，對擺輾機(jī)的型號和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了解，特別是半軸擺輾機(jī)。依據(jù)畢業(yè)實(shí)習(xí)和工廠實(shí)際生產(chǎn)情況確定合適的擺輾機(jī)和模擬所用的擺輾參數(shù)；（3）DEFORM 模擬方案確定：造型完成的半軸毛坯桿部材料過長，為減少計(jì)算量可切除部分桿部材料；大多數(shù)半軸擺輾機(jī)是使用擺頭進(jìn)給的方式進(jìn)行擺輾成形，在 DEFORM 模擬中為了使擺頭運(yùn)動(dòng)設(shè)置較為簡單，可使用坯料進(jìn)給的方式進(jìn)行模擬； （4）DEFORM 模擬分析：對不同形狀的坯料在不同進(jìn)給速度的情況下擺輾成形的結(jié)果進(jìn)行分析、對比。從成形質(zhì)量以及流動(dòng)應(yīng)力等參數(shù)分析成形過程中的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，查看零件成形有無缺陷，按照零件生產(chǎn)的要求確定工藝參數(shù)是否合理；（5）優(yōu)化設(shè)計(jì)：對模擬后的結(jié)果進(jìn)行分析，分析成形質(zhì)量以及應(yīng)力應(yīng)變情況，取出每一組的較優(yōu)解。對每一組的較優(yōu)解進(jìn)行比較，取出最優(yōu)解。第一章 緒論8第二章 擺輾成形原理分析擺輾是一個(gè)局部變形的過程，其包含了坯料的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、擺頭的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和擺頭圍繞中心線的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)情況較為復(fù)雜。在擺輾過程中，擺頭和坯料的接觸面積和接觸點(diǎn)始終在發(fā)生變化，擺頭和坯料之間還存在著滑動(dòng)和滾動(dòng)，這些原因都使得擺輾成形過程受力分析較為困難。所以在研究半軸擺輾成形之前，需要對擺輾技術(shù)進(jìn)行了解和分析。2.1 擺輾成形運(yùn)動(dòng)機(jī)理的簡要分析2.1.1 擺輾成形的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理擺輾技術(shù)就是擺頭在工件的加壓面上滾動(dòng)，工件或擺頭軸向進(jìn)給，使得接觸面局部連續(xù)變形的塑性加工技術(shù)。如圖 2-1，擺輾運(yùn)動(dòng)主要由擺頭（Upper die)繞著擺頭軸線（Upper die axis）的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、擺頭繞著機(jī)床軸線（Machine axis）的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件（Workpiece) 或擺頭的軸向進(jìn)給（v）三個(gè)運(yùn)動(dòng)組成 3536。圖 2-1 擺輾輾壓運(yùn)動(dòng)原理圖第二章 擺輾成形原理分析92.1.2 擺輾成形擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡分析擺輾中擺頭的運(yùn)動(dòng)可以分解為三種基本形式：進(jìn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和章動(dòng)。進(jìn)動(dòng)則是擺頭繞機(jī)床軸的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)就是擺頭繞自身自轉(zhuǎn)軸的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；而章動(dòng)則是擺頭軸線繞著機(jī)床軸線來回的擺動(dòng)。這三種運(yùn)動(dòng)可以相互之間任意組合，形成不同的運(yùn)動(dòng)方式。這些運(yùn)動(dòng)方式最終使擺頭形成了四種運(yùn)動(dòng)軌跡：直線形、圓形、螺旋形、多葉玫瑰形。如圖2-2314。（ a）直線形 （ b）圓形 （c ）螺旋形 （d）多葉玫瑰形圖 2-2 擺頭運(yùn)動(dòng)的四種軌跡要理解這四種軌跡的形成原理，首先需要了解擺頭的工作原理。如圖 2-3 所示，擺頭由安裝在擺頭軸尾端的內(nèi)、外偏心套驅(qū)動(dòng)，內(nèi)、外偏心套的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的異同實(shí)現(xiàn)了擺頭的四種運(yùn)動(dòng)軌跡。內(nèi)、外偏心套同速同向旋轉(zhuǎn)時(shí)擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡為圓形；內(nèi)、外第二章 擺輾成形原理分析10偏心同速反向旋轉(zhuǎn)時(shí)擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡為直線形；內(nèi)、外偏心異速同 1.擺頭軸 2.內(nèi)偏心套 3.外偏心套向旋轉(zhuǎn)時(shí)擺頭運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋形； 4.齒輪一 5.齒輪二 6.變速箱內(nèi)、外偏心異速反向旋轉(zhuǎn)時(shí)擺頭 7.蝸輪副二 8.蝸輪副一 9.電機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡為多葉玫瑰形 53738。 圖 2-3 擺輾機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)2.2 擺輾成形變形機(jī)理簡要分析2.2.1 擺輾成形變形機(jī)理半軸在擺輾過程中始終只有部分工件表面與擺頭接觸并發(fā)生變形，于是在鍛件的表面存在接觸區(qū)域與非接觸區(qū)域兩個(gè)部分。如圖 2-4 所示，圖中的陰影區(qū)為接觸變形區(qū)域。在擺輾過程中，陰影區(qū)域?yàn)橹苯优c擺頭接觸被施加壓力而發(fā)生塑性變形的區(qū)域，也被稱之為“主動(dòng)變形區(qū)”。如圖 2-4，如果 W 方向?yàn)閿[頭公轉(zhuǎn)方向，則 EF 為進(jìn)入擺輾主動(dòng)變形區(qū)的子午面，CD 為正在進(jìn)行擺輾主動(dòng)變形的子午面，AB 為即將退出擺輾主動(dòng)變形區(qū)的子午面。在擺輾過程中金屬會(huì)受力流動(dòng)，流動(dòng)的金屬會(huì)對阻礙它流動(dòng)的金屬產(chǎn)生力的作用，使得未直接接觸擺頭參與變形的金屬也會(huì)產(chǎn)生變形，這些區(qū)域稱之為“被動(dòng)變形區(qū)”，如圖 2-4的白色區(qū)域。很明顯，在 EF 子午面之前的金屬被動(dòng)變形最為嚴(yán)重 5939。 圖 2-4 金屬流動(dòng)示意圖 2.2.2 擺輾成形特點(diǎn)擺輾運(yùn)動(dòng)看似簡單，實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況和受力情況受到很多因素的影響。進(jìn)給第二章 擺輾成形原理分析11速度的不同和毛坯高徑比不同都會(huì)影響擺輾成形質(zhì)量。擺輾工藝屬于局部變形，成形過程也會(huì)出現(xiàn)一些比較規(guī)律的特點(diǎn)，對這些特點(diǎn)加以分析并運(yùn)用可以大大提高工作效率。（1）蘑菇效應(yīng)當(dāng)工件較厚時(shí)（如 H/D1），如果在擺輾過程中每轉(zhuǎn)進(jìn)給量較小，那么在達(dá)到一定變形量之后，因?yàn)楣ぜ敹伺c上模接觸面積較小，單位軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力較大，所以鄰近上模的金屬徑向流動(dòng)較為突出，工件頂端會(huì)形成“蘑菇頭”形狀。當(dāng)工件較薄時(shí)（如 H/D0.5），由于工件上下表面的變形程度和形變量相近，所以工件變形比較均勻，側(cè)壁呈直線，類似均勻鐓粗，工件不產(chǎn)生“蘑菇頭”。當(dāng)進(jìn)給速度太大，即每轉(zhuǎn)進(jìn)給量較多時(shí)，如果上模和工件之間摩擦力較大并貼在一起，則工件發(fā)生翹曲，使得工件與下模的接觸面積減小，則靠近下模的工件首先發(fā)生變形，則易形成“倒蘑菇頭” 540。蘑菇效應(yīng)的強(qiáng)弱與工件的變形情況緊密相關(guān)，當(dāng)工件的徑向變形較強(qiáng)時(shí)，成形過程中擺輾特性較為明顯，蘑菇效應(yīng)較強(qiáng)；當(dāng)工件的軸向變形較為突出時(shí)，成形過程中的鐓粗特性更加明顯，蘑菇效應(yīng)也更弱。所以擺輾工藝可以看做是擺輾成形與鐓粗成形的復(fù)合成形方式，可以通過控制擺輾過程中擺輾特性與鐓粗特性的比重來控制擺輾成形的蘑菇效應(yīng)。（2）“中心拉薄”現(xiàn)象工件擺輾變形時(shí)，金屬徑向流動(dòng)，工件中心也會(huì)受到拉應(yīng)力。試驗(yàn)證明，當(dāng)工件越薄，擺角越大，每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量越小，且工件直徑越大越容易產(chǎn)生中心拉裂現(xiàn)象 4041。 2.3 擺輾成形的重要工藝參數(shù)第二章 擺輾成形原理分析122.3.1 接觸面積系數(shù) 擺輾成形過程是一個(gè)局部變形的過程，接觸面的形狀類似一個(gè)螺旋的曲面。波蘭的馬爾辛尼克教授假設(shè)在擺輾中擺頭與坯料之間無沖擊，擺頭為剛性且為恒定轉(zhuǎn)速，擺頭剛開始與坯料的接觸形式為線接觸；基于這種假設(shè)，他提出了計(jì)算這種曲面面積的方程式： )tan2/(45.0Rs式中：s每轉(zhuǎn)進(jìn)給量（mm/r）；擺輾角(°)；R毛坯原始半徑（mm）。從式中可以得出，接觸面積系數(shù) 由每轉(zhuǎn)進(jìn)給量 s、擺輾角 和毛坯原始半徑 R 決定 239。2.3.2 擺頭傾角 擺頭傾角是指擺頭軸線與擺輾機(jī)機(jī)床軸線之間的夾角 ，也稱為擺輾角。一般來說，當(dāng) 越小，擺頭的軸向運(yùn)動(dòng)更加明顯，工件的軸向變形也更為突出；當(dāng) 越大，擺頭的擺輾運(yùn)動(dòng)更加明顯，工件更加傾向于徑向變形。 越大，工件鍛造過程中的擺輾鍛造成分更為突出，也更加省力，但是蘑菇效應(yīng)也更加明顯，選擇合適的擺輾角是擺輾成形中重要的一步 32。我國的擺輾機(jī)其擺頭傾角主要為 2°或 3°4243。2.3.3 每轉(zhuǎn)進(jìn)給量 s一般設(shè)備噸位大小和擺頭的功率會(huì)很大程度上影響每轉(zhuǎn)下壓量的值的范圍，在生產(chǎn)中，每轉(zhuǎn)下壓量的值主要由鍛件生產(chǎn)所需確定。很明顯進(jìn)給量越大，接觸面積也就越大，那么就會(huì)更加突出擺輾中的鐓粗成形部分，使得擺輾力增加。但是如果進(jìn)給量 s 過小，蘑菇效應(yīng)過于明顯會(huì)使得金屬產(chǎn)生卷曲折疊。為了提高效率，在蘑菇效應(yīng)合適的前提下，如果設(shè)備允許，一般 s 會(huì)取較大值。下壓量與進(jìn)給速度的關(guān)系如下：第二章 擺輾成形原理分析13)/(60rmnvs式中：v進(jìn)給速度（mm/s）；n擺頭轉(zhuǎn)速（r/min）；2.3.4 擺頭轉(zhuǎn)速 n擺頭轉(zhuǎn)速 n 一般由擺輾機(jī)的電機(jī)功率決定，并且極大地影響到生產(chǎn)效率。增大擺頭轉(zhuǎn)速對于擺輾機(jī)自身的穩(wěn)定性和機(jī)架剛性提出了較高的要求，但是為了提高生產(chǎn)效率和擺輾質(zhì)量，一般會(huì)將擺速取較大值。近年來，擺頭擺速還有增大的趨勢，主要理論依據(jù)為：高轉(zhuǎn)速能夠極大地縮短擺輾成形的時(shí)間，減少坯料在模腔中滯留的時(shí)間，不僅能夠增加模具的壽命，也提高了高溫條件下金屬的流動(dòng)性能，提高了擺輾成形件的質(zhì)量 43。2.4 本章小結(jié)本章對擺輾成形的運(yùn)動(dòng)原理、變形機(jī)制都進(jìn)行了分析，了解了擺輾變形的相關(guān)原理和特點(diǎn)；對擺輾技術(shù)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了分析，通過查詢相關(guān)資料確定了部分?jǐn)[輾參數(shù)，對后續(xù)的擺輾機(jī)選取和半軸擺輾模擬提供技術(shù)支持。第二章 擺輾成形原理分析14第三章 半軸擺輾成形設(shè)計(jì)及有限元模擬方法上一章節(jié)已經(jīng)對半軸在擺輾成形過程的成形原理以及變形特點(diǎn)有了初步了解，本章將針對半軸的相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)半軸擺輾的相關(guān)工藝。并利用數(shù)值模擬技術(shù)對這些參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和模擬。3.1 半軸工藝設(shè)計(jì)如圖 3-1 所示，是半軸零件的工程圖紙，其材料為 40Cr，半軸桿部長度為894mm，桿部直徑為 58mm，法蘭盤直徑為 220mm。由于桿部和法蘭盤部分形狀差異太大，一次成形太難，所以需要制坯工藝對頭部進(jìn)行預(yù)鍛成形，一般采用油壓機(jī)聚料成形。第三章 半軸擺輾成形設(shè)計(jì)及有限元模擬方法15圖 3-1 半軸零件示意圖汽車半軸擺輾成形的一般工藝順序?yàn)椋轰彺蚕铝想婎l加熱爐加熱油壓機(jī)聚料成形電頻加熱爐二次加熱擺輾機(jī)擺輾成形擺輾機(jī)精整成形 28。3.2 半軸三維造型及體積測量對半軸進(jìn)行數(shù)值模擬分析之前，需要對半軸零件進(jìn)行分析。在假設(shè)半軸擺輾過程中體積不損失的條件下，得出半軸毛坯件的體積，從而確定半軸下料體積。使用 Pro e 三維造型軟件對半軸零件進(jìn)行三維造型，不僅可以直觀的得到整個(gè)零件的三維形態(tài)，而且 Pro e 自帶的體積測量可以快速的得到半軸零件的體積。圖 3-2 是半軸零件的三維造型，因?yàn)樵跀[輾成形以及后期加工中，半軸的桿部都基本不會(huì)參與形變，為了表達(dá)方便和后期數(shù)值模擬減少運(yùn)算量，將切除 650mm 桿部坯料。圖 3-3 是測量得到的切除 650mm 后半軸零件頭部的體積。第三章 半軸擺輾成形設(shè)計(jì)及有限元模擬方法16圖 3-2 模擬用半軸三維模型圖 3-3 切除 650mm 后半軸頭部體積如圖 3-3 所示，測量得到的半軸頭部體積為 1512966mm3，但是在半軸坯料在擺輾過程中會(huì)產(chǎn)生飛邊和其他加工余量，擺輾加熱時(shí)半軸坯料還會(huì)產(chǎn)生氧化現(xiàn)象。為了得到體積合適的半軸毛坯頭部，需要對半軸零件頭部的體積進(jìn)行修正，取修正系數(shù) （燒損率）為 1.0343，則修正后的體積為：V 修正 =V=1.03×1512966=1558355mm 3第三章 半軸擺輾成形設(shè)計(jì)及有限元模擬方法17所以在毛坯的設(shè)計(jì)過程中，毛坯體積不應(yīng)小于 1558355mm3。3.3 擺輾機(jī)的選取及擺輾參數(shù)的確定3.3.1 擺輾機(jī)的選取我國生產(chǎn)的擺輾機(jī)種類繁多，型號也各異。選取合適的擺輾機(jī)進(jìn)行半軸擺輾工藝是至關(guān)重要的。在某底盤股份有限公司畢業(yè)實(shí)習(xí)后，該企業(yè)使用的擺輾設(shè)備為 DWY99-200 臥式汽車半軸擺輾機(jī)，擺輾機(jī)相關(guān)參數(shù)見表 3-1。表 3-1 DWY99-200 臥式擺輾機(jī)相關(guān)參數(shù)公稱擺輾力（KN） 2000擺頭偏角（度） 3熱輾工件最大直徑（mm） 230棒料長度范圍（mm） 不限擺輾油缸最大行程（mm） 400壓緊油缸最大行程（mm） 400壓緊合模力（KN） 2000壓緊合模行程（mm） 400夾持工件最大直徑（mm） 80總功率（KW） 853.3.2 擺輾參數(shù)的確定在 1.3.2 中已經(jīng)確定半軸擺輾成形模擬需要控制變化的因素為半軸毛坯形狀和進(jìn)給速度，則其他的擺輾參數(shù)需要確定下來并使得這些參數(shù)在擺輾過程總始終不發(fā)生變化。已知零件材料為 40Cr，擺頭擺角為 3°，在三維造型中已經(jīng)確定其軸線方第三章 半軸擺輾成形設(shè)計(jì)及有限元模擬方法18向?yàn)?Y 軸，那么擺頭公轉(zhuǎn)軸和坯料進(jìn)給方向都是 Y 軸。（1）自轉(zhuǎn)軸的確定自轉(zhuǎn)軸是擺頭自身的軸線位置，在 DEFORM 中通過設(shè)定 z=0 時(shí)自轉(zhuǎn)軸的位置即可。確定自轉(zhuǎn)軸需要兩點(diǎn)，第一點(diǎn)可以選取為擺頭頂點(diǎn)（0,0,0），第二點(diǎn)選取單位圓與軸線的交點(diǎn)，那么根據(jù)三角函數(shù)可以得出坐標(biāo)：x=1*sin3°=0.052335956； y=1*cos3°=0.998629534； z=0.所以自轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)可通過點(diǎn)（0,0,0），（0.0523360,0.9986295,0）兩點(diǎn)確定。（2）擺輾轉(zhuǎn)速擺輾轉(zhuǎn)速是擺輾成形中較為重要的一個(gè)參數(shù)，它的快慢直接影響擺輾成形金屬流動(dòng)的快慢，影響半軸擺輾成形質(zhì)量的高低。經(jīng)查閱相關(guān)資料和擺輾機(jī)參數(shù)，確定擺輾轉(zhuǎn)速為 200r/min，即 20.95rad/s2332。（3）成形溫度和熱變形摩擦系數(shù)半軸材料為 40Cr，這種材料的熱變形最佳溫度為 10001200，半軸擺輾成形過程中由高頻加熱爐加熱。在擺輾過程中坯料本身由于做功會(huì)產(chǎn)生熱量，但同時(shí)也在和周圍的環(huán)境發(fā)生熱交換，通過查閱相關(guān)資料和工廠實(shí)際生產(chǎn)情況，選取加熱溫度為 1150。半軸擺輾是屬于熱變形，并且上模和坯料之間屬于滾動(dòng)摩擦，潤滑情況較為良好，所以熱變形摩擦系數(shù)選取 DEFORM 中的推薦系數(shù) 0.3 為宜。綜上所述，半軸擺輾成形的相關(guān)參數(shù)總結(jié)至表 3-2。表 3-2 擺輾相關(guān)參數(shù)第三章 半軸擺輾成形設(shè)計(jì)及有限元模擬方法19零件材料 40Cr(AISI-5140;DIN-41Cr4)材料類型 Plastic坯料加熱溫度 1150擺頭擺角 =3°自轉(zhuǎn)軸 x=0.052335956， y=0.998629534， z=0.公轉(zhuǎn)軸 Y 軸擺頭自轉(zhuǎn)擺速 n=200r/min=20.95rad/s擺頭公轉(zhuǎn)擺速 n=200r/min=20.95rad/s熱變形摩擦系數(shù) 0.33.4 DEFORM 簡介DEFORM-3D 是一款針對復(fù)雜金屬成形過程的過程模擬分析軟件，它主要是基于有限元系統(tǒng)分析成形過程中的三維金屬流動(dòng)情況。能夠?qū)崿F(xiàn)包括擺輾、鍛造、軋制、旋壓和其他成形工藝在內(nèi)的各種模擬分析，不僅其運(yùn)算精確可靠，而且容易上手，易于使用。DEFORM 的成形分析功能主要是對各種冷、溫、熱變形的材料流動(dòng)、模具填充和成形載荷等信息的獲取。它不僅能夠預(yù)測變形中的缺陷形成和坯料破裂等情況，還能對模具的相關(guān)受力情況進(jìn)行分析。DEFORM 的熱處理功能主要包括模擬正火、退火、淬火、回火、滲碳等工藝過程，預(yù)測工件的硬度、晶粒組織成分以及各種傳熱和相變等。數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式有等值線、云圖、矢量圖等，具有 FLOWNET 和點(diǎn)跡示蹤等后處理功能，功能強(qiáng)大，結(jié)果直觀準(zhǔn)確，是一款成功的 CAE 模擬軟件。3.5 本章小結(jié) 本章對汽車半軸及其加工工藝進(jìn)行了分析，通過三維造型軟件 Pro e 對半軸進(jìn)行三維建模，測量半軸體積，進(jìn)行體積修正；本章還通過相關(guān)資料選取了擺輾機(jī)，并確定了半軸擺輾成形模擬的相關(guān)參數(shù)，列入表格直觀表現(xiàn)。第三章 半軸擺輾成形設(shè)計(jì)及有限元模擬方法20第三章 半軸擺輾成形設(shè)計(jì)及有限元模擬方法21第四章 半軸擺輾成形有限元模擬分析本章節(jié)主要是通過控制坯料形狀和進(jìn)給速度，使用有限元分析軟件DEFORM-3D 進(jìn)行半軸擺輾成形過程的模擬，并對擺輾過程和結(jié)果進(jìn)行分析，從工件成形質(zhì)量，成形應(yīng)力以及預(yù)測成形缺陷等角度判斷設(shè)計(jì)合理性，并對各種方案進(jìn)行對比，優(yōu)選出最合理的工藝參數(shù)組合。為了減少試驗(yàn)的樣本，降低工作量，借鑒于正交試驗(yàn)原理和方法，確定了 3 種不同的坯料形狀和 3 種進(jìn)給速度，并將這 9 種方案列于表 4-1。表 4-1 半軸擺輾成形數(shù)值模擬方案速度形狀圓柱形坯料設(shè)計(jì)方案圓錐形坯料設(shè)計(jì)方案錐柱形坯料設(shè)計(jì)方案進(jìn)給速度 1 10mm/s 10mm/s 10mm/s進(jìn)給速度 2 20mm/s 20mm/s 20mm/s進(jìn)給速度 3 30mm/s 30mm/s 30mm/s4.1 圓柱形坯料設(shè)計(jì)方案4.1.1 圓柱坯料形狀設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬根據(jù)半軸擺輾成形數(shù)值模擬方案，首先在 Pro e 中進(jìn)行形狀的設(shè)計(jì)，并控制體積，如圖 4-1 所示為圓柱形坯料的二維圖和三維造型圖。第四章 半軸擺輾成形有限元模擬分析22圖 4-1 圓柱形坯料方案設(shè)計(jì)切除桿部 650mm經(jīng)過軟件測量模型體積為1569348mm3，較修正后的體積更大一些，在設(shè)計(jì)公差范圍之內(nèi)，設(shè)計(jì)合格。將設(shè)計(jì)好的圓柱形坯料三維造型轉(zhuǎn)為 STL 文件，導(dǎo)入DEFORM-3D 進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖4-2 所示。設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)和邊界條件，計(jì)算出坯料進(jìn)給量，設(shè)置好模擬步數(shù)，生成模擬數(shù)據(jù)庫文件?；氐街黜撁孢M(jìn)行模擬，模擬成功后在后處 圖 4-2 DEFORM 數(shù)值模擬示意圖理界面進(jìn)行分析操作。第四章 半軸擺輾成形有限元模擬分析234.1.2 模擬結(jié)果分析如圖 4-3、4-4、4-5 所示，分別是圓柱形坯料在進(jìn)給速度分別為10mm/s、20mm/s、30mm/s 時(shí)的擺輾模擬過程。按照進(jìn)給量 s 的逐漸增加，把每個(gè)進(jìn)給速度的模擬過程分為了 5 個(gè)階段，以便于進(jìn)行分析。當(dāng)進(jìn)給速度為 10mm/s 時(shí)，整個(gè)擺輾過程金屬的流動(dòng)性能較好，流動(dòng)較為均勻，坯料能夠完全進(jìn)入下模并充滿模腔。半軸成形件未出現(xiàn)折疊或凹陷等缺陷，允許少量飛邊。成形中較好地利用了擺輾的蘑菇效應(yīng)，金屬的局部成形優(yōu)勢凸顯，成形件的成形質(zhì)量較高。當(dāng)進(jìn)給速度為 20mm/s 時(shí)，圓柱形坯料擺輾時(shí)蘑菇頭不明顯，金屬流動(dòng)性能一般，這表明擺輾過程中的蘑菇效應(yīng)減弱。擺輾中還出現(xiàn)材料偏移，坯料中心線傾斜的情況。這是因?yàn)殡S著進(jìn)給速度的增加，擺頭每轉(zhuǎn)帶動(dòng)流動(dòng)的金屬越來越多，金屬之間的摩擦力也增大，表現(xiàn)為擺輾力逐漸增加，擺輾抗力逐漸增大。這表明金屬的流動(dòng)隨著進(jìn)給速度的增大而開始受到阻礙，并最終反映為材料一邊多一邊少,中心線傾斜的情況。成形件未能充型完整，并出現(xiàn)折疊和凹陷等缺陷，成形質(zhì)量不佳。當(dāng)進(jìn)給速度為 30mm/s 時(shí)，擺輾中的蘑菇頭大大減小，當(dāng)進(jìn)給量為 60mm 時(shí)出現(xiàn)“ 滑輪形”的蘑菇效應(yīng) 40。這是因?yàn)楣ぜ邚奖?H/D1，如果進(jìn)給速度太快，會(huì)出現(xiàn)上下模壓力穿不透，于是鄰近上下模的金屬便從兩端發(fā)生塑性流動(dòng)，形成s=0mm s=30mm s=60mm s=90mm s=100mm圖 4-3 圓柱形坯料進(jìn)給速度為 10mm/s 時(shí)的成形過程模擬第四章 半軸擺輾成形有限元模擬分析24s=0mm s=30mm s=60mm s=90mm s=100mm圖 4-4 圓柱形坯料進(jìn)給速度為 20mm/s 時(shí)的成形過程模擬s=0mm s=30mm s=60mm s=90mm s=100mm圖 4-5 圓柱形坯料進(jìn)給速度為 30mm/s 時(shí)的成形過程模擬兩端大中間小的“輪滑形”坯料 40?！盎喰巍迸髁侠^續(xù)擺輾，兩端繼續(xù)變大，并向中間靠攏，使得坯料中部被擠壓折疊，最終在成形件上出現(xiàn)折疊缺陷。在擺輾過程中，坯料偏移情況較為嚴(yán)重，隨著坯料的進(jìn)給，還會(huì)有部分坯料被擠壓出下模，坯料流失最后導(dǎo)致模腔內(nèi)無法充滿。這種情況是進(jìn)給速度為 20mm/s時(shí)材料偏移特性的加劇，這說明隨著進(jìn)給速度的增加，擺輾中的金屬流動(dòng)的確越來越困難。