汽車半軸擺動輾壓成形過程數(shù)值模擬畢業(yè)設計論文

摘要I汽車半軸擺動輾壓成形過程數(shù)值模擬摘要汽車半軸是汽車傳動系統(tǒng)中的一個重要的零件，它將承受多種復雜的交變應力，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)。隨著擺輾技術在國內(nèi)的發(fā)展，不少工廠已經(jīng)將擺輾技術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)濟效益；也能提高汽車的安全性能，具有很大的研究價值和發(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，通過有限元數(shù)值模擬軟件 DEFORM-3D 對半軸擺輾成形過程進行模擬分析。在研究過程中，選取了合適的擺輾機和擺輾參數(shù)，通過改變半軸坯料形狀和進給速度，得出了不同坯料形狀在不同進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情況和流動應力等信息，預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)果進行對比和分析，得出了在符合相關尺寸要求的前提下，錐柱形坯料在 10mm/s 的進給速度下擺輾成形效果最好的結(jié)論。關鍵詞：汽車半軸；擺輾成形；數(shù)值模擬技術；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 擺輾成形技術的研究現(xiàn)狀 .21.2.2 擺輾成形技術應用于半軸生產(chǎn)的研究現(xiàn)狀 .41.2.3 使用軟件對半軸擺輾成形技術過程進行模擬的研究 .51.3 研究內(nèi)容及實驗研究方法 51.3.1 主要研究內(nèi)容 .51.3.2 實驗研究方法 .6第二章 擺輾成形原理分析 .72.1 擺輾成形運動機理的簡要分析 72.1.1 擺輾成形的運動學原理 .72.1.2 擺輾成形擺頭運動軌跡分析 .72.2 擺輾成形變形機理簡要分析 82.2.1 擺輾成形變形機理 .82.2.2 擺輾成形特點 .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 半軸擺輾成形設計及有限元模擬方法 123.1 半軸工藝設計 .123.2 半軸三維造型及體積測量 .123.3 擺輾機的選取及擺輾參數(shù)的確定 .143.3.1 擺輾機的選取 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 圓柱形坯料設計方案 .174.1.1 圓柱坯料形狀設計與數(shù)值模擬 174.1.2 模擬結(jié)果分析 184.2 圓錐形坯料設計方案 .214.2.1 圓錐坯料形狀設計與數(shù)值模擬 214.2.2 模擬結(jié)果分析 214.3 錐柱形坯料設計方案 .244.3.1 錐柱坯料形狀設計與數(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 .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)的一個重要的傳力零件，位置位于汽車的差速器與汽車的驅(qū)動軸之間。半軸的設計分為三個部分：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)動汽車前進。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，它們都會在汽車啟動、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致半軸開裂。復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，具有相當高的現(xiàn)實意義 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搬動模具和工件使得工人勞動強度大，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。錘鍛機的震動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。現(xiàn)在國內(nèi)的半軸生產(chǎn)主要是使用擺輾技術成形，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，使得工件只會承受較小的鍛造力。金屬材料在擺輾過程中不僅沿著進給方向流動，而且會隨著上模的圓周運動，在摩擦力的作用下沿著徑向和圓周方向流動，由于在擺輾時接觸面積較小，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:第一章 緒論2（1）鍛造力小，降低設備的噸位。擺動輾壓是連續(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，所以采用的設備噸位也可以相應降低，。（2）鍛件質(zhì)量好，精度高，節(jié)省原材料。擺動輾壓過程中，金屬是在低應力條件下變形，金屬的流動性能更好。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到 0.03mm0.1mm，一般的擺輾件可以不需要進行切削加工，節(jié)約成本和原材料，同時提高生產(chǎn)效率。（3）擺輾適合加工比較薄而且形狀復雜的回轉(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。因為在鍛造過程中，平均單位壓力與坯料的高徑比有較大的關系，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，相當適合加工此類鍛件。（4）工人工作環(huán)境好，工作強度低。擺輾鍛造全程幾乎可以達到機械化和自動化，在擺輾過程中，噪音較小，震動較低。（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)濟效益高。首先降低了設備的噸位，使得能耗低。其次加工精度高，幾乎不用進行切削加工，節(jié)省原材料。由于較容易實現(xiàn)機械化和自動化，大大增加了生產(chǎn)效率。有研究證明，在獲得相同的利潤時，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 擺輾成形技術的研究現(xiàn)狀擺輾技術首創(chuàng)于 20 世紀初，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擺輾機-Slick 機并獲得多項美國專利。Slick 機最初只有自轉(zhuǎn)運動，并無擺動，主要代替大型鍛壓設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 鋼鐵公司對其進行重新設計和制造 3910。英國也是世界上最早對擺輾技術進行研究的少數(shù)國家之一。英國人H.F.Massey 于 20 世紀 20 年代開始對擺動輾壓技術進行研究，設計了擺頭公轉(zhuǎn)的擺輾機，并且獲得擺輾技術專利。但是由于模具壽命以及經(jīng)濟效益的原因，擺輾技術在英國的發(fā)展受到制約，直到 1960 年索爾夫特大學的 Slater 教授又重新開始研究擺動輾壓并設計了一臺 100KN 的擺輾機。1973 年馬賽公司建造了一條全自動的生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線有震動送料裝置、電感應加熱爐、150 型擺輾機、自動出料裝置和切邊機等 5 個部分。后來英國的主要科研單位都將精力放在了理論研究上，對擺輾技術的應用比較忽視，以至于除了 1976 年諾丁漢大學的 300KN 擺輾機之外，英國的擺輾制造技術相對遲滯。但是英國的擺輾技術在世界上仍然處于領先地位，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)加工會議都在英國召開 5101112。波蘭對擺輾技術的研究起步晚于英國，但是在很短的時間內(nèi)就在擺輾機的設計制造技術方面取得了不小的成就 11。1967 年波蘭華沙工業(yè)大學的Marciniak 教授成功研制了 PXWP 型擺輾機，設計了擺輾分塊模具,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擺輾成形過程。華沙第一壓力自動機廠在同年研制出了第一臺四軌跡擺輾機，并且該廠還是最早開始出口 1600KN 和 2000KN 擺輾機的廠家。其擺輾機手動設置參數(shù)，有四種軌跡種類可供選擇，可加工各種復雜零件，是當時世界上最可靠的一類擺輾機之一，并且價格便宜，所以各國都從波蘭進口擺輾機。但是設備更新?lián)Q代慢、自動化程度低、電氣控制簡易、噸位小等不足之處使得波蘭的擺輾機逐漸跟不上時代的發(fā)展 31011。亞洲地區(qū)中國和日本在擺輾機的研究上幾乎同時起步，日本于 1972 年研制出第一臺擺輾機，1973 年制造出 1200KN 樣機,1983 年研制出 2000KN 的擺輾機第一章 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，分別為300KN、1000KN、1200KN、1500KN、1600KN、2000KN、2500KN 的擺輾機。日本的工業(yè)應用主要用于法蘭、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復合的復合成形技術生產(chǎn)復雜的零件，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突破 13。著名的森鐵株式會社作為日本生產(chǎn)擺輾機的主力廠家生產(chǎn)的擺輾機機架剛性好，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，擺輾機的適用范圍更廣 3111415。我國對擺輾技術的研究雖然較晚，但極為重視。1972 年上海電機鍛造廠開始研制擺輾機并于次年研制出第一臺 2000KN 的擺輾機。此后，擺輾技術在國內(nèi)開始逐步發(fā)展。哈爾濱汽車齒輪廠應用 HNJ-400 型擺輾機生產(chǎn)汽車后橋圓柱被動大齒輪坯。1977 年 5 月,東北重型機械學院和齊齊哈爾齒輪廠合作研制成功了一臺擺輾機對東方紅-54 拖拉機被動齒輪進行了擺輾工藝試驗取得成功。1975 年，北京工具廠開始進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輾壓試驗均獲得了成功。1978 年，上海新華軸承廠和上海機械制造工藝研究所使用擺輾機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、汽車制動凸輪軸等鍛件均取得了相當好的效果 10。在理論研究方面學者們從模擬實驗中得到了擺動輾壓的變形規(guī)律,并對擺動輾壓金屬薄件時產(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)件擺動輾壓過程中金屬流動規(guī)律時采用主應力法、能量法、上限元法、有限單元法等方法,這些方法科學而有效地分析出了缺陷形成與產(chǎn)生原因 101718。擺輾技術在無論是在國外還是在國內(nèi)都已經(jīng)得到較為廣泛的應用和推廣，技術也較為成熟，擺輾機的種類更是能夠適應各種復雜零件的批量生產(chǎn)。所以進一步深入研究擺動輾壓技術，發(fā)展擺輾復合精密成形技術以及大力推廣數(shù)字模擬技術勢在必行，這也即將成為擺輾技術新的發(fā)展契機 19。1.2.2 擺輾成形技術應用于半軸生產(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，其中最具特色的便是將擺輾技術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用于汽車半軸毛坯的預鍛成形上并取得成功，這是我國首創(chuàng)的技術，并研發(fā)出了半軸擺輾機，具有獨特的結(jié)構，至今國外還沒有這種擺輾機的生產(chǎn)及應用 1119212223。將半軸使用擺輾技術成形其投資少，效率高，半軸成形質(zhì)量高，創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟效益 11。我國許多的學者都對半軸擺輾成形技術進行過相關研究，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)技術對目前采用擺輾技術生產(chǎn)汽車半軸的多種工藝成本進行了比較 24。1999 年韓濟才對汽車半軸的不同制坯工藝進行了研究 25。2003 年井岡山職業(yè)技術學院的李和平對汽車半軸的熱擠輾壓成形特點進行了分析，并對模具設計的相關要素進行了介紹 26。2004 年北京科技大學的趙靜，束學道等人將楔橫軋技術與擺輾技術在半軸生產(chǎn)中的應用進行了分析，指出采用精密成形技術生產(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擺輾成形工藝的可行性 28。汽車半軸擺輾成形生產(chǎn)技術經(jīng)過多年的生產(chǎn)實踐的考驗，已大批量投入生產(chǎn)，全國至少有 8 個生產(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)濟效益 5。1.2.3 使用軟件對半軸擺輾成形技術過程進行模擬的研究隨著科學技術的快速發(fā)展和有限元技術應用的日益成熟，CAE 技術模擬分析金屬在塑性變形過程中的流動規(guī)律在現(xiàn)實生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應用。在企業(yè)中使用 CAE 模擬分析技術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，贏取更好的經(jīng)濟效益，提高企業(yè)的競爭力。國際上的 CAE 技術水平都已經(jīng)達到了較高水平，有限元分析軟件的開發(fā)應用也已經(jīng)達到商品化程度，如：ANSYS、DEFORM、AUTOFORM、SUPERFORGE 以及MOLDFLOW 等軟件都具有良好的前后處理界面，靜動態(tài)過程分析及線性和非線性分析等強大功能。這些軟件的應用無論是對企業(yè)的設計制造還是對科學技術的研發(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 對半軸的擺動輾壓成形可行性進行研究，分析其受力情況和金屬流動性能 30。王春玲利用 DEFORM 對汽車半軸擺動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，并對整個擺輾過程進行了有效分析 34。因此，本課題以金屬塑性成形原理的基礎，通過有限元數(shù)值模擬軟件對半軸的擺輾過程進行模擬分析。通過控制坯料形狀和擺輾進給速度，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參數(shù)進行優(yōu)化。此項研究將會為提高汽車半軸產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益做出巨大貢獻，具有很大的研究價值和發(fā)展前景。1.3 研究內(nèi)容及實驗研究方法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、坯料進給速度和坯料預鐓粗形狀等。擺輾角對半軸擺輾成形過程的影響已有人進行過研究 32；如果考慮成形溫度的影響，由于模擬設備的原因，模擬速度會大大減慢，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。本文選取坯料進給速度和坯料預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情況進行分析。主要使用的數(shù)值模擬軟件為 DEFORM-3D 塑性成形模擬軟件，選用的半軸擺輾機為 DWY99-200-臥式擺輾機。1.3.2 實驗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)化設計等。通過控制半軸擺輾成形工藝中初始毛坯形狀和擺輾進給速度兩第一章 緒論7個因素，使用有限元分析軟件對 9 種參數(shù)組合的成形過程進行模擬，探討不同情況下半軸的成形質(zhì)量和金屬流動性能，并對不同方案進行比較分析，選取出較優(yōu)的參數(shù)組合。基于這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：了解半軸工作特點和成形情況，明確半軸擺輾成形工藝流程；運用三維造型軟件 Pro e 對半軸零件進行建模，確定零件的材料體積并對體積進行修正，確定半軸擺輾的毛坯體積；通過 Pro e 設計出圓柱形、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)：查閱擺輾機的相關資料，對擺輾機的型號和相關參數(shù)進行了解，特別是半軸擺輾機。依據(jù)畢業(yè)實習和工廠實際生產(chǎn)情況確定合適的擺輾機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，為減少計算量可切除部分桿部材料；大多數(shù)半軸擺輾機是使用擺頭進給的方式進行擺輾成形，在 DEFORM 模擬中為了使擺頭運動設置較為簡單，可使用坯料進給的方式進行模擬； （4）DEFORM 模擬分析：對不同形狀的坯料在不同進給速度的情況下擺輾成形的結(jié)果進行分析、對比。從成形質(zhì)量以及流動應力等參數(shù)分析成形過程中的優(yōu)點和缺點，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)化設計：對模擬后的結(jié)果進行分析，分析成形質(zhì)量以及應力應變情況，取出每一組的較優(yōu)解。對每一組的較優(yōu)解進行比較，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局部變形的過程，其包含了坯料的軸向進給運動、擺頭的自轉(zhuǎn)運動和擺頭圍繞中心線的公轉(zhuǎn)運動，運動情況較為復雜。在擺輾過程中，擺頭和坯料的接觸面積和接觸點始終在發(fā)生變化，擺頭和坯料之間還存在著滑動和滾動，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，需要對擺輾技術進行了解和分析。2.1 擺輾成形運動機理的簡要分析2.1.1 擺輾成形的運動學原理擺輾技術就是擺頭在工件的加壓面上滾動，工件或擺頭軸向進給，使得接觸面局部連續(xù)變形的塑性加工技術。如圖 2-1，擺輾運動主要由擺頭（Upper die)繞著擺頭軸線（Upper die axis）的自轉(zhuǎn)運動、擺頭繞著機床軸線（Machine axis）的公轉(zhuǎn)運動和工件（Workpiece) 或擺頭的軸向進給（v）三個運動組成 3536。圖 2-1 擺輾輾壓運動原理圖第二章 擺輾成形原理分析92.1.2 擺輾成形擺頭運動軌跡分析擺輾中擺頭的運動可以分解為三種基本形式：進動、轉(zhuǎn)動和章動。進動則是擺頭繞機床軸的公轉(zhuǎn)運動；轉(zhuǎn)動就是擺頭繞自身自轉(zhuǎn)軸的自轉(zhuǎn)運動；而章動則是擺頭軸線繞著機床軸線來回的擺動。這三種運動可以相互之間任意組合，形成不同的運動方式。這些運動方式最終使擺頭形成了四種運動軌跡：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 擺頭運動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，內(nèi)、外偏心套的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的異同實現(xiàn)了擺頭的四種運動軌跡。內(nèi)、外偏心套同速同向旋轉(zhuǎn)時擺頭運動軌跡為圓形；內(nèi)、外第二章 擺輾成形原理分析10偏心同速反向旋轉(zhuǎn)時擺頭運動軌跡為直線形；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)時擺頭運動軌跡為螺旋形； 4.齒輪一 5.齒輪二 6.變速箱內(nèi)、外偏心異速反向旋轉(zhuǎn)時擺頭 7.蝸輪副二 8.蝸輪副一 9.電機運動軌跡為多葉玫瑰形 53738。 圖 2-3 擺輾機傳動結(jié)構2.2 擺輾成形變形機理簡要分析2.2.1 擺輾成形變形機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)域為直接與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“主動變形區(qū)”。如圖 2-4，如果 W 方向為擺頭公轉(zhuǎn)方向，則 EF 為進入擺輾主動變形區(qū)的子午面，CD 為正在進行擺輾主動變形的子午面，AB 為即將退出擺輾主動變形區(qū)的子午面。在擺輾過程中金屬會受力流動，流動的金屬會對阻礙它流動的金屬產(chǎn)生力的作用，使得未直接接觸擺頭參與變形的金屬也會產(chǎn)生變形，這些區(qū)域稱之為“被動變形區(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變形最為嚴重 5939。 圖 2-4 金屬流動示意圖 2.2.2 擺輾成形特點擺輾運動看似簡單，實際運動情況和受力情況受到很多因素的影響。進給第二章 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，成形過程也會出現(xiàn)一些比較規(guī)律的特點，對這些特點加以分析并運用可以大大提高工作效率。（1）蘑菇效應當工件較厚時（如 H/D1），如果在擺輾過程中每轉(zhuǎn)進給量較小，那么在達到一定變形量之后，因為工件頂端與上模接觸面積較小，單位軸向應力和切向應力較大，所以鄰近上模的金屬徑向流動較為突出，工件頂端會形成“蘑菇頭”形狀。當工件較薄時（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”。當進給速度太大，即每轉(zhuǎn)進給量較多時，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。蘑菇效應的強弱與工件的變形情況緊密相關，當工件的徑向變形較強時，成形過程中擺輾特性較為明顯，蘑菇效應較強；當工件的軸向變形較為突出時，成形過程中的鐓粗特性更加明顯，蘑菇效應也更弱。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。（2）“中心拉薄”現(xiàn)象工件擺輾變形時，金屬徑向流動，工件中心也會受到拉應力。試驗證明，當工件越薄，擺角越大，每轉(zhuǎn)的進給量越小，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局部變形的過程，接觸面的形狀類似一個螺旋的曲面。波蘭的馬爾辛尼克教授假設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，他提出了計算這種曲面面積的方程式： )tan2/(45.0Rs式中：s每轉(zhuǎn)進給量（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機床軸線之間的夾角 ，也稱為擺輾角。一般來說，當 越小，擺頭的軸向運動更加明顯，工件的軸向變形也更為突出；當 越大，擺頭的擺輾運動更加明顯，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。我國的擺輾機其擺頭傾角主要為 2°或 3°4243。2.3.3 每轉(zhuǎn)進給量 s一般設備噸位大小和擺頭的功率會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。很明顯進給量越大，接觸面積也就越大，那么就會更加突出擺輾中的鐓粗成形部分，使得擺輾力增加。但是如果進給量 s 過小，蘑菇效應過于明顯會使得金屬產(chǎn)生卷曲折疊。為了提高效率，在蘑菇效應合適的前提下，如果設備允許，一般 s 會取較大值。下壓量與進給速度的關系如下：第二章 擺輾成形原理分析13)/(60rmnvs式中：v進給速度（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 一般由擺輾機的電機功率決定，并且極大地影響到生產(chǎn)效率。增大擺頭轉(zhuǎn)速對于擺輾機自身的穩(wěn)定性和機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間，減少坯料在模腔中滯留的時間，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動原理、變形機制都進行了分析，了解了擺輾變形的相關原理和特點；對擺輾技術的各項參數(shù)進行了分析，通過查詢相關資料確定了部分擺輾參數(shù)，對后續(xù)的擺輾機選取和半軸擺輾模擬提供技術支持。第二章 擺輾成形原理分析14第三章 半軸擺輾成形設計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有了初步了解，本章將針對半軸的相關數(shù)據(jù)和結(jié)構特點設計半軸擺輾的相關工藝。并利用數(shù)值模擬技術對這些參數(shù)進行驗證和模擬。3.1 半軸工藝設計如圖 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行預鍛成形，一般采用油壓機聚料成形。第三章 半軸擺輾成形設計及有限元模擬方法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為：鋸床下料電頻加熱爐加熱油壓機聚料成形電頻加熱爐二次加熱擺輾機擺輾成形擺輾機精整成形 28。3.2 半軸三維造型及體積測量對半軸進行數(shù)值模擬分析之前，需要對半軸零件進行分析。在假設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行三維造型，不僅可以直觀的得到整個零件的三維形態(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，因為在擺輾成形以及后期加工中，半軸的桿部都基本不會參與形變，為了表達方便和后期數(shù)值模擬減少運算量，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 半軸擺輾成形設計及有限元模擬方法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產(chǎn)生飛邊和其他加工余量，擺輾加熱時半軸坯料還會產(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 半軸擺輾成形設計及有限元模擬方法17所以在毛坯的設計過程中，毛坯體積不應小于 1558355mm3。3.3 擺輾機的選取及擺輾參數(shù)的確定3.3.1 擺輾機的選取我國生產(chǎn)的擺輾機種類繁多，型號也各異。選取合適的擺輾機進行半軸擺輾工藝是至關重要的。在某底盤股份有限公司畢業(yè)實習后，該企業(yè)使用的擺輾設備為 DWY99-200 臥式汽車半軸擺輾機，擺輾機相關參數(shù)見表 3-1。表 3-1 DWY99-200 臥式擺輾機相關參數(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 半軸擺輾成形設計及有限元模擬方法18向為 Y 軸，那么擺頭公轉(zhuǎn)軸和坯料進給方向都是 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 中通過設定 z=0 時自轉(zhuǎn)軸的位置即可。確定自轉(zhuǎn)軸需要兩點，第一點可以選取為擺頭頂點（0,0,0），第二點選取單位圓與軸線的交點，那么根據(jù)三角函數(shù)可以得出坐標：x=1*sin3°=0.052335956； y=1*cos3°=0.998629534； z=0.所以自轉(zhuǎn)軸的坐標可通過點（0,0,0），（0.0523360,0.9986295,0）兩點確定。（2）擺輾轉(zhuǎn)速擺輾轉(zhuǎn)速是擺輾成形中較為重要的一個參數(shù)，它的快慢直接影響擺輾成形金屬流動的快慢，影響半軸擺輾成形質(zhì)量的高低。經(jīng)查閱相關資料和擺輾機參數(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產(chǎn)生熱量，但同時也在和周圍的環(huán)境發(fā)生熱交換，通過查閱相關資料和工廠實際生產(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參數(shù)總結(jié)至表 3-2。表 3-2 擺輾相關參數(shù)第三章 半軸擺輾成形設計及有限元模擬方法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、模具填充和成形載荷等信息的獲取。它不僅能夠預測變形中的缺陷形成和坯料破裂等情況，還能對模具的相關受力情況進行分析。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 和點跡示蹤等后處理功能，功能強大，結(jié)果直觀準確，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行了分析，通過三維造型軟件 Pro e 對半軸進行三維建模，測量半軸體積，進行體積修正；本章還通過相關資料選取了擺輾機，并確定了半軸擺輾成形模擬的相關參數(shù)，列入表格直觀表現(xiàn)。第三章 半軸擺輾成形設計及有限元模擬方法20第三章 半軸擺輾成形設計及有限元模擬方法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給速度，使用有限元分析軟件DEFORM-3D 進行半軸擺輾成形過程的模擬，并對擺輾過程和結(jié)果進行分析，從工件成形質(zhì)量，成形應力以及預測成形缺陷等角度判斷設計合理性，并對各種方案進行對比，優(yōu)選出最合理的工藝參數(shù)組合。為了減少試驗的樣本，降低工作量，借鑒于正交試驗原理和方法，確定了 3 種不同的坯料形狀和 3 種進給速度，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計方案圓錐形坯料設計方案錐柱形坯料設計方案進給速度 1 10mm/s 10mm/s 10mm/s進給速度 2 20mm/s 20mm/s 20mm/s進給速度 3 30mm/s 30mm/s 30mm/s4.1 圓柱形坯料設計方案4.1.1 圓柱坯料形狀設計與數(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 中進行形狀的設計，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 圓柱形坯料方案設計切除桿部 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，在設計公差范圍之內(nèi)，設計合格。將設計好的圓柱形坯料三維造型轉(zhuǎn)為 STL 文件，導入DEFORM-3D 進行數(shù)值模擬，如圖4-2 所示。設置好各項參數(shù)和邊界條件，計算出坯料進給量，設置好模擬步數(shù)，生成模擬數(shù)據(jù)庫文件?；氐街黜撁孢M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給速度分別為10mm/s、20mm/s、30mm/s 時的擺輾模擬過程。按照進給量 s 的逐漸增加，把每個進給速度的模擬過程分為了 5 個階段，以便于進行分析。當進給速度為 10mm/s 時，整個擺輾過程金屬的流動性能較好，流動較為均勻，坯料能夠完全進入下模并充滿模腔。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，金屬的局部成形優(yōu)勢凸顯，成形件的成形質(zhì)量較高。當進給速度為 20mm/s 時，圓柱形坯料擺輾時蘑菇頭不明顯，金屬流動性能一般，這表明擺輾過程中的蘑菇效應減弱。擺輾中還出現(xiàn)材料偏移，坯料中心線傾斜的情況。這是因為隨著進給速度的增加，擺頭每轉(zhuǎn)帶動流動的金屬越來越多，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。這表明金屬的流動隨著進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。當進給速度為 30mm/s 時，擺輾中的蘑菇頭大大減小，當進給量為 60mm 時出現(xiàn)“ 滑輪形”的蘑菇效應 40。這是因為工件高徑比 H/D1，如果進給速度太快，會出現(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，形成s=0mm s=30mm s=60mm s=90mm s=100mm圖 4-3 圓柱形坯料進給速度為 10mm/s 時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 圓柱形坯料進給速度為 20mm/s 時的成形過程模擬s=0mm s=30mm s=60mm s=90mm s=100mm圖 4-5 圓柱形坯料進給速度為 30mm/s 時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重，隨著坯料的進給，還會有部分坯料被擠壓出下模，坯料流失最后導致模腔內(nèi)無法充滿。這種情況是進給速度為 20mm/s時材料偏移特性的加劇，這說明隨著進給速度的增加，擺輾中的金屬流動的確越來越困難。