基于DEFORM-3D短轴的温锻工艺有限元设计
摘要:随着工业化的发展，机械领域的需求量也越来越大，机械元件的性能也在不断提升。短轴是机械元件中很重要的一部分，广泛应用于工业机械领域中，其中承载重力、传递动力的作用十分突出。不过，短轴通常具有较低的强度和耐用性，但是温锻工艺的引入可以提高轴的强度和耐用性。
首先，本文对短轴进行了锻造工艺性分析，计算出锻件的下料尺寸，并对其设计了一种预成形方案，利用NX软件绘制了锻件和模具的三维图形，通过DEFORM-3D有限元软件模拟了锻件的成形过程。随后，进一步分析了方案中锻件的温度场演变、载荷曲线和等效应变的分布，通过观察发现锻件在成形过程中充型稳定，变形均匀，对模具损伤较小。
其次，本文通过控制变量法分析了不同的压机速度、摩擦系数和预成形温度对成形性能的作用规律，利用DEFORM-3D软件得出锻件在不同工艺参数下成形过程中的等效应变、载荷曲线以及金属流速的图像,通过对比分析发现压机速度对金属流速影响最大，压机速度越大，金属流速越快；摩擦系数对终锻载荷的影响较大，摩擦系数越大，终锻载荷数值也就越大；经过研究观察，始锻温度对锻件成形性能影响不大。
最终根据短轴的尺寸以及预成形方案，设计出锻件精锻模具的结构和尺寸。
关键词：短轴；温锻；控制变量法；DEFORM-3D
Warm forging process design of short shaft
Abstract: With the development of industrialization, the demand in the mechanical field is increasing, and the performance of mechanical components is also improving. Short shaft is a very important part of mechanical components, which is widely used in the field of industrial machinery, in which the role of bearing gravity and transmitting power is very prominent. However, short shafts usually have low strength and durability, but the introduction of warm forging process can improve the strength and durability of shafts.
Firstly, this paper analyzes the forging process of the short shaft, calculates the blanking size of the forging, and designs a preforming scheme for it. The three-dimensional graphics of the forging and the die are drawn by NX software, and the forming process of the forging is simulated by DEFORM-3D finite element software. Subsequently, the temperature field evolution, load curve and equivalent strain distribution of the forgings in the scheme are further analyzed. It is found that the forgings are stable in filling and uniform in deformation during the forming process, with little damage to the die.
Secondly, this paper analyzes the influence law of different press speed, friction coefficient and preforming temperature on the formability through the control variable method, and obtains the images of equivalent strain, load curve and metal flow rate of forgings in the forming process under different process parameters by DEFORM-3D software. Through comparative analysis, it is found that the press speed has the greatest influence on the metal flow rate, and the higher the press speed, the faster the metal flow rate. The friction coefficient has a great influence on the final forging load. The greater the friction coefficient, the greater the final forging load. Through research and observation, the initial forging temperature has little effect on the formability of forgings.
Finally, according to the size of short shaft and preforming scheme, the structure and size of precision forging die for forgings are designed.
Keywords: short axis; Warm forging; Control variable method; DEFORM-3D
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2课题的背景和意义 1
1.3国内外研究现状 2
1.3.1我国的锻造发展历程和现状 2
1.4研究内容 3
1.5研究方法 3
第二章 短轴件锻造过程的工艺设计 5
2.1引言 5
2.2短轴类锻件产品分析 5
2.3短轴件的锻造工艺设计 6
2.4数值模拟分析 9
2.4.1成型中的载荷变化 9
2.4.2成型中应力分析 10
2.5本章小结 11
第三章 锻造工艺优化 12
3.1引言 12
3.2 UG-NX 与DEFORM-3D 软件介绍 12
3.3压机速度对锻造过程的影响 14
3.4摩擦系数对锻造过程的影响 16
3.5锻造温度对锻造过程的影响 18
3.6本章小结 19
第四章 全文总结与展望 21
4.1总结 21
4.2展望 21
致谢 23
参考文献 24
第一章 绪论
1.1引言
短轴作为一种常用的机械零件，在机械制造中起着至关重要的作用。温锻技术是制造短轴的常见工艺之一，它可以有效提高短轴的力学性能、尺寸精度和表面质量。因此，设计合理的温锻工艺对于短轴的制造至关重要。
短轴在温锻过程中，由于受到高温和变形的作用，其微观组织和力学性能都会发生变化。因此，温锻工艺的设计必须考虑多种因素，如加热温度、保温时间、锻造速度、锻造温度、冷却方式等。这些因素的合理选取将直接影响短轴的质量。
此外，随着工业技术的不断发展，人们对短轴性能的要求也越来越高，例如抗疲劳性能、耐磨性、耐蚀性等。因此，在设计短轴的温锻工艺时，还需考虑如何在提高其力学性能的同时，对这些性能进行优化。
综上所述，短轴的温锻工艺设计是制造短轴的重要环节之一，必须以科学的方式进行设计和优化，以满足各种应用场景的需求。
1.2课题的背景和意义
短轴广泛应用于机械设备、汽车、航空航天等领域，作为传动部件或连接部件。由于工作环境的要求，短轴需要具有高强度、高剛性、高耐磨性等性能，这些要求需要通过精细的加工工艺来实现。而温锻工艺正是一种高效的金属成形工艺，能够提高产品的物理性能和力学性能，满足高端产品的要求。
短轴的温锻工艺设计意义在于确定一种最优的工艺流程，通过温度和形变控制来实现高品质的制造过程，提高产品的性能、质量和工程成本。同时，这种工艺设计还可以为短轴产品的制造企业提高竞争力，增强企业在市场中的地位，提高企业的经济效益。此外，合理的工艺设计还有助于减少废品率和生产周期，提升生产效率和生产线的可持续性。因此，短轴的温锻工艺的设计非常重要。
1.3国内外研究现状
国内研究现状：
1.优化温度和变形率
研究表明，温度和变形率是影响短轴温锻成形质量的两个关键因素。当前国内研究主要集中在优化温度和变形率，以提高短轴温锻成形品质。
2.应用数值模拟
数值模拟是短轴温锻工艺优化的重要手段。目前，国内学者采用有限元分析（FEA）技术开展短轴温锻成形数值模拟，以探究不同工艺参数对短轴成形的影响规律。
3.开展工艺改进研究
为了进一步提高短轴成形品质，国内研究者还开展了各种改进措施的研究。例如，利用高压水冷却技术可以有效降低短轴热应力，从而提高短轴温锻成形品质。
国外研究现状：
1.探索新的温锻工艺
国外学者开展的短轴温锻工艺研究几乎涵盖了所有现有的温锻工艺。例如，采用等速温升温锻、等温温锻、两步温锻等工艺，可以获得不同形貌和性能的短轴。
2.研究短轴温锻成形机理
国外学者对短轴温锻机理的研究也比较深入，主要探究短轴成形过程中的微观变形行为和相变规律。
总体而言，国内外研究者都在不断探索短轴温锻成型的优化工艺和机制，以提高短轴成型品质和性能。未来，随着新型材料和制造技术的不断涌现，短轴温锻工艺的优化将会更加深入和广泛。
1.3.1我国的锻造发展历程和现状
我国的锻造工艺历史可以追溯到古代，涵盖了许多重要的历史时期和领域。随着时代的变迁和技术的进步，我国的锻造工艺也得到了不断的发展和完善，如今已经成为世界锻造行业的重要力量。
最早的锻造工艺可以追溯到公元前1世纪的汉代，当时已经掌握了用火锻造铜铁的技术。唐代以后，随着工艺的进一步发展，锻造逐渐成为了一项重要的独立产业。到了明清时期，锻造工艺已经非常成熟，涵盖了许多领域，如武器制造、农具制造等。
20世纪初，我国的锻造工艺和装备水平相对较低，许多重要的机械和设备只能依靠进口解决。随着中国工业的发展和技术力量的增强，我国的锻造工艺也得到了飞速的发展，在军工、交通、制造等领域取得了显著的成绩。
当前，我国的锻造行业已经成为世界锻造行业中不可忽视的一员，并已经取得了一定的成就。据数据显示，我国锻造行业已经覆盖了军工、交通、制造等众多领域，年产值超过2万亿元人民币，占全球锻造总量的40%以上。
我国的锻造企业也取得了不同程度的成就，许多企业已成为跨国资本的重要供应商，并在技术和管理水平上迈入了全球竞争的前列。同时，我国锻造行业也面临着一些问题，如锻造技术和装备水平亟需提高、产品创新与转型难度大等问题。
综上所述，我国的锻造行业取得了很大的进展，但仍然需要在关键技术的研发、高端产品的开发以及管理水平的提高等方面不断努力，提高其国际竞争力并推动行业的健康稳定发展。
1.4研究内容
1.以短轴为对象，进行锻造工艺的设计，包括下料尺寸的确定，预成型方案设计,锻件图的绘制等，并采用数值模拟对锻件的成型过程进行有限元分析。
2.利用数值模拟软件分析各工艺参数对冲头磨损、载荷变化、应变均匀性、流线的影响，并选择合适的工艺参数。
针对上述工艺，设计出相应的冲头和凹模。
1.5研究方法
本文的研究方法主要包括文献分析法、仿真设计法、数据对比分析法，具体如下：
1、文献分析法：将通过知网，维普，谷歌学术等多个渠道，搜集相关的文献，继承前人的经验总结，并结合自己的经历和思考，知道大体的方向，为本文深入分析法兰件的锻造工艺提供一定的理论支撑。
2、仿真设计法：先利用建模软件（UG.NX）建立模型，其尺寸的设计将考虑到工艺过程中可能产生的缺陷而略微改动，完成模型的设计后，利用仿真软件（deform）对整个工艺进行模拟，分析成型中锻件的力学指标变化趋势，压机速度对锻造过程的影响，预成型温度对锻造过程的影响，摩擦系数对锻造过程的影响等。
3、数据对比分析法：基于数值模拟实验数据，将其与该锻件的主要性能指标进行对比分析，得出合格的数据后将与行业内该类锻件的均值进行对比，得知方案的可行性，和其对锻造行业的作为。
参考文献
[1]张成霞,张进军,刘垒,田志权,张广森,黄冬凤,鲁桥,吴兴斌.一种适用于生产短轴锻件的锻造方法[J].大型铸锻件,2016(05):42-43.DOI:10.14147/j.cnki.51-1396/tg.2016.05.001.
[2]《锻造与冲压》2023出版计划锻造版半月刊每月1日出版[J].锻造与冲压,2023(05):74.
[3]徐祥龙.冷、温锻造在中国的发展（下）[J].锻造与冲压,2020(11):50-54.
[4]郭静,李明星.基于Deform-3D的汽车差速器壳体模锻工艺改进[J/OL].锻压技术,2023(04):38-47[2023-04-25].DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.04.006.
