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安徽工程大学毕业设计（论文）
十字轴锻造成形工艺研究及模具设计

摘 要
近几年，随着经济和汽车行业的快速发展，十字轴作为传动系统的重要组成部分，应用越来越广泛，地位也越来越重要。
本文主要以十字轴为研究对象，十字轴是汽车底盘中的一个十分重要的传力零件，产品质量要求高，形状复杂。以目前国内普遍应用的热锻工艺为研究前提，运用UG、DEFORM-3D软件系统的研究十字轴的成形过程和模具设计。
首先采用UG或Pro/E三维造型软件对十字轴进行三维实体化造型。利用DEFORM-3D有限元模拟软件对十字轴的成形过程进行模拟。分析应力状态和载荷-行程曲线。基于模拟结果，分析十字轴预锻成形过程中所出现的问题，提出模具设计的改进建议。从数学模型上给出了指导，得出了优化的工艺参数，设计出合理的模具型腔。利用UG的实体造型功能建立十字轴的三维模型。
关键词：十字轴；数值模拟；预锻变形；有限元；成形工艺

I

安徽工程大学毕业设计（论文）
Study on Forming Process and Die Design for Crossing Shaft

ABSTRACT
In recent years, with the development of economy and automotive industry, as the main basis of mechanical parts, the cross shaft of an ever-increasing status is also becoming increasingly important.
This article mainly takes cross shaft as the research object. The cross shaft is automobile chassis of a very important force transmission parts, products of high quality requirements, complex shape.UG, DEFORM-3D as a platform, and has done some research on mould design and FEM simulation, on the base of forge hot process which is widely used in local plant.
First, using UG or Pro/E three-dimensional modeling software for 3D modeling of the cross shaft.The finite element simulation software DEFORM-3D is used to simulate the forming process of the cross shaft. And analysis the stress distribution and the metal load-trip curve. According to the result of the simulation, the problem in the Pre-forging has been analysed with some instructive suggestions for die designing put forward. Guidance is given from the mathematical model, then the optimized parameters, design of mould cavity and reasonable. A three-dimensional model of cross shaft using a solid modeling function of UG.
Key Words: cross shaft；numerical simulation；Pre-forging process；finite element method；forming process

目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
引 言 - 1 -
第1章 绪 论 - 2 -
1.1 研究现状和发展趋势 - 2 -
1.2 研究意义（价值）及主要内容 - 3 -
第2章 设计研究方案 - 4 -
2.1 对课题的认识 - 4 -
2.2 课题的研究方法 - 5 -
2.3 热模锻成形工艺 - 6 -
2.3.1 模锻的特点 - 6 -
2.3.2 模锻的分类 - 6 -
2.3.3 开式模锻工艺 - 6 -
2.4 影响金属成形的因素 - 7 -
2.5 UG简介 - 8 -
2.5.1 UG产品概述 - 8 -
2.5.2 UG主要技术特点 - 9 -
2.5.3 本课题有关UG的运用 - 9 -
2.6 DEFORM-3D简介 - 10 -
2.6.1 DEFORM的特点 - 10 -
2.6.2 DEFORM模型的建立 - 10 -
第3章 十字轴模具设计 - 12 -
3.1 十字轴锻件几何尺寸分析 - 12 -
3.2 终锻模的设计 - 14 -
3.2.1 分模面的制定 - 14 -
3.2.2 模块的结构 - 14 -
3.2.3 飞边的选用 - 14 -
3.2.4 锁扣设计 - 15 -
3.2.5 坯料体积计算 - 17 -
3.3 预锻模的设计 - 18 -
第4章 十字轴模具总装配图 - 22 -
4.1 模架的选取 - 22 -
4.2 热模锻压力机的选用 - 26 -
4.3 模具总装配图 - 27 -
第5章 结论与展望 - 29 -
致   谢 - 30 -
主要参考文献 - 31 -
附 录 - 32 -

插图清单

图2-1 常见十字轴零件图和模锻件图 - 4 -
图2-2 十字轴零件图 - 5 -
图2-3 十字轴冷锻件图 - 5 -
图3-1 十字轴冷锻件图尺寸 - 12 -
图3-2 十字轴热锻件图尺寸 - 13 -
图3-3 十字轴热锻件三维图 - 14 -
图3-4 飞边的结构形式 - 15 -
图3-5 四角锁扣 - 15 -
图3-6 终锻模上模 - 16 -
图3-7 终锻模下模 - 16 -
图3-8 坯料 - 17 -
图3-9 成形过程金属流动模型 - 18 -
图3-10 坯料镦粗 - 18 -
图3-11 传统工艺下的预锻模腔 - 19 -
图3-12 改进后的预锻型腔 - 20 -
图3-13 传统工艺下预锻结束和终锻结束 - 20 -
图3-14 改进后预锻结束和终锻结束 - 20 -
图4-1 中间导柱模架 - 22 -
图4-2 中间导柱上模座 - 23 -
图4-3 中间导柱下模座 - 24 -
图4-4 A型导柱和导套 - 25 -
图4-5 模具总装配三维图 - 27 -
图4-6 十字轴模具装配图 - 28 -

表格清单

表4-1 中间导柱上模座结构参数 - 23 -
表4-2 中间导柱下模座结构参数 - 24 -
表 4-3 导柱结构参数 - 25 -
表4-4 导套结构参数 - 26 -

V

左渭：十字轴锻造成形工艺研究及模具设计
引 言
随着我国经济的快速发展，人们对物质上的需求，再加上国际竞争日益激烈，各国在努力发展自身经济的同时，在关乎本国自身安全的领域也纷纷马不停蹄的研究开发，在这些领域中，最重要的莫属制造业了，一个国家制造业的发展水平，技术含量，直接影响到这个国家的整体命运。与发达国家相比，我国的制造业发展水平还有一定差距，还需要大量引进先进技术，这使我国的发展从根本上看处在被动地位，因此可以说对制造业的发展研究就显得重中之重。
本课题是在这个大的背景赋予的精神下深入到我们日常生活中的一个常见领域展开研究的，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。
在传动装置中，载荷对结构有很高的要求，人们对速度、稳定性的追求，使载荷不断的增大，在结构上不可避免的产生应力集中，而十字轴的轴头尺寸又相对很小，这样，就使十字轴成为汽车安全稳定性的一个重要因素，也因此对其加工制造的工艺有较高的要求。
而DEFORM-3D是一种基于工艺模拟系统的有限元系统，专门用于分析各种金属成形过程中的三维流动，提供很有价值的工艺分析数据，及有关成形过程中的材料和温度流动，通过模拟处理，可以从一定的程度预见工艺过程和效果，并在模拟中改进工艺，从而为实际生产提供最大的便利，节省开发时间，空间，节约成本。计算机广泛发展以来，实际生产与数字化联系日益紧密，各国纷纷大力发展数字化技术，可以说将实际生产数字化会从根本上改变制造业的生产模式和管理模式，有上千年历史的制造业也进入了一个全新的时期。因此实际生产数字化的重要性不言而喻。

第1章 绪 论

1.1 研究现状和发展趋势
万向联轴器，具有传递扭矩大、使用寿命长、应用范围广等特点。主要应用于轧机主传动和辅机传动，也适用于起重、矿山、工程、车辆运输、石油、船舶、造纸机械及其它重型机械行业。特别对冶金工业的技术改造及机械产品的更新换代提供了有利条件，采用这种新型机械基础条件将会大幅度提高作业率而获得很大的经济效益。我国目前常用的联轴器有：梅花万向接轴、滑块万向接轴、弧形齿接轴及十字轴式万向联轴器。梅花万向接轴和弧形齿接轴许用倾角小；滑块式万向接轴润滑条件差；十字轴式万向联轴器转动平稳、效率高、许用倾角大、润滑维护简便。十字轴式万向联轴器具有广阔的市场，年需求量很大。按目前情况分析，不算进口，其年销售量也在二亿人民币左右。因国内产品质量的不稳定，再者有些大型设备中的主传动轴一时还无法达到要求，故失去了一部分市场。这部分市场所占数量虽然不大，但产值却很高，约占总销量的 30％左右。为了减少进口和扩大出口，增加年销售量，对现有产品须进行不断的改进，提高其技术水平和产品质量，最大限度的占有市场。由于十字轴式万向联轴器的应用范围在不断地扩大，而它本身又是更换件，都需备品备件，其需求量也会逐年增加。
十字轴式万向联轴器的主要构件由主、被动叉头与十字包组成 ,传递动力的中间受力元件为十字轴。列入国家标准的十字轴式万向联轴器有 JB5513SWC 型整体叉头十字轴式万向联轴器、JB3241 SWP 型剖分轴承座十字轴式万向联轴器和 JB3242 SWZ 型整体轴承座十字轴式万向联轴器。SWP 型剖分轴承座十字轴式万向联轴器和 SWZ 型整体轴承座十字轴式万向联轴器，对十字轴的装配比较方便，同时为十字轴的尺寸设计提供了较大的选择空间，但由于连结的环节较多，工作中故障率较高，使工作的可靠性受到影响，因此选择时受到限制，应用较少；SWC 型整体叉头十字轴式万向联轴器中的十字轴 (十字包) 采用无螺栓联接，由于连接环节减少，降低了故障率，工作比较可靠，因此使用较普遍。
十字轴式万向联轴器我国已制订了三项标准：即 JB 3241-91《SWP 型剖分轴承座十字轴式万向联轴器》、JB/T 3242-93《SWZ 型整体轴承座十字轴式万向联轴器》和 JB 5513-91《SWC 型整体叉头十字轴式万向联轴器》，这是当前国内外应用范围最广、用量最大的三种不同结构形式的十字轴式万向联轴器。如德国的 GWB 公司和 Voith 公司分别生产 SWP 型和 SWC 型，日本的 Koyo 公司ПAJico 公司分别生产 SWZ 型和 SWP 型，而美国和意大利则生产 SWB 型、SWZ型和 SWP 型。从我国制订的三项标准，无论是对联轴器的性能参数还是有关主要件的材料力学性能、热处理、尺寸偏差、形位公差、表明粗糙度等技术要求均作了规定，其技术水平已达到国外先进国家同类产品的水平。标准规定的主要技术指标为：回转直径为 φ100～φ1200mm，可传递转矩为 2.5～9000kN.m，轴线倾角为 5°～25°，伸缩量达 1000mm。国外对 SWC 型十字轴式万向联轴器的研究要早于我国，其中西德 Voith公司 SW 和 CW 系列产品，在技术上是十分先进的，对于一些尺寸的确定也经过了慎重的选择。甚至已经广泛应用于轧钢机等产品中，它对冶金工业的技术改造及机械产品的更新换代提供了有利条件，西方工业先进国家采用这种新型机械基础条件已经产生了大幅度提高作业率而获得很大的经济效益。
实践证明，十字轴式万向联轴器的主要失效形式为十字轴的断裂、轴颈表面出现塑性压痕或点蚀剥落以及叉头根部破坏。显然，这是由于轴颈上载荷引起的应力超过了材料的弯曲应力极限与接触应力极限所致或者叉头根部弯曲应力不足。因此，为了延长联轴器的使用寿命，应该降低轴颈危险截面的弯曲应力和轴颈表面的接触应力，或者改变中间受力元件的受力状态，这就需要从力学的角度对万向联轴器进行分析。鉴于十字轴万向联轴器这种非常复杂的结构形式，无法用经典的弹性力学通过求解微分方程而得到其解析解，而有限元方法则避免了求解微分方程，它与 CAD 系统结合，使设计者可以在计算机中进行结构的刚、强度分析、疲劳寿命分析等各种性能分析，从而取代了传统设计方法中“设计—验证—设计”的循环。整个设计过程只需要在最后阶段进行必要的验证性试验，这就极大地提高了工作效率，缩短了设计周期，降低了设计成本。
十字轴式万向联轴器，从国内外的发展趋势看，一方面是如何提高它的承载能力和质量，延长使用寿命；另一方面是如何扩大它的应用范围，以满足多种机械设备的需要。为此除对结构、联接方式等方面进行适当的改进外，还应对其主要部件提出更高的要求。在新的设计中，对结构、应力、变形等均将采用有限元分析，进行优化设计，使其设计更为先进合理。

1.2 研究意义（价值）及主要内容
十字轴是汽车底盘中的一个十分重要的传力零件，在交通运输、冶金、重型机械等领域中得到广泛应用，产品质量要求高，形状复杂，十字轴式万向联轴器能够很好地适应传动轴间的较大角位移，而且具有传递扭矩范围大、结构紧凑、传动效率高、维修保养方便等特点，是一种重要的传动部件，其加工方法有机加工、热锻、冷挤等。利用切削加工方法加工十字轴类零件，生产工序多，效率低，材料浪费严重，并且切削加工不仅不能强化轴肩部位的强度还会破坏零件的金属流线结构，不易采用。冷挤压生产十字轴类零件，尺寸精度高、力学性能好、生产工序少、材料利用率高、生产效率高。但冷变形所需设备吨位大，模具易磨损，对挤压设备要求较高，与热模锻相比，模具设计、润滑、工艺等都复杂的多。采用热模锻方式十字轴类零件，模具设计简单，开发费用低，寿命长。因此，本文拟采用热模锻方法成形某型号十字轴。
本文主要完成以下工作：
(1) 熟悉零件的结构特点及使用要求，对零件的锻造工艺进行分析，制定成形工艺方案，明确模具设计要点。
(2) 绘制锻件图，确定分模面位置。进行毛坯计算，计算成形力选择成形设备。
(3) 设计计算锻造模具各工作部分尺寸，设计导向及卸料装置，完成模具材料选择等工作，并绘制模具图。
第2章 设计研究方案

2.1 对课题的认识
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，生产工序较多，造成生产过程中效率低下，材料严重浪费，不利于大批量生产，再加上机加工生产出来的十字轴的力学性能和金属内部的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，其变形抗力低，能量消耗少，由于金属在加热变形过程中，在加工硬化过程的同时，也存在着回复或再结晶的软化过程，就是其塑性变形容易进行。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。但是热锻也有其不足，加热时会产生氧化、脱碳等缺陷，加工后十字轴的表面不是很光洁，尺寸也不如冷挤压生产的精确，而且，由于加工结束后，十字轴内部温度难于均匀一致，所以热加工后的十字轴组织、性能常常不如冷挤压加工的均匀。
利用冷挤压方法生产十字轴，虽然弥补了热锻的不足，生产十字轴的生产工序少，可获得理想的表面粗糙度和尺寸精度，材料利用率高、生产效率高，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，比如，需要的设备吨位大，模具很容易磨损，整个生产过程中，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，从另一个角度上说，开发这样的生产过程反而会提高十字轴生产的总成本，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，并在此基础上进一步改进。
所以，本课题将以热锻十字轴零件（如图2-1）为研究对象，对十字轴热锻成形工艺特别是预锻成形工艺进行研究。

图2-1 常见十字轴零件图和模锻件图

2.2 课题的研究方法
本课题是通过借鉴大量的十字轴的传统加工方法，利用有限元模拟软件，模拟十字轴的成形过程，通过学习文献中关于模拟十字化的分析方法分析计算模拟结果等找到工艺缺陷，并依据所学基础知识对工艺进行改进，再通过模拟对比，如此反复，直到达到工艺的最优化。
首先，通过三维造型软件对传统热锻十字轴零件进行三维实体化造型。 通过有限模拟软件，对十字轴热锻成形过程进行模拟，分析变形过程中应力应变分布，载荷变化和金属流动情况，找出不足、缺陷。 进行改进设计。 再通过三维造型软件对改进后的热锻十字轴零件进行三维实体化造型。 再通过有限模拟软件，分析改进后的情况，实现工艺的最优化。
如图2-2为本课题十字轴零件图，图2-3为本课题十字轴锻件图。

图2-2 十字轴零件图

图2-3 十字轴冷锻件图
本课题十字轴成形工艺主要分四阶段：下料，模锻，切边，机加工。其中模锻又分为预锻和终锻两个过程。
本课题十字轴成形工艺中，坯料所用材料为20CrMnTi 。加热设备选用额定功率为30kW，最高工作温度为1350摄氏度，炉膛尺寸为400mm×300mm×250mm的箱式电阻炉。模具的预热温度为200摄氏度。坯料在1200摄氏度下在预锻模中进行预锻成形。成形后移入开式终锻模中在800摄氏度下进行终锻成形，等模具打靠完毕，再将带飞边的终锻件移入切边模中，去除飞边，这样十字轴就初步成形了，然后再对其进行机加工后处理，最终成品。

2.3 热模锻成形工艺
由于本课题是研究十字轴的预锻成形和模具改进，那么首先要解决的，就是充分理解加工十字轴所用的工艺，热模锻成形工艺，只有了解、掌握了这个工艺，才能为这个课题的完成打下基础。
2.3.1 模锻的特点
首先，本课题的十字轴是通过模锻成形的，模锻就是使金属坯料在冲击力或压力作用下，在模锻模腔中被迫塑性流动成形，从而获得锻件的一种工艺方法，与自由锻相比，通过模锻可以生产形状较为复杂的零件，而且不论是尺寸、形状的精度都比自由锻要高，最为重要的是，比起自由锻，不论从材料利用率还是生产效率，还是表面质量来说，都要好，由于模锻中的金属是在模具的模腔中流动的，一定会受到某些方向的限制，所以，变形抗力会很大，因此相同尺寸的毛坯，成形所需的设备吨位要更大些。而从模具上来说，生产一套模具所要求的不论从设备还是技术层面都要比生产一个零件要高，这样模锻相比自由锻来说，前期投资比较大，准备周期比较长，所以模锻主要用于在大批量的生产中小型锻件中，十字轴的生产正符合这些特点。
2.3.2 模锻的分类
根据成形温度，模锻分为热锻和冷锻，本课题采用热锻，热加工可以使工件变形抗力低，使其塑性变形容易进行，同时会产生回复，再结晶，提高了成形件的力学性能。
根据终锻模具的不同，将模锻工艺分为开式模锻和闭式模锻。开式模锻是指金属沿工件分模面的周围形成横向飞边，上模和下模间的间隙不断变化，而闭式模锻恰恰相反，金属沿工件分模面的周围没有横向飞边产生，上模和下模间的间隙不发生变化。 本课题所采用的是开式模锻，这就要注意飞边和间隙对十字轴成形的影响。
2.3.3 开式模锻工艺
开式模锻过程可分为镦粗、充满模腔、挤出飞边和打靠四个阶段。
第一阶段是镦粗阶段，坯料处于下模模腔，上模开始与坯料接触的瞬间，上模对坯料进行压缩，坯料的高度在减小，根据体积不变假设，相应的直径就在增大，此阶段金属的流动受到的限制比较小，所需的变形力也就不会很大。在此过程中，整个坯料都是变形区。
第二阶段是充满模腔阶段，金属被挤入模腔后，毛坯的侧面鼓起来与凹模的侧壁开始接触，到整个侧表面与模壁贴合且模腔间隙完全充满为止，在这个阶段中，变形金属的流动受到了模壁的阻碍，变形力开始显著增大。在此阶段，变形区仍然遍布整个坯料。
第三阶段是挤出飞边阶段，由于为了更好的控制金属的流动性，使出现的飞边不至于影响成形过程中金属的流动阻碍金属填充模腔，因此，在终锻型槽上开有飞边槽，部分金属在压力作用下沿分模面流入飞边槽形成飞边，由于飞边外的金属薄，冷却快，造成模腔周围一圈的流动阻力大，迫使金属在模腔内流向尚未充填的部位，直到完全填满，为了达到这一目的，飞边槽一般有两个部分组成，一个桥部，一个仓部，桥部主要用来使飞边减薄，阻碍金属流动，迫使金属充满型槽，而仓部就是用来容纳多余的金属，以免金属流到分模面上，影响上下模打靠。但对于整个开式模锻过程，此时锻件的高度仍然高于最终要求的成形高度。
第四阶段是打靠阶段，随着上下模具的运动，飞边越来越小，飞边内的金属温度较低，阻力增大，为了将型槽的多余金属排入飞边槽，需要更大的打击力，所需的能量也将消耗整个成形所需能量的很大部分。在此阶段，变形区已经缩小为模锻件的中心部分区域了。
通过整个过程的描述，我们可知第二阶段是锻件成形的关键阶段，而第四阶段则是模锻变形力最大阶段，那么研究锻件成形问题，主要是研究充满型腔的阶段；计算变形力就要按第三阶段的变形区域考虑，当然是第三阶段越小越好。因为打靠阶段小的话，就可以减少所流出的飞边金属，减小模锻所需要的载荷，减小设备的能量损耗，模具损耗，这样就会延长模具寿命，提高劳动生产率。

2.4 影响金属成形的因素
从开式模锻变形金属变形过程分析，影响金属成形的主要有两大方面，内部因素就是终锻前坯料的形状和尺寸，这主要取决于锻造时金属的变形量；还有坯料本身成分和温度是否均匀，成分和温度不均匀将会引起材料变形应力不均匀。而在外部这个方面，主要是终锻模腔的尺寸和形状、飞边槽尺寸，设备工作速度对金属变形的影响。 就模腔的尺寸和形状来说，金属以镦粗的方式比以压入的方式充满模腔容易，金属在模腔中遇到的阻力主要与变形金属和模壁间的摩擦系数有关，模腔表面的粗糙度低、润滑效果好时，金属在模腔内变形时所受到的摩擦阻力就小，有利于填充模腔。金属在模腔中遇到的阻力还和模锻斜度有关，与无模锻斜度相比，为了便于模锻后取出而设计的模腔内壁模锻斜度不利于金属挤入填充，因为金属填充模腔的过程实质上是一个变截面的挤压过程，金属处于三向压应力状态，为了填充过程的顺利进行，必须有一定的挤压力，模锻斜度越大所需挤压力越大。
圆角半径对金属流动的影响很大，半径小时，金属经过圆角半径流入模具时要消耗较多的能量，不易填充模腔，而圆角半径过大时，不仅会增加金属消耗和机械加工量，还会造成金属过早流失，使模腔充不满。模腔的宽度和深度也影响着金属在模腔中的流动，模腔越窄，金属流向模腔时所受阻力就越大，温度降低的也越显著，充满模腔越困难，在其他条件相同的情况下，模腔越深时，填充也越困难。模具温度较低时，金属流入模腔后，冷却的较快，流动应力升高，填充模腔困难。模锻前，模具一般要预热200到300摄氏度。注意不能过高，会影响模具强度。
影响金属成形的外部因素中，最主要的就是飞边槽的影响，鉴于飞边槽两部分不同的作用，设计飞边槽时最主要的任务是合理确定飞边槽桥部的宽度和高度，桥部阻止金属外流主要是靠坯料与桥部上下间的摩擦力，根据金属塑性变形规律，减小飞边厚度或增加飞边宽度都可以提高飞边阻力，但同时也增加了模锻的成形力，为了保证金属顺利填充模腔，希望飞边桥部阻力大些，但阻力过大，会使模锻成形的动力不足，对模锻锤会造成因打击能量不足而上下模不能打靠，因此，飞边槽的设计要根据情况而定。同时还要考虑飞边槽桥部的阻力与飞边部分坯料金属的温度的关系。如果变形过程中此处的温度降低很快，阻力会急剧增加。
在模锻过程中，上模和下模逐渐接近，飞边槽桥部间的高度不断减小，随着模锻的进行，上下模间的距离从大变小，产生的飞边阻力也从小变大，开始时大量金属流入飞边槽，到最后随着飞边的增多，阻力加大，后产生的飞边量在减少。因此，要减少飞边消耗，应设法较早建立足够大的飞边阻力。可以通过改变分模面位置，把飞边设计在变形较困难的端部，初期，中间部位金属的变形受到模壁限制，就容易向模腔流动，充满模腔，减少飞边金属的消耗。
再次，影响金属成形的外部因素还有设备工作速度的影响。一般说来，设备工作速度高时，金属变形速度也快，金属变形的惯性和变形热效应突出。由于温度较高，氧化皮软化，摩擦系数有所降低，这时的氧化皮在某种程度上具有润滑剂的功能。在模锻时正确利用这些因素，有利于金属充满模腔，得到外形复杂、尺寸精确的锻件。
模具对金属变形的影响也尤为重要。为了保证锻件的形状和尺寸精度，设计热锻模具时应考虑锻件和模具的热收缩，根据金属塑性成形理论，塑性变形时金属主要朝着最大主应力的方向流动。在三向压应力的情况下，金属主要朝着最小阻力方向流动。因此，对一个待加工的模锻件，通过设计不同的制坯工步如预锻，就可控制金属的变形方向，完成对毛坯的塑性加工。此外，变形体内的应力场是在外力作用下产生的，一般外力通过模具施加在坯料上，坯料变形的反作用力也由模具承担，合理的模具设计还应该使锻件变形时的流动阻力尽可能小，使模具的载荷分布均匀，降低模具的峰值应力，由于金属的塑性与应力状态关系密切，压应力的个数越多，静水压应力数值越大，材料的塑性越好。

2.5 UG简介
2.5.1 UG产品概述
Unigraphics（简称UGS）软件由美国麦道飞机公司开发，于1991年11月并入世界最大的软件公司—EDS（电子资讯系统有限公司），该公司通过实施虚拟产品开发（VPD）的理念提供多极化的、集成的、企业级的软件产品与服务的完整解决方案。 同以往使用较多的AutoCAD等通用绘图软件比较，UG直接采用统一的数据库、矢量化和关联性处理、三维建模同二维工程图相关联等技术，大大节省了用户的设计时间，从而提高了工件效率。 UG的应用范围特别广泛，涉及汽车与交通、航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域。其中在美国航空航天工业已安装了15000多套UG软件，并且该软件占有几乎俄罗斯航空市场和北美汽车发动机市场。同时，美国通用汽车、波音、GE喷气发动机等公司都是UG软件的重要用户。
自从1990年UG软件进入中国以来，得到了越来越广泛的应用，在汽车、航天、军工、模具等诸多领域大展身手，现已成为我国工业界主要使用的大CAD/CAE/CAM软件。
2.5.2 UG主要技术特点
UG NX 5 实现了CAD/CAE/CAM三大系统紧密集成，用户在使用UG强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配及创建工程图等功能时，可以使用CAE模块进行有限元分析、运动学分析和仿真模拟，以提高设计的可靠性；根据建立起的三维模型，还可以由CAM模型直接生成数控代码用于产品加工。
随着UG NX版本的不断更新，其操作界面也不断改进，绝大多数功能都可通过按钮操作来实现，并且在进行对象操作时，具有自动推理功能。特别是在NX 5的整个界面以及对话框中增加了多个面板，同时，在各个模块中执行每一个操作步骤时，在绘图区上方的信息栏和提示栏中将提示操作信息，便于用户做出正确的选择，便于用户上手。
2.5.3 本课题有关UG的运用
在本课题中，使用UG主要是用来制作模拟所用的模具，包括传统工艺下的预锻模具，对预锻改进后的预锻模具，还有终锻模具，当然，还要做模拟所用的坯料。
针对本课题所需的实体造型，主要需要掌握以下几种功能菜单的操作。 草图操作：通过草图操作，可以在一个自定义的平面上进行二维制图，一般用来完成，零件简单截面的绘制。
基准平面操作：通过基准平面操作，可以在已有基准平面的基础上，以其为参照，建立新的基准平面，以此来满足在设计过程中，随着视图的变换，设计所需方向性的改变。
拉伸、回转操作：通过拉伸、回转等同类型操作可将二维制图依据设计的需要转化成三维立体造型。
边倒圆、面倒圆操作：此类操作，是将对面之间的陡峭边倒圆，在选定面组间添加相切圆角面等，是在三维实体中对细节特征的编辑。
镜像体操作：通过镜像体操作，可是实体相对于一个基准面产生镜像对称。
复合曲线操作：通过复制其他曲线和边来创建曲线。
最重要的是布尔操作，特征的布尔运算操作用于确定在建模过程中多个实体之间的合并关系。布尔操作中的实体对象分别称为目标体和工具体。目标体是用户首先选择的需要与其他实体合并的实体或片体对象，工具体是用来修改目标体的实体或片体对象。在完成布尔运算操作后，工具体将成为目标体的一部分。布尔运算操作包括求和、求差和求交运算，求和运算是将两个或更多个实体的体积合并为单个体。求差运算是从一个实体的体积中减去另一个的，留下一个空体。求交运算是创建一个体，它包含两个不同的体共享的体积。
最后为了给模拟做准备，还会用到一些测量性的操作。

2.6 DEFORM-3D简介
2.6.1 DEFORM的特点
DEFORM-3D是美国Battell研究院开发的一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。在模拟过程中，按照变形前后体积不变原则，能够对成形过程的三维金属流动做过程模拟分析。主要功能如下：模拟分析自由锻、模锻、积压、轧制、摆碾、平锻、辗锻等多种塑性成形工艺过程；模拟和分析冷、温、热塑性成形问题；模拟和分析多工序塑性成形问题。
DEFORM是一个模块化的模拟系统，包括有限元模拟器、前处理器、后处理器和用户处理器四大模块。DEFORM-3D有着很好的准确性和稳定性。模拟引擎在大变形金属流动，行程载荷和产品缺陷预测等方面同实际生产相符保持着很高的精度。自动网格生成器可以基于特定的分析过程控制局部单元尺寸优化完成网格划分。依据分析成形过程特点，网格生成器在有精度要求的区域生成质量更优的单元，降低了整体的计算规模和运算要求。由用户自定义的局部网格密度控制为较高层次用户提供了更加灵活的方法。
DEFORM-3D不仅提供了完善的分析功能，而且采用了直观的图形用户界面。并提供了诸如切除飞边的布尔运算等3D几何模型处理的功能。FEM引擎同样可用于剪切和裁边的模拟计算。即使是更为复杂的机加工也可以进行模拟。
通过模拟分析变形过程的金属流动，有助于本课题在分析十字轴的预锻成形过程中，强化工艺参数，通过改进模具设计，优化预锻成形效果，提高十字轴产品质量。
2.6.2 DEFORM模型的建立
（1）定义几何特征 ：根据模锻的理论和所研究的问题，设计出相应的模具，输出DEFORM-3D软件可以识别的STL文件或其他可用的二进制文件。PRO/E、UG等三维CAD软件，均可用来设计模具，并生成DEFORM可前处理文件格式。本课题所用UG生成STL文件。
（2）边界条件的设定 ：根据DEFORM软件的要求和模拟实验的目的，需要设定的边界条件有：对上模的速度控制的输入；坯料温度和模具温度；坯料材料；坯料和模具的材料性能，一般，坯料设为塑性，其他件设为刚性，忽略其弹性变形；设定所有件与坯料间的接触关系；坯料和模具间的摩擦系数；模具完成整个变形过程所用的步数、每步的压下量；材料成形方向平行于轴面金属流动的速度。
（3）前处理 ：依据DEFORM的“Pre-Processor”所提示的步骤，建立前处理。在前处理过程中，材料参数、网格划分、运动设立、特性等几个比较重要的参量，有些参量在模拟过程中是要不断地修改的，特别是网格的重新划分，对模拟运算影响比较大，往往需要几次反复才能成功，是比较费时的。在前处理初始条件的建立中，一定的实际经验可以少走弯路。
（4）模拟运行 ：模拟运行实质上是一个计算过程，点击RUN进行DEFORM运算模拟，在模拟过 程中，可以观察同步信息，监控模拟过程。
（5）后处理过程 ：计算机在计算程序运行结束后对数据进行分析整理，并且用较直观的方法输出数据的过程，这就是DEFORM的后处理过程。在本课题中，通过分析等效应力应变、载荷、金属流动方向等对比不同方案下十字轴成形状态并得出结论，值得注意的是，在对比中，所用参数范围应该相同，不论是效果图还是曲线图。
（6）参数的调整 ：在计算机运行过程中，由于参数设置的不当，比如网格划分不恰当，刚性面与工件脱离等，模拟时就会出现错误，需要调整。在调整过程中，主要调节的地方是网格、刚性面、传热面、边界条件，DEFORM软件模拟的关键就是边界条件的设置，其中网格的重新划分是关键。网格化处理时，一般选择网格单元数在8000-20000之间，不能太多也不能太少。一些边界条件的设置也需有个合适值，总之，参数的调整是得到一个理想的运行不可缺少的过程。

第3章 十字轴模具设计

3.1 十字轴锻件几何尺寸分析

图3-1 十字轴冷锻件图尺寸
如图3-1，是本课题所用十字轴冷锻件图尺寸，从图中可以看出，本课题所要成形的十字轴是由两个直径大一点的圆柱以相互成90度，对称套在一起的，在其外侧再接直径小一点的圆柱，然后在相套圆柱交接处，上下挖出平面为正方形的平台，这样，一个十字轴的特征图就成形了。特别注意，根据尺寸图所给尺寸，可以看出制作特征图的成形顺序，当两个圆柱套在一起后，要在衔接处先开圆角，平缓过渡，然后再挖平面，如果顺序不同，可能会使衔接处由于多条曲线相交而不能开圆角，再次，要注意挖的正方形平台，也应该以圆角的形式过渡，因为，对与模锻来说，产生小的里面是困难的，就算模具是垂直的，在成形后也会由于金属流动而成一定圆角。
本十字轴设计中坯料所用材料为20CrMnTi，密度ρ=7.85g/cm3。
锻件的形状复杂系数为：S=Md/Mn（Md为锻件质量，Mn为外轮廓包容体质量）。
Mn=14πd2hρ（d为外廓直径，h为高，ρ为密度）。
Mn=14×3.14×102.22×26×7.85×10-3≈1673.46（g）
在UG中分析菜单栏下用测量体命令测得十字轴体积为Vd=81195.72mm3，
Md=ρVd=637.39（g）
S=Md/Mn≈0.38，为2级形状复杂系数S2。
模锻力的计算：P=k1k2F
P—模锻力（kN）。
k1—钢种系数，低合金结构钢k1=1。
k2—金属变形抗力系数（kN/cm2），开式模锻k2=（46～73）kN/cm2 ，闭式模段k2=（60～80）kN/cm2。
F—锻件投影面积（含按仓部的12计算的飞边面积）。
根据UG图计算出锻件投影面积为：F=12473.6mm2，
模锻力：P=73×124.736=9105.728kN。
热锻件图按冷锻件图尺寸增加1.5%的收缩率绘制，如图3