基于有限元的半軸擺輾成形分析

0 引言

半軸是車輛系統(tǒng)的重要零部件，它在傳遞動力的同時，需要不斷承受交變力矩和沖擊載荷，其復(fù)雜的工作環(huán)境對其生產(chǎn)工藝提出了更高要求?，F(xiàn)在國內(nèi)的半軸生產(chǎn)主要使用擺動碾壓技術(shù)成形，該工藝成形的鍛件質(zhì)量好、精度高、節(jié)省原材料。通過數(shù)值模擬的方法仿真半軸擺動碾壓成形過程，有助于預(yù)測鍛造缺陷，提升半軸力學(xué)性能。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

擺輾技術(shù)首創(chuàng)于20世紀初，是由美國科學(xué)家E.E.Slick提出的加工工藝，他造出了第一臺擺輾機用于鋼錠的開坯鍛造

。隨后擺輾機的方向主要是不斷提升其公稱壓力，1960年英國設(shè)計了一臺100kN的擺輾機。1967年華沙第一壓力自動機廠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

。1973年日本設(shè)計出公稱壓力為1200kN的擺輾樣機,并于1983年設(shè)計出2000kN的擺輾機。

首先，知識產(chǎn)權(quán)評議是制定科技發(fā)展規(guī)劃的重要依據(jù)，也是評估規(guī)劃實施績效的重要方法。制定科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃和計劃是國家促進科技進步的重要方式，在規(guī)劃制定過程中，通過知識產(chǎn)權(quán)評議，可以分析關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，確定技術(shù)發(fā)展路線，防范和規(guī)避重大知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險；而在規(guī)劃制定后的實施過程中，通過知識產(chǎn)權(quán)評議，則可以評估相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r和政策績效，并為后續(xù)政策修訂提供參考。

中國研究擺輾機時間上滯后于國外，1973年上海電機鍛造廠研制出第一臺2000kN的擺輾機。1978年上海新華軸承廠開始使用擺輾機生產(chǎn)止推軸承溝道。隨后，中國逐步將擺輾工藝運用于齒輪坯料、法蘭、凸輪軸等鍛件的生產(chǎn)。自擺輾技術(shù)在中國發(fā)展以來，熱擺輾技術(shù)獨具特色，特別是汽車后橋半軸的擺輾成形。這是中國首創(chuàng)的技術(shù)，并研發(fā)出了半軸擺輾機，具有獨特的結(jié)構(gòu)，至今國外還沒有這種擺輾機的生產(chǎn)及應(yīng)用。汽車半軸擺輾成形生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)過多年的生產(chǎn)實踐的考驗，已大批量投入生產(chǎn)，收到了明顯的經(jīng)濟效益。

國內(nèi)也有不少對半軸擺輾成形過程的數(shù)值模擬分析的研究，如毛春燕等人使用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

。王春玲著重研究了半軸擺輾過程中摩擦系數(shù)對成形力的影響

。隨著擺輾工藝的進一步發(fā)展，擺輾復(fù)合精密成形技術(shù)以及擺輾工藝數(shù)值分析技術(shù)都將成為擺輾技術(shù)新的發(fā)展契機

。

2 擺動碾壓原理簡介

2.1 擺輾成形的運動學(xué)原理

使用有限元分析軟件DEFORM-3D模擬半軸擺輾成形過程，并對結(jié)果進行分析，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)計合理性。本文確定3組擺輾進給速度進行數(shù)值模擬，如表2。

《幾何》可以培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力和邏輯推理能力，是大腦的“智力操”。它涉及的內(nèi)容大多是現(xiàn)實生活素材，能夠在一定程度上開闊學(xué)生視野，啟迪學(xué)生思維，但在實際應(yīng)用中抽象思維多，邏輯思維嚴密，推理嚴謹，理解起來有一定的難度。對于初學(xué)幾何的學(xué)生來說，如果教師教學(xué)方法不當(dāng)，學(xué)生就會覺得幾何高不可攀，產(chǎn)生厭學(xué)情緒，影響以后的學(xué)習(xí)。正確引導(dǎo)學(xué)生解決幾何“入門”難的問題，是學(xué)好平面幾何的關(guān)鍵，也是數(shù)學(xué)教學(xué)的重要任務(wù)。那么，在教學(xué)中，教師如何引導(dǎo)學(xué)生越過這道“門檻”呢？下面，筆者根據(jù)教學(xué)實踐談一下平面幾何“入門”教學(xué)中的做法和體會。

2.2 擺輾成形的重要工藝參數(shù)

(1)接觸面積系數(shù)

擺輾成形的加工接觸面形狀類似一個螺旋曲面。波蘭的馬爾辛尼克教授提出了接觸面積系數(shù)的計算方程式

：

近年來，城市軌道交通高速發(fā)展，極大地減輕了傳統(tǒng)地上交通的壓力，為人們出行提供方便，同時在各個方面促進著社會的發(fā)展[1].但是，地鐵帶來的噪聲問題，嚴重影響著乘客乘坐舒適性和地鐵工作人員的正常工作與身心健康.調(diào)查表明，長期受到噪聲困擾的人們?nèi)菀桩a(chǎn)生頭疼、失眠、煩躁、記憶力衰退，嚴重者造成聽力損傷，精神抑郁等嚴重后果[2-3].地鐵噪聲成為了衡量地鐵質(zhì)量的重要指標之一，全國各地乘客、工作人員對地鐵噪聲問題的投訴日益頻繁.因此，必須做好地鐵噪聲控制，提高乘客乘坐舒適性，改善地鐵從業(yè)人員工作環(huán)境.

式中：

—每轉(zhuǎn)進給量(mm/r)；

—擺輾角(°)；

—毛坯原始半徑(mm)。

(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。通常，當(dāng)

越小，擺頭的軸向運動和工件的軸向變形更為突出；當(dāng)

越大，擺頭的擺輾運動和工件的徑向變形更為突出。中國的擺輾機其擺頭傾角主要為2°或3°

。

(2)擺輾轉(zhuǎn)速擺輾轉(zhuǎn)速的快慢直接影響擺輾成形金屬流動快慢，影響半軸成形質(zhì)量的高低。經(jīng)查閱相關(guān)資料和擺輾機參數(shù)，確定擺輾轉(zhuǎn)速為200r/min，即20.95rad/s。

(3)每轉(zhuǎn)進給量

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

過小，金屬易產(chǎn)生卷曲折疊。為了提高效率，在金屬卷曲度合適的前提下，一般

會取較大值。進給量與進給速度的關(guān)系如下：

據(jù)葉靄玲說，當(dāng)白麗筠去拉房地產(chǎn)大鱷森達房地產(chǎn)公司李老板的存款時，被李老板招了安，成為身家上億的李老板的小三，順便在李老板的公司當(dāng)了售樓小姐。這里的主次關(guān)系是與白麗筠的講述顛倒的。我不知道究竟該相信哪一個版本，但是所謂兼聽則明，兩方面都聽到，事實真相基本上就清楚了。

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。

早在8000多年前，埃及人就掌握了依靠亞麻纖維制作衣物的技能。公元前4000多年前的新石器時代，中國人便已經(jīng)知道采用苧麻作為紡織原料。我國浙江湖州錢山漾文化遺址中，出土了距今4700多年的苧麻織物殘片；湖南省長沙馬王堆漢墓中也有精細的苧麻布料……現(xiàn)如今，隨著科技的發(fā)展，以及對麻認識的逐步深入，人們發(fā)現(xiàn)——原來麻全身都是寶。

3 半軸擺輾成形過程分析

3.1 三維造型與體積修正

如圖2(a)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Φ58mm，法蘭盤直徑為Φ220mm。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(yù)鍛成形，一般采用油壓機聚料成形。

假設(shè)半軸擺輾過程中體積不損失，可以確定半軸下料體積。對半軸零件進行三維造型后可以通過體積測量得到半軸零件的體積。圖2(b)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，為減少運算量，故切除650mm桿部坯料。

測量得到的半軸頭部體積為1512966mm

，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。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)δ(燒損率)為1.03，則修正后的體積為：V

=δV=1.03×1512966=1558355mm

。所以毛坯體積不應(yīng)小于1558355mm

。

3.2 擺輾參數(shù)的確定

(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。

客戶端流量攔截功能基于browsermob-proxy代理實現(xiàn)。代理工具browsermob-proxy開放源代碼，本文除了使用API接口提供的功能外，還改動源碼適配Android系統(tǒng)。代理需要長期運行，為了保證代理不被系統(tǒng)回收，將代理寫入Android前臺服務(wù)中并在通知欄顯示運行狀態(tài)。

綜上各種因素，朝藿定B、朝藿定A、朝藿定C、淫羊藿苷、木犀草素、槲皮素、川陳皮素、山柰酚、寶藿苷Ifs/i的RSD依次為0.30%、0.81%、1.11%、0.79%、2.24%、0.80%、2.96%、0.57%和1.35%，表明該方法各成分fs/i耐用性較好。

(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1000℃～1200℃，半軸擺輾成形過程中由高頻加熱爐加熱。通過查閱相關(guān)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(guān)參數(shù)總結(jié)至表1。

(4)擺頭轉(zhuǎn)速

擺頭轉(zhuǎn)速

一般由擺輾機的電機功率決定。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。

3.3 半軸擺輾成形過程數(shù)值分析

擺輾成形工藝是利用擺頭在工件加工面上滾動，同時工件或擺頭軸向進給，促使加壓面產(chǎn)生變形的金屬塑性加工方法。如圖1所示為擺輾運動原理示意圖，擺輾可以分為三個運動，一是擺頭繞著擺頭軸線的自轉(zhuǎn)運動，二是擺頭繞著機床軸線的公轉(zhuǎn)運動，三是工件或擺頭的軸向進給

。

根據(jù)半軸擺輾成形數(shù)值模擬方案，首先進行坯料形狀設(shè)計，并控制體積，如圖3所示。

將設(shè)計好的圓柱形坯料三維造型轉(zhuǎn)為STL文件，導(dǎo)入DEFORM-3D進行數(shù)值模擬，設(shè)置好各項參數(shù)和邊界條件，計算出坯料進給量，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行模擬，模擬成功后在后處理界面進行分析操作。

3.4 模擬結(jié)果分析

如圖4、圖5、圖6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個階段進行分析。

當(dāng)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。金屬的局部成形優(yōu)勢凸顯，成形件的成形質(zhì)量較高。

式中：

—進給速度(mm/s)；

—擺頭轉(zhuǎn)速(r/min)；

1.4統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 18.0軟件處理數(shù)據(jù),癥狀消退時間等計量資料符合正態(tài)分布用±s表示,以t檢驗;臨床療效、不良反應(yīng)發(fā)生情況等計數(shù)資料用百分率表示,以χ2檢驗,P<0.05表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

當(dāng)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(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，金屬之間的流動阻力也增大，表現(xiàn)為擺輾力逐漸增加，擺輾抗力逐漸增大。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)進給速度為30mm/s時，擺輾中的蘑菇效應(yīng)減弱，當(dāng)進給量為60mm時出現(xiàn)“滑輪形”。這是因為進給速度太快，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，形成兩端大中間小的“滑輪形”坯料。“滑輪形”坯料繼續(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。同時部分坯料被擠壓出下模，坯料流失后導(dǎo)致模腔內(nèi)無法充滿。

綜合分析不同進給量時各進給速度坯料的變形情況，隨著進給速度的增加，大量金屬隨著擺頭的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，造成了材料偏移，這種情況增加了金屬流動應(yīng)力和擺輾力。由圖7可知，隨著進給速度逐漸增加，工件流動應(yīng)力分別為150MPa、154MPa、161MPa。流動應(yīng)力的增加正好印證了擺輾力越來越大，金屬流動越來越困難的現(xiàn)象。

里奇的這段話提醒我們，照片的標題和文字說明對攝影的社會性使用可能是好事，但它也將照片限定在單一的狀態(tài)里，無法開啟多元的意義，自然也就會阻礙攝影的多元拓展。然而，“多元性”“態(tài)迭加”是量子—數(shù)碼攝影時代攝影的最重要特征。筆者簡單提取這段話的關(guān)鍵詞就可以引出里奇對數(shù)碼攝影的定義：“引發(fā)能量共享狀態(tài)”“承認空間—時間的可塑性”“更多延展”“非線性的”“多層次的復(fù)雜存在”，這就是數(shù)碼攝影，這些也成為其區(qū)別于傳統(tǒng)攝影的關(guān)鍵。因此，我們可以用牛頓力學(xué)—傳統(tǒng)攝影和量子力學(xué)—數(shù)碼攝影來理解傳統(tǒng)攝影到數(shù)碼攝影的發(fā)展轉(zhuǎn)向以及它們之間的差異。正如里奇置評說：

所以，當(dāng)設(shè)計圓柱形坯料時，進給速度取10mm/s能通過擺輾工藝得到較好的半軸成形件。

4 結(jié)論

(1)基于deform的有限元數(shù)值模擬方法能夠有效地分析半軸擺輾成形過程中的金屬流動狀況和擺輾應(yīng)力等，提前預(yù)測成形缺陷，為實際工藝提供較為優(yōu)化的工藝參數(shù)，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低試驗研究成本。

(2)通過擺輾工藝成形的汽車半軸鍛件質(zhì)量較高，熱擺輾技術(shù)產(chǎn)生的加工應(yīng)力較小，并充分節(jié)省了原材料。

(3)通過有限元方法分析圓柱形坯料在三種進給速度下的成形過程，對比結(jié)果顯示圓柱形坯料在進給速度為10mm/s時能通過擺輾工藝得到較好的半軸成形件。

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