基于有限元的半軸擺輾成形分析

0 引言

半軸是車(chē)輛系統(tǒng)的重要零部件，它在傳遞動(dòng)力的同時(shí)，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(duì)其生產(chǎn)工藝提出了更高要求。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的半軸生產(chǎn)主要使用擺動(dòng)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(guò)數(shù)值模擬的方法仿真半軸擺動(dòng)碾壓成形過(guò)程，有助于預(yù)測(cè)鍛造缺陷，提升半軸力學(xué)性能。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

擺輾技術(shù)首創(chuàng)于20世紀(jì)初，是由美國(guó)科學(xué)家E.E.Slick提出的加工工藝，他造出了第一臺(tái)擺輾機(jī)用于鋼錠的開(kāi)坯鍛造

。隨后擺輾機(jī)的方向主要是不斷提升其公稱(chēng)壓力，1960年英國(guó)設(shè)計(jì)了一臺(tái)100kN的擺輾機(jī)。1967年華沙第一壓力自動(dòng)機(jī)廠(chǎng)研制出了第一臺(tái)四軌跡擺輾機(jī)，并且該廠(chǎng)還是最早開(kāi)始出口1600kN和2000kN擺輾機(jī)的廠(chǎng)家

。1973年日本設(shè)計(jì)出公稱(chēng)壓力為1200kN的擺輾樣機(jī),并于1983年設(shè)計(jì)出2000kN的擺輾機(jī)。

首先，知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)議是制定科技發(fā)展規(guī)劃的重要依據(jù)，也是評(píng)估規(guī)劃實(shí)施績(jī)效的重要方法。制定科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃和計(jì)劃是國(guó)家促進(jìn)科技進(jìn)步的重要方式，在規(guī)劃制定過(guò)程中，通過(guò)知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)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(xiàn)，防范和規(guī)避重大知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)；而在規(guī)劃制定后的實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)知識(shí)產(chǎn)權(quán)評(píng)議，則可以評(píng)估相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r和政策績(jī)效，并為后續(xù)政策修訂提供參考。

中國(guó)研究擺輾機(jī)時(shí)間上滯后于國(guó)外，1973年上海電機(jī)鍛造廠(chǎng)研制出第一臺(tái)2000kN的擺輾機(jī)。1978年上海新華軸承廠(chǎng)開(kāi)始使用擺輾機(jī)生產(chǎn)止推軸承溝道。隨后，中國(guó)逐步將擺輾工藝運(yùn)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(guó)發(fā)展以來(lái)，熱擺輾技術(shù)獨(dú)具特色，特別是汽車(chē)后橋半軸的擺輾成形。這是中國(guó)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(guó)外還沒(méi)有這種擺輾機(jī)的生產(chǎn)及應(yīng)用。汽車(chē)半軸擺輾成形生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的生產(chǎn)實(shí)踐的考驗(yàn)，已大批量投入生產(chǎn)，收到了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

國(guó)內(nèi)也有不少對(duì)半軸擺輾成形過(guò)程的數(shù)值模擬分析的研究，如毛春燕等人使用DEFORM對(duì)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

。王春玲著重研究了半軸擺輾過(guò)程中摩擦系數(shù)對(duì)成形力的影響

。隨著擺輾工藝的進(jìn)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(jī)

。

2 擺動(dòng)碾壓原理簡(jiǎn)介

2.1 擺輾成形的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理

使用有限元分析軟件DEFORM-3D模擬半軸擺輾成形過(guò)程，并對(duì)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(cè)成形缺陷等角度判斷設(shè)計(jì)合理性。本文確定3組擺輾進(jìn)給速度進(jìn)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(shí)生活素材，能夠在一定程度上開(kāi)闊學(xué)生視野，啟迪學(xué)生思維，但在實(shí)際應(yīng)用中抽象思維多，邏輯思維嚴(yán)密，推理嚴(yán)謹(jǐn)，理解起來(lái)有一定的難度。對(duì)于初學(xué)幾何的學(xué)生來(lái)說(shuō)，如果教師教學(xué)方法不當(dāng)，學(xué)生就會(huì)覺(jué)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(mén)”難的問(wèn)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(guò)這道“門(mén)檻”呢？下面，筆者根據(jù)教學(xué)實(shí)踐談一下平面幾何“入門(mén)”教學(xué)中的做法和體會(huì)。

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(lèi)似一個(gè)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(jì)算方程式

：

近年來(lái)，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(shí)在各個(gè)方面促進(jìn)著社會(huì)的發(fā)展[1].但是，地鐵帶來(lái)的噪聲問(wèn)題，嚴(yán)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(zhǎng)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(yán)重者造成聽(tīng)力損傷，精神抑郁等嚴(yán)重后果[2-3].地鐵噪聲成為了衡量地鐵質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，全國(guó)各地乘客、工作人員對(duì)地鐵噪聲問(wèn)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(jìn)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(xiàn)與擺輾機(jī)機(jī)床軸線(xiàn)之間的夾角

，也稱(chēng)為擺輾角。通常，當(dāng)

越小，擺頭的軸向運(yùn)動(dòng)和工件的軸向變形更為突出；當(dāng)

越大，擺頭的擺輾運(yùn)動(dòng)和工件的徑向變形更為突出。中國(guó)的擺輾機(jī)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(dòng)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(jī)參數(shù)，確定擺輾轉(zhuǎn)速為200r/min，即20.95rad/s。

(3)每轉(zhuǎn)進(jìn)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(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

過(guò)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(huì)取較大值。進(jìn)給量與進(jìn)給速度的關(guān)系如下：

據(jù)葉靄玲說(shuō)，當(dāng)白麗筠去拉房地產(chǎn)大鱷森達(dá)房地產(chǎn)公司李老板的存款時(shí)，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(gè)版本，但是所謂兼聽(tīng)則明，兩方面都聽(tīng)到，事實(shí)真相基本上就清楚了。

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(xiàn)繞著機(jī)床軸線(xiàn)來(lái)回的擺動(dòng)。

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(shí)代，中國(guó)人便已經(jīng)知道采用苧麻作為紡織原料。我國(guó)浙江湖州錢(qián)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(zhǎng)沙馬王堆漢墓中也有精細(xì)的苧麻布料……現(xiàn)如今，隨著科技的發(fā)展，以及對(duì)麻認(rèn)識(shí)的逐步深入，人們發(fā)現(xiàn)——原來(lái)麻全身都是寶。

3 半軸擺輾成形過(guò)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(zhǎng)度為894mm，桿部直徑為Φ58mm，法蘭盤(pán)直徑為Φ220mm。由于桿部和法蘭盤(pán)部分形狀差異太大，一次成形太難，所以需要制坯工藝對(duì)頭部進(jìn)行預(yù)鍛成形，一般采用油壓機(jī)聚料成形。

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

測(cè)量得到的半軸頭部體積為1512966mm

，但是在半軸坯料在擺輾過(guò)程中會(huì)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(duì)半軸零件頭部的體積進(jìn)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(xiàn)位置，在DEFORM中通過(guò)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(xiàn)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(guò)點(diǎn)(0,0,0)，(0.0523360,0.9986295,0)兩點(diǎn)確定。

客戶(hù)端流量攔截功能基于browsermob-proxy代理實(shí)現(xiàn)。代理工具browsermob-proxy開(kāi)放源代碼，本文除了使用API接口提供的功能外，還改動(dòng)源碼適配Android系統(tǒng)。代理需要長(zhǎng)期運(yùn)行，為了保證代理不被系統(tǒng)回收，將代理寫(xiě)入Android前臺(tái)服務(wù)中并在通知欄顯示運(yùn)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(guò)程中由高頻加熱爐加熱。通過(guò)查閱相關(guān)資料和工廠(chǎng)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(rùn)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(jī)的電機(jī)功率決定。增大擺頭轉(zhuǎn)速對(duì)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。

3.3 半軸擺輾成形過(guò)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(dòng)，同時(shí)工件或擺頭軸向進(jìn)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(yùn)動(dòng)原理示意圖，擺輾可以分為三個(gè)運(yùn)動(dòng)，一是擺頭繞著擺頭軸線(xiàn)的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，二是擺頭繞著機(jī)床軸線(xiàn)的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，三是工件或擺頭的軸向進(jìn)給

。

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

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，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(kù)文件。回到主頁(yè)面進(jìn)行模擬，模擬成功后在后處理界面進(jìn)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(jìn)給速度分別為10mm/s、20mm/s、30mm/s時(shí)的擺輾模擬過(guò)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(guò)程分為了5個(gè)階段進(jìn)行分析。

當(dāng)進(jìn)給速度為10mm/s時(shí)，整個(gè)擺輾過(guò)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(mǎn)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(shì)凸顯，成形件的成形質(zhì)量較高。

式中：

—進(jìn)給速度(mm/s)；

—擺頭轉(zhuǎn)速(r/min)；

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

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(guò)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(xiàn)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(lái)越多，金屬之間的流動(dòng)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(jìn)給速度為30mm/s時(shí)，擺輾中的蘑菇效應(yīng)減弱，當(dāng)進(jìn)給量為60mm時(shí)出現(xiàn)“滑輪形”。這是因?yàn)檫M(jìn)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(dòng)，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(shí)部分坯料被擠壓出下模，坯料流失后導(dǎo)致模腔內(nèi)無(wú)法充滿(mǎn)。

綜合分析不同進(jìn)給量時(shí)各進(jìn)給速度坯料的變形情況，隨著進(jìn)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(dòng)應(yīng)力和擺輾力。由圖7可知，隨著進(jìn)給速度逐漸增加，工件流動(dòng)應(yīng)力分別為150MPa、154MPa、161MPa。流動(dòng)應(yīng)力的增加正好印證了擺輾力越來(lái)越大，金屬流動(dòng)越來(lái)越困難的現(xiàn)象。

里奇的這段話(huà)提醒我們，照片的標(biāo)題和文字說(shuō)明對(duì)攝影的社會(huì)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(wú)法開(kāi)啟多元的意義，自然也就會(huì)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(shí)代攝影的最重要特征。筆者簡(jiǎn)單提取這段話(huà)的關(guān)鍵詞就可以引出里奇對(duì)數(shù)碼攝影的定義：“引發(fā)能量共享狀態(tài)”“承認(rèn)空間—時(shí)間的可塑性”“更多延展”“非線(xiàn)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(lái)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(píng)說(shuō)：

所以，當(dāng)設(shè)計(jì)圓柱形坯料時(shí)，進(jìn)給速度取10mm/s能通過(guò)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(guò)程中的金屬流動(dòng)狀況和擺輾應(yīng)力等，提前預(yù)測(cè)成形缺陷，為實(shí)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(yàn)研究成本。

(2)通過(guò)擺輾工藝成形的汽車(chē)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(guò)有限元方法分析圓柱形坯料在三種進(jìn)給速度下的成形過(guò)程，對(duì)比結(jié)果顯示圓柱形坯料在進(jìn)給速度為10mm/s時(shí)能通過(guò)擺輾工藝得到較好的半軸成形件。

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