锻造工艺学及模具设计课程设计-西北工业大学

锻 造 工 艺 学 及 模 具 设 计 题目接前桥摇臂专 业 班 级*学 生 姓 名 *指 导 教 师 *日期 2015 年 1 月 8 日目录一 零件分析及基本工艺方案确定 . - 2 -1.1 零件分析 . - 2 -1.2 零件材料特性分析 . - 2 -1。3 零件尺寸精度及表面粗糙度分析 . - 2 -1。4 零件基本工艺方案确定 . - 3 -二 锤上模锻锻件设计 . - 3 -2.1 确定分模位置 . - 3 -2。2 模锻件的技术条件 . - 3 -三 锤上模锻锻件工艺设计 . - 3 -3.1 计算锻件的主要参数 . - 4 -3.2 确定锻锤设备吨位 . - 4 -3.3 确定毛边槽形式和尺寸 . - 4 -3.4 绘制计算毛坯图 . - 5 -3.5 计算繁重系数并确定制坯工步 . - 8 -3。6 确定坯料尺寸 . - 9 -3。7 模锻前期工序方法选择 . - 10 -3。8 模锻后期工序方法选择 . - 10 -四 锤上模锻锻模设计 .- 11 -4。1 终锻型槽设计 .- 11 -4.2 预锻型槽设计 . - 12 -4。3 拔长型槽设计 . - 13 -4。4 滚挤型槽设计 . - 14 -4.5 弯曲型槽设计 . - 16 -4.6 锻模结构设计 . - 16 - 1 -一 零件分析及基本工艺方案确定1。1 零件分析由锻件图(图 11）可以得到，该零件名称为接前桥摇臂，材料为 45 号钢， 热处理要求为调质 HBC3136，为大批量生产。图 11 接前桥摇臂锻件图题目给出的零件是接前桥摇臂。该类锻件的变形特点是模锻时，毛坯轴线方向 与打击方向相垂直，金属主要沿高度和宽度方向流动，沿长度方向流动很小.因此， 当锻件沿长度方向其截面面积变化较大时，必须考虑采用有效的制坯工步,如拔长、 滚挤工步等，以保证锻件饱满成形。1。2 零件材料特性分析由锻件图可知，该零件所使用的材料为 45 号钢,属低合金结构钢，材料性能稳 定.1。3 零件尺寸精度及表面粗糙度分析由锻件图可以看出，其表面均为净锻表面，无需进行机械加工 ,尺寸精度和表 面粗糙度要求低，尺寸精度按 IT13 级确定,表面粗糙度为原锻件表面粗糙度.- 2 -1。4 零件基本工艺方案确定根据该零件特点、材料特性、尺寸精度与表面粗糙度和生产批量的要求，此零 件使用锤锻模，基本工艺流程设计为 : 备料、下料、加热、制坯、开式模锻、热处 理、表面清理、机械加工、检验等。二 锤上模锻锻件设计2.1 确定分模位置确定分模位置最基本的原则是保证锻件形状尽可能与零件形状相同，使锻件容 易从锻模型槽中取出 ,因此锻件的侧表面不得有内凹的形状，并且使模膛的宽度大而深度小。锻件分模位置应选在具有最大水平投影尺寸的位置上，应使飞边能切除干净，不致产生飞刺。对金属流线有要求的锻件，应保证锻件有最好的纤维分布。由锻件图可以看到，圆柱的锻件分模面均位于圆柱的中间，且位于同一直线上，因此使用直线分模线。因为此制件的主视图关于一条中心线对称，且这条对称线是 直线，所以以此线所在的平面为分模面.2.2 模锻件的技术条件1.未注明的模锻斜度为 5，内斜度为 8;2。未注明的圆角半径为 R2；3。表面清理:喷丸;4.允许的表面缺陷深度：0。8mm；5.允许形状缺陷：0。8mm；6。锻后热处理的方法及硬度要求:调质 HRC3136；7.允许毛边：1.0mm;三 锤上模锻锻件工艺设计根据冷锻件图和技术要求，对零件的锤上模锻进行工艺分析 ,确定模锻设备及- 3 -2 1 吨位 ,并绘制计算毛坯图，确定制坯工步、坯料尺寸和模锻前后期工序的选择及参 数的确定.3。1 计算锻件的主要参数（1）锻件在水平投影面上的投影面积为 5818mm (2）锻件周边长度为 428mm；2（3）锻件体积为 82452mm (4)锻件重量为 0.639kg;3;3。2 确定锻锤设备吨位总变形面积为锻件在水平面上的投影面积与飞边水平投影面积之和，参考飞边 槽尺寸,按 12t 锤飞边槽尺寸考虑，假定飞边均匀宽度为 20mm，总的变形面积F =（5818 + 428 20）mm= 14378mm2. 按双动模锻锤吨位确定的经验公式 G =（3.56.3）kF，式中 k 为材料系数，查表得k = 1；因为此零件为大批量生产,要求 高生产率,因此取系数 6。3，则G = 906kg,选用 1t 模锻锤。3.3 确定毛边槽形式和尺寸开式模锻的终锻型槽周边必须有毛边槽，其形式及尺寸大小是否合适对锻件成 形影响很大。此处选用最广泛使用的一种毛边槽 (图 31），其优点是桥部设在上 模块，因而受热小，不易磨损或压塌.图 3-1 毛边槽型式按照锻锤吨位，查表选定毛边槽尺寸为h = 1.6mm，h= 4mm,b = 8mm，𝑏 =125𝑚𝑚 ，𝑅 = 1𝑚𝑚 ，𝐹 = 110𝑚𝑚1 𝑚𝑧2，飞边槽充满率取 =0。7,则锻件毛边平均截- 4 -2 2 2 面 积 𝐹毛= 𝐹 = 0.7 110 = 77𝑚𝑚2 𝑚𝑧， 故 锻 件 毛 边 体 积 𝑉毛= 428 0.7𝐹 =𝑚𝑧428 0.7 110 33000𝑚𝑚3 3.4 绘制计算毛坯图。计算毛坯的依据是根据平面变形假设进行计算并经修正所得的具有圆形截面 的中间坯料.其长度与锻件相等 ,而横截面积应等于锻件上相应截面积与飞边截面积之和。计算毛坯图是制坯工步选择的依据，按金属流动的效率，制坯工步的优先次 序是:拔长、滚挤、卡压工步。计算毛坯图的步骤如下:1。选择截面及计算截面面积，根据接前桥摇臂的形状特点，共选取 18 个截面（如图 32），横截面面积F计= F + 2F 锻 飞。式中 为充满系数，位于端部的 1 处和 18 处截面因为材料在锻造时容易先产生飞边，因此取 1，其余各处取 0。7。分别计算 18 个截面处的F 、F ，结果列锻 计于表 31。表 31 接前桥摇臂计算毛坯的计算数据截面𝐹锻𝐹毛 2𝐹计计𝑑计h/𝑚𝑚/𝑚𝑚/𝑚𝑚/𝑚𝑚/mm号/𝑚𝑚14。11。1 0 220 220 7.330.88386534。17。2 380.17 15423.11 1.0 23.1117 8127。33。3 670.17 154 824.1728.71 1.154702670。33。4154 824.17 27.47 28.71 1.15175 313.41 154 467.4115.58 21。020。8 17。- 5 -6230216。19。6154 370.59 12.350.815.405925389。12。15。7 235.58 15419.74 0。8589979508。662。25。815422.09 25.74 1.08080749 614.43694。1070154154768.43848。7025.61 27.7229。28.29131。151。1531.8833。50614。11154 768.64 25.62 27.72 1.1531.8864702。12 548.85 15423.43 26.51 1.026.5185209。363。12。19。15。131540.857145。57299。12 0716。2613。141549。990.81560244。966033154 398.96 13.30 19.97 0。8467。0615。9817。16 313.65 15415.59 21.63 0.8653020。17 257.52 154 411.52 13.720.816.232914。11。18 0 220 220 7.330。88386- 6 -2 2.绘制计算毛坯截面图以计算毛坯的长度 L 为横坐标，以算得的 F计毛坯的截面图。方法是：i 计为纵坐标 ,在坐标纸上绘制计算通常用缩尺比 M 除以Fi 计，得到用直线段hi 计Fi 计h=i 计M来表示的所取各截面的面积值:此处为便于制图，缩尺比取M = 30 mmmm。将计算出的 hi 计图（如图 3-2）。绘制在坐标纸上 ,并连接各端点成光滑曲线 ,即得计算毛坯截面图 32 接前桥摇臂的截面图和计算毛坯图3。绘制计算毛坯直径图。分别计算毛坯上各截面的直径di 计，由下式计算：- 7 -A 均 di 计= 1.13Fi 计计算结果见表 31。然后以L 为横坐标，以d 计 i 计图 3-2）.4。计算毛坯体积的计算为纵坐标，在截面图的下方绘制计算毛坯直径图(如因为计算毛坯截面图的任一高度hi 计均代表着计算毛坯在该点处的截面积，因此截面图曲线下的整个面积积分起来就是计算毛坯的体积V 。即：计lV = M h 计 i 计i=1= 109500mm3与 V + V = 81452 + 33000 = 114452mm 锻 毛3对比，相差 4.5%。根据计算毛坯截面图和上式可计算出平均截面积F 和平均直径d ，即：均 均F均=V计L计=109500196= 558.67mm2h均=558.67=M 30= 18.62mmd均= 1.13A = 26.71mm 均在计算毛坯直径图上，d d 处，称为头部，d d 处,称为杆部。计 均 计 均3.5 计算繁重系数并确定制坯工步长轴类锻件常采用第一类制坯工步 ,即拔长、滚挤和卡压工步 ,使原坯料获得近 似计算毛坯的形状。如果计算毛坯的头部相对尺寸越大 , 则金属需要在头部的聚集量越多；若锻件 的相对长度越长,则金属需要流动的距离也越大；如果锻件大，原坯料重 ,则在其他 条件相同时金属需要转移的绝对量也越大 .制坯变形工作量的大小可以用繁重系数 表示.本课程设计锻件计算毛坯为两头两杆，应简化成两个简单的一头一杆计算毛坯- 8 -max拐 min来选择制坯工步.繁重系数计算如下：d 29.13 = = = 1.09 d 26.71均 =L计d均196= = 7.3426.71d dK = =L计26.71 16.33196= 0.053 0.05已知锻件质量为 0.639kg，查“长轴类锻件制坯工步选用范围图”，此锻件应采 用拔长、闭式滚挤、弯曲制坯工步。选圆坯料 ,模锻工艺方案为：拔长闭式滚 挤弯曲预锻终锻.3。6 确定坯料尺寸模锻所需要原坯料尺寸应依据坯料体积、锻件形状尺寸及模锻方法确定 . 坯料体积应包括锻件、飞边、连皮、氧化皮及钳料头等部分。长轴类锻件的坯料尺寸确定以计算毛坯图为依据，并考虑到不同制坯的需要，计算出各种模锻方法所需的坯 料截面积，然后再选取标准规格钢材，并确定坯料长度。3.6。1 坯料截面积及直径计算用滚压制坯的坯料截面积F坯= F滚= （1.051.2）F均。F坯= 1.1 558.67 = 614.54mm2根据计算的坯料截面积，确定圆坯料的直径d ：坯d坯= 1.13F = 28.01mm 坯根据原材料规格,实际取d坯3.6.2 坯料长度计算坯料体积 V 按下式计算：= 30mmV = （V + V + V 坯 锻 毛 连- 9 -） （1 + ）坯 d 2 b 式中 为烧损率，此锻件加热采用室式煤炉，此处取 = 3%.因此V坯= 109500 (1 + 3%) = 112785mm3则坯料长度L 为 坯L坯=V坯F坯+ L钳V= + L = 190mm钳4 坯此处采用一料一件的模锻方法,因此坯料长度即为 190mm。3.7 模锻前期工序方法选择3。7.1 备料工序如前所述，此锻件使用材料为 45 号钢,坯料直径为 30mm.下料采用普遍使用的剪切下料，其特点是效率高 ,操作简单,端口无金属损耗， 模具费用低.剪切力计算：P = KF剪式中 K 为考虑到刃口磨钝和间隙变化的系数，此处取K = 1.2； 为材料剪切抗力，剪切强度比同温度下的强度极限小一些，一般： = （0.70.8）b。此处取系数 0。8,根据表得=600MPa，则剪= 480MPa，剪切力P = 407KN。因此选择 1000KN 的棒料剪切机。3.7.2 加热工序锻前加热时，应尽快达到所规定的始锻温度 . 此锻件采用室式煤炉加热方法,查 表得 45 号钢材料的锻造温度范围为，始锻温度 1250，终锻温度 850。3.8 模锻后期工序方法选择3。8。1 锻件热处理工序如前所述,此锻件材料为 45 号钢,为了保证 HRC=3136 要求，查“合金结构钢 锻件热处理规范，确定模锻后进行调质处理，热处理规范如表 32:- 10 -热处理工序正火加热温度/850-870冷却方法静止空气中冷却硬度 HB170 2173.8.2 清理工序模锻件在生产过程中形成的氧化皮需要去除，以提高锻件表面质量，改善锻件 的后续切削条件，为检查锻件表面质量也需要进行表面清理。此锻件模锻后需采用磨毛刺、抛丸等清理工序,使用设备为砂轮机和抛丸机。 3。8。3 检验工序此锻件采用磁粉探伤检验锻件的表面裂纹等缺陷。四 锤上模锻锻模设计确定锻件工艺卡后，根据冷锻件图设计模具形状和尺寸，包括拔长型槽、滚挤 型槽、弯曲型槽、预锻型槽和终锻型槽的设计以及模具结构设计等。4。1 终锻型槽设计模锻件的几何形状和尺寸是靠终锻型槽来保证的，任何锻件的模锻工艺过程必 须有终锻 . 终锻型槽是依据热锻件图来制造和检验的，型槽设计的主要内容是绘制 热锻件图，确定飞边槽尺寸及钳口尺寸.4。1.1 热锻件图的确定热锻件图是在冷锻件图的基础上考虑 1。5冷收缩率绘制而成。热锻件图形 状与冷锻件图形状是完全相同的（如“接前桥摇臂锻件图所示）。4.1.2 毛边槽设计毛边槽设计已在 3。3 中进行确定，在此不做陈述。4.1。3 钳口尺寸设计钳口是指在锻模的模锻型槽前面所做的空腔，它是由夹钳口与钳口颈两部分组 成，此处模锻选用常用的钳口形式(如图 4-1）。钳口的尺寸，主要是依据钳料头的- 11 -0 0 1 直径及模型槽壁厚等尺寸来确定.图 41 选用的钳口形式查表确定钳口尺寸列于表 4-1 中。表 41 钳口尺寸钳夹头直锻件质钳口尺寸钳口颈尺寸径 d/mm量/kgB/mmh/mmR /mmb/mma/mml/mm300.63970301061.5ls0终锻型槽是按照热锻件图加工和检验的。根据 4。6。2确定的最小壁厚尺寸,钳口颈长度：l0.5s 钳口总长度l = 50mm。4。2 预锻型槽设计= 20mm，取l = 20mm；由于锻件含有工字型截面，需设计预锻型槽。预锻的主要目的是在终锻前进一 步分配金属，预锻型槽是以终锻型槽或热锻件图为基础进行设计的 ,设计的原则是 经预锻型槽成形的坯料，在终锻型槽中最终成形时，金属变形均匀，充填性好 , 产 生的毛边最小。- 12 - 图 4-2 工字形截面的预锻型槽该工字型截面的 h（4.5mm） 2b(10mm) ，预锻型槽的横截面设计成梯形（如图 42），其宽度B= B (26)mm， = 1 2，高度h 根据预锻型槽的横截面积等于终锻型槽横截面积与毛边截面积之和来计算，即F +F预欠= F + 2F终毛也就是Bh+ Bh欠= F + 2F终毛h =F + 2F终 毛B h欠式中F 为由于欠压而造成预锻件截面积增大部分； h 为欠压量，决定于锻锤吨位， 欠 欠通常取 15mm。4.3 拔长型槽设计拔长型槽的主要作用是使坯料局部截面积减小 , 长度增加 , 设置在模块边缘 ,由坎部、仓部和钳口三部分组成。拔长型槽是以计算毛坯为依据进行设计的，主要是 确定拔长坎高度 a，宽度 B，拔长坎长度 c 等尺寸。4.3。1 坎高a = k 2V杆L杆 0.9 F杆= 0.9 372.46 = 17.37mm- 13 -4 3 1 4.3.2 型槽宽度B = k d + ( 1020) = 1.5 30 + 10 = 55mm 坯4.3.3 坎长c = k d坯= 1.5 30 = 45mm4。3.4 其他尺寸圆角半径R = 0.25c = 0.25 45 = 11.25mm，R = 10R = 112.5mm仓部深度e = 1.2d小头= 1.2 29 = 34.8mm拔长型槽长度L拔= L + 5mm = 123.8 + 5mm = 128.8mm 杆4.4 滚挤型槽设计滚挤型槽也是以计算毛坯为依据进行设计的，主要是确定型槽高度 h,宽度 B. 滚挤型槽由钳口、型槽本体和毛刺槽三部分组成.4.4.1 滚挤型槽高度滚挤型槽高度h = d计。在模锻锤上滚挤时，上下模一般打不靠,故采用的型槽高度比计算的小一些，由于是闭式滚挤，取h = 0.8d .在头部，为了有助于金属的计聚集 ,型槽高度应等于或略大于计算毛坯图的相应部分的直径，取 h头= 1.15d计; 滚挤型槽的拐点处坯料变形前后截面积变化很小，其型槽高度 h 可与计算毛坯直径拐d计近似相等,取h 拐= 1.0d计.此锻件滚挤各截面 的取值及型槽高度列于表 3-1,根据表中数据 ,沿锻件轴向，使之对半分开，先用黑点表示，然后用圆弧或直线光滑连接，尽可能做到圆滑过度， 并进行适当简化。4。3。2 滚挤型槽宽度- 14 -h h 372.46max滚挤已经过拔长的坯料，闭式滚挤时杆部宽度为：B杆 （1.41.6）d坯头部宽度满足B头 1.1dmax同时还要避免金属流出型槽外侧，即控制欠压量大小，宽度还应满足B杆=1.27F杆min，式中F 为计算毛坯杆部平均截面积。 杆此 处 1.27F杆min= 1.27 = 36.22 1.4 30 = 42mm ， 1.1d = 13.061.1 29.13 = 32.04mm所以取杆部头部宽度均为 40mm，能够满足要求能够满足要求.4.4。3 滚挤型槽长度滚挤型槽长度 L 应根据热锻件图尺寸确定，L = L + （13）mm= 196 + 2mm= 198mm挤对于一般弯曲的轴类零件，锻件中心线处略长，型槽头部尺寸往杆部方向增大。 4。4.4 钳口、毛刺槽等尺寸钳口不仅是为了容纳火钳，同事也是用来卡细毛坯，减少料头消耗。毛刺槽用 来容纳滚挤时产生的端部毛刺.查表得钳口尺寸按以下公式计算：n = 0.2d + 6mm= 0.2 30mm+ 6mm= 12mm坯m = （12）n = 1.5 12mm= 18mmR = 0.1d + 6mm= 0.1 30mm+ 6mm= 9mm，取 R = 10mm，坯此处为无切刀滚挤，d坯= 30mm，查表得毛刺槽尺寸列于表：d坯acbR3R430mm6mm25mm30mm6mm6mm按上述尺寸绘制滚挤型槽钳口和毛刺槽。- 15 - 0 2 2 4.5 弯曲型槽设计本零件为弯曲长轴零件 ,故在滚挤制坯之后还需要进行弯曲制坯，即通过弯曲 , 使毛坯获得与锻件水平投影相似的形状，选取自由弯曲型槽 ,具体尺寸计算方法如 下：4.5。1 弯曲型槽高度弯曲型槽的纵剖面形状按锻件水平投影设计，型槽各处尺寸比锻件相应处宽度 尺寸减小 38mm,弯曲型槽的外形应当圆滑平顺,避免有急剧的台阶获突起部分.据 此原则选择 38mm 之间的值进行设计。型槽高度尺寸减小是为了是弯曲后的坯料放进终锻型槽更方便。4.5。2 弯曲型槽宽度B =F坯hmin+ （1020）4。6 锻模结构设计4.6.1 型槽布排模锻此锻件的 1t 模锻锤机组，加热炉在锤的右方，故拔长型槽和滚挤型槽布 置在右边，弯曲型槽布置在锻模左边,预锻及终锻工步从左至右。4。6。2 型槽壁厚型槽壁厚应保证足够的强度和刚度，同时又要尽可能减小模块尺寸。由终锻型槽 h = 15mm，R = 20.5h， = 5 ，查“确定型槽壁厚曲线 图得型槽与模块边缘间壁厚s = 40mm，型槽间壁厚s = s = 33mm，预锻型槽与终锻型槽的中心距 l = 50 + 33 = 83mm，终锻型槽与滚挤型槽间壁厚从飞边桥部外侧 算起。制坯型槽间壁厚取为 10mm，型槽至钳口间的壁厚s = 0.7s 4。6。3 错移力的平衡与导向= 23mm。有预锻型槽时，与终锻型槽并列排列，偏心打击不可避免。偏心打击造成的错- 16 -maxminmax1 ma移力相对较小，但其方向有时难以判别，主要采用导向装置来平衡。锤上模锻的导 向装置主要是导向锁扣，采用纵向锁扣，如图所示：图 43 纵向锁扣4。6。4 模块尺寸模块尺寸应根据型槽布置、模壁厚度、锁扣等有关因素确定 ,同时应对承击面积、模块长度、锻模中心与模块中心偏移量、模块宽度、模块高度、上模最大重量、 模块规格等进行校核。承击面：查教材表 4-29，1 吨锤的最小承击面为300cm，承击面积为模块在分模平面上的面积减去各型槽，毛边槽，锁扣和钳口所占面积，考虑锻模应有足够 的承击面，锁扣之间的宽度取 200mm。块尺寸规格：模块高度根据型槽最大深度和锻锤的最小闭合高度确定，这是由 于上下模块的最小闭合高度应不小于锻锤允许的最小闭合高度，由教材表 4-34 查 的 1t 锻锤的G = 350kg，H = 320，H = 1200,B = 500mm，a = 140mm， b = 100mm，l = 450mm，L = 700。mm考虑到锻模翻修的需要 , 锻模总高度H模= （1.351.45）H = 450mm;为保min证锻模不与锤的导轨相碰 , 模块的最大宽度 B 应保证模块边缘与导轨间有单边距- 17 -离大于 20mm.模块最小宽度也有要求，至少超出燕尾每边 10mm，则锻模宽度： 240B460mm，故取 B=450mm。一般规定，锻模允许伸出锤头长度值 f 𝐻/3 ，H 为模块高度， H = 450mm， 则f 150𝑚𝑚 ,又因为l = 450mm，故L 450 + 300 = 750𝑚𝑚 ,取L = 320mm。所以模块尺寸选为 450mm320mm235mm（宽长高）。燕尾中心线至检验边的距离取 225mm。用实测方法找出终锻型槽中心离摇臂大头前端 90mm，结合模块长度及钳口长 度定出键槽中心线的位置为 140mm。根据以上数据绘制锻模图。- 18 -