圆锚圈锻造工艺与模具设计

南京工程学院毕业设计说明书（论文） 南 京 工 程 学 院毕业设计说明书(论文)作 者： 学 号：学院（系、部）： 材料科学与工程学院 专 业： 材料成形及控制工程 题 目： 圆锚圈锻造工艺与模具设计 指 导 者： 评 阅 者： 2019 年 6月 南 京第36页毕业设计说明书（论文）中文摘要圆锚圈的锻造工艺与模具设计 本次课题主要的研究内容为九孔圆锚圈的锻造成型，对圆锚圈的锻造工艺进行了设计。同时与传统的设计方法进行了比较，通过运用精密锻造，提出了新的模具设计方案。运用成形FEM分析，得出了一种与传统工艺方案相比更为合理，模具更能够达到安全可靠的生产要求，锻出的产品质量优良，同时能够节约成本的新方案。通过DEFORM软件的应用，对锻造过程中出现的问题进行改良，对方案进行优化，最终得出实际可行的方案，完成九孔圆锚圈的锻造成型。关键词 精锻 圆锚圈 热锻 DEFORM 毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Forging Technology And Die Design Of Round Anchor RingAbstractThe main research content of this project is the forging of nine-hole circular anchor ring. The forging process of circular anchor ring is designed. At the same time, compared with the traditional design method, a new design scheme of die was put forward by using precision forging. By FEM analysis, a new scheme is obtained, which is more reasonable than the traditional process scheme. The die can meet the requirements of safe and reliable production. The quality of forged products is excellent, and the cost can be saved at the same time. Through the application of DEFORM software, the problems in forging process are improved and the scheme is optimized. Finally, a practical scheme is obtained to complete the forging of nine-hole circular anchor ring.Keywords precision forging Circular anchor ring Hot forging DEFORM目录第一章 绪论51.1 模具的概念、作用及优点51.2锻造模具工业国内外的发展状况61.3 锚圈的技术研究现状71.4精锻行业的特点和发展71.5本课题应达到的要求81.6课题研究进度计划9第二章 圆锚圈锻造工艺102.1 圆锚圈的产品介绍102.2使用闭式模锻进行圆锚圈锻造102.3工艺方案的拟定132.4锻模的设计思路142.5锻造工艺的基本工序和工步152.6加工余量、锻件公差、冲孔连皮18第三章 圆锚圈成形FEM分析193.1 圆锚圈三维零件图设计193.2 DEFORM的介绍203.3 锚圈锻造工艺DEFORM分析22第四章 圆锚圈模具结构设计274.1 圆锚圈尺寸计算和设备选择274.2 圆锚圈的模具结构设计及分析294.3 圆锚圈模具装配示意图及工作过程介绍304.4 模具材料的选择304.5模具的经济性分析31第五章 总结33参考文献34致 谢35第一章 绪论1.1 模具的概念、作用及优点 模具的概念工业生产过程中，通过各种压力机以及专属工具，使得各种塑性材料在这种专用工具内产生变形以及流动的工具，我们称之为模具。简而言之，就是在外力作用下，使得胚料成为具有所需要形状、尺寸的生产工。 模具的作用 在实际的工业生产中，模具是使用非常广泛作用非常大得的重要工艺装备。采用模具来进行产品的生产，能够有生产效率高、节约原材料、保证产品质量等优点。是现代工业生产的重要手段以及主要发展方向。在金属、橡胶、塑料、玻璃、陶瓷等产品的生产过程中，模具发挥了至关重要的作用。实际上，模具已经成为现阶段工业生产领域中不可缺少的重要工具。在仪器仪表、汽车生产等领域中，有百分之六十以上的零件需要利用模具来进行加工。在轻工业中，模具显得更为重要，如螺母、螺钉等应用非常普遍的标准件。假如说不存在模具，所有的标准件就无法大规模制造。模具在生产领域中的应用，不仅可以有效的提升产品的生产效率，同时也为各种零部件的大规模生产提供了可能。除此之外，模具生产的产品，在规格、尺寸以及整体质量上保持了高度的一致性，在有效节省原材料的基础上，保障了生产的总体质量。所以，模具已经成为现代化生产过程中至关重要的工具之一，在多个领域都有着不同程度的应用。所以，一国模具发展的总体水平，已经成为当前阶段衡量该国工业发展总体水平的核心指标之一 13。模具加工制品的优势模具加工在实际的应用过程中，主要有以下的一些优点：（1） 产品的质量稳定，具有良好互换性；（2） 操作工艺比较简单；（3） 生产效率极高，并且支持大批量生产效；（4） 有效降低原材料的用量；（5） 生产自动化容易实现；（6） 能够为特殊、复杂形状的零部件的加工提供强大的支持；（7） 批量生产节约成本；（8） 加工的产品可以一次成形； 1.2锻造模具工业国内外的发展状况锻造是现如今的金属加工方法之一，在现代的制造业中占有很重要的地位。在实际的应用过程中，锻造基本上都是以体积为基础成形的，利用调整和重新分配金属体积来实现零部件或者零部件毛坯的制作，通过这种方式生产出来的零件我们将其称之为锻造件。其中，模锻一般通过将金属坯放在锻件形状相同或者相近的型腔中，然后利用锻造设备对其施加的载荷，来使毛坯产生塑性变形，同时变形的流动，又会受到型腔的限制。金属材料通过这样的方法塑性成形，可以使得产品尺寸形状精确、表面光滑程度较高，同时还能提高其内部组织的性能，使得使用性也得到提高。并且，在实际生产中，模锻有着较高的生产率，锻件材料利用率高、机加工余量小、零件使用寿命长；在实际的工程应用中承受较复杂或者承受较大载荷的零件，常使用该方法进行生产。锻造技术在国内的起步比较晚，但是在中国，锻造却有着非常悠久的历史。从远古的青铜器时代开始,人们就已经学会了一些基本的利用锻造技术锻制兵器、农具等用品的方法。然而从遥远的春秋战国时代开始一直到近代,我国的锻造技术水平一直不高始终处于手工作坊生产的水平,主要的生产工艺也以手工自由锻为主。这样的状况直到新中国成立之后才出现了根本性的转变。建国初期，我国人民群众利用所缴获的日军设备以及苏联所援助的工业设备，从无到有的建成了我们现在所看到的锻造工业。而随着我国各领域的快速发展，国内锻造技术的发展也取得了一系列突破性的进展1。当前我国国民经济的快速发展和工业生产技术的不断突破，锻造已经成为多个领域不可或缺的重要技术之一，经济的发展一方面对锻造技术提出了更高的要求，另一方面也同样为锻造技术的进一步发展奠定了坚实的物质基础2。1.3 锚圈的技术研究现状作为预应力锚固体系中的重要内容，锚具目前主要是以夹片是锚具的应用最为广泛。其核心部件包括锚圈、锚垫板、钢绞线以及夹片等5。事实上，如何有效地提升锚具结构安全性，始终是目前研究的重要方向。现有研究中，主要是以锚具摩擦因数对其应变能力、应力分布情况以及塑形面积的影响为主，而且锚合高度对应力的影响、锚合角度对应力的影响等方面的研究日益深入，但是在实验过程中，试验的次数常常特别多，因此也有人提出了正交试验以优化设计。信息技术的快速发展，使得人们开始在锚具应力领域的研究中引入有限元和计算机仿真相结合的新方法，这对于锚具安全性的提升无疑是有着重要的现实意义的6，7。在实际的使用过程中，锚圈长期受到弹性应力的作用，仅仅在和夹片接触的部分会出现一定的塑性形变。当然，极限受力情况下，锚具也会出现微小的塑性形变，但是其数值非常小，可归属于小变形的范畴之中。因此，在对锚具进行有限元分析的过程中，经常往往只将材料的非线性特征考虑进去。这里我们所介绍的材料的非线性，主要是指材料应力情况受到现有应变和历史应变的决定性影响。锚圈是夹片的重要支撑件，在实际的应用过程中也同样是通过锚圈传导预应力给底座的，所以要求锚圈不得产生任何塑性形变，在夹片和钢绞线之间完全咬合之后，必须保证其咬合的稳定性，否则锚固将失去预期的作用 8。对其进行有限元分析的过程中，应结合实际情况构建模型开展分析。通过上述分析而获得锚圈的应力分布数据，为我们更好的掌握锚圈在实际应用中的受力情况提供了必要的数据支持，也是我们生产锚圈过程中，选材的重要依据。 1.4精锻行业的特点和发展精锻已经成为包括汽车、机械设备、航空航天领域的关键技术之一，不仅为制造业的发展提供了巨大的支持，也成为我们生产生活过程中必不可少的一种技术。然而，随着各领域、各行业的进一步发展，也同样对精锻提出了更高的技术要求。传统的普通锻造、切削加工技术已经越来越难以满足实际的生产需求。基于上述情况，如何使得精锻产品最大限度的贴近产品的最终形状，甚至直接生成产品，是我们当前阶段所必须重点关注的问题 9。从本质上来说，这里我们所重点介绍的精锻实际上是以普通锻造技术为基础，不断改造而来的一种新型锻造技术。客观上来说，精密锻造成型技充分融合了信息技术、新材料技术、计算机技术、新能源技术，并凭借自身更高的效率和更低的能耗而应用于多个领域。从上世纪七十年代开始，逐渐成为制造业市场竞争的主流技术10。并且在不断发展过程中，也逐渐形成了相对完整的锻造成形体系。在实际的应用过程中，精锻的金属，其流线始终沿着零部件外形分布而不断，这不仅为零部件承载能力的提升提供了强有力的支持，同时在组织结构、安全性以及整体使用寿命方面都有着显著的提升。而且精锻的产品外观、形状均更为理想，因此往往可以带来更大的经济效益。当前阶段市场经济环境下，人们根据既往的生产和使用经验，将精锻进一步划分为温精锻成形、冷精锻成形、复合精锻成形、分流锻造等多种不同的形式。在达纳公司的研究成果中，较为系统的介绍了静谧封闭式模锻等工艺 11。 当前阶段，精锻技术正朝着绿色、环保的方向发展着。这里我们所强调的绿色锻造，主要是指综合考虑资源效率和环境保护因素的一种锻造模式，在生产的过程中追求全寿命周期中对环境造成的危害降低到最小化水平，并实现资源利用效率的最大化12。1.5本课题应达到的要求 认真阅读任务书，以任务书中所介绍的时间、要求为基础，保质保量的完成设计工作。严格遵守毕业设计纪律，按时出勤，态度端正，保持严谨、踏实的毕业设计作风，和其他毕设同学有效合作，发扬协作精神。对毕业设计制定正确的技术路线，对研究过程中出现的问题认真分析，总结结论要求正确、合理、有效，了解企业的模具设计流程和制造情况，模具新技术、新工艺。设计过程中认真研究分析技术方案的经济性和合理性，同时考虑环保要求。毕业设计要求采用我国最新工程（模具）标准，同时必须了解相关企业采用欧美等国家设计标准情况。使用绘图软件UG（PROE、CATIA）进行3维模具图设计，使用AUTOCAD软件完成模具的2D总装图和若干零件图的绘制。利用Deform软件完成锻造成形工艺的数值模拟分析，设计说明书要求条理清晰，论述正确，层次清楚，逻辑合理，图表规范。图纸资料规范，齐全，装订符合要求，查阅文献资料不得少于12篇，其中外文文献2篇以上，与本课题的相关度要求高。 1.6课题研究进度计划第1周 收集、查阅相关中英文文献资料，完成英文资料翻译第2周 撰写文献综述，确定设计方案，提交开题报告第3周 圆锚圈产品分析及有关计算第4周 初选设备，确定成型方案第56 周圆锚圈锻造成形工艺FEM分析第78 周撰写成形工艺研究分析报告第9周 绘制模具装配图的结构草图第10周 有关计算与校核，确定设备第1112周 绘制模具装配图第1314周 绘制二维和三维零件图第15周 撰写论文并进行针对性的修改和完善第16周 完成毕业论文，准备答辩相关工作 第二章 圆锚圈锻造工艺2.1 圆锚圈的产品介绍圆锚圈是现阶段使用较为广泛的一种锚圈，多应用于桥梁施工中，一般采用45钢制造。共设计9个孔位，桥梁施工中大量使用。采用锻造成形材料耗费低，质量好。我国为桥梁建造大国，不仅拥有多项世界桥梁史上的记录，而且也拥有全球长度最大的跨海大桥。可以说，我国桥梁建设方面所取得的成就，为全世界所瞩目。而在桥梁建筑、施工过程中，圆锚圈的作用十分的大，是桥梁建设中不可或缺的一环，所以对圆锚圈的设计，以及在进行锻造时所需要的技术是非常值得我们去研究的，同时对桥梁的建设也有很深远的影响。2.2使用闭式模锻进行圆锚圈锻造2.2.1模锻成形方法介绍在现如今的实际生产方式中，模锻在一般情况下被分为为开式模锻（见图 ）与闭式模锻（见图 ）。开式模锻在成形的时候会形成飞边（也成毛边），因此常常也被称为飞边模锻；反观闭式模锻在正常情况下一般不会产生飞边，因而也称为无飞边模锻。 图2.1 开式模锻 图2.2 闭式模锻 2.2.2 模锻的成形过程 1.开式模锻的成形过程图2.3是开式模锻变形的具体过程，我们一般根据变形的具体特点，将其划分为四个不同的阶段，下面我们将分别予以介绍：第一阶段(自由变形阶段，部分文献资料中也将其称之为镦粗变形阶段)。该阶段之中，坯料在型槽中受到力的作用而发生镦粗变形，还可能出现一定程度的压入变形。而当胚料和模膛侧壁接触的之后，本阶段完成。而在这一过程中，三项压应力状态下的金属形变相对较小，但是其变形抗力也同样处于较小的水平。第二阶段(形成毛边阶段)。在上一个 图2.3 开式模锻变形过程阶段完成后，模型内膛壁对金属流动产生限制，也就是说胚料无法顺利的流向和作用力垂直的方向，所以继续对其施压之后，可能流向模膛深处也可能流向毛边槽而形成毛边。在这一阶段中，变形抗力有了显著的提升，并且毛边桥部内侧的金属的三向压应力水平也得到了进一步的强化。第三阶段(充满型槽阶段)。在上一阶段形成毛边之后，金属坯形变程度的进一步增加，将会促使毛边厚度下降，进而生成一个阻力圈，导致产生阻力而使得金属继续向模膛深处行进，完全冲毛模腔而停止。在这一阶段中，金属的三向压应力更强，并且其变形抗力也远大于上一阶段。第四阶段(打靠阶段)。在进料的过程中，模膛的容积通常略小于所使用的坯料，所以上一阶段之后，必须通过打靠的方式使得上下模具相接处，以保证高度数据符合要求。而在本阶段中，形变集中于分模面附近的少量区域，而这一过程中，毛边厚度进一步减少，使得多余金属经由桥口流出的过程中受到非常大的阻力，所以变形区的变形抗力、三向压应力达到最大值。有研究表明，虽然该阶段中压下量仍然在2mm以内，但是却会消耗掉整个模锻三到五成的能耗。2.闭式模锻的成形过程闭式模锻可以进一步划分为开式墩粗、充满角隙和挤出端部飞边三个阶段。 图2.4闭式模锻成形过程第一阶段（镦粗阶段），这实际上也就是我们所熟悉的自由镦粗，即由开始变形（H）至金属基本充满型槽（H）。胚料接触到最宽型槽的侧壁接触之后，本阶段完成。在这一阶段中，型槽中部分填充难度较小的部分得到填充。而后续阶段性，变形抗力将会出现大规模的上升。第二阶段（角隙阶段），以型槽被金属充分充满为结束标志。本阶段中，模型内膛壁对金属流动产生限制，变形金属不同部分的三向压应力状态有所区别，直到完全充满型腔。在该阶段开始时，坯料的变形区位于未充满处附近的两个刚性区之间。本阶段中，不仅变形区开始缩小直至消失，而且变形力大幅度上升。第三阶段（出端部飞边阶段）。本阶段中，多余金属受到压力的作用而形成环形纵向飞边。飞边不仅会严重磨损模具，还会浪费大量的能量，所以四角充满后模锻之后，马上停止动力供应是最佳的模式。闭式模锻一般适用于轴对称变形或近似轴对称变形的锻件，应用最多的是短轴类的回转体锻件。根据实际情况，圆锚圈的锻造拟定使用闭式模锻来进行，使用闭式模锻，可以使得产品尺寸形状精确、表面光滑程度较高，同时还能提高其内部组织的性能，使得使用性也得到提高。并且，在实际生产中，模锻有着较高的生产率，锻件材料利用率高、机加工余量小、零件使用寿命长，有着很好的实用性，在实际生产中使用能够得到较好的效益。2.3工艺方案的拟定2.3.1传统的锚圈制造方案传统的制造圆锚圈的方案，大体分为两种：第一种，直接将原料切割成最终产品所需要的尺寸的圆饼料，将圆饼料固定在数控机床上，利用数控机床来进行机加工，直接一次性在圆饼料上进行切削加工，一次性得出成品，这种方案在实际生产中，会因为在切削时要切削出九个通孔，会浪费大量的材料，导致成本的提高，同时在大量生产时，对刀具的磨损速度也会大大加快，得不偿失，故弃用。第二种，在经过原料切割制成的圆饼料上，进行模锻，一次锻造一个孔，每锻造一个孔，将圆饼料旋转45度，锻出边上的八个孔，最后再锻出中间的孔，这样的方法看似可行，然而实际生产中这样生产会导致坯料在锻造时，金属的流动难以控制，一次锻造一个孔，容易导致坯料在锻造时产生塑性变形，一个孔锻造好后，锻造相邻两个孔时，会导致金属流动从而导致原先锻造好的孔的孔壁产生变形，这样不但没有起到生产的目的，反而在浪费材料，后期还需要重新修改方案，或者重新机加工才能得到零件，费时费力，故弃用。2.3.2拟定锚圈制造的工艺方案在以上的方案弃用之后，我们发现，机加工的弊端太多，不选用，但是第二种方案利用模锻成形，却有一些可取之处，例如前文提到的，利用模锻成形，有着能够节约成本以及时间等等优点，故我们在原有方案上加以优化，一次锻出九个孔，并且利用闭式模锻，来限制金属的流动，以保证在成形的过程中，锻件不会产生太大的塑性变形导致报废。初步拟定的方案如下：下圆饼料，对其进行加热，然后将其放入闭式模锻的凹模里，利用压力机将其锻造成型。这样的方案，拥有着成形精度高，工步少，材料损失少，节约成本等优点，故选用。2.4锻模的设计思路利用表2-1来确定锻模的设计思路项号分类方法模具名称应用范围1按模锻设备分类模锻锤用锻模摩擦压力机用锻模自由锻锤用固定锻模及不固定锻模（胎模）2按工艺用途分类模锻用锻模切边、冲孔锻模用于成品锻件用于切除飞边及穿孔3按有无飞边分类开式模锻用锻模闭式模锻用锻模各种锻件轴对称回转体锻件4按模腔数量分类单腔锻模多腔锻模用于胎模锻和摩擦压力机模锻多用于锤上模锻 表2-1锻模的分类2.5锻造工艺的基本工序和工步根据不同的标准划分，锻件流程有不同的划分。一般的划分标准是依据生产流程。从备料到加热，再是锻造工序，最后才是后续工序。其中需要说明的是第三步，可以按照加工方法进行划分。（1）自由锻工序。主要是借助锻造设备的上、下砧以及一些工具，进而产生压力进行变形。其优点在于，对设备要求不高，经过自由锻锤即可，因此锻件精度低。（2）胎模锻工序。利用简单的可移动模具，在自由锻锤上锻造，称为胎模锻工序。它通常用于批量不大、精度要求不高的锻件生产。（3）模锻工序。利用专门的锻模固定在模锻设备上使坏料变形而获得锻件的锻造方法称为模锻工序。生产中模锻工序往往又要分成好几个工步来逐步实现。工步是在锻造加工时采用一种模具在锻造设备一次或多次动作下，使坯料产生一种方式的变形并获得一定的外观变形量的步骤。如汽车发动机上连杆锻件在锤上模锻时，就要经过拔长、滚压、预锻、终锻四个工步。目前生产中所用锻造工序和工步名称很多。除按加工方法不同区分外，还可以按成形特点命名，如镦粗工序、拔长工序、弯曲工序等。表2-2只列举模锻工序。表2-2 模锻加工工序分类 序号名称加工示意图成形特点说明模锻工序1拔长制坯工步利用锻模模膛，同时操作坯料，一面翻转，一面送进，使坯料长度增加，截面积减小。一般要多次连续锻打才能完成。有去除氧化皮功能2压扁（镦粗）制坯工步利用锻模上压扁平台或镦粗台，在锻造力作用下， 使坯料截面积增大高度减小。锻造力与坯料轴线垂直，称压扁制坯工步锻造力与坯料轴线一致称镦粗制坯工步3滚压制坯工步利用锻模模膛，同时操作坯料不断翻转，在多次连续锻打下，使坯料一处截面积增大，另一处截面积减小，起聚料作用，同时有滚光和去除氧化皮功能4卡压制坯工步又称压肩制坯工步。坯料在锻模模膛中只受锻压力一次作用，使高度减小宽度增加，有少量聚料作用5弯曲工步利用模具使坯料轴线弯曲成形6挤压工步坯料放在锻模内，在冲头压力下挤压成形。又分正挤、反挤、复合挤、径向挤等。图示为正挤7预锻工步使制坯后的中间坯料进一步变形，使它更接近锻件形状，以改善坯料在终锻时流动条件，避免产生充填不满和折叠，并提高终锻模膛的寿命8终锻工步使坯料在终锻模膛中最终成形，生产出符合锻件图要求的锻件2.6加工余量、锻件公差、冲孔连皮2.6.1加工余量由于毛坯表面在高温下产生氧化、脱碳以及其他污染现象，毛坯体积变化以及终端温度的波动，锻件表面敷料等原因，普通的模锻方法一般不能满足最终零件对形状和尺寸精度、表面粗糙度的要求。因此，锻件的全部或部分表面，在模锻后还需进行机械加工，在这些表面就应该留有供机械加工用的金属层，被叫做机械加工余量。也就是说锻件需要经过此步骤，都可以采取加工余量。但是加工余量需要注意以下几点：（1）具体尺寸和形状不同，都有所差异；（2）从精度的角度。有的要求粗糙，有的则要求精细；（3）设备磨具的选择。这些往往和精度密切相关，设备越精细，精度就越高；（4）操作水平。另外，余量的多少也有有要求：（1）过大。会对机械造成损伤，而且会加长工时的耗费；（2）过小。会导致很多的废品产生。而计算余量主要是根据外形尺寸等来进行计算的，具体的计算公式如，分为两种：（1）；（2）内孔尺寸。对于零件的非机械加工表面（黑皮），计算则不相同，而且不用加工余量。具体算法如下所示：。2.6.2锻件公差由于各种因素的作用，导致锻件的形成有一定的不同，也就是说没有两个一样的锻件。也正因为如此，最后得到的尺寸难免会有一定的差异，不可能达到标准的公称尺寸，这时产生的误差就被称之为锻件公差。这种偏差是被允许，负偏差就是针对实际尺寸偏小的情况，这种情况无法避免，部分机械加工或不加工，都会进行注明。其公差一般都有要求说明，在加工余量的 1/41/3左右。 图2.5锻件公差2.6.3冲孔连皮通常情况下，透孔是不可能直接完成的，需要借助孔内的一层连皮完成，最后通过切边压力机上切除。连皮的厚度应适当：若s过薄，则锻击力大，容易造成合模困难，并且加速模膛凸出部分的磨损或塌陷；若s过厚，则浪费金属，冲切连皮困难，还会使锻件形状走样。冲孔连皮的主要类型有：1，平底连皮当锻件内径孔较小时（d2.5h或25mmd60mm）,借助平底连皮完成。2，斜底连皮斜底连皮和平底连皮不同，可以防止过早的磨损，特别是在内孔超过一定的水平，时，后者的使用会让多余金属无法分散，会出现折叠的情况。因而必须用斜底连皮。3，带仓连皮和斜底连皮不同，其优势在于可使用在终锻模膛。其作用在于对多余金属的处理上，能够不被排除，而是顺势挤入连皮仓部。也有效的避开折叠的情况。其特点在于周边较薄，保证了形状不受影响，而且方便冲除。其具体的宽度和厚度，按飞边槽桥部高度和桥部宽度确定。 第三章 圆锚圈成形FEM分析3.1 圆锚圈三维零件图设计利用UG软件，根据二维图零件图，在UG中绘制出零件的三维图如下： 图3.1圆锚圈三维零件图3.2 DEFORM的介绍DEFORM主要针对有限元，针对金属成形进行分析，还能对相关工艺进行研究，主要是对成形和热处理进行探究。借助计算机的辅助，对整个过程模拟，在一定程度上让过程更加直观，工程师也能根据模拟进行设计评估，减少工艺的流程和成本，以此来让模具设计的效率提高。是一套十分好用的系统。在本次毕业设计中，利用到的主要是DEFORM-3D（三维）这款软件，这款软件能够在常见的如：HP，SGI,SUN,DEC,IBM等UNIX工作站平台和Windows-NT微机平台中使用。这款软件，可以对材料非常复杂的三维流动模型进行分析。用其来解决一些二维模型难以解决掉的问题是一个非常好的选择。例如在本次的毕业设计中，要验证上文中拟定的工艺方案是否可行，可行该如何改进，不可行该如何修改。若将拟定的工艺方案直接拿到企业或者工厂来进行试验，显然不现实，一方面极可能造成资源的浪费，同时也大大的增加了设计的时间，所以利用DEFORM来进行FEM分析，其作用极大。具体的操作流程可以分为以下几个几个方面：（1）导入几何模型在DEFORM-3D中，只能借助CAD/CAE软件建模，才能完成模型的建立，本文是利用UG软件，通过UG导出DEFORM可以使用的STL格式：:这种格式是几乎全部CAD软件都有的一种接口。是用一系列的三角形来进行拟合形成曲面而成的格式。（2）网格划分在DEFORM-3D中，对于网格的划分有两种：通过使用者来进行划分，其单元的数量也称为绝对网格划分指，这种方式划分的网格由系统默认，使用者给出来的单元数量只是用于限制最大的网格划分数，也就是说在实际的划分时，划分出的网格数不会超过这个数值。使用者可以自行修改划分的网格数，可以拖动滑块，也可以直接手动输入数值，这个数值越大，所需要的计算时间就越长，反之越少。Absolute方式是基于Detailed settings的前提，这种方法的优点在于，网格的尺寸可以由用户设定，最大最小均可以。但是一经设定，其数量不能改变，数量的改变只有一种途径，就是网格尺寸的设计。（3）初始条件DEFORM拥有的材料库可以让不同材料在不同温度下产生的不同特性得以展现，这样很有利于我们的设计，比如本次毕业设计需要热锻，那么环境温度以及材料温度的设定，就很重要，在开始模拟前将这些条件设置好，能够更好的更真实的得出结论。（4）材料模型在DEFORM-3D软件中，各种材料的热物理数据如、塑性、泊松比、杨氏模量、电阻等等，甚至在需要时可以输入各种数据以方便热处理等后处理的设计。在材料库中，拥有100余种不同的材料，涵盖各种金属以及其他的材料，能够支撑我们对各种材料的需要，同时，每一种材料库的材料都可以通过模拟，最终形成物理量曲线，这些都是温度发生变化下得到的，还有材料流动也会形成应力应变曲线。（5）接触定义接触菜单的作用，主要是判定其接触关系，主要是模具之间，以及和定义共建之间。（6）通过流动，畸变之后重新划分通过模拟，可以看出，材料是流动的个体，因为其附着的单元也会发生巨大的改变，会在形状上产生畸形等情况。这也是需要解决的问题，为了确保最终的进度，DEFORM的作用是，在畸变之后依然可以实现重新划分，其网格依然不变，依然能够保证其精度。通过流动就能够实现新的划分。（7）增加约束主要是针对各个节点而言，便于自由度的增加。（8）最后一步是后处理借助DEFORM，可以便于使用者的直观需要，模拟分析报告，几乎所有需要的数据都可以在后处理里以云图或者曲线等方式展现出来，十分直观，也十分的方便。3.3 锚圈锻造工艺DEFORM分析本次模拟成型分析零件图如下：图3.2锻件图通过零件图，我们可以看出，该零件较为简单而且为中心对称体，所以初步决定采用一步锻压直接成型，经计算分别采用136mmX136mmX44mm的坯料进行模拟分析，变形速度分别采用5mm/sec,10mm/sec。两种方案进行求解，来优化设计。下面以坯料变形速度为10mm/s为例，进行详细的方案分析，针对最优方案进行求解，具体步骤如下。Deform分为3个过程，基本思路可见如下：1.导入模型一般情况下，体积是不会发生改变的，因此可以作为计算依据，针对坯料计算，包含加工余量在内，最终求得坯料体积约为813824mm3，最终决定采用136mmX136mmX44mm的圆形坯料然后由ug对坯料进行绘制，再绘制出上下模，转存为stl格式，导入deform中进行前处理： 图3.3 下模 图3.4上模 图3.5坯料2.模型前处理设置运动步数，每步移动距离等相关参数。其中运动步数设定为100步，通过计算得到上模下压量为41.5，故每步移动距离设定为0.42mm。设置如下图图3.6 DEFORM前处理设置由于做的是热锻，所以需要点击Heat Transfer，并且将文件命名为llruibo,图3.7 DEFORM前处理设置 设置每四步记录一次。其中坯料初始温度为1100C，环境温度为23C设置上模运动。由于做的是热锻，所以上下模也需要定义材料和进行网格分析。其中上下模网格设置为32000，坯料网格设置为50000。 图3.8 上下模及坯料的材料选择选中上模，点击Movement,在Constant value一栏设置下压速度，分别设置5mm/sec和10mm/sec 图3.9 下压速度设置点击inter-object，定义接触，在type中点击shear，设置摩擦因子为0.3，然后将热传导系数设置为11。然后点击apply to other relations，将设置应用于所有接触，然后点击tolerance，并点击generate all all图3.10 设置模拟条件添加接触关系 找到Input/Database菜单，点击后在弹出的对话框内单击Check按钮，在对话框内检查数据及各项设置，确认无误后单击Generate按钮，然后生成数据库，至此前处理工作结束，关闭程序，返回运行界面点击run按钮，等待计算机对模拟进行计算，最终得到零件的成形过程。图3.11 进行前处理检查计算完成后，在运行界面内单击Deform-3D Post 打开后处理，根据后处理中的各项数据以及图表，我们来进行下一步的研究。3.求解、后处理。（1）成型后温度变化如图所示：（2） 毛坯变形前后对比（3） 模具运动前后对比（4） 等效应变（5） 等效应力（6） 速度场（7） 损伤（8） 载荷行程曲线（9） 最小距离3.3.2 模拟分析结果经过展开模拟剖析，同时利用不同下压速度模拟的对比，得到在其他参数保持不变的情况下，以10mm/sec的速度来进行锚圈的锻造，方案更加合理，温度、应力等变化分布也更加的均匀。 第四章 圆锚圈模具结构设计4.1 圆锚圈尺寸计算和设备选择圆锚圈本身为圆形，所以直接使用圆形坯料进行加工最为方便，且能够节省成本，还便于在实际生产时进行操作，故选用圆柱形坯料。毛坯的尺寸主要是由零件尺寸、加工余量等因素来确定的，是锻造工艺中很重要的一个部分。锻件图是根据产品零件图设计的。主要是针对其工作内容进行绘制，（1）对形状和位置进行确定；（2）加工余量的固定，以及锻件公差和锻造余块最终判定；（3）对斜度进行把控；（4）针对模锻圆角半径设计；（5）针对冲孔连皮，加以设计；（6）针对锻件技术，加以确定等。此次毕业设计的锻件图如下：毛坯尺寸的计算：在UG里面测量出零件的体积为473954mm。毛坯的直径为因为毛边的体积和复杂程度密切相关，所以对火耗量计算分：。对于方坯：毛坯的下料高度为算得 136.5mm 43.7mm 再通过其特点的分析，最终获得吨位的确定，；计算： S=13.6*13.6*3.14-2.75*2.75*3.14*9=367.05（ cm2 ）， K 取80 KN/ cm2 ，q 取 1.3，F =80*367.05=29364（KN）F=29364/1.3=22587（KN）查表 4-1 国产摩擦压力机规格及技术参数 选用型号为 J53-400 的摩擦压力机，功率为 30KW。 摩擦压力机属于螺旋压力机的一种，是以摩擦方式进行动力传递的螺旋压力机。其工作的打击性质近似于锤，而传动、滑块速度等又近似于压力机，故而又称为摩擦压力锤。摩擦压力机一般适用于中、小批量生产的车间模锻各种形状的锻件。其优点有：工艺性能广。摩擦压力机其冲击力尚小，其特性涵盖模锻锤和热模锻压力机功效。而对于摩擦压力机，其特点在于行程不定，以及设置有顶出装置，很适合精密模锻和长杆类的镦锻，同时能挤压成形，所以它工艺性能较广，可以使用的范围很多，如模锻、冲压、镦锻等。其精密程度能达到很高标准。弹性变形不会波及其精度大小，通常来讲，磨砺压力机有下顶出器，可以结合组合模，有效的对斜度和余块进行处理。再加之无氧化加热设备的使用，能够让精度得到更大程度的提升。针对整体和组合进行结合。可以简化设计，主要通过凸、凹模镶块来实现，可以有效的减少时间，让周期变短，进而减少成本的支出，还可以使得模具钢使用更少。方便以后维护。其构造相对简单，而且最大的特点是价格低，振动小、基础简单、没有砧座，因而大大减少了设备和厂房的投资，劳动条件较好，操作安全，容易维护。 4.2 圆锚圈的模具结构设计及分析根据第二章的生产工艺来进行模具设计，同时要能够满足零件的形状以及使用性能等要求，还要能够达到降低成本等特点：（1）设计分模面在模锻件中，需要有一个合理的分模面，非加工表面与分模面垂直的部分必须要有一定的模锻斜度，非加工表面所形成的角则应有模锻圆角。应保证锻件的成形和易于从锻模中取出。分模面的确定：锻件高径比 ，取径向分模，分模面取在最大直径部位（2） 模具必须兼顾安全，还要方便加工能帮助提高使用效率，还能便于使用损坏后的维修，具体分为以下几点：特别是对零件的要求上，大型的特别难加工，可以靠镶拼的方式；模具在设计上要充分考虑日后的维修成本，最大限度的节省维修时间，尽量做不拆卸的设计处理，为了修磨而必须去掉的零件（如模柄等），可做成易拆卸的结构等；需要经常修磨和调整的部分尽量放在模具的下部质量较大的模具应有方便的起运孔或钩环部；模具的结构应保证操作者的手不必进入危险区域，而且各活动零件（如卸料等）的结构尺寸，在其运动范围内不致压伤操作者的手指等。（3）组合式凹模的设计由于模具所需要承受的应力较大，所以以一层凹的形式可能在实际的生产中会出现承受的应力过大而产生变形或者破损的情况，所以本次毕业设计使用组合式凹模来加强凹模的强度。4.3 圆锚圈模具装配示意图及工作过程介绍模具的工作过程是将零件的坯料放置于凹模内，放好后在压力机的带动下模具进行运动，开始成形，当工件成形后，下压运行结束，上模向上抬起，工件在上模抬起后留在凹模内，由顶杆将零件顶出。4.4 模具材料的选择模具需要有一定的要求，才能够满足工作的需要，具体如下：1. 耐磨性材料必须选择硬度达标的，这样就不会引发其变形，本身毛坯就容易变形，会产生巨大的摩擦力，为了减少模具的损坏，不必须在材料选择时就要注意其耐磨性，是模具最基本也是最重要的性能之一。 2.强韧性模具还需要注意强韧程度，因其工作条件问题，导致其需要承担巨大的冲击力，一旦发生断裂影响巨大，因此应选择具有高强度，高韧性的材料，即含碳量高的材料。 3.高温性能模具的工作环境一般都是高温环境，随着温度的升高，模具的硬度和强度也会下降，这种情况下，模具需要有高强度的抗压性，能够在抗回火时依然表现稳定。 模具的制造过程本身工艺较高，锻造是第一步，而且还要耐得住热处理，因此其质量决定了其高温性能，所以材料必须达标才能满足工艺需要。1. 可锻性有一定的变形抗力，帮助塑形，不容易断裂。2切削加工性其在使用量的情况下，磨损较小，而且精度较高，表面不粗糙。3. 抗氧化功能在加热的操作中，实际证明其氧化性不错，能达到较高水平，脱碳则较慢。4. 可磨削性利用砂轮加工阶段，不易发生磨伤及出现裂纹。锻造模具（简称锻模）是刻有制取模锻件模膛的金属块，此装备必不可少，作用极大。在锻模的选择上要极为注意，牢牢把控质量等方面，因为涉及到寿命的使用长短，而且其设计还会决定其成本高低，进而对尺寸质量或者交货时间产生影响。其划分，从锻件的变形温度分为冷锻模具和热锻模具两大类。本文选择后者，其特点在于耐高应力，能够有效应对动静的交替作用，使用需注意预热，越热温度需掌控在150400之间。除此之外，热作模具钢在工作中还受到很大的压应力或拉应力和弯曲应力的复合作用以及高温条件下的金属流动产生的强烈摩擦力，模膛表面的温度经常瞬间达到600左右。因此，锻件生产对模具材料的基本要求是：在锻模工作条件（工作温度、载荷性质和“接触时间” ）下，材料应具有良好的冶金质量和组织稳定性、综合力学性能、疲劳性能和耐腐蚀性能等使用性能以及良好的冷热加工工艺性能。综合考虑下，决定采用H13钢，其特点是使用寿命长，作为空淬硬化热作模具钢更具优势。可以作用热挤压和穿孔用等；这也是工作飞机零部件生产的原因，可耐热 400500 。除此以外，关于模具材料的选用，一定要思考是否经济适用，在功能满足的前提下，可以先选取价位便宜的。4.5模具的经济性分析模具的设计不仅仅与经济有关，更与环境、健康有着密切的联系。对健康而言，模具厂从来就不是比较安全的地方，相反因为各种不小心，模具厂常常会发生事故。所以伴随着科技的进步，一方面，自动化生产得到了越来越多的普及，新的自动化产业正在逐渐一步一步的淘汰者旧的产业。使得人工更少。在另一方面，随着设备的越来越先进，越来越多的安全性措施得到了实施，比如说红外线探测，在几微妙的时间内感应到你的手，从而避免了因意外而发生的机械性事故。从而使人们的安全加以保障。同时伴随着科技的发展，经济的发展，环境问题也越来越被人们所重视了。在最开始的时候，科技是第一生产力，人们不顾一切就为了生产，然而到了现在，人们越来越注重环境的重要性，机械厂也越来越科学化的分布，比如说冲压厂冲压所余留下来的废料，可以直接在旁边的厂进行处理，并且环境污水等排放问题也越来越少，一切都朝着有序化的进行。但是不管科技如何发展，节约模具成本增加自己的利润永远都是一个说不完的话题。同其他产品类似的产品相似一样，模具也是可进行等价交换的商品，它一样符合市场的规律，具体来说包括了设计的经济、制造维修的经济性等，模具的经济性主要设计的是成本如何有效的控制，一般来说，要用最小的成本获得最大的经济效益，但不能过于追求，利益最大化。所以适当的对模具整体的经济性分析是必要的，下面是从几个主要方面进行模具的经济性分析：1以前模具设计靠的是长期的积累下的经验，虽然有一定的实用性，但是不科学，使模具报废的几率容易增加，这就降低了模具的经济性，增加了额外的成本。现在在有限元软件的支持下，模具设计与以往不同，通过虚拟模拟的计算，可以较为准确的知晓该模具设计方案的可行性，这样从第一步就开始控制成本的额外增加的风险，比较科学。所以通过模拟分析确定零件是否能一次成型，是否会发生破裂，直观的数据分析，从而减少了经济的成本。2模具设计方案好了以后，就要考虑加工了，这可能是模具成本里比较大的一部分。在实际操作过程中，锻模的加工方式主要就是依靠压力机加工，加工出所想要的各类板，锻造的方式有很多，比如开、闭式模锻，自由锻，锤锻等。不同的板料，不同的加工方式。挑选最合适的，减少成本。3模具后期维护的成本主要与模具结构有关，合理的结构，维护方便 ，维修成本低，模具经济性好；不合适的结构，其经济性比较差，维修时间长，生产计划就会被延长，厂家的订单就会减少。所以说维修便宜的模具其经济性也比较好。 第五章 总结本次的课题为圆锚圈的锻造工艺与模具设计，通过毕业设计的研究，有如下收获：1.通过对国内外锻造业以及对国内外锚圈锻造业的发展近况的研究，对锻造行业有了初步的认识，对我国的锚圈锻造工业也有了一定的了解。2.运用UG软件对零件进行三维造型，同时绘制了三维模具图，对了解锚圈锻造工艺有着很重要的作用，可以更加直观的来观察模具。同时在设计模具的时候还考虑了经济以及环保等各方面。 3.借助DEFORM-3D软件，进行实际模拟，对零件成形有了比较直接的认识，充分的了解了其各方面过程，投入到实际且能满足零件各项要求的方案，节省了大量的时间以及成本，所以模拟对实际操作是有非常大的作用的。4.采用闭式模锻进行锻造，摒弃以往的方法，该方法在节约成本以及提高生产效率方面都比以往的方法要高很多。5.通过了解模具材料选用的要求，根据实际的生产需要，且在经济性上进行考虑，选择合适的模具材料，在达到成形要求的同时，还能够节约成本。本次毕业设计，从多方面对整个模具设计的过程进行了考虑，在满足性能需要的同时也减少了成本消耗，节约了工作时间，但是由于是第一次做这样的设计，肯定仍有不足，还有许多不恰当的地方，敬请老师批评指正。 参考文献1 李建军, 黄茂林,等.锻造技术的发展现状及趋势J.热处理技术与装 备,2015,36(03):5762.2 于琨山.我国锻造加热设备的现状与发展J.中国金属通报,2018(03):9192.3 陈文琳,聂会星.预应力锚圈的弹塑性有限元分析J.合肥工业大学学报(自然科学版),2007(06):761764.4 廖茂.锚圈精锻工艺与模具设计J.热加工工艺,2011,40(21):198199.5 陈从升,张正彬.基于正交试验及有限元法的锚具结构优化设计研究J.机械制 造,2008(10):2325.6 周飞, 苏丹, 彭颖红.金属塑性成形有限体积数值模拟技术J.锻压技术, 2002, (3) :35.7 Oden J T, Kikuchi N.Finite element methods for constrain-ed problems in elasticityJ.International Journal 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