长安汽车万向节叉锻造工艺设计说明书

任务书题 目 长安汽车万向节叉锻造工艺设计题目来源 教师自拟学生姓名 学 号 专业班级指导教师 职 称 教 研 室毕业论文（设计）任务与要求模锻件一种非常常用的零件成形方式，其由于成形精度较高，性能好而被广泛应用在汽车等行业。本课题要求完成长安汽车万向节叉的锻造工艺的设计，包括各种锻造参数的确定，并完成终锻模膛设计。最后采用有限元分析软件完成该锻件的温度场的模拟，分析不同锻造温度以及不同外界环境温度下锻件的温度场分布情况，以及锻件的应力分布情况。最终完成毕业论文撰写，画出终锻模膛模具设计装配图（包括三维图）及相关零件图，图纸量至少 1张 A0 图纸。毕业论文（设计）工作进程2017.12.27-2018.01.31 查（借）阅资料，了解本课题设计重点，注意事项，撰写开题报告。2018.02.01-2018.02.28 继续阅读文献，锻造工艺设计。2018.03.01-2018.03.31 有限元分析软件学习，锻模设计。2018.04.01-2018.05.10 分析试验数据，并撰写毕业设计。2018.05.10-2018.05.17 指导老师、评阅老师评阅，整理资料准备答辩。2018.05.25 答辩。指导教师（签字） 毕业论文工作组组长（签字） 学生（签字） 毕业论文（设计）起止时间： 20XX 年 12 月 27 日 至 20XX 年 05 月 25 日 注：本表由指导教师填写，于每学年第 1 学期 18 周，经毕业论文工作组审批，随毕业论文装订由学院存档。开题报告论文（设计）题目 长安汽车万向节叉锻造工艺设计学生姓名 学号 指导教师一、课题研究的背景制造是人类最主要的生产活动之一。它是指人类按照所需要目的，运用主管掌握的知识和技能，应用可利用的设备和工具，采取有效的方法，将原材料转化为有利用价值的物资产品并投放到市场的全过程。锻造生产是机械零件毛坯的主要加工方法之一。通过锻造，不仅可以得到机械零件的形状，而且能改善金属内部组织，提高金属的机械性能。一般对受力，要求高的重要机械零件，大多才用锻造生产方法制造。如汽轮发电机轴、转子、叶轮、叶片、护环、大型水压机立柱、高压缸、轧钢机轧辊、内燃机曲轴、连杆、齿轮、轴承、以及国防工业方面的火炮等重要零件，均采用锻造生产。因此锻造生产广泛应用于冶金、矿山、汽车、拖拉机、收获机械、石油、化工、航空、航天、兵器等工业部门，就是在日常生活中，锻造生产亦具有重要位置。从某种意义上说，锻件的年生产量，模锻件在锻件总产量中所占的比例，以及锻造设备大小和拥有量等指标，在一定程度上反映了一个国家的工业水平。锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，锻压（锻造冲压）的两大组成部分之一。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。相关机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊件外，多采用锻件。二、国内外研究概况及发展趋势汽车工业的发展对高品质、低成本锻件的需求不断上升。转向万向节滑动叉是一个重要的汽车零件，其形状复杂，尺寸精度和形位公差要求高，锻造结构工艺性差。目前，采用锻模工艺进行生产，锻件成形质量差，材料利用率低；因此需要一种新的加工工艺，以提高成形质量，减少材料浪费，降低成本滑动叉传统上采用的开式模锻工艺生产，飞边大，材料浪费严重且尺寸精度差；为了降低锻件成本，针对滑动叉的形状特征，又提出了一些先进的工艺方案，比如一种少无飞边模锻的新工艺，使预制毛坯在封闭的模膛内成形，实现锻件进净成形。而其国外美国用 315MN 水压机模锻 F-102 歼 272 个零件和 3200 个螺钉，使飞机质量减轻了击机上对的整体大梁，取代了 45.5 至 54.5kg，使其结构和性能大大提高。而本课题研究的是长安汽车万向节叉是一个叉形零件，一般采用中碳钢或中碳合金钢的锻造件，也有采用中碳钢的精密铸造件；滑动叉形状复杂，而且叉杆部截面呈圆形，传统的整体闭式模锻工艺难以实现无飞边锻造。国内主要锻造厂例如马鞍山新江机械有限公司、东风汽车钢锻件有限公司在研究传统无飞边锻造工艺和挤压工艺的基础上，开发了滑动叉无飞边闭式模锻新工艺，以满足滑动叉的无飞边锻造的要求。无飞边锻造工艺是一种先进的锻造工艺，通常用于高品质锻件的生产。与有飞边 锻造工艺相比，无飞边锻造工艺中锻件在封闭的模腔内成形，不产生飞边，节省材料，成形精度高，可实现锻件的近净成形或净成形。有限元模拟研究表明，与开式模锻工艺相比，无飞边和小飞边闭式模锻新工艺具有锻件精度高、成形质量好、材料利用率高、所需设备吨位小等优点，具有很好的工业应用前景。我国的锻造生产与世界先进国家的水平相比还有一定的差距。工业发达国家的模锻件已占全部锻件的 70%，而我国尚不足 30%。国外有成千上万条锻造生产自动生产线，大型自由锻造水压机普遍配备了锻造操作机等，而我国在这些方面还是处于薄弱状态。精锻技术和大型段锻件的生产水平与一些工业发展中国家相比较低，一些航空产品上的精锻件和重要的大型自由锻件还常常需要从国外进口。在 CAD/CAM 一些发达国家已进入实用阶段，在这些方面，我国还是刚刚起步。三、课题研究的目的意义 锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，锻压（锻造冲压）的两大组成部分之一。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。相关机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊件外，多采用锻件；锻造是压力加工的一种，通过机械施压使高温可塑金属变形以达到规定的外形和尺寸。锻造的目的是坯料成形及控制其内部组织性能达到所需几何形状、尺寸以及品质的锻件，其并不包括改变物理性质。这个靠后续热处理和表面处理解决。常见的是模锻，是把金属压入模具成形。一般铸件的内部组织和力学性能不如锻件，比较重要的零件都选用锻造工艺过程；另外锻造生产还具有节约金属、生产效率高，灵活性大等有点。通过锻造能使铸造组织中的疏松、气孔压实，把粗大的铸造组织（树枝状晶粒）击碎成细小的晶粒，并形成纤维组织。当纤维组织沿着零件轮廓合理地分布时，能提高零件的机械性能。因而，锻制成零件强度高，可承受更大的冲击载荷。在承受同样大小冲击载荷的情况下锻制零件尺寸可以减小，即节省了金属。四、研究内容本课题研究的内容是长安汽车万向节叉锻造工艺设计，其中包括以下内容：1. 各种锻造参数的确定，完成模具设计及完成终锻模膛设计。2. 采用有限元分析软件完成该锻件的温度场的模拟。3. 分析不同锻造温度以及不同外界环境温度下锻件的温度场分布。4. 分析不同锻造温度以及不同外界环境温度下锻件的应力分布情况。五、研究方案及内容 经分析、估量，该设计划分为以下四个阶段：第一阶段：1）认真阅读设计任务要求，明确设计目的；2）查阅相关资料，整理出所需的大致信息；3）规划初期的方案。第二阶段：1）制定并分析万向节叉锻造设计方案；2）进行相关的计算、校核； 第三阶段：1）完成相关锻件的二维及三维建模图；2）完成终锻模膛模具设计装配图；第四阶段：1）整理资料、书写报告；2）完成答辩 PPT，准备答辩。六、论文提纲第一章绪论1.1 课题研究目的及意义1.2 论文主要研究内容第二章零件分析及工艺方案的确定2.1 零件分析2.2 工艺方案的确定第三章锤上模锻件的设计3.1 确定分模位置3.3 模锻斜度3.3 圆角半径 3.4 技术条件 3.5 计算锻件的主要参数第四章 模锻变形工步的确定4.1 绘制计算毛坯图4.2 制坯工步选择 4.3 确定坯料的尺寸 4.4 确定锻锤吨位第五章 锤锻模型槽设计5.1 确定毛边槽形式和尺寸5.2 确定钳口5.3 确定终锻型槽5.4 设计预锻型槽5.5 滚挤形型槽的设计第六章 锻模结构设计及包括锻前加热，锻后冷却及热处理要求的确定6.1 确定加热方式及锻造温度范围6.2 确定加热时间6.3 确定冷却方式及规范6.4 确定锻后热处理方式及要求七、工作量的估计、工作条件（一）工作量的估计1、设计、计算、校核相应的参数；2、零部件的二维图纸、三维建模、锻件图；3、撰写论文设计说明书；4、制作毕业答辩 PPT；5、翻译一篇英文资料。（二）工作条件1、图书馆，图书期刊资料和电子文献资料；2、装有制图、建模软件的电脑。八、工作进程2017.12.27-2017.01.31 查（借）阅资料，了解本课题设计重点，注意事项，撰写开题报告。2018.02.01-2018.02.28 继续阅读文献，锻造工艺设计。2018.03.01-2018.03.31 有限元分析软件学习，锻模设计。2018.04.01-2018.05.10 分析实验数据，并撰写毕业设计。2018.05.10-2018.05.17 指导老师、评阅老师评阅，整理资料准备答辩。2018.05.25 答辩。九、存在的问题及拟解决采取的措施（1）模型的温度场发生改变时，模型会发生变形，其应力应变场也会发生相应的改变。（2）热应力分析涉及到多种物理场综合作用的结果，如温度场和应力场的耦合、电磁场和温度场的耦合、流体场和温度场的耦合等，这些多物理场耦合分析中需要同时考虑各个物理场的作用小效果及相互之间的影响。 （3）锻造参数确定是的人为计算误差、系统误差。上述问题将通过查阅文献，借鉴相关设计经验，请教老师和与周围同学探讨等途径进行解决。参考文献1 .王先逵主编 机械制造工艺学，北京，机械工业出版社，1997.102.孟少农主编 机械加工工艺手册，北京，机械工业出版社，1991 3.陈宏钧，方向明，马素敏主编 典型零件机械加工生产实例，北京，机械工业出版社，2005.1 4.刘友才，肖继德主编 机床夹具设计，北京,机械工业出版社，1991.5 5.Boyes W EJigs and FixturesAmerica，SME，19826.赵志修 机械制造工艺学，北京：机械工业出版社，1985. 7.张世昌 机械制造技术基础，天津：天津大学出版社，2002. 8.宋昭翔 机械制造基础，北京：机械工业出版社，1998.9.王先逵 机械制造基础，北京：机械工业出版社，2002.指导教师意见及建议（从选题、理论与实证准备、研究（设计）方法、工作安排等方面给出评价，并提出指导意见）：该生查阅了大量资料，对模锻有了一定的了解，模锻在机械零件毛坯加工中具有不可替代的作用，根据课题要求，制订了合理的工作计划，同意开题。指导教师签名： 年 月 日毕业论文工作组意见及建议准予开题毕业论文工作组组长签字： 年 月 日注：1.此表由学生填写后，交指导教师签署意见，经毕业论文（设计）工作组审批后，才能开题。2.此表随毕业论文装订并由学院存档。中期检查表论文（设计）题目 长安汽车万向节叉锻造工艺设计学生姓名 学号 指导教师计划完成时间 20XX 年 5 月 25 日按照进度安排应完成的任务2017.12.27-2018.01.31 查（借）阅资料，了解本课题设计重点，注意事项，撰写开题报告2017.02.01-2018.02.28 继续阅读文献，制定初步的设计方案。2018.03.01-2018.03.31 开始预选设计方案，进行材料准备、锻件的三维建模图的绘制及终锻造模具装配图的完成。实际完成情况查阅资料后了解到本课题的设计重点和注意事项，按时完成了开题报告以及文献翻译。通过深入了解资料，制定了设计方案，材料准备已完成，并进行模具以及终锻模膛的设计。目前有哪些问题和困难，拟采取的解决方法分型面的选取存在问题，模具的倒角太大以及锻件上的孔不应做成通孔，应该是盲孔，在模具设计过程中应多加注意，及时与老师沟通。检查中发现的问题与建议通过前期的工作，该生对模锻认识还存在交大的问题，对模锻中一些结构的功能还不清楚，导致在设计过程中不知所云，建议进一步加强模锻锻模的认识和设计。毕业论文工作组组长签名： 年 月 日注：1.最后一栏由指导教师填写。2. 此表随毕业论文装订并由学院存档。指导教师评分表学院：XXXX 专业班级：XXX 学生姓名：XXX 学号：XXX毕业论文题目 长安汽车万向节叉锻造工艺设计评 价 项 目（参考） 分值 打分01 工作态度，工作作风工作态度 02 毕业论文完成情况 20 12.003 查阅文献资料能力04 综合运用知识能力05 研究方案的设计能力06 研究方法和手段的运用能力能力水平07 外文应用能力40 28.008 文题相符程度09 写作水平10 写作规范程度11 篇幅，论文工作量论文质量12 论文的理论或实际价值40 28.0综合评定成绩 68.0评价意见该生以长安汽车万向节叉零件为例，完成了该零件的锻造工艺设计及零件终锻模膛设计，从整个过程来看，该生仅对基本方法有了了解，未做深入研究，学习过程中主动性稍显不足，对于知识的理解较慢，但整体上来说，基本满足了本科毕业设计要求。是否同意答辩 同意指导教师（签名）： 年 月 日注：此表随毕业论文装订并由学院存档。I评阅教师评分表学院：XXX 专业班级：XXX 学生姓名：XXX 学号：XXX毕业论文题目 长安汽车万向节叉锻造工艺设计评 价 项 目（参考） 分值 打分01 查阅文献资料能力02 综合运用知识能力03 研究方案的设计能力04 研究方法和手段的运用能力能力水平05 外文应用能力50 40.006 文题相符程度07 写作水平08 写作规范程度09 篇幅，论文工作量论文质量10 论文的理论或实际价值50 20.0综合评定成绩 60.0评价意见论文对汽车万向节的锻造工艺进行了设计。首先分析了零件结构，确定坯料质量和尺寸，模锻压力和切边压力，然后进行了锻模总体设计，最后进行了有限元分析，得到锻件温度场及应力分布。建议将第 4 章提前，先进行有限元分析，才能得到不温度和热应力。论文观点正确，论据充分，对实际有指导意义，建议将论文结构进行调速整，P9 页，2.6 这部分应该在有限元分析及终锻模商品体方案之后，论文总结（P28 页）需进一步凝练，建议修改后答辩。是否同意答辩 同意评阅教师（签名）： 年 月 日注：此表随毕业论文装订并由学院存档。II答辩及成绩评定表学生姓名 学号 专业名称答辩时间 答辩地点 指导教师题 目 长安汽车万向节叉锻造工艺设计 记录人 吴神丽姓 名 职 称 姓 名 职 称答辩小组成员提问及回答情况记录（34 个主要问题）：1.锻造工艺选择中热切边的温度为多少?答：热切边的温度为 800。2.锻造工艺设计中的热处理锻造工序还是指机加工？答：指的是后续的机加工。3.飞边槽的作用是什么？答：（1）阻流作用即封闭住模膛，锻造时阻止金属外流，以保证充满模膛。（2）容纳多余金属。（3）具有缓冲作用。记录人签字：年 月 日答辩小组评语及成绩：该生能在规定时间叙述论文的主要内容，对提出的问题一般能回答，无原则错误。答辩小组经过充分讨论，根据该生论文质量和答辩中的表现，同意评定论文成绩为中等。答辩小组组长签字： 年 月 日指导教师成绩 68.040% =27.2评阅教师成绩 60.020% =12答辩成绩 72.040% =28.8毕业论文总评成绩 68.0论文 等 级及格III毕业论文工作组意见：毕业论文工作组组长签名： 年 月 日注：1、总评成绩=指导教师成绩40%评阅教师成绩20%答辩成绩40%。2、论文等级分优秀（90 分）、良好（80-89 分）、中等（70-79 分）、及格（60-69 分）、不及格（60 分）。3、此表随毕业论文装订并由学院存档。 IV摘要本论文以长安汽车万向节叉为例完成了该锻件锻造工艺设计，并完成了终锻模膛的设计。对零件结构分析、零件工艺分析、坯料的质量与尺寸计算、模锻压力与切边压力的确定、锻造工艺的选择以及锻前加热、锻后冷却及热处理要求的确定。通过本专业所学的知识并运用了 SolidWorks2016 软件对锻件零件进行三维建模，创建模具的上下模、终锻模膛的飞边槽设计、模架总体设计，运用 Auto-CAD2014 软件进行二维图绘制，标注好详细的公差尺寸要求、运用 Workbench 15.0 有限元软件进行锻件温度场及热应力场分布分析，得出了在不同的温度、不同的应力条件下锻件的不同位置会出现不同的颜色变化，根据颜色变化确定锻件变形与开裂程度。根据模拟结果，终锻温度为 700时由于温度太低，对变形不利，而当终锻温度为 900时，残余应力太大，560MPa ，所以确定终锻温度为800，产生的热应力大概为 460MPa。关键词：CAD/CAE；模具；万向节叉；热应力VAbstractIn the study, the forging process and the finishing impression of an automobile universal joint fork were designed. The structural analysis, industrial analysis, mass and dimensioning, die forging pressure and the trimming stress and some other parameters such as heating before forging, post-forge cooling and heat treatment requirements were all determined. SolidWork2016 software was used in three-dimensional modeling of forging parts, upper and lower molds, the design of the flash die groove of the final forging die, the overall design of the mold frame, and so all. Auto-CAD2014 software was used to the two-dimensional drawings, includes the tolerance dimension of the molds. Workbench 15.0 software was introduced in the temperature and thermal stress field calculation. And the simulation results could help people to determine the deformation and cracked degree according to the color bar. The results show that its hard to deform during the forging on 700, and the thermal stress is about 560MPa during the forging on 900, so its the best temperature for the forging process 800, and the thermal stress is about 460MPa.Keywords: CAD/CAE，mould universal ，joint fork，thermal stressVI目录摘要 -IABSTRACT-II第 1 章 绪论 -11.1 题研究的目的及意义 -11.1.1 锻造模具的研究目的 -11.1.2 模具 CAD/CAM 的研究意义 -11.2 国内外研究现状 -21.3 本课题研究内容 -3第 2 章 长安汽车万向节叉锻造工艺设计 -42.1 零件结构分析 -42.1.1 零件材料 -62.1.2 主要表面分析及技术要求 -62.1.3 零件特点 -62.2 计算坯料的质量与尺寸 -62.2.1 坯料质量的计算 -62.2.2 坯料尺寸的计算 -72.3 模锻压力与切边压力的确定 -72.3.1 模锻压力确定 -72.3.2 切边压力的确定 -72.4 锻造工序的选择 -82.5 锻前加热、锻后冷却及热处理要求的确定 -92.5.1 确定加热方式，及锻造温度范围 -92.5.2 加热时间及冷却方式的确定 -102.6 小结 -10第 3 章 长安汽车万向节叉锻模设计 -113.1 锻件锻模总体设计方案的确定 -113.2 锻模的设计 -113.2.1 确定锻件的分型面及分型线 -113.2.2 制定锻件的机加工余量及公差 -13VII3.2.3 锻模生成及凸凹模分割 -143.3 预锻模具设计图 -173.4 锻模飞边槽的设计 -173.5 模架总体设计 -193.6 镶块设计 -203.7 小结 -20第 4 章 万向节叉有限元分析 -214.1 不同温度下 45 钢的性能变化 -214.2 有限元分析前置参数设置 -224.3 锻件温度场及应力分布分析 -254.4 小结 -27总结 -28参考文献 -29致谢 -30附录 A -311第 1 章 绪论1.1 课题研究的目的及意义1.1.1 锻造模具的研究目的现如今，塑料模具、锻造模具及其所配套的 CAD/CAM 技术在机械行业中出于领军地位，锻造模具的地位尤为重要；它使传统金属零件的加工生产流程得到了简化，它同样也是传统模具制造的关键生产技术之一，它需要依靠计算机软进行辅助设计及配合各种机械设备进行加工生产。以便加工人员能进行更方便的生产自己想要的产品。在工程师们的不断研究中，锻造模具行业逐渐偏向于设计优化、流程优化生产优化的理念进行研发。锻造生产能够显著地减少机械零件的生产加工周期 1。提高了产品的性能并且使工艺流程得到简化，更为重要的是减轻了工人师傅们的劳动强度，减少了企业的生产成本。锻造模具同塑料模具都是为用来进行产品成型所制造的。它大体可以划分为动模和定模两部分，或称途模和凹模，在工作过程中的开合来进行产品的挤压成型。锻造的过程同样分为初锻和终锻两部分，往往终锻过程较为复杂。在产品成型的过程中，气压、冲头等一系列外部构件把外力传递给动模和定模，上下模具框架为挤压产生的力起了缓冲作用。因为锻造模具在实际的加工生产中对生产效率有明显的提高并且能够节约生产原料，提高了生产效率，因此在全国众多工厂中得到了广泛的应用。针对锻造模具，本文以长安汽车万向节叉零件为例进行了模具设计、零件受热应力场及温度场模拟分析，简要描述了模具在实际生产过程中的应用。1.1.2 模具 CAD/CAM 的研究意义随着机械 CAD/CAM 行业蓬勃发展，现模具能够实现三维软件自动分模或用三维设计软件手动辅助分模，大大缩短模具研发设计时间。现在甚至是未来模具行业的发展更趋向于设计与制造智能化、一体化、集成化。此次设计是针对长安汽车万向节叉的锻造中终锻部分模具的设计，涉及三维产品设计、模具分模设计、二维工程图及 ANSYS 温度场应力场分析仿真，总体涵盖了锻模的设计及应用，完全与工厂实际设计生产需求接轨 2。 终锻模是零件进行模具锻造时使毛坯料在型腔内挤压成型而获得产品的模具。设计之初重要的是选择锻件的材料，按照工厂所给图纸的要求即选择了 452钢。终锻之前需先将锻件进行加热，以达到终锻所需的温度要求，接着将预热的初锻件放置在锻造设备上，按照要求施加压力，迫使锻件因其自身的塑性变形发生内部分子流动，进而成型获得终锻件 3。所设计的锻造模具在实际运用中既要承受锻锤的高速冲击作用及负载压力，并且还要承受在锻件成型过程中的急冷、急热和冷热交变状态，对于模具的材料需要其满足高耐磨及强度刚度。1.2 国内外研究现状经过了几代机械行业乃至模具行业科研人员的不断挖掘发展，目前模具行业及其配套的 CAD/CAM/CAE 在整个行业起了不可替代的位置，基本上国内大小公司都离不开这三方面联合设计模具的应用，并一直刷新行业应用记录，比如更高的模具制造精度及更优化的锻造方案，有卓越的贡献。尤其在近几年模具行业借助 Ansys 等 CAE 软件配合进行实际工况产品应力场及温度场的模拟分析，可谓是模具行业质的突破 4。同时更多的科研人员进行在 SolidWorks 和UG 软件平台上针对模具设计的二次开发软件，更加方便了设计人员开发模具，直接缩短了设计流程。升级传统模具制造生产的关键技术方案是进行模具CAD/CAM/CAE 联合研究开发，它作为当今机械行业高水平发展的方向一直被广泛的应用 5。此技术借助计算机软件给设计者提供了很好地工作平台，提高了模具设计效率，提高了模具的制造精度及使用的安全系数。通过有限元软件分析能够进行模具结构的简化、模具锻造工艺的优化、锻件成型工艺的升级等。锻造模具行业的 CAD/CAM/CAE 的发展状况符合总体机械类相关软件的发展进程，基本上设计软件每升级一版本，模具行业的科研进度也跟上一个版本。目前相关的软件发展情况基本如下所述:CAD 从前几年的仅仅能够二维平面图形设计、三维实体模型模拟设计、自由曲面模型模拟设计、参数化模拟设计、特征模型模拟设计等等，到近些年来随着互联网的广泛应用，此类设计软件基本结合了当今热门的智能化、集成化等新关键词进行开发软件，进而发展为新的技术特点。进而 CAD 技术能够具备更好地协同开发、简化设计流程等优点。CAM 行业一直处于并接轨于高精度机床编程、以更好地工艺进行工件的加工生产，尽可能的缩短工厂的生产效率，并通过软件的编程基本减少了实际数控机床及加工中心的离线编程，使编程人员面对三维实际模型更好地更方便的编写G 代码程序 6。CAE 技术也在近几年得到了广泛的普及，对件及具结构进行有限元分析计算，进而得到锻件在不同工作状态下（温度场）的位移和应力分布3情况。最终为模具的优化设计和合理改进提供更有效的理论依据 6。尽管说我国的 CAD/CAM/CAE 钻研利用在近几年来发展迅速，为此感到特别欣慰，然而相对于其他的工业比较发达的国家如日美韩德等国相比还有非常大的差距，此述的差距大体表现在这几个方面：（1）我国的 CAD/CAM 的运用集成化程度相对较低，目前很多企业的运用仍然停留在画图、NC 编程等单项技能的利用上。（2）目前国内的 CAD/CAM 系统的软、硬件均要依靠通过进口来获得，而拥有自主版权的软件相对比较少。（3）由于缺少设备运用和技术指导，很多公司尽管目前已经引进了 CAD/CAM 系统，但其使用功能却没能充分发挥出来。1.3 本课题研究内容此次设计是综合了机械类常用的 CAD 设计软件及 CAE 分析软件进行的。SolidWorks 是位于美国马萨诸塞州的达索公司（Dassault Systemes S.A）专门为了从事机械设计行业人员研发的视窗应用软件，它拥有强大的非标设备设计功能及较为完善的模具分模一体化设计功能。本设计用该软件进行锻件的三维设计并且对其进行分模，以分出凸模具和凹模具，并用其他内嵌于 SolidWorks 的模具辅助外挂软件设计模架、顶针、导向柱等模具必须零件。设计完长安汽车万向节叉锻件，将其导入 ANSYS Workbench 15.0 正确应用瞬态传热分析的初始条件进行温度场及应力场分析。通过分析可以清晰看出锻件在不同温度下的应力分布及变化情况。为了方便工厂工人加工，用二维 CAD 软件出模具总装工程图及凹模、凸模工程图，方便实际组装及加工。通过机械类多软件综合的设计分析充分发挥了CAD/CAE 在模具行业的应用。在设计过程中我走访了某锻件锻造加工厂，亲临了加工厂实际生产，跟工厂师傅交流了锻造的工艺要求，也体验了锻造设备的使用，因而本设计充分贴近工厂生产之所需。由于我自己的学术水平有限，因此本论文难免存在学术方面的不妥之处，还请各位老师和同学们的批评指正。4第 2 章 长安汽车万向节叉锻造工艺设计2.1 零件结构分析先进行零件结构分析，所设计的零件为长安汽车万向节叉如图 2.1 所示，万向节叉是叉形件。万向节叉用在主动轴与从动轴中，用来控制两者间的角度并进行动力传递。因其作为连接件，使被连接的零件间存在规定范围内的角度变化，在整个汽车传动结构中起着至关重要的作用，故万向节叉需承受的扭转矩较大刚度需求较高，同时其在实际工况中环境不同，有时需承受的载荷较大。主动轴将发动机传来的转矩通过万向节叉传递给从动轴以输出转矩，在不平行情况下主要起连接主动轴和从动轴的作用。当然，万向节叉这类零件应用范围较为广泛，不仅仅用在汽车传动行业方向上，也用于机械行业非标件设计过程中，甚至民用传动设备的生产制造过程中。大体上，可用于如下场所：两轴不同心、两轴间平行但不相交或空间平行且相交、两轴的空间夹角在运动过程中经常变化等场所 7。分析长安汽车万向节叉的整体形体尺寸及表面粗糙度等公差要求，容易看出：该零件整体体积较小，各种圆角较多，但圆角尺寸不大，形状不是很复杂，因其是连接件，非传动件，故其精度要求不高，但为了保证连接位置的精度配合要求，也需要通过锻压机如图 2.2 所示，初锻终锻两步锻造成型。顶部头端的设计较为麻烦，内孔需在终锻后用加工中心继续加工，并且在设计过程中需要考虑其脱膜的角度，防止不易脱膜及卡模等现象出现，包括初锻及终锻过程只能锻造其大体形状，末端的凹槽需要数控机床进行加工，在锻造的过程中，因其材料内部分子聚集加强，使其组织更为紧密，碳化物分布及流线分布更为合理，故能够提高锻件整体热处理性能及提高其强度及使用寿命。如果企业要求加工花键槽或者是滑槽，则按照实际工艺进行零件设计。按照工厂要求选取锻件的材料为热轧钢 45 钢，此材料拥有相对较好的金属材料稳定性，较高的强度，并方便后期机加工。具体该锻件的工艺方案及材料相关属性如下表及相关数据所述，零件预期设计的实物图如图 2.3 所示。5图 2.1 长安汽车万向节叉零件图图 2.2 锻压机实体图图 2.3 万向节叉的预期实物图62.1.1 零件材料选取 45 钢，原因是 45 钢的切削性能较好，几乎没有加工问题，所以加工中不需要采取特殊工艺措施。2.1.2 主要表面分析及技术要求外圆表面用于支撑该零件连接，两个挂耳面和底面用于承受动力。技术要求是表面缺陷深度允许值为 0.5mm；热处理是调质 HB230260；表面清理是为了便于淬火裂纹的检查,采用酸洗进行表面清理。2.1.3 零件特点盘类零件（ H D ）在终锻之前都要先进行预锻，但包括预锻和终锻过程都在锻压机里完成。预锻后沿原锻料毛坯截面轴向剪裁制成模样近乎锻件的中间毛坯，从而保证锻件进行最后的终锻时使锻件各处充分填充金属并且有均匀毛边，进而降低了模槽的磨损损耗，延长其使用寿命。2.2 计算坯料的质量与尺寸2.2.1 坯料质量的计算首先根据锻件的形状以及尺寸计算其锻件质量，然后考虑到加热时的表面氧化损失，切去热边还有去毛刺的质量，最后计算锻件所用的坯料质量，其计算式为：m毛切烧锻坯 （烧损值 为 0.035）kg07.235.0烧 98.13v锻kg.切160毛综上，毛坯的质量为 2.377kg。72.2.2 坯料尺寸的计算计算毛坯在整个设计中起到了关键的作用，对于锻件的结构特性，本文首先就选择采用 45 热轧钢。所需毛坯具体参数选定如下：锻件毛坯截面积： S 坯 = （1.021.05）S 均 =1.031841600=1841680mm锻件毛坯截面尺寸： A 坯 =60mm2 锻件毛坯长度： L 坯 =V 坯 / S 坯 =147334400/1841680=80mm锻件毛坯直径： 根据 A 坯 = (D/2 )，得 D=75.3mm2.3 模锻压力与切边压力的确定2.3.1 模锻压力确定 预锻和终锻的完成需要在热模锻压力机内完成。其中对于终端成型压力的确定可以有以下公式计算得出：公式锻锻锻锻 ）（）（ Sb2D01.0.-18P（2.1）式中 P 锻 为模锻所需压力 ,N；D 锻 为平面图为圆形的锻件直径,mm ；b 为金属在终锻温度下的抗拉强度,N/mm 2 ；S 锻为分模面上锻件的投影面积，mm 2；在本锻件中，直径 D 锻 =124 mm；45 钢的抗拉强度为 b=600 N/mm2；S 锻 = D 锻 /4=12070.16mm2最终代入数据可以计算出所需要的锻模压力为 P 锻 =11966.1KN最终选取的锻模压力机为 16000KN 规格的锻模压力机。2.3.2 切边压力的确定待终锻完成后还需要对带飞边的锻件进行切除，此过程需要在切边压力机上完成，选择切板压力机要根据相关切边压力选取的规则来选取，则切边压力计算的公式为：F 切 =1.7 bL(2.5t +B) 公式（2.2）公式中: F 切 为切边压力 ,单位 N；b 为在该温度下材料抗拉强度，单位 N/ mm2 ；8L 为锻件分模线周长,单位 mm ； t 飞边槽部厚度,单位 mm ；B 为零件高度方向的正偏差,单位 mm ；45 钢的抗拉强度为 b =600 N/mm2；锻件的周长 L=423.34mm；飞边槽部厚度 t=3.0 mm；B=1.0 mm。将以上数据带入计算公式得到：切变压力大小为 P 切 =1.7 600 423.34 （2.5 3+1）=3670.35KN，考虑到实际情况选取切边压力机规格为 4500KN。2.4 锻造工序的选择其加工流程如下：下料加热拔长预锻终锻热切边磨毛刺清除氧化皮。具体锻造工艺流程如表 2.1 所示。表 2.1 长安汽车万向节叉锻造工艺卡长安汽车万向节叉锻造工艺设计材料代号 45GBT699-1999工序号工序和工步 工序（工步内容）与要求 设备名称 工具名称1 下料 冷剪切按“锻件毛坯小料手册” 250t 剪床 切刀、卡尺2 加热 按“锻件毛坯加热守则 ”炉温 1250C，料温 1200C 加热炉3 拔长 坯料的横截面积逐渐缩小而长度逐渐增长的过程 3t 模锻锤4 预锻 先粗略锻造，形成大体轮廓 3t 模锻锤5 终锻预锻的基础上进行细节的修补，这样锻件能够最终成型，从而提高锻造效率。 3t 模锻锤6 热切边 切边温度 T 为 800 1.6t 压力机 切边压力机9相对于锻模而言，其种类有很多，单纯依据模膛数量分为单模膛模和多模膛模；根据锻件的成形过程机理可分成闭式锻模及开式锻模；按照锻件的加工工序又可分为制坯模、预锻模、终锻模、弯曲模等。按锻件制造方式可分为团体模和组合模；很多企业中依照锻造设备来区分锻模种类，以此可分为胎模、锤锻模、机锻模、平锻模、辊锻模等。各种各样的模锻件满足了机械行业非标准零件的需求，相应配套的模锻件是完全处于凸凹模间进行锻压成型得到的。通过翻阅相关书籍、查阅相关互联网资料，定义本设计的锻件为普通锻件，并且归类于柱形锻件。同时，万向节叉锻件一般是小规模同尺度批量生产，便于机械流程化、工艺流程化及自动生产化，本此毕业设计采用了开式单型槽热模锻，并且选用热锻模曲柄压力机进行锻模模锻。通过上述图纸分析及工艺流程的确定，我们可以进一步对其进行模具锻模设计及后续 CAE 分析并且可以进行图纸设计。2.5 锻前加热、锻后冷却及热处理要求的确定2.5.1 确定加热方式，及锻造温度范围锻造件在正式机加工之前都需要进行热处理，以便利于机加工时切削，同时也是细化晶格消除内应力以延长锻件的使用寿命。下面将对万向节叉锻件进行热处理并依据要求进行设计。在整个锻造的过程当中，锻造毛坯料热处理的目的是在锻造时减小变形量、提高金属塑性使液体金属能更好的在模腔内流动成型，以使终锻后的锻件得到良好的金属力学性能。金属毛坯件的可以通过通电加热或者燃料办连续加热炉加热，本论文设计的锻件是采用半连续加热炉加热。为了保证金属在理论的锻造温度范围里获得更好的力学性能，查阅了相关热处理资料，热轧钢 45 钢是碳钢且属于含碳量在 0.42%0.50%之间的中碳钢，因此选用锻件的初始锻造温度为 1200，终锻温度为 800。其下表为常见金属材质锻造温度：7 磨毛刺 要求残留毛边不大于 1mm 砂轮机 砂轮片8 清除氧化皮 酸洗清理10表 2.2 常见金属材质锻造温度2.5.2 加热时间及冷却方式的确定这里所指的加热时间是自毛坯进入加热炉内加热时到从加热炉取出的整个过程所消耗的时间，它包含整个过程的升温和保温两个过程。 加热时间是整个坯料装炉后从最先加热到出炉所需的时间，包括加热整个阶段的升温时间和保温时间。加热时间可以按照 计算，其中 D 表示毛坯的直径（cm ），表示 45 钢的金属化学影响系数，一般取值为 0.11（h/cm ）。模具热疲劳会导致疲劳失效，这种失效现象尤其体现在凸凹模成型面上，甚至会顺着裂纹逐渐扩大，模具经过反复的受热受冷刺激后其内部多少会有些疲劳变形。为了尽量避免模具生产后的疲劳破坏等问题，这里需要必须保证其热处理工艺，好比在压铸之前模具本身务必要进行充分的高温加热，并尽量做到保持一定的高温；根据实际生产需要，常规的冷却的方式有气冷、水冷、炉内冷却等方式，其中炉内冷却因隔绝空气使其冷却速度最慢，这里我们选择常规的在空气中冷却。2.6 小结本章主要内容是对零件结构分析、零件工艺分析、坯料的质量与尺寸计算、模锻压力与切边压力的确定、锻造工艺的选择、锻前加热、锻后冷却及热处理11要求的确定，通过对这些内容的学习，有利于后续锻模的设计。12第 3 章 长安汽车万向节叉锻模设计3.1 锻件锻模总体设计方案的确定了解了零件的属性及材