毕业设计锻造工艺分析与模具设计

锻造模具设计摘要模具是机械制造业中技术先进、影响深远的重要工艺装备,具有生产效率高、材料利用率高、制件质量优良、工艺适应性好等特点,被广泛应用于汽车、机械、航天、航空、轻工、电子、电器、仪表等行业。随着我国汽车工业的迅猛发展，汽车性能不断提高，汽车零部件中对高精度、形状复杂锻件的需求量越来越大，锻造新工艺、省材、节能工艺等技术的开发对于新型汽车零件的生产尤为重要。我国冲压模具无论在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都已有了很大发展，但与国民经济需求和世界先进水平相比，差距仍很大，一些大型、精密、复杂、长寿命的高档模具每年仍大量 进口，特别是中高档轿车的覆盖件模具，目前仍主要依靠进口。本文主要是以轴类锻件的生产，加工工艺等，设计制造了，一些模具，包括，堕轮锻件的镦粗，终锻等后期加工模具。首先介绍了，模具的一些简单情况，模具的分类，发展现状和趋势等，其次介绍了，零件的工艺性，毛坯的制定，镦粗，终锻模膛的设计，包括飞边槽的设计。关键词：模具，终锻模膛，飞边槽，钳口，镦粗An inert wheel forging the design specificationAbstractMold is mechanical manufacturing technology advanced, profoundly important technical equipment，High production efficiency, material with high efficiency and good quality, technology parts good adaptability etc. Characteristics. Widely used in motor vehicles, machinery, aerospace, aviation, light industry, electronics, electric appliances, instruments and other industries. With the rapid development of Chinas automobile industry, The cars performance to improve, Auto parts of high precision, complicated shape of forging an increasing demand for, Forging new craft, material, energy saving technology province technology development for new type of car parts production is especially important. Our country stamping die in the number no matter, or in quality, technology and ability are already has great development, But with the national economy needs and the advanced world level, compared to a gap still, Some large, sophisticated, complex, the long life of high-grade die every year in the importation of large still, Especially in high-grade car covering mould, at present still mainly rely on imports.The paper is an inert round of forging production, Processing techniques, Design and manufacturing, some mould, including, fall round of forgings upsetting, eventually forging, and trimming punching production processing mould.Firstly introduces, die some simple case, the classification of mould, development situation and trends, Secondly introduces, the technology of parts, blank the formulation, the upsetting, and the design of the chamber forging die, Including flash slots of design, Introduced again, trimming punching the design of the composite film.Key words: Mould, Finally bore, Flash tank, Clamp mouth, Upsetting, Trimming, punching目录1绪论11.1模具工业简介11.2模具分类11.3热锻的目的有三方面21.4我国锻造模具发展现状和趋势22.课题的分析拟定32.1零件的工艺性分析321.1制件的技术要求421.2确定工艺方案43.制定锻件图53.1确定分型面53.2确定加工余量和公差63.3估算锻件质量m73.4计算加工余量公差73.5技术条件73.6模锻斜度84.设计终锻模膛94.1绘制齿轮热锻件图94.2确定飞边槽的尺寸1042.1飞边槽形式104.2.2飞边槽的作用：114.2.3飞边槽的尺寸确定方法：114.3钳口的确定125.制坯模膛的设计145.1确定终锻模设备吨位155.2设计制坯模锻155.3制坯工步的确定155.4确定坯料长度176.锻模结构设计176.1模膛布置176.2镦粗台的设计176.3模块尺寸及要求186.4模块材料196.5燕尾槽尺寸197.模锻工艺流程198.锻模模具材料及其热处理的确定248.1锻锤模及切边模模具材料的确定248.2模具材料热处理的硬度要求259.热锻模的失效形式25结论26致谢27参考文献281绪论1.1模具工业简介模具工业是国民经济的重要基础工业之一。模具是工业生产中的基础工艺装备，是一种高附加值的高精密集型产品，也是高新技术产业化的重要领域，其技术水平的高低已经成为衡量一个国家制造业水平的重要标志。随着电子、信息等高新技术的不断发展，模具技术的发展呈现以下趋势。1. 模具CAD/CAE/CAM正向集成化、三维化、智能化和网络化方向发展2.模具制造向精密、高效、复合和多功能方向发展。3.快速经济制模技术得到应用。4.特种加工技术有了进一步的发展。5.模具自动加工系统的研制和发展。6.模具材料及表面处理技术发展迅速。7.模具工业新工艺、新理念和新模式逐步得到了认同。在专用模锻设备上利用模具使毛坯成型而获得锻件的锻造方法。此方法生产的锻件尺寸精确，加工余量较小，结构也比较复杂生产率高。1.2模具分类模具分为冷冲压模具、热锻模具、塑料模具、铸造模具、橡胶模具和玻璃模具等。模锻的分类根据设备不同，模锻分为锤上模锻，曲柄压力机模锻，平锻机模锻，摩擦压力机模锻等。锤上模锻所用的设备为模锻锤，通常为空气模锻锤，对形状复杂的锻件，先在制坯模腔内初步成形，然后在锻模腔内锻造。精密模锻则是在模锻基础上发展而来，能够锻造一些复杂形状，尺寸精度高的零件，如：锥齿轮，叶片，航空零件等。在模锻锤或压力机上用锻模将金属坯料锻压加工成形的工艺。 模锻工艺生产效率高，劳动强度低，尺寸精确，加工余量小，并可锻制形状复杂的锻件；适用于批量生产。但模具成本高，需有专用的模锻设备，不适合于单件或小批量生产。 模锻的工序为制坯、预锻和终锻。终锻模的模膛是按锻件的尺寸、形状，并加上余量和偏差确定的。模锻一般分开口模锻和闭口模锻两种：开口模锻的模膛周围有毛边槽，成形后多余的金属流入槽内,最后将毛边切除；闭口模锻只在端部有很小的毛边,如果坯料精确,也可以不出毛边。 锻造按坯料在加工时的温度可分为冷锻和热锻。冷锻一般是在室温下加工，热锻是在高于坯料金属的再结晶温度上加工。有时还将处于加热状态，但温度不超过再结晶温度时进行的锻造称为温锻。不过这种划分在生产中并不完全统一。1.3热锻的目的有三方面：（1） 减少金属的变形抗力，因而减少坏料变形所需的锻压力，使锻压设备吨位大为减少；（2） 改变钢锭的铸态结构，在热锻过程中经过再结晶，粗大的铸态组织变成细小晶粒的新组织，并减少铸态结构的缺陷，提高钢的机械性能；（3） 提高钢的塑性，这对一些低温时较脆难以锻压的高合金钢尤为重要。模锻是使用锻模对毛坯进行成型锻造，它的精度较高，只需要少量的切削加工，或者不需要切削加工，就可以获得精确的尺寸，效率非常高。但需要制造模具和要求较高的锻造设备，因此初期投入较大，适合大批量的生产。主要设备有摩擦压力机，平锻机，水压机，油压机等。1.4我国锻造模具发展现状和趋势锻造加工作为制造业的一个重要分支，广泛应用于工业制造中。锻造产品主要用于汽车、飞机、机车车辆、工程机械、石化通用等行业，汽车用锻件占到总量的90%。按重量计算，汽车零件中有1719%的锻件。锻件也是汽车零部件中的“保安件”，汽车发动机所使用的曲轴、连杆、凸轮轴，前桥所需的前梁、转向节，后桥使用的半轴、半轴套管、桥箱内的传动齿轮等等，都是关系汽车安全运行的保安关键锻件。2003我国年的锻件产量为300万吨左右，模锻件产量为200万吨左右。我国是锻件生产大国，锻件产量居世界第一。随着中国汽车工业的进一步发展，锻件的需求量会持续增长。为提高市场竞争力，企业对模具的要求也越来越苛刻。用户不只是希望模具的成型精度和表面质量满足需求，使用寿命长，还特别要求尽量缩短模具交货周期以缩短其产品开发周期。为了适应市场要求，新的加工理念，逐渐改变传统模具制造的工艺方式，现代高速、高效的数控铣削加工方法的应用，大大提高了模具制造的精度和效率。模具制造进入一个以模具计算机辅助设计、辅助制造为主的新阶段，CAD/CAM技术在锻模开发过程中得到了极为普遍的应用。中国模具行业与发达国家相比存在着开发技术不成熟、产业化程度不高、专业化分工不细和人才匮乏等问题；而且，目前国内模具材料市场仍落后于模具工业的需要，主要是模具材料品种少、质量低和中低端产品供大于求等问题；以上原因最终导致国内锻造企业使用的模具失效频繁、模具的锻打寿命不高，从而使模具成本提高，最终影响到企业的整体经济效益。因此，锻造企业始终千方百计地寻求降低成本的方法。修复废旧模具、提高模具寿命就成为降低锻造成本的重要途径之一。2.课题的分析拟定2.1零件的工艺性分析由图1-1可知，该零件为锤模锻件，普通级精度，用半连续式炉加热，该零件材料45#,轴类零件的最大厚度为62.05mm,最小厚度为30.4mm，该零件属于轴类零件，锤锻时打击方向一致，金属沿长宽高方向同时流动。对于体积小，形状简单的轴类零件，可由原始坯料直接锻造成形。其模锻的基本工艺路线：镦粗终端图1-121.1制件的技术要求a) 未有注出模斜度7，R5b) 正火dB3.9(HB241)c) 毛刺1，孔内2d) 表面缺陷：不加工面1，加工表面实际余量的e) 错差1f) 尺寸按交点注g) 未注公差尺寸不检查21.2确定工艺方案由零件图可知零件有孔，属于轴类锻件。锻件中需设置毛边槽，所以该锻件的工艺方案如下：在机械化炉中预热用1000t剪床剪切下料在半连续式炉中加热用2t锤上模锻（镦粗、终锻）正火在酸洗槽中清理。表2-1 工艺卡序号工艺路线设备模具号1预热机械化炉2切料1000吨剪床3加热半连续式炉4模锻2吨锻10-165镦粗终锻6正火7清理喷丸机8入库3.制定锻件图3.1确定分型面锻模的分模面是指上下锻模的分接面。分模轮廓线是指终锻模膛分模面与锻件轮廓交线。分模面的选择应按以下原则进行：（1）要保证模锻件能从模膛中顺利取出，并使锻件形状尽可能与零件形状相同，一般分模面应选择在模锻件最大水平投影尺寸的截面上。（2）按照选定的分模面制成锻模后，应使上下模沿分模面的模膛轮廓一致，以便在安装锻模和生产中容易发现错模现象。（3）最好使分模面为一个平面，并使上下锻模的模膛深度基本一致，差别不宜过大，以便均匀充型。（4）选定的分模面应使零件上所加的熬料最少。（5）最好把分模面选取在能使模膛深度最浅处，这样可使金属很容易充满模锻，以便取出锻件。按上述原则综合分析，该工件高径比H/D=112/2171是短轴类零件，因此取径向分模，根据零件形状知道，分模面选在最大直径处，即约距最下端48处，即用图中的A-A面为分模面最合适。参照零件图选择分模面最合理，如下图：3.2确定加工余量和公差模锻件水平方向尺寸公差见下表3-1，表3-1模锻件内外表面的加工余量见表3-2表3-23.3估算锻件质量m预选加工余量为为2mm,计算锻件体积。将锻件分解为简单的几何体相加减，取锻模斜度中间值（预设外模锻斜度；内模锻斜度），圆角半径忽略不计。毛坯重6.66Kg锻件质量为5.08Kg3.4计算加工余量公差零件加工精度为一般加工精度，锻件在半连续式炉中加热，查表5.27，水平及高度方向单边加工余量为2-2.5，锻件内孔直径机械加工单边余量为2，查表5.26。3.5技术条件（1）图上未注明模锻斜度为7；（2）图上未注明圆角半径为R5；（3）查锻模简明设计手册表5.18【1】知，允许的错差量1.5；（4）锻件热处理：正火达到dB=39(HB241)；（5）锻件表面清理：喷丸；（6）尺寸按交点注；（7）未注尺寸公差不检查；3.6模锻斜度为便于从模膛中取出锻件，模锻件上平行于锤击方向的表面必须具有斜度，称为模锻斜度，一般515之间。取外模锻斜度；内模锻斜度4.设计终锻模膛终锻型槽是各种型槽中重要的型槽，用来完成锻件最终成形，终锻件型槽按热锻件图制造和检验。所以终锻模膛设计的主要内容是绘制热锻件图，供制造模膛用，热锻件图以冷锻件图为依据，热锻件图的尺寸标注，高度方向尺寸以分模面为基准，以便于锻模机械加工和准备检验样板。其次考虑到金属冷缩现象，热锻件图上所有的尺寸应计入收缩率，即:L=l(1+)L热锻件尺寸l冷锻件尺寸终锻温度下金属的收缩率钢的收缩率一般为0.81.5，此锻件考虑收缩率为1.5。则可计算出热锻件图各尺寸，模锻斜度和内外圆角的尺寸与冷锻件图相同，于是可绘制出热锻件图，如下图所示由于此锻件形状并不复杂，所以并不需要设置预锻模膛。4.1绘制齿轮热锻件图151（10.015）mm153.27mm114（1+0.015）mm115.71mm42（10.015）mm42.63mm80（1+0.015）mm84.71mm9.5（10.015）mm9.64mm61（10.015）mm61.92mm21（10.015）mm21.36mm绘制热锻件图如下： 4.2确定飞边槽的尺寸42.1飞边槽形式分为a、标准形 b、倒置形 c、双仓形 d、带阻力沟形 e、不对称形4.2.2飞边槽的作用：（1）增加金属流出模膛阻力，使金属充满模膛；（2）容纳多余金属；（3）锻造时飞边起缓冲作用，减弱上模对下模的打击，使模具不易压塌和开裂；（4）飞边处厚度较薄，便于切除。4.2.3飞边槽的尺寸确定方法：（1）按照锻件在水平面上的投影面积。（2）也可按照锻锤吨位确定飞边槽的尺寸。查锻造工艺学与模具设计表414的飞边槽结构形式如下图所示4.3钳口的确定钳口:指在锻模的模锻模膛前面加工的空腔，它一般由夹钳口与钳口颈两部分组成。钳口的主要用途:在模锻时放置棒料及钳夹头。在锻模制造时，钳口还可作为浇铸金属盐溶液（如30%KNO3和70%NaNO3或铅熔液）的浇口，浇铸件用作检验模膛加工品质和合模状况。钳口颈用于加强夹钳料头与锻件之间的连接强度。轴类锻件，设计钳口只是为了锻出模方便和用作浇口，如钳口只起浇口作用，则宽度B=G30（mm），G为锻件质量（）锻锤吨位（kN）203050100160B(mm)506580100120图8.8用于模锻齿轮等短轴类锻件。如下图所示： 5.制坯模膛的设计5.1确定终锻模设备吨位按表（44）选用20KN锤即2吨模锻锤5.2设计制坯模锻制坯工步的作用是为了初步改变原坯料的形状，合理地分配坯料，以适应锻件横截面积和形状的要求，使金属能较好的充满型槽。不同形状的锻件采用的制坯工步不同。制坯模膛有以下几种。（1）拔长模膛 减小坯料某部分的横截面积，以增加其长度。如图2-19所示。图2-19 拔长模膛 a）开式 b）闭式（2）滚挤模膛 减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的横截面积。主要是使金属坯料能够按模锻件的形状来分布。滚挤模膛也分为开式和闭式两种，如图2-20所示。图2-20 滚挤模膛 a）开式 b）闭式（3）弯曲模膛 使坯料弯曲，如图2-21所示。图2-21 弯曲模膛 （4）切断模膛 在上模与下模的角部组成一对刃口，用来切断金属，如图2-22所示。可用于从坯料上切下锻件或从锻件上切钳口，也可用于多件锻造后分离成单个锻件。图2-22 切断模膛 此外，还有成形模膛、镦粗台及击扁面等制坯模膛。（5）制坯工步的确定齿轮锻件常用的镦粗和终锻两个工步在镦粗时坯料圆柱的氧化皮可以去掉将镦粗后的圆饼立起来轻压一下可去掉坯料端面的氧化皮5.3制坯工步的确定短轴类锻件工步一般采用镦粗终锻（或镦粗成形终锻）。查表7-13得，轮毂较高的锻件，镦粗后毛坯的直径D应在 D2D0.5(D1+D2)。在镦粗时坯料圆柱面的的氧化皮即可脱落，而坯料两个端面上的氧化皮，则需将饼状的坯料用夹钳立起来，轻轻压一下，即可脱落。5.4确定坯料长度锻件体积V锻,飞边体积按飞边槽容积的50%计算，圆饼类锻件一般采用镦粗制坯，所以毛坯尺寸应以镦粗变形为依据进行计算的。毛坯体积为：V坯=（1+k）V锻则毛坯直径为 d坯=1.08其中k-宽裕系数，考虑到锻件复杂程度影响毛边体积，并计及火耗率，对圆形锻件k=0.120.25。 n毛坯高度与直径之比值，一般取n=1.82.2 为使锻位时定位容易，成性良好镦粗后尺寸控制在端面直径为170D0.5(170+221)范围内,即170 mmD195.5 mm,取D镦=180 mm。计算飞边体积：飞边槽尺寸为b=10 mm,b1=30mm，A飞=314 mm26.锻模结构设计锤锻模的结构设计对锻件品质、生产率、劳动强度、锻模和锻锤的使用寿命等有很大的影响。锻锤模的结构设计应着重考虑模膛的布排、错移力的平衡以及锻模的强度、模块尺寸、导向等。6.1模膛布置模膛的布排要根据模膛数以及各模膛的作用和操作方便安排。锤锻模一般由多个模膛。6.2镦粗台的设计根据锻件的形状、尺寸和原毛坯尺寸确定镦粗后的毛坯直径D，再根据D确定镦粗坪尺寸。由前面计算知，镦粗后的毛坯直径D为180 mm 。（1）镦粗坪高度h h=4V坯/D2=42718410.65/1802=106.83 mm ，取h=107 mm 。（2）镦粗后坯料到各边的距离 边缘距离C：C=1015 取C=15 mm 至锁扣距离C1：C1=510 取C1=8 mm 右侧距右边的距离C2：C2=1520 取C2=18 mm(3)边缘圆角R： R=810 取R=8 mm6.3模块尺寸及要求模块尺寸除了与型槽数、型槽尺寸、排列方式和各型槽间的最小壁厚有关外，还需考虑设备的技术规格。（1）承击面，承击面积为模块在分模平面上的面积减去备型槽、毛边槽。锁扣和钳口所占面积。承击面积一般按经验公式S=（3040G,计算式中S单位为，G为锻锤吨位，单位为KN。查锻压课本P154表429得最小承击面积为314（2）模壁厚度，由模膛到模块边缘，以及模膛之间的壁厚都称为模壁厚度，模壁厚度在保证足够强度的情况下应尽可能减小。根据锻压课本P152图4113可初步确定模壁厚度50mm。（3）模块宽度，为保证模锻不与锤的导轨想碰，模块最大宽度Bmax应保证模块边缘与导轨间留有单边距离大于20mm，模块最小宽度也要求至少超出燕尾每边10mm，燕尾中心线到锻模边缘的最小尺寸为B B210（mm）（40模块高度，锻模高度根据型槽最大深度和锻模最小闭合高度确定。模块最小闭合高度Hmin应根据型槽最大深度h确定，上下模的最小高度加上过度垫模的高度应不小于锻模要求的最小装模高度，查资料模块高度的极限尺寸Hmax为325mm，Hmin为180mm。（5）模块长度，根据模膛长度和模壁厚度确定。（6）模块质量，为保证锤头运动性能，上模块最大质量不得不超过锻锤吨位的35。（7）锻模检验角，是锻模上两个加工侧面所构成的90角，这两个侧面带一般刨进深度5mm，高度50100mm。由以上要求及已知条件，模块尺寸确定的原则是根据锻模中模膛的数量和尺寸进行布排，得出锻模必需的模块最小轮廓尺寸，然后选取标准中相近的较大值：锻模中心与模块中心的偏移量S1.4；锻模允许的最小承击面为分模面减去模膛和飞边槽的面积；2吨和3吨锤允许的承击面积确定模块宽度为410mm，高度325mm,长度275mm。6.4模块材料上模和下模都是5CrMnMo6.5燕尾槽尺寸宽度B=200mm高度h=51mm7.模锻工艺流程1. 预热：机械化炉预热；2. 下料：1000吨剪床热剪切下料；3. 模锻：2吨模锻锤，镦粗终锻；4. 热处理：正火dB3.9（HB241）;5. 表面清理：喷丸机；6. 锻件品质检验；7. 入库。8.锻模模具材料及其热处理的确定8.1锻锤模及切边模模具材料的确定本次设计的锤锻模及切边模均属于热锻模。热锻模具材料的选择时，由于影响热锻模具寿命的因素很多，例如模具的受力情况、工作温度、冷却方式，被加工材料的性质、变形量、变形速度以及润滑条件等。因此在选择材料时必须充分注意这些因素。应根据模具的类型及具体工作条件合理地选用模具材料，综合考虑并查阅相关资料，确定锤锻模上下模材料均选择5CrMnMo,而切边模的凹模选用8Cr3,冲头选用45号钢。8.2模具材料热处理的硬度要求 （1）锤锻模工作面处硬度为HRC37-41（dB=3.1-3.3）燕尾部分硬度HRC26-30（dB=3.6-3.8）。 （2）切边冲孔复合模凹模硬度HRC44-48（dB=2.8-3.0），冲头硬度HRC39-44（dB=3.0-3.2），冲子的硬度HRC42-47(dB=2.9-3.1)。9.热锻模的失效形式锻模的失效形式可以分为以下三种：(1) 磨损 磨损是最常见的失效形式，当坯料和模具接触并发生相对流动时就会导致磨损。模具磨损是由于模具表面材料的转移引起的，但磨损也可能在模具表面堆积材料。模具的磨损将导致零件偏差逐渐增大，最终使锻件不能满足图纸要求的尺寸。(2) 疲劳断裂 疲劳是由于模具所受的循环应力导致的，应力循环归因于模具的力学性能、反复的热负载和卸载。疲劳断裂将在应力集中部位附近加速扩展，呈小的放射状裂纹。(3) 塑性变形 塑性变形是由于模具所受的变形力超过了模具材料的强度极限。热锻模中，模具磨损的比例在模具失效中占70；冷锻模中，模具的失效主要是由疲劳断裂引起的。模具在使用时必须注意的问题：模具在使用前需要检查其制造质量；模具的安装，必须装正装紧，并注意符合其他所有要求；为保证模具的正常使用，延长模具寿命，锻打前模具必须预热，模具预热有助于坯料保温；终锻温度，坯料的终锻温度不得低于锻造工艺的要求。及时的润滑锻模以减少摩擦力，有些润滑剂也兼起冷却锻模的作用；清除氧化皮，氧化皮对锻件质量和模具寿命影响很大，要及时清除氧化皮。结论本次设计使我加深了对锻造和锻造工艺的理解。我不仅从学习理论知识上觉得获益匪浅，而且也使我从中明白了许多道理。更重要的是我学到了很多新的知识，通过查找书本，和指导老师的讲解，我从对模具的浅层了解，有了一个深层次的理解，由于没有实际的物体去观察去动手，我所理解的还很抽象，所以只是靠书本上的理论和别人总结的经验，没有亲身经历，所以有很多不清楚的地方。这次的设计是关于轴类零件的锻造模具，包括镦粗、终锻等。模锻工艺是在自由锻工艺基础上发展起来的一种先进工艺，它是将金属加热，使其具有较高的塑性，然后置于锻模模膛中，有锻造设备施加压力，是金属发生塑性变形并充填模膛，得到所需形状并符合技术要求的模锻件。模具技术的发展应该为适应模具产品“交货期短”、“精度高”、“质量好”、“价格低”的要求服务。为达到这一要求，首先要全面推广CAD/CAM/CAE技术，其次要发展高速铣削加工，最后要加强模具加工系统的自动化、智能化。我觉得模具是很有潜力的行业。这也让我明确了奋斗目标。总之，通过这次设计我收获了很多，也明白了实际运用的重要性。对待工作就要像对待自己一样好。致谢为期将近半年的设计即将完成之际，我要特别感谢我的指导老师李齐德老师，感谢您的悉心指导。在我绘制图纸和撰写论文的整个过程中，老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在图纸的分析，论文的选题、和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及作品定稿方面，我都得到了老师悉心细致的教诲和无私的帮助在此表示真诚地感谢和深深的谢意。 在图纸绘制，论文写作过程中，也得到许多同学的宝贵建议，在此一并致以诚挚的谢意，感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。 最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢！参考文献：1 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