鐓粗擠壓防失穩(wěn)模具結(jié)構設計

江蘇科技大學 本 科 畢 業(yè) 設 計（論文） 學 院 材料科學與工程學院 專 業(yè) 材料成型及控制工程 學生姓名 王榮 班級學號 1040601131 指導教師 黃忠富 二零一 四 年六月 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 鐓粗擠壓防失穩(wěn)模具結(jié)構設計 The mold design of upsetting and extrusion to prevent instability 加裝畢業(yè)設計任務書 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） I 摘 要 隨著時代的發(fā)展，科技的進步，社會生產(chǎn)水平的不斷提高，大量的社會需求促使制造業(yè)的加工工藝不斷發(fā)展與優(yōu)化。在傳統(tǒng)鐓粗鍛造中，鍛件的高徑比不能大于 3，否則鍛件會發(fā)生失穩(wěn)而彎曲，這一問題就是困擾企業(yè) 高效生產(chǎn)的一大難題。 本文就是針對長軸類鍛件在鐓粗過程中會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象這一問題而制定相關方案并設計模具，以此來解決這一難題，從而提高生產(chǎn)效率。本次所設計的模具的關鍵就是控制長軸鍛件鐓粗部分的高徑比不能大于 3，為滿足這一條件，本文制定的解決方案為先鐓粗后擠壓的成型方案。先通過模具對鍛件的保護，控制鐓粗部分鍛件的高徑比小于 3，然后在鐓粗結(jié)束后對坯料進行擠壓，從而得到零件。在模具設計過程中，使用了 CAD、 PRO/ENGINEER和 DEFORM-3D等軟件，其中利用 DEFORM-3D模擬了坯料成型時的流動過程，通過 模擬結(jié)果分析模具的受力情況及坯料的變形，并以此來改善模具結(jié)構。由于計算機技術的飛速發(fā)展和普及，通過使用上述軟件之后，大大降低了生產(chǎn)成本、提高了模具精度、縮短設計周期。 關鍵詞 ： 長軸鍛件；失穩(wěn)；高徑比；有限元模擬；模具 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） II Abstract With the development of the times, the progress of science and technology,social production level rise ceaselessly, a lot of social needs to process the development and optimization of manufacturing industry. In the traditional upsetting forging, the ratio of height to diameter of forging is not greater than 3,otherwise the forgings will be instability and buckling occurred, this problem is a puzzling problem to enterprise. This paper is aimed at long axis forgings during upsetting this problem occurs instability and formulate relevant scheme and die design, in order to solve this problem, so as to improve production efficiency. The key to the mold is to control the ratio of height to diameter of upsetting part of long axis is not greater than 3, to meet this condition, solution for forming the blank is extrusion after upsetting. First through the mold on the forging of protection, control upsetting forging parts of the ratio of height to diameter is less than 3, then the blank upsetting extrusion in the end, in order to get the parts. In the mold design process, the use of CAD, PRO/ENGINEER and DEFORM-3D software, which use DEFORM-3D to simulate the flow process blank molding, through the analysis of deformation force and blank mould, and in order to improve the die structure.Because of the rapid development and popularization of computer technology, by using the software, can greatly reduce the production cost, improves the precision of mould, shorten the design cycle. Keywords: Long axis forgings;instability;the ratio of height to diameter; finite element simulation;mould 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） III 目 錄 第一章 緒論 . 錯誤 !未定義書簽。 1.1 鐓粗及經(jīng)典鐓粗工藝理論簡述 . 錯誤 !未定義書簽。 1.2 鐓粗模具的現(xiàn)狀及發(fā)展方向 . 錯誤 !未定義書簽。 1.3 長軸類鍛件鐓粗的研究 . 2 1.4 Pro/E的概要和在鐓粗模具計算機輔助設計方面應用 . 錯誤 !未定義書簽。 1.4.1 Pro/E 概要 . 錯誤 !未定義書簽。 1.4.2 Proe/E 在鐓粗模具計算機輔助設計方面應用 . 錯誤 !未定義書簽。 1.5 DEFORM的功能和特點 . 4 第 二 章 防失穩(wěn)鐓粗模具設計方案的確定 . 5 2.1 鐓粗模具 設計的流程簡介 . 5 2.2 鐓粗零件鍛件圖設計 . 5 2.3 鐓粗鍛造工藝性分析 . 6 2.3.1 零件的分析 . 6 2.3.2 毛坯計算及分析 . 6 2.4 鐓粗長桿件模具設計方案 . 7 2.5 鐓粗零件加熱及加熱規(guī)范 . 8 2.5.1 鍛件加熱 . 8 2.5.2 鍛件加熱規(guī)范 . 9 第三章 鐓粗擠壓防失穩(wěn)模具設計 . 錯誤 !未定義書簽。 0 3.1 防失穩(wěn)模具各成型零件結(jié)構設計初步構想 . 錯誤 !未定義書簽。 0 3.1.1 軸套、沖頭結(jié)構初始設計 . 錯誤 !未定義書簽。 0 3.1.2 軸套、沖頭初始結(jié)構分析 . 錯誤 !未定義書簽。 0 3.1.3 凹模、凹模座結(jié)構初始設計 . 錯誤 !未定義書簽。 1 3.1.4 凹模、凹模座結(jié)構分析 . 錯誤 !未定義書簽。 2 3.1.5 頂出機構的初始結(jié)構設計 . 錯誤 !未定義書簽。 2 3.1.6 頂出機構的初始結(jié)構分析 . 錯誤 !未定義書簽。 2 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） IV 3.2 防失穩(wěn)模具各零件結(jié)構設計 . 錯誤 !未定義書簽。 3 3.2.1 防失穩(wěn)模具上模座的結(jié)構設計 . 錯誤 !未定義書簽。 3 3.2.2 防失穩(wěn)模具墊板的結(jié)構設計 . 錯誤 !未定義書簽。 4 3.2.3 防失穩(wěn)模具上模板的結(jié)構設計 . 錯誤 !未定義書簽。 3.2.4 防失穩(wěn)模具軸套的結(jié)構設計 . 錯誤 !未定義書簽。 6 3.2.5 防失穩(wěn)模具沖頭的結(jié)構設計 . 錯誤 !未定義書簽。 3.2.6 防失穩(wěn)模具凹模的結(jié)構設計 . 錯誤 !未定義書簽。 8 3.2.7 防失穩(wěn)模具凹模座 的結(jié)構設計 . 19 3.2.8 防失穩(wěn)模具凹模墊板的結(jié)構設計 . 19 3.2.9 防失穩(wěn)模具頂出機構的結(jié)構設計 . 20 3.3 防失穩(wěn)模具整體裝配圖及運動概述 . 20 3.4 鍛造設備種類的選擇 . 22 3.4.1 液壓機的選取 . 23 3.5 鍛模材料選擇 . 24 第四章 鐓粗擠壓過程有限元模擬及分析 . 錯誤 !未定義書簽。 6 4.1 長軸件鐓粗擠壓過程有限元模擬 . 276 4.2 長軸件鐓粗擠壓過程有限元模擬結(jié)果分析 . 287 4.3 有限元模擬結(jié)論 . 30 結(jié) 語 . 31 致 謝 . 332 參 考 文 獻 . 343 附錄 模具成型零件及裝配 2D 圖 . 34 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 1 第一章 緒論 1.1 鐓粗及經(jīng)典鐓粗工 藝理論簡述 在材料科學發(fā)展的大趨勢下，大塑性變形（ Severe Plastic Deformation,SPD） 1作為一種提高材料綜合性能的最新工藝技術應運而生。 鍛造 為 金屬加工的主要方法和手段之一，在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位，特別是機械、汽車行業(yè) 、 軍工 以及 航空航天工業(yè)中不可或缺的主要加工工藝。 鐓粗是鍛造的一種，屬于自由鍛， 與其他 的 金屬加工方法 比較 ，其優(yōu)越性 表現(xiàn)為 ：它不但能夠獲得金屬零件的形狀，而且能改善金屬的原來組織，提高金屬的力學性能和物理性能。 鐓粗可以分為局部鐓粗和完全鐓粗。 20 世紀 60 年代 前蘇聯(lián)學者 M.B.斯德羅日夫在其所著的“金屬壓力加工原理”一書中提出，在摩擦力為零的理想情況下，鐓粗時的應力為簡單壓縮；而在有摩擦力存在時，鐓粗體心部總是呈三向壓縮應力狀態(tài) 2。后來在大型鍛件的生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典的鐓粗理論存在著某種程度的不完善性和認識上的誤區(qū)。 1.2 鐓粗模具的現(xiàn)狀及發(fā)展方向 鐓粗是指用壓力使坯料高度減小而直徑（或橫向尺寸）增大的工序。鐓粗時，鐓粗部分的長度與直徑之比應小于 3，因為當高徑比大于 3 時，坯料容易失穩(wěn)彎曲 3，所以要配合模具加工。 目前，隨著機械制造工業(yè)的快速發(fā)展，鍛造生產(chǎn) 也隨之得到飛速發(fā)展。 在設備方面，已能成功制造 5KN以下的自由鍛錘、帶數(shù)控裝置的 150MN的自由鍛造水壓機、 300MN的鍛模水壓機等。在加熱設備方面，用無煙節(jié)煤爐代替了落戶的煤爐，制造了高效薄壁旋轉(zhuǎn)加熱爐和敞焰無氧化加熱爐。 鍛造生產(chǎn)總的發(fā)展方向是在提高勞動生產(chǎn)率和鍛件質(zhì)量、降低成本和改善工人勞動條件的前提下，廣泛采用機械化、自動化和先進工藝。 目前我國鍛造行業(yè)的任務是： 1） 提高大型鍛件與合金鋼鍛件的質(zhì)量和鍛造生產(chǎn)的機械化和自動化程度。 2） 進一步推廣模鍛，發(fā)展大型、先進的模鍛設備，擴大模鍛生產(chǎn)，提高模鍛件在整個鍛 件中占的比例。 3） 根據(jù)熱源條件，發(fā)展煤氣、天然氣、油、電等先進的加熱技術。 4） 大力推廣鍛造少無切削工藝，發(fā)展高效、精密的鍛壓設備 4。 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 2 1.3 長軸類鍛件鐓粗的研究 在現(xiàn)在的鐓粗加工中，由于當鍛件的高徑比大于 3會發(fā)生彎曲失穩(wěn)現(xiàn)象，所以通常是保證鍛件的高徑比不大于 3，然后進行鐓粗鍛造。但是隨著社會的發(fā)展，長軸類鍛件鐓粗的需求不斷加大，同時又為節(jié)約生產(chǎn)時間、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，需設計研究高徑比大于 3的長軸類鍛件的鐓粗鍛造方法。本次畢業(yè)設計所研究的就是如何在防失穩(wěn)的條件下鐓粗長軸類鍛件。 為避免失穩(wěn)現(xiàn)象的出 現(xiàn)，控制高徑比不大于 3是首要解決的，而解決這一問題的方法有很多，本文就采用先鐓粗再擠壓的成型方案來設計相關模具。通過模具將長軸鍛件的鐓粗部分坯料的高徑比控制在 3以內(nèi)，在鐓粗結(jié)束之后再利用沖頭將剩余坯料擠壓進凹模，從而成型所需零件。在設計模具過程中，通過 PRO/E 制出模具三維造型，用DEFORM-3D模擬軟件模擬零件成型過程，最后通過分析模擬結(jié)果不斷改善模具結(jié)構，從而得到符合要求的零件。 1.4 PRO/E 的概要和在鐓粗模具計算機輔助設計方面應用 1.4.1 PRO/E 概要 隨著科技的大跨步前進，制造業(yè)正在向 全球化、網(wǎng)絡化、數(shù)字化的方向發(fā)展；產(chǎn)品存在的生命周期不斷變短。新產(chǎn)品的更替速度越來越快，量也越來越大。計算機輔助設計 /計算機輔助制造（ CAD/CAM）作為數(shù)字化技術的重要組成部分，是計算機技術在工程設計、制造加工等廣闊領域中具有重大影響的革新技術。 CAD主要包括數(shù)據(jù)測量、幾何建模、計算分析、繪圖及技術文檔生成、工程數(shù)據(jù)庫的管 理和共享等功能。 CAM的涉及廣泛，在狹義上指的是編制數(shù)控程序，包括規(guī)劃道具路徑、生成道具文件、仿真道具軌跡以及生成 NC 代碼。 CAD/CAM 軟件技術在快速發(fā)展，出現(xiàn)了很多軟件產(chǎn)品，廣泛應用的有 PRO/ENGINEER、 Uni graphics、 Solid Works、 ANSYS、 Master cam 等，這些產(chǎn)品根據(jù)自身的開發(fā)檔次計適用度，滿足了各行各業(yè)。本文主要應用的 CAD/CAM 軟件是Pro/ENGINEER。 PRO/ENGINEER 是由美國 PTC(Parametric Technology Corporation,參數(shù)技術 公司 )在 1998年研發(fā)推出的，集 CAD/CAM/CAE于一體、全方位的 3D產(chǎn)品開發(fā)軟件， 在如今的三維造型軟件領域中占有著重要地位 。 PRO/ENGINEER 首次 提出了 參 數(shù)化設計這個 概念，并且 通過 單一數(shù)據(jù)庫來 處理 特征的相關性問題。 此 外，它 利用 模塊化方式，用戶可以 自江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 3 行 選擇，而不必 將所有的模塊 安裝。 PRO/ENGINEER 通過 基于特征方式，將設計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn) 了 并行工程設計。它不但可以 在工作站 應用，而且也可以 在單機上 應用。 PRO/ENGINEER的主要特性： （ 1）參數(shù)化設計 無論幾何模型多么復雜，都可以將它分解成一定數(shù)量的構成特征，而每一種特征，都可以用參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化設計。 （ 2）基于特征建模 PRO/ENGINEER 是基于特征的實體模型化系統(tǒng) ，設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角。 （ 3）單一數(shù)據(jù)庫 單一數(shù)據(jù)庫是指工程中的所有資料全都來自一個庫，使得不管是哪一個部門的獨立用戶都可為一件產(chǎn)品造型而工作。這一優(yōu)點，可以優(yōu)化設計，提高成品質(zhì)量，使得產(chǎn)品可以更好地推向市場，同時價格也更便宜。 （ 4）直觀裝配管理 PRO/ENGINEER 的基本特征能夠利用直觀的命令把零件裝配起來，并保持設計意圖。高級的功能支持 構造和管理大型復雜的裝配體，并且不限制這些裝配體中零件的數(shù)量。 （ 5）易于使用 菜單直觀的聯(lián)級出現(xiàn)，提供了最普通選項的邏輯選項、預先選取，同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助。 1.4.2 PRO/E 在鐓粗模具計算機輔助設計方面應用 PRO/ENGINEER 具有超強的三維造型功能。在 PRO/ENGINEER 中主要是用特征模塊，即 PRO/ENGINEER 中是基于特征來實體建立三維模型，特征是指可以通過參數(shù)來驅(qū)動的三維實體模型。特征可分為基礎特征和工程特征?；A特征是只有二維界面草圖經(jīng)過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描 和混合等方式形成的一類實體特征，基于此種特征造型需對二維草繪圖進行拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和混合。模具的凸模、凹模、軸套等零件都是通過這些方法進行三維造型，之后通過格式轉(zhuǎn)化，導入 DEFORM-3D模擬軟件進行。 PRO/ENGINEER 中三維造型的設計方法與準則如下所示 : （ 1） 分析造型零件，確定其基本特征和特征順序； （ 2） 簡化特征的類型； （ 3） 建立特征父子關系； （ 4） 適當采用特征父子操作。 PRO/ENGINEER 中建模的過程如下所示 : 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 4 （ 1） 分析零件的特征，確定所有特征的創(chuàng)建順序； （ 2） 開始零件設計方式； （ 3） 創(chuàng)建基本特征，它是其他特征的父特 征； （ 4） 建立其他特征； （ 5） 編輯和修改圖形； （ 6） 保存圖形。 1.5 DEFORM 的功能和操作步驟 DEFORM（ Design Environment for Forming） 是全球著名的 2D/3D金屬成形加工和熱處理工藝仿真模擬有限元分析軟件，由美國 Ohio Clumbus(Scinece Forming Technology Corporation)公司 專為實際生產(chǎn)應用而設計開發(fā)的，使用簡單。二十多年的工業(yè)實踐證明了基于有限元法的 DEFORM有著極高的準確性和穩(wěn)定性，模擬引擎在行程載荷、大金屬流動以及預測產(chǎn)品缺陷 等方面保持著令人嘆為觀止的精度，無需現(xiàn)場試驗就能預測到工業(yè)實際生產(chǎn)中的金屬流動情況，大大地降低了制造成本，縮短研發(fā)和生產(chǎn)周期 5。 DEFORM-3D功能 十分 強大， 適用于冷、熱、溫金屬塑性成形，可以提供極有價值的工藝分析數(shù)據(jù) 6。 DEFORM-3D軟件的基本操作方法 如下所示： （ 1） 幾何模型導入 在 DEFORM-3D軟件 里，不能直接建立三維幾何模型，必須先通過其他 CAD/CAE軟件建模 后導入 DEFORM軟件中，現(xiàn)在， DEFORM-3D的幾何模型接口格式有 :STL,UNV,PDA,AMG. （ 2） 網(wǎng)格 劃分 （ 3） 初始條件 DEFORM材料庫里提供了各個材料在不同溫度下的特性。 （ 4） 材料模型 在 DEFORM-3D軟件 里 ，用戶可以根據(jù)需要，輸入材料的塑性、彈性、楊氏模量、泊松比、電阻、熱物理性能數(shù)據(jù)。 （ 5） 接觸定義 （ 6） 網(wǎng)格 自動重新劃分 （ 7） 增加約束 DEFORM可以增加各個自由度的約束在 節(jié)點 上。 （ 8） 后處理 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 第二章 防失穩(wěn)鐓粗模具設計方案的確定 2.1 鐓粗模具 設計的流程簡介 鍛模的種類很多，通常鍛模按制造設備來分類，可分為胎膜、錘 鍛模、機鍛模、平鍛模等 4。 本次要設計加工的是長軸鍛件鐓粗，采用的是一次鐓粗成型方法，這樣不僅僅節(jié)約生產(chǎn)成本，同時可以大大地提高生產(chǎn)效率。考慮到長軸鍛件鐓粗高徑比大于 3時，會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，因此，如何防止零件在鐓粗時發(fā)生失穩(wěn)是本次研究的重點問題。保證長軸鍛件鐓粗不發(fā)生失穩(wěn)，就得保證高徑比不超過 3，因此合適的加工工藝及模具就是我們本次設計要考慮并得出的。經(jīng)過初步參考資料和分析，可以通過實時保證鐓粗部分的高徑比不超過 3來防失穩(wěn)鐓粗長桿件。具體成型方法可采用：先鐓粗然后擠壓或直接等截面鐓粗。所用軟件為 PRO/ENGINEER、 DEFORM、 CAD。 鐓粗 模具計算機輔助設計開發(fā)制造一般流程 如下： （ 1） 用 PRO/E畫出零件圖的三維圖，根據(jù)零件圖計算毛坯尺寸，確定鐓粗工藝，考慮如何防失穩(wěn)鐓粗該零件； （ 2） 用 Pro/E繪制毛坯圖； （ 3） 根據(jù)毛坯尺寸及零件尺寸，初步構想模具框架，并繪制草圖，確保在不失穩(wěn)鐓粗的情況下確定模具結(jié)構，加入強度、硬度等因素確定模具大概尺寸； （ 4） 用 PRO/E畫出模具三維圖，并進行裝配； （ 5） 通過裝配圖可以直觀看出其中的不足，并根據(jù)問題來修改完善模具組成； （ 6） 用 DEFORM對產(chǎn)品圖和零件圖進行模擬分析，尋找其中不足并再次調(diào) 整模具； （ 7） 更改模具后再用 DEFORM對毛坯成型過程進行模擬，直到得到較合理的分析效果圖則說明所設計的模具及加工工藝合理； 2.2 鐓粗零件鍛件圖設計 鍛件圖是依據(jù)零件圖繪制成的。它是以零件圖為基礎，再考慮加工余量、鍛造公差、鍛造余塊、檢驗試樣及工藝卡頭等因素繪制而成的 2. 鍛件表面一般可分為非加工表面和待加工表面兩大類。通常，鍛件表面會留有供機械加工用的金屬層，即為加工余量。影響鍛件的機械加工余量與公差的主要因素有：鍛件的精度等級、鍛件質(zhì)量和公稱尺寸、鍛件形狀復雜程度、鍛件的材質(zhì)、零件表面粗糙度、鍛件加 熱條件等 7。由于本次研究的零件，是不加工的黑皮部分，則不需要加上加江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 6 工余量和公差 4。同時，鍛造余塊等因素也不考慮。 2.3 鐓粗鍛造工藝性分析 2.3.1 零件的分析 零件由指導老師黃老師直接給出，根據(jù)實物畫出零件的三維及二維圖，見圖 2-1、圖 2-2，該零件總長為 78mm，下半部分為直徑 12mm、長 63mm，上半部分為直徑 26mm、長15mm，所用材料為 T8鋼。該 鋼無網(wǎng)狀碳化物 析出傾向，其塑 性、韌 性 較 好 ，淬透性與 T10A 鋼相近。 圖 2-1 零件三維圖（ PRO/E繪制） 圖 2-2 零件二維圖（ CDA繪制） 2.3.2 毛坯計算及分析 根據(jù)零件可知，其上端部分是通過鐓粗成型，毛坯是一根長圓柱體，直徑也是 12mm，假設零件上部長度為 L1=15mm，直徑為 d1=26mm；所求毛坯直徑為 D，長度為 l；根據(jù)體積不變原理，則 L1（ d1/2） 2=l（ D/2） 2 （ 2-1） 15 132=l 62 l=15132/62 L=70.4mm 經(jīng)計算， L=70.4mm，因為鐓粗過程中可能會出現(xiàn)損耗，所以 l 取 71mm。毛坯總長L=63+l=63+71=134mm，高徑比： H/D=71/123，坯料如圖所示，圖 2-3,圖 2-4 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 圖 2-3毛坯三維圖 圖 2-4 毛坯二維圖 由 2.2.2中毛坯所求尺寸可知，需要鐓粗加工部分的直徑為 12mm，而長度為 71mm，其高徑比遠遠大于 3，若不加任何補充直接鐓粗，必然出現(xiàn)鐓彎等失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，為將毛坯鐓粗得到所需零件，就必須控制高徑比在 3以內(nèi)，這就是現(xiàn)在設計模具的依據(jù)。 2.4 鐓粗長桿件模具設計方案 由 2.2.2毛坯計算與分析中可知，毛坯的鐓粗部分高徑比遠大于 3，要將毛坯通過鐓粗鍛造成型出零件，就必須通過一定的模具結(jié)構來輔助鐓粗。而鐓粗成型該零件所用的 模具結(jié)構主體就是要控制坯料被鐓粗部分的高徑比不得大于 3，以此來防止鐓粗過程中發(fā)生的失穩(wěn)現(xiàn)象。經(jīng)過和同學的討論，及在黃老師的指導分析下，我們初步想出 3種方案： 方案一：兩次鐓粗。采用彈簧下置，并用固定板限制高徑比小于 3的方法。首先用彈簧將厚度大于 36mm 的固定板撐起，將固定板的中心打一個通孔，其直徑與毛坯等直徑相同，將毛坯穿過其中，并使毛坯上表面與其上表面在同一水平面上。這里取固定板厚度是 40 mm，這樣是為了使毛坯露在外面部分的高度小于 3倍直徑。沖頭選用階梯狀的，前半部分沖頭長 40 mm。鐓粗過程中，沖頭接 觸毛坯后先對毛坯進行鐓粗工序，在沖頭不斷向下運動中，階梯狀沖頭后半部分接觸到固定板，然后其帶動固定板一起向下運動，將鐓粗后的毛坯再次鐓粗并成型零件。 方案二：直接等截面鐓粗。 采用四個支撐，將支撐固定在高徑比為 3 的臨界高度處江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 8 （需要說明的是，此處指的臨界高度并不是 3 倍毛坯直徑的長度，因為隨著鐓粗過程的進行，坯料的直徑是會發(fā)生變化，因此臨界高度就會發(fā)生變化） ，支撐 部分 在豎直方向上 要保持不變 ， 而在 水平方向要 隨著鐓粗的進行發(fā)生一些移動 ，此時坯料變形分為上中下三個部分，上下兩個部分為沒有限制的鐓粗，中間的鐓粗是在有力的 干預下，根據(jù)固定 預先設計的尺寸進行 變形的鐓粗，這樣就使鐓粗部分的高徑比都小于 3。隨著鐓粗 過程 的 繼續(xù) ，壓力機沖頭 不斷 向下 移動 ，坯料高度持續(xù)減小，當 高度 減小到達臨界高度后，四個支撐快速 退出 ，此時坯料由于在鐓粗過程中不斷變粗， 高度不斷減小， 此時坯料的高徑比小于三倍直徑，而沖頭可以繼續(xù)向下鐓粗剩余坯料，這樣就不會出現(xiàn)坯料失穩(wěn)的現(xiàn)象。 該方案主要考慮到： 由于坯料鼓形量很小 ，因此就對微小鼓形 忽略 ， 則鐓粗變形時坯料是等截面變化的 。 方案三：先鐓粗后擠壓。采用軸套，將其連接在上模座，并使用 4個彈簧與其連接。鐓粗之前，彈簧就處 于一定量的壓縮狀態(tài)。將毛坯的上端部分插入軸套，插入部分主要是為了控制露在外面的部分的長度不大于 3 倍坯料直徑，同時沖頭也要有部分伸入軸套，并與坯料的上表面接觸，因此軸套長度即為坯料插入長度與沖頭伸入長度之和。在此，沖頭也是階梯狀的，軸套上表面與沖頭階梯的距離等于坯料插入軸套的長度。當鐓粗開始時，沖頭帶動軸套一起向下運動，對露在外面的坯料進行鐓粗，由于軸套已經(jīng)對坯料露在外面部分的長度進行限制保證高徑比不大于 3，所以鐓粗時不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。沖頭與軸套持續(xù)向下運動，直到軸套接觸凹模時，沖頭繼續(xù)向下運動，此時壓縮彈簧 ，沖頭與軸套發(fā)生相對運動，此時沖頭將留在軸套中的坯料擠入凹模中，最后階梯沖頭的上部分接觸軸套上表面，此時可以防止坯料擠壓軸套使彈簧回彈，同時鐓粗成型。 本次畢業(yè)設計采用的是方案三，該方案為鐓粗擠壓防失穩(wěn)，因為擠壓是金屬壓力加工中一種高效率而又精密的成形工藝 8，所以配合鐓粗，使得成型變得簡單可靠，此方案的關鍵結(jié)構在于軸套的設計。 2.5 鐓粗零件加熱及加熱規(guī)范 2.5.1 鍛件加熱 在模鍛實際生產(chǎn)中，金屬毛坯通常需要先加熱再鍛造。其目的是：正確地利用金屬加熱過程中的微觀演變規(guī)律，提高金屬的塑性，降低變形抗 力 9，使毛坯容易變形流動，能夠順利實現(xiàn)成型，同時獲得良好的鍛后組織和性能。鍛前加熱時整個鍛造過程中的一個重要環(huán)節(jié)，對提高鍛造生產(chǎn)率、保證鍛件質(zhì)量以及節(jié)約能源消耗等都有直接影響 10。江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 目前生產(chǎn)中常用的加熱方法主要有：火焰加熱法和電加熱法兩類 11。 2.5.2 鍛造加熱規(guī)范 金屬毛坯在加熱時，有一定的鍛造溫度范圍，即合理的開始鍛造溫度（始鍛溫度）和合理的結(jié)束鍛造溫度（終鍛溫度）之間的一段溫度區(qū)間 12。因為本次畢業(yè)設計的零件所用材料為 T8 鋼 ， T8 鋼屬于碳素工具鋼，淬火后的洛氏硬度不低于 62HRC13。 其含碳量為 0.75-0.84%。 表 2-8 各類鋼的鍛造溫度范圍 7 鋼種 始鍛溫度 / 終鍛溫度 / 溫度范圍 / 普通碳素鋼 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 碳素工具鋼 合金結(jié)構鋼 合金工具鋼 耐熱鋼 彈簧鋼 軸承鋼 1280 1200 1100 1150-1200 1050-1150 1100-1150 1100-1150 1080 700 800 770 800-850 800-850 850 800-850 800 580 400 330 350 250-300 250-300 300 280 經(jīng)查閱資料 ，如表 2-8所示，碳素工具鋼的始鍛溫度為 1100，終鍛溫度為 770，溫度范圍為 330。因此，毛坯在鍛造過程中，其溫度應嚴格控制在上述溫度范圍之內(nèi)，否則將會出現(xiàn)過燒、塑性顯著降低、加工硬化甚至鍛造裂紋等缺陷。 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 10 第三章 鐓粗擠壓防失穩(wěn)模具設計 3.1 防失穩(wěn)模具各成型零件結(jié)構設計初步構想 該方案主要是通過活動軸套的使用，來保證鐓粗部分的坯料的高徑比或鐓粗比不大于 3，以此在不失穩(wěn)的情況下對坯料進行鐓粗加工，最后再加上擠壓工序，就可方便有效的鐓粗長桿件。因此，本次畢業(yè)設計的關鍵就是設計好軸套的結(jié)構同 時配合沖頭的運動完成鐓粗擠壓，最后達到防失穩(wěn)的效果。 3.1.1 軸套、沖頭結(jié)構初始設計 如第二章第三節(jié)里鐓粗長桿件模具設計方案中方案三所述，采用軸套就是為了控制高徑比。同時為了方便鐓粗過程的進行以及盡可能使模具結(jié)構緊湊從而使之更穩(wěn)定些，所以其長度由坯料和沖頭在軸套中的長度來決定。根據(jù)第二章第三節(jié)方案三中采用的方法，首先用螺栓將沖頭和軸套連接，然后在螺栓外再用彈簧將沖頭與軸套連接。由于開始鐓粗時要讓沖頭與軸套同時向下，而軸套在向下運動時，彈簧勢必會受到壓縮力，所以在配合時，必須要將彈簧保持壓縮狀態(tài)，使之具有 一定的壓縮力，從而保證開始鐓粗時，軸套可以與沖頭一起向下運動直至接觸到凹模表面。鐓粗開始時，軸套與沖頭一起向下運動并當接觸到凹模時，軸套無法繼續(xù)向下而沖頭在壓力機的帶動下繼續(xù)向下運動，因為，沖頭將壓縮彈簧繼續(xù)向下運動，從而與軸套發(fā)生相對運動。隨著鐓粗的進行，沖頭將會把軸套中剩余的坯料擠壓入凹模中。這種模具結(jié)構通過軸套保護坯料上半部分，將被鐓粗部分坯料的長度控制在 3倍高徑比之內(nèi)，從而達到防失穩(wěn)鐓粗的效果。 3.1.2 軸套、沖頭初始結(jié)構分析 表面上看，上述結(jié)構是可以通過鐓粗擠壓達到防失穩(wěn)鐓粗的要求，可是經(jīng)過進 一步分析不難發(fā)現(xiàn)軸套與沖頭結(jié)構的簡單及不合理之處。首先，由于沖頭與坯料直接接觸，且其材料應選用強度、硬度較高，價格相對昂貴的材料，所以沖頭部分應做成易損件。另外，當軸套已經(jīng)接觸到凹模而沖頭繼續(xù)向下運動并到保壓時，此時被壓入凹模中的坯料有可能對軸套有向上的壓力，當壓力達到一定值時，可能會發(fā)生軸套壓縮彈簧并相對沖頭向上運動，從而使鐓粗件的上表面出現(xiàn)凹坑。因此，沖頭不能簡單設計成圓柱結(jié)構，應該設計個階梯狀圓柱，其結(jié)構如圖 3-1所示。 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 圖 3-1 階梯狀圓柱沖頭結(jié)構示意圖 使得當沖頭將軸套中所有坯料壓入凹模且與凹模上表面在同一水平面，即圖中表面2與凹模上表面持平，此時階梯狀沖頭階梯出，即圖中表面 1應與軸套上表面接觸，這樣在保壓的過程中，就不會發(fā)生坯料將軸套擠壓向上運 動了。 3.1.3 防失穩(wěn)模具凹模、凹模座結(jié)構初始設計 由于毛坯一端 63mm 是不變形的，所以可將此部分固定在凹模上。因此，凹模的大致高度可以確定，只需再加上凹模座要被夾持在壓力機工作臺的厚度。由于是一次性鐓粗擠壓成型，所以凹模的型腔與零件形狀、尺寸一致。其初始設計如圖所示 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 12 圖 3-2 凹模、凹模座結(jié)構設計 1：凹模座， 2：凹模 3.1.4 防失穩(wěn)模具凹模、凹模座初始結(jié)構分析 如圖 3-3所示，凹模采用了易損件結(jié)構，出現(xiàn)損壞可以方便拆卸，并且當坯料在鐓粗過程中，凹模由于有一定的斜度，可以固定在凹模座上，但是當鐓粗成型以后，成型零件通過頂桿頂出時，凹模可能會被一起頂出，因此凹模的固定存在一定問題。解 決該問題的方案可以用塊墊板，并通過螺栓將其固定在凹模座上，注意不得干涉軸套的運動。 3.1.5 頂出機構的初始結(jié)構設計 頂出裝置一般情況都是安裝在下模上的，由于本次畢業(yè)設計所選用的壓力機并沒有頂出機構，所以在模具結(jié)構設計中還需要考慮到頂出機構的設計。經(jīng)過對零件的成型分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，毛坯在被鐓粗擠壓的時候，毛坯下端應該要被固定，所以我們所設計的頂出機構不僅需要具備頂出成型零件的能力，還要在鐓粗擠壓過程中對坯料起支撐固定作用。綜上所述，接下來要設計的頂出機構應該是一套完整的聯(lián)動頂出裝置，具有拉桿、拉板、頂桿 等。其基本運動過程應該是：安裝在上模的拉桿，當上?；爻虝r帶動拉桿向上運動，通過螺栓連接的拉板也跟著拉桿向上運動，當拉板接觸到頂桿時，頂桿受到拉板向上的力而向上運動，最后頂桿將成型零件頂出。 3.1.6 頂出機構的初始結(jié)構分析 由于是對長桿件的鐓粗擠壓，所以模具結(jié)構徑向尺寸相對較大，所以拉桿的直徑應江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 13 該較大些，這樣才能保證具有較大的硬度和強度。與此同時，本次研究的零件的直徑只有 12mm，而成型零件要從凹模中取出，至少需要被頂出至少 63mm，所以頂桿只能選擇細長桿型。在鐓粗階段時，頂桿還需對坯料起支撐作用，也就是 說，如果頂桿僅僅設計為長直桿狀，那么在鐓粗階段，頂桿也受幾乎相同鐓粗力，這樣對頂桿的承力、抗彎強度等要求太高，因此為了減少細長頂桿受更多的壓力，將頂桿設計成如圖 3-3所示。 圖 3-3 頂出機構示意圖 1：頂桿， 2：凹模 ， 3：坯料 利用圖示 T型結(jié)構，當零件受鐓粗擠壓時，頂桿凸出部分與凹模接觸，力又傳遞到凹模上，則頂桿下面細長部分將不會受到巨大壓力，有效地防止頂桿受到損壞。 3.2 防失穩(wěn)模具各零件結(jié)構設計 經(jīng)過對零件成型過程的分析，確定了一套可行的成型方案，在此基礎上，大致模具組成部分和結(jié)構得已確定。經(jīng)過反復的分析討論之后，初始設計的模具各組成部分不斷完善，各模具之間的配合關系也越來越合理。下面將一一介紹經(jīng)過進一步改進 之后的模具各組成部分。 3.2.1 防失穩(wěn)模具上模座的結(jié)構設計 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 14 圖 3-4 上模座三維圖 圖 3-5 上模座二維圖 上模座對上主要是連接壓力機，對下主要是連接模具上模部分，從而使沖頭可以對零件進行鐓粗擠壓成型。上模座的長為 180mm，寬 180mm，高 25mm。上模座所打的各孔主要是通過螺栓連接墊板、上模板和沖頭，并且通過銷對它們進行定位?？椎亩ㄎ患俺叽缛鐖D 3-5所示。 3.2.2 防失穩(wěn)模具墊板的結(jié)構設計 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 15 圖 3-6 墊板三維圖 圖 3-7 墊板二維圖 墊板通過螺栓和銷連接在上模座和上模板之間，其長為 114mm，寬為 114mm，高為20mm，其孔的定位尺寸及直徑如圖 3-7所示。 3.2.3 防失穩(wěn)模具上模板的結(jié)構設計 上模板主要連接沖頭，同時還要與上模座連接，這樣才能保證沖頭隨壓力機一起運動。由于本次模具設計所選的壓力機不帶頂出機構，所以上模板還需連接頂出機構中的拉桿。同時由于該模具是將坯料先鐓 粗再擠壓，因此用到了彈簧，又基于模具的緊湊性，在上模板上又鉆孔放置一部分彈簧。其具體結(jié)構如圖 3-8所示。 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 16 圖 3-8 上模板二維圖 圖 3-9 上模板三維圖 由圖 3-8和圖 3-9可以看出，上模板已經(jīng)為沖頭和拉桿設置了易損結(jié)構位子了。上模江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 17 板的長為 114mm，寬為 114mm，高為 25mm。其余孔的位置及直徑如圖 3-8所示。 3.2.4 防失穩(wěn)模具軸套的結(jié)構設計 圖 3-10 軸套二維圖 圖 3-11 軸套三維圖 軸套的設計就是為了使坯料鐓 粗部分的高徑比不大于 3，所以坯料上端的 35mm 將會被包裹在軸套的下端。因為沖頭實際對坯料施壓的部分直徑只有 12mm，且沖頭的行程較長，所以需要一定的導向機構，在這里就直接設計在沖頭上，將沖頭上半部分加粗，直徑定義為 24mm。由于頂出機構的要求，加上彈簧的長度，沖頭加粗部分的長度要大于 65mm，經(jīng)計算分析后，取軸套總長 150mm，其余各部分長度如圖 3-10 所示。軸套上端突出部分是用來安裝螺栓和彈簧用的，其三維圖如圖 3-11所示。 3.2.5 防失穩(wěn)模具沖頭的結(jié)構設計 在鍛造工藝中，沖頭是個易損件，所以應獨立設 計。沖頭的設計應該與軸套同時設計再確定各段尺寸。在這里詳細簡述下軸套與沖頭各部分尺寸的計算過程。 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 18 圖 3-12 軸套與沖頭的配合圖 因為軸套是用來固 定坯料以控制高徑比的，所以圖 3-12 中的尺寸 1 可以得到為35mm；尺寸 2 為沖頭沖壓部分伸入軸套中的尺寸，可以設置為 10mm；因為模具的最后階段是將軸套中剩余的坯料擠壓入凹模里，所以尺寸 3 為 35mm；鐓粗擠壓成型之后的零件要被頂出機構頂出，且由于坯料被加持部分的長度為 63mm，所以尺寸 4設定為 60mm；尺寸 5為軸套與沖頭具有導向作用部分的長度，為節(jié)約材料使用，設置為 10mm；尺寸 6為具有壓縮量的彈簧尺寸和上模板厚度的尺寸之和，設置為 75mm。綜合上述各段所設置的尺寸，就不難計算得到?jīng)_頭與軸套的各階段長度了。 沖頭下部分長度為 45mm，中間具有導向功能的長度為 135mm，上部分為 10mm。其具體尺寸如圖 3-13 所示，其三維圖如圖 3-14所示。 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 19 圖 3-13 沖頭結(jié)構二維圖 圖 3-14 沖頭結(jié)構三維圖 3.2.6 防失穩(wěn)模具凹模的結(jié)構設計 圖 3-15 凹模剖面圖 本次鍛造過程的最后階段是擠壓，所以凹模的結(jié)構與成型零件的結(jié)構一樣。凹模的高度是零件的高度加上頂出機構頂桿在凹模中的長度，所以取凹模的高度為 103mm。其結(jié)構及具體尺寸，如圖 3-15所示。 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 20 3.2.7 防失穩(wěn)模具凹模座的結(jié)構設計 由于凹模是易 損件，所以凹模座中要放置凹模，所以凹模座中心部分尺寸為凹模尺寸。這次設計的模具有頂出機構，所以凹模座上還設置了一些孔，有些為螺紋孔，用來固定拉料板。其結(jié)構如 3-16所示。 圖 3-16 凹模座結(jié)構示意圖 3.2.8 防失穩(wěn)模具凹模墊板的結(jié)構設計 圖 3-17 凹模座墊板 具有斜度的凹模在向下的方向上可以被限制，但其向上的方向沒有被限制，當頂桿頂出零件的時候，被鐓粗擠壓后的零件緊緊裹在凹模中，此時凹模可能跟著零件一起被頂出，所以在上模座上應該設置一個墊板。墊板只需固定凹模且不干涉向下運動的軸套江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 21 就行。其結(jié)構如圖 3-17所示。 3.2.9 防失穩(wěn)模具頂出機構的設計 當零 件成型完成之后，如何取出成型件是件關鍵性的問題，這里設計了頂出機構將成型零件頂出凹模然后取出。頂出機構是由拉桿、拉板、頂桿和螺栓組成。固定在上模板上的拉桿隨上?；爻潭蛏线\動，拉桿下端部的螺栓接觸到拉板時，拉板跟著拉桿一起向上運動，此時拉板就會拉著頂桿向上頂成型好的零件，當零件全部頂出后，壓力機停止向上運動，成型結(jié)束。零件需要被頂出的距離為 63mm，所以拉桿的長度為上模板及其以下模具的厚度加上頂出距離之和，取拉桿長度為 475mm。其中拉桿、拉板結(jié)構如圖3-18所示。 圖 3-18 拉桿、拉板結(jié)構示意圖 3.3 防失穩(wěn)模具整體裝配圖及運動概述 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 22 圖 3-19 動模、定模、裝配及分解三維圖 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 23 該模具的大致裝配結(jié)構如圖 3-19所示，