鍛造工藝學(xué)及模具設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)-西北工業(yè)大學(xué)

1、鍛造工藝學(xué)及模具設(shè)計(jì)題 目 接前橋搖臂 專 業(yè) 班 級(jí) * 學(xué) 生 姓 名 * 指 導(dǎo) 教 師 * 日 期 2015年1月8日 目錄一 零件分析及基本工藝方案確定- 1 -1.1零件分析- 1 -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 -1.4零件基本工藝方案確定- 2 -二 錘上模鍛鍛件設(shè)計(jì)- 3 -2.1確定分模位置- 3 -2.2模鍛件的技術(shù)條件- 3 -三 錘上模鍛鍛件工藝設(shè)計(jì)- 3 -3.1計(jì)算鍛件的主要參數(shù)- 3 -3.2確定鍛錘設(shè)備噸位- 4 -3.3確定毛邊槽形式和尺寸- 4 -3.4繪制計(jì)算毛坯圖- 4 -3.5計(jì)算繁重系數(shù)并確定制坯工步-

2、8 -3.6確定坯料尺寸- 9 -3.7模鍛前期工序方法選擇- 9 -3.8模鍛后期工序方法選擇- 10 -四 錘上模鍛鍛模設(shè)計(jì)- 11 -4.1終鍛型槽設(shè)計(jì)- 11 -4.2預(yù)鍛型槽設(shè)計(jì)- 12 -4.3拔長型槽設(shè)計(jì)- 13 -4.4滾擠型槽設(shè)計(jì)- 14 -4.5彎曲型槽設(shè)計(jì)- 15 -4.6鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 16 -一 零件分析及基本工藝方案確定1.1零件分析由鍛件圖（圖1-1）可以得到，該零件名稱為接前橋搖臂，材料為45號(hào)鋼，熱處理要求為調(diào)質(zhì)HBC3136，為大批量生產(chǎn)。圖 1-1 接前橋搖臂鍛件圖題目給出的零件是接前橋搖臂。該類鍛件的變形特點(diǎn)是模鍛時(shí)，毛坯軸線方向與打擊方向相垂直，金屬主

3、要沿高度和寬度方向流動(dòng)，沿長度方向流動(dòng)很小。因此，當(dāng)鍛件沿長度方向其截面面積變化較大時(shí)，必須考慮采用有效的制坯工步，如拔長、滾擠工步等，以保證鍛件飽滿成形。1.2零件材料特性分析由鍛件圖可知，該零件所使用的材料為45號(hào)鋼，屬低合金結(jié)構(gòu)鋼，材料性能穩(wěn)定。1.3零件尺寸精度及表面粗糙度分析由鍛件圖可以看出，其表面均為凈鍛表面，無需進(jìn)行機(jī)械加工，尺寸精度和表面粗糙度要求低，尺寸精度按IT13級(jí)確定，表面粗糙度為原鍛件表面粗糙度。1.4零件基本工藝方案確定根據(jù)該零件特點(diǎn)、材料特性、尺寸精度與表面粗糙度和生產(chǎn)批量的要求，此零件使用錘鍛模，基本工藝流程設(shè)計(jì)為：備料、下料、加熱、制坯、開式模鍛、熱處理、表面

4、清理、機(jī)械加工、檢驗(yàn)等。二 錘上模鍛鍛件設(shè)計(jì)2.1確定分模位置確定分模位置最基本的原則是保證鍛件形狀盡可能與零件形狀相同，使鍛件容易從鍛模型槽中取出，因此鍛件的側(cè)表面不得有內(nèi)凹的形狀，并且使模膛的寬度大而深度小。鍛件分模位置應(yīng)選在具有最大水平投影尺寸的位置上，應(yīng)使飛邊能切除干凈，不致產(chǎn)生飛刺。對(duì)金屬流線有要求的鍛件，應(yīng)保證鍛件有最好的纖維分布。由鍛件圖可以看到，圓柱的鍛件分模面均位于圓柱的中間，且位于同一直線上，因此使用直線分模線。因?yàn)榇酥萍闹饕晥D關(guān)于一條中心線對(duì)稱，且這條對(duì)稱線是直線，所以以此線所在的平面為分模面。2.2模鍛件的技術(shù)條件1.未注明的模鍛斜度為5°，內(nèi)斜度為8

5、76;；2.未注明的圓角半徑為R2；3.表面清理：噴丸；4.允許的表面缺陷深度：0.8mm；5.允許形狀缺陷：0.8mm；6.鍛后熱處理的方法及硬度要求：調(diào)質(zhì)HRC3136；7.允許毛邊：1.0mm；三 錘上模鍛鍛件工藝設(shè)計(jì)根據(jù)冷鍛件圖和技術(shù)要求，對(duì)零件的錘上模鍛進(jìn)行工藝分析，確定模鍛設(shè)備及噸位，并繪制計(jì)算毛坯圖，確定制坯工步、坯料尺寸和模鍛前后期工序的選擇及參數(shù)的確定。3.1計(jì)算鍛件的主要參數(shù)（1）鍛件在水平投影面上的投影面積為5818mm2（2）鍛件周邊長度為428mm；（3）鍛件體積為82452mm3；（4）鍛件重量為0.639kg；3.2確定鍛錘設(shè)備噸位總變形面積為鍛件在水平面上的投影

6、面積與飛邊水平投影面積之和，參考飛邊槽尺寸，按12t錘飛邊槽尺寸考慮，假定飛邊均勻?qū)挾葹?0mm，總的變形面積F=（5818+428×20）mm2=14378 mm2。按雙動(dòng)模鍛錘噸位確定的經(jīng)驗(yàn)公式G=（3.56.3）kF，式中k為材料系數(shù)，查表得k=1；因?yàn)榇肆慵榇笈可a(chǎn)，要求高生產(chǎn)率，因此取系數(shù)6.3，則G=906kg，選用1t模鍛錘。3.3確定毛邊槽形式和尺寸開式模鍛的終鍛型槽周邊必須有毛邊槽，其形式及尺寸大小是否合適對(duì)鍛件成形影響很大。此處選用最廣泛使用的一種毛邊槽（圖3-1），其優(yōu)點(diǎn)是橋部設(shè)在上模塊，因而受熱小，不易磨損或壓塌。圖 3-1 毛邊槽型式按照鍛錘噸位，查表選

7、定毛邊槽尺寸為h=1.6mm，h1=4mm, b=8mm，b1=25mm，R1=1mm，F(xiàn)mz=110mm2，飛邊槽充滿率取=0.7，則鍛件毛邊平均截面積F毛=Fmz=0.7×110=77mm2，故鍛件毛邊體積V毛=428×0.7Fmz=428×0.7×11033000mm3。3.4繪制計(jì)算毛坯圖計(jì)算毛坯的依據(jù)是根據(jù)平面變形假設(shè)進(jìn)行計(jì)算并經(jīng)修正所得的具有圓形截面的中間坯料。其長度與鍛件相等，而橫截面積應(yīng)等于鍛件上相應(yīng)截面積與飛邊截面積之和。計(jì)算毛坯圖是制坯工步選擇的依據(jù)，按金屬流動(dòng)的效率，制坯工步的優(yōu)先次序是：拔長、滾擠、卡壓工步。計(jì)算毛坯圖的步驟如下：

8、1.選擇截面及計(jì)算截面面積，根據(jù)接前橋搖臂的形狀特點(diǎn)，共選取18個(gè)截面（如圖3-2），橫截面面積F計(jì)=F鍛+2F飛。式中為充滿系數(shù)，位于端部的1處和18處截面因?yàn)椴牧显阱懺鞎r(shí)容易先產(chǎn)生飛邊，因此取1，其余各處取0.7。分別計(jì)算18個(gè)截面處的F鍛、F計(jì)，結(jié)果列于表3-1。表3-1 接前橋搖臂計(jì)算毛坯的計(jì)算數(shù)據(jù)截面號(hào)F鍛/mm2F毛×2/mm2F計(jì)/mm2h計(jì)/ mmd計(jì)/ mmh/mm102202207.3314.830.811.862380.17154534.1717.8123.111.023.113670.17154824.1727.4728.711.1533.024670.171

9、54824.1727.4728.711.1533.025313.41154467.4115.5821.620.817.306216.59154370.5912.3519.250.815.407235.58154389.5812.9919.740.815.798508.80154662.8022.0925.741.025.749614.43154768.4325.6127.721.1531.8810694.70154848.7028.2929.131.1533.5011614.64154768.6425.6227.721.1531.8812548.85154702.8523.4326.511.0

10、26.5113209.57154363.5712.1219.070.815.2614145.60154299.609.9916.330.813.0615244.96154398.9613.3019.970.815.9816313.65154467.6515.5921.630.817.3017257.52154411.5213.7220.290.816.231802202207.3314.830.811.862.繪制計(jì)算毛坯截面圖以計(jì)算毛坯的長度L計(jì)為橫坐標(biāo)，以算得的Fi計(jì)為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上繪制計(jì)算毛坯的截面圖。方法是：通常用縮尺比M除以Fi計(jì)，得到用直線段hi計(jì)來表示的所取各截面的面積值：h

11、i計(jì)=Fi計(jì)M此處為便于制圖，縮尺比取M=30mm2mm。將計(jì)算出的hi計(jì)繪制在坐標(biāo)紙上，并連接各端點(diǎn)成光滑曲線，即得計(jì)算毛坯截面圖（如圖3-2）。圖 3-2 接前橋搖臂的截面圖和計(jì)算毛坯圖3.繪制計(jì)算毛坯直徑圖。分別計(jì)算毛坯上各截面的直徑di計(jì)，由下式計(jì)算：di計(jì)=1.13Fi計(jì)計(jì)算結(jié)果見表3-1。然后以L計(jì)為橫坐標(biāo)，以di計(jì)為縱坐標(biāo)，在截面圖的下方繪制計(jì)算毛坯直徑圖（如圖3-2）。4.計(jì)算毛坯體積的計(jì)算因?yàn)橛?jì)算毛坯截面圖的任一高度hi計(jì)均代表著計(jì)算毛坯在該點(diǎn)處的截面積，因此截面圖曲線下的整個(gè)面積積分起來就是計(jì)算毛坯的體積V計(jì)。即：V計(jì)=Mi=1lhi計(jì)=109500mm3與 V鍛+V毛=8

12、1452+33000=114452mm3 對(duì)比，相差4.5%。根據(jù)計(jì)算毛坯截面圖和上式可計(jì)算出平均截面積F均和平均直徑d均，即：F均=V計(jì)L計(jì)=109500196=558.67mm2h均=A均M=558.6730=18.62mmd均=1.13A均=26.71mm在計(jì)算毛坯直徑圖上，d計(jì)d均處，稱為頭部，d計(jì)d均處，稱為桿部。3.5計(jì)算繁重系數(shù)并確定制坯工步長軸類鍛件常采用第一類制坯工步，即拔長、滾擠和卡壓工步，使原坯料獲得近似計(jì)算毛坯的形狀。如果計(jì)算毛坯的頭部相對(duì)尺寸越大，則金屬需要在頭部的聚集量越多；若鍛件的相對(duì)長度越長，則金屬需要流動(dòng)的距離也越大；如果鍛件大，原坯料重，則在其他條件相同時(shí)金

13、屬需要轉(zhuǎn)移的絕對(duì)量也越大。制坯變形工作量的大小可以用繁重系數(shù)表示。本課程設(shè)計(jì)鍛件計(jì)算毛坯為兩頭兩桿，應(yīng)簡化成兩個(gè)簡單的一頭一桿計(jì)算毛坯來選擇制坯工步。繁重系數(shù)計(jì)算如下：=dmaxd均=29.1326.71=1.09=L計(jì)d均=19626.71=7.34K=d拐-dminL計(jì)=26.71-16.33196=0.053>0.05已知鍛件質(zhì)量為0.639kg，查“長軸類鍛件制坯工步選用范圍圖”，此鍛件應(yīng)采用拔長、閉式滾擠、彎曲制坯工步。選圓坯料，模鍛工藝方案為：拔長閉式滾擠彎曲預(yù)鍛終鍛。3.6確定坯料尺寸模鍛所需要原坯料尺寸應(yīng)依據(jù)坯料體積、鍛件形狀尺寸及模鍛方法確定。坯料體積應(yīng)包括鍛件、飛邊、

14、連皮、氧化皮及鉗料頭等部分。長軸類鍛件的坯料尺寸確定以計(jì)算毛坯圖為依據(jù)，并考慮到不同制坯的需要，計(jì)算出各種模鍛方法所需的坯料截面積，然后再選取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格鋼材，并確定坯料長度。3.6.1坯料截面積及直徑計(jì)算用滾壓制坯的坯料截面積F坯=F滾=（1.051.2）F均。F坯=1.1×558.67=614.54mm2根據(jù)計(jì)算的坯料截面積，確定圓坯料的直徑d坯：d坯=1.13F坯=28.01mm根據(jù)原材料規(guī)格，實(shí)際取d坯=30mm3.6.2坯料長度計(jì)算坯料體積V按下式計(jì)算：V坯=（V鍛+V毛+V連）×（1+）式中為燒損率，此鍛件加熱采用室式煤爐，此處取=3%。因此V坯=109500

15、15;1+3%=112785mm3則坯料長度L坯為L坯=V坯F坯+L鉗=V坯4d坯2+L鉗=190mm此處采用一料一件的模鍛方法，因此坯料長度即為190mm。3.7模鍛前期工序方法選擇3.7.1備料工序如前所述，此鍛件使用材料為45號(hào)鋼，坯料直徑為30mm。下料采用普遍使用的剪切下料，其特點(diǎn)是效率高，操作簡單，端口無金屬損耗，模具費(fèi)用低。剪切力計(jì)算：P=KF剪式中K為考慮到刃口磨鈍和間隙變化的系數(shù)，此處取K=1.2；為材料剪切抗力，剪切強(qiáng)度比同溫度下的強(qiáng)度極限小一些，一般：=（0.70.8）b。此處取系數(shù)0.8，根據(jù)表得b=600MPa，則剪=480MPa，剪切力P=407KN。因此選擇100

16、0KN的棒料剪切機(jī)。3.7.2加熱工序鍛前加熱時(shí)，應(yīng)盡快達(dá)到所規(guī)定的始鍛溫度。此鍛件采用室式煤爐加熱方法，查表得45號(hào)鋼材料的鍛造溫度范圍為，始鍛溫度1250，終鍛溫度850。3.8模鍛后期工序方法選擇3.8.1鍛件熱處理工序如前所述，此鍛件材料為45號(hào)鋼，為了保證HRC=3136要求，查“合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件熱處理規(guī)范”，確定模鍛后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，熱處理規(guī)范如表3-2： 熱處理工序加熱溫度/冷卻方法硬度HB正火850-870靜止空氣中冷卻170-2173.8.2清理工序模鍛件在生產(chǎn)過程中形成的氧化皮需要去除，以提高鍛件表面質(zhì)量，改善鍛件的后續(xù)切削條件，為檢查鍛件表面質(zhì)量也需要進(jìn)行表面清理。此鍛件模鍛

17、后需采用磨毛刺、拋丸等清理工序，使用設(shè)備為砂輪機(jī)和拋丸機(jī)。3.8.3檢驗(yàn)工序此鍛件采用磁粉探傷檢驗(yàn)鍛件的表面裂紋等缺陷。四 錘上模鍛鍛模設(shè)計(jì)確定鍛件工藝卡后，根據(jù)冷鍛件圖設(shè)計(jì)模具形狀和尺寸，包括拔長型槽、滾擠型槽、彎曲型槽、預(yù)鍛型槽和終鍛型槽的設(shè)計(jì)以及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。4.1終鍛型槽設(shè)計(jì)模鍛件的幾何形狀和尺寸是靠終鍛型槽來保證的，任何鍛件的模鍛工藝過程必須有終鍛。終鍛型槽是依據(jù)熱鍛件圖來制造和檢驗(yàn)的，型槽設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是繪制熱鍛件圖，確定飛邊槽尺寸及鉗口尺寸。4.1.1熱鍛件圖的確定熱鍛件圖是在冷鍛件圖的基礎(chǔ)上考慮1.5%冷收縮率繪制而成。熱鍛件圖形狀與冷鍛件圖形狀是完全相同的（如“接前橋搖臂鍛

18、件圖所示）。4.1.2毛邊槽設(shè)計(jì)毛邊槽設(shè)計(jì)已在3.3中進(jìn)行確定，在此不做陳述。4.1.3鉗口尺寸設(shè)計(jì)鉗口是指在鍛模的模鍛型槽前面所做的空腔，它是由夾鉗口與鉗口頸兩部分組成，此處模鍛選用常用的鉗口形式（如圖4-1）。鉗口的尺寸，主要是依據(jù)鉗料頭的直徑及模型槽壁厚等尺寸來確定。圖 4-1 選用的鉗口形式查表確定鉗口尺寸列于表4-1中。表 4-1 鉗口尺寸鉗夾頭直徑d/mm鍛件質(zhì)量/kg鉗口尺寸鉗口頸尺寸B/mmh/mmR0/mmb/mma/mml/mm300.63970301061.5ls0終鍛型槽是按照熱鍛件圖加工和檢驗(yàn)的。 根據(jù)4.6.2確定的最小壁厚尺寸，鉗口頸長度：l0.5s0=20mm，

19、取l=20mm；鉗口總長度l1=50mm。4.2預(yù)鍛型槽設(shè)計(jì)由于鍛件含有工字型截面，需設(shè)計(jì)預(yù)鍛型槽。預(yù)鍛的主要目的是在終鍛前進(jìn)一步分配金屬，預(yù)鍛型槽是以終鍛型槽或熱鍛件圖為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)的原則是經(jīng)預(yù)鍛型槽成形的坯料，在終鍛型槽中最終成形時(shí)，金屬變形均勻，充填性好，產(chǎn)生的毛邊最小。圖 4-2 工字形截面的預(yù)鍛型槽該工字型截面的h（4.5mm）2b(10mm) ，預(yù)鍛型槽的橫截面設(shè)計(jì)成梯形（如圖4-2），其寬度B'=B-26mm，1=2，高度h'根據(jù)預(yù)鍛型槽的橫截面積等于終鍛型槽橫截面積與毛邊截面積之和來計(jì)算，即F預(yù)+F欠=F終+2F毛也就是B'h'+B

20、9;h欠=F終+2F毛h'=F終+2F毛B'-h欠式中F欠為由于欠壓而造成預(yù)鍛件截面積增大部分；h欠為欠壓量，決定于鍛錘噸位，通常取15mm。4.3拔長型槽設(shè)計(jì)拔長型槽的主要作用是使坯料局部截面積減小，長度增加，設(shè)置在模塊邊緣，由坎部、倉部和鉗口三部分組成。拔長型槽是以計(jì)算毛坯為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，主要是確定拔長坎高度a，寬度B，拔長坎長度c等尺寸。4.3.1坎高a=k2V桿L桿0.9×F桿=0.9×372.46=17.37mm4.3.2型槽寬度B=k4d坯+1020=1.5×30+10=55mm4.3.3坎長c=k3d坯=1.5×30=45

21、mm4.3.4其他尺寸圓角半徑R=0.25c=0.25×45=11.25mm，R1=10R=112.5mm倉部深度e=1.2d小頭=1.2×29=34.8mm拔長型槽長度L拔=L桿+5mm=123.8+5mm=128.8mm4.4 滾擠型槽設(shè)計(jì)滾擠型槽也是以計(jì)算毛坯為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，主要是確定型槽高度h，寬度B。滾擠型槽由鉗口、型槽本體和毛刺槽三部分組成。4.4.1滾擠型槽高度滾擠型槽高度h=d計(jì)。在模鍛錘上滾擠時(shí)，上下模一般打不靠，故采用的型槽高度比計(jì)算的小一些，由于是閉式滾擠，取h=0.8d計(jì)。在頭部，為了有助于金屬的聚集，型槽高度應(yīng)等于或略大于計(jì)算毛坯圖的相應(yīng)部分的直

22、徑，取h頭=1.15d計(jì)；滾擠型槽的拐點(diǎn)處坯料變形前后截面積變化很小，其型槽高度h拐可與計(jì)算毛坯直徑d計(jì)近似相等，取h拐=1.0d計(jì)。此鍛件滾擠各截面的取值及型槽高度列于表3-1，根據(jù)表中數(shù)據(jù)，沿鍛件軸向，使之對(duì)半分開，先用黑點(diǎn)表示，然后用圓弧或直線光滑連接，盡可能做到圓滑過度，并進(jìn)行適當(dāng)簡化。4.3.2滾擠型槽寬度滾擠已經(jīng)過拔長的坯料，閉式滾擠時(shí)桿部寬度為：B桿（1.41.6）d坯頭部寬度滿足B頭1.1dmax同時(shí)還要避免金屬流出型槽外側(cè)，即控制欠壓量大小，寬度還應(yīng)滿足B桿=1.27F桿hmin，式中F桿為計(jì)算毛坯桿部平均截面積。此處1.27F桿hmin=1.27×372.4613

23、.06=36.221.4×30=42mm，1.1dmax=1.1×29.13=32.04mm所以取桿部頭部寬度均為40mm，能夠滿足要求能夠滿足要求。4.4.3滾擠型槽長度滾擠型槽長度L應(yīng)根據(jù)熱鍛件圖尺寸確定，L=L擠+（13）mm=196+2mm=198mm對(duì)于一般彎曲的軸類零件，鍛件中心線處略長，型槽頭部尺寸往桿部方向增大。4.4.4鉗口、毛刺槽等尺寸鉗口不僅是為了容納火鉗，同事也是用來卡細(xì)毛坯，減少料頭消耗。毛刺槽用來容納滾擠時(shí)產(chǎn)生的端部毛刺。查表得鉗口尺寸按以下公式計(jì)算：n=0.2d坯+6mm=0.2×30mm+6mm=12mmm=（12）n=1.5

24、15;12mm=18mmR=0.1d坯+6mm=0.1×30mm+6mm=9mm，取R=10mm，此處為無切刀滾擠，d坯=30mm，查表得毛刺槽尺寸列于表：d坯acbR3R430mm6mm25mm30mm6mm6mm按上述尺寸繪制滾擠型槽鉗口和毛刺槽。4.5彎曲型槽設(shè)計(jì)本零件為彎曲長軸零件，故在滾擠制坯之后還需要進(jìn)行彎曲制坯，即通過彎曲，使毛坯獲得與鍛件水平投影相似的形狀，選取自由彎曲型槽，具體尺寸計(jì)算方法如下：4.5.1彎曲型槽高度彎曲型槽的縱剖面形狀按鍛件水平投影設(shè)計(jì)，型槽各處尺寸比鍛件相應(yīng)處寬度尺寸減小38mm，彎曲型槽的外形應(yīng)當(dāng)圓滑平順，避免有急劇的臺(tái)階獲突起部分。據(jù)此原則選

25、擇38mm之間的值進(jìn)行設(shè)計(jì)。型槽高度尺寸減小是為了是彎曲后的坯料放進(jìn)終鍛型槽更方便。4.5.2彎曲型槽寬度B=F坯hmin+（1020）4.6鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.6.1型槽布排模鍛此鍛件的1t模鍛錘機(jī)組，加熱爐在錘的右方，故拔長型槽和滾擠型槽布置在右邊，彎曲型槽布置在鍛模左邊，預(yù)鍛及終鍛工步從左至右。4.6.2型槽壁厚型槽壁厚應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)又要盡可能減小模塊尺寸。由終鍛型槽h=15mm，R=20.5h，=5°，查“確定型槽壁厚曲線”圖得型槽與模塊邊緣間壁厚s0=40mm，型槽間壁厚s=s2=33mm，預(yù)鍛型槽與終鍛型槽的中心距l(xiāng)=50+33=83mm，終鍛型槽與滾擠型槽間壁厚從飛邊橋部外側(cè)算起。制坯型槽間壁厚取為10mm，型槽至鉗口間的壁厚s=0.7s2=23