毕业设计-惰轮轴锤锻模具设计.doc

毕业设计论文南昌工程学院姓名：邹建云学号：2009010722系院：机电学院班级：09模具设计与制造（1）班指导老师：沈智南 昌 工 程 学 院毕业设计（论文）任务书i、毕业设计(论文)题目：惰轮轴锤锻模具设计ii、 毕业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：对惰轮轴进行模锻工艺分析，制定合理的成形工艺方案。计算各工序压力，确定压力中心，初选模锻设备。进行制坯、终锻模具结构设计、模具总装图和零件图的绘制。设计说明书的编写。iii、毕业设计(论文)工作内容及完成时间：第1周 查阅相关文献资料。第2周 确定模具设计具体方案第39周 模具设计计算及绘图。第10周 撰写论文。 主 要参考资料：郝滨海. 锻造模具简明设计手册.北京:化学工业出版社,2003侯洪生. 机械工程图学.北京:科学出版社,2003姚泽坤.锻造工艺学与模具设计.西北工业大学出版社，2006 机械与电气工程学院 模具设计与制造 专业 1 班学生：邹建云学号：2009010722日期： 自2012年4月2日至2012年6月8日指导教师： 沈智助理指导教师(并指出所负责的部分)：教研室主任：尹懿目 录绪论11 零件分析及工艺方案确定11.1 零件分析11.2 工艺方案的确定12 锤上模锻件设计22.1 选择分模面32.2 确定模锻件加工余量及公差32.3 确定锻件模锻斜度42.4 确定锻件圆角半径42.5 确定模锻件的技术要求52.6 绘制锻件图及计算锻件基本数据53 锤用锻模设计53.1 选择飞边槽53.2确定钳口63.3终锻形槽设计73.4滚挤型槽的确定83.5切断型槽设计94 锤上模锻工艺设计104.1 确定模锻锤的吨位104.2 确定毛边槽尺寸114.3 绘制计算毛坯图124.4 计算繁重系数，选择制坯工步134.5 确定坯料尺寸145 锻模结构设计156 锻前加热锻后冷却及热处理要求的确定166.1 确定加热方式，及锻造温度范围176.2 确定加热时间176.3 确定冷却方式及规范186.4 确定锻后热处理方式及要求187 确定模具材料及热处理的要求188 模锻工艺流程确定199 参考文献20绪论锻造是一种借助工具或模具在冲击或压力作用下加工机械零件或零件毛坯的方法。与其它加工方法相比，锻造加工生产率高；锻件的形状,尺寸稳定性好，并具有最佳的综合力学性能。锻件的最大优势是韧性高，纤维组织合理，件与件之间性能变化小；锻件的内部质量与加工历史有关，不会被任何一种金属加工工艺超过。锻造生产根据使用工具和生产工艺的不同而分为自由锻、模锻和特种锻造。自由锻造：一般是指借助简单工具，如锤，砧，型砧，摔子，冲子，垫铁等对铸锭或棒材进行镦粗，拔长，弯曲，冲孔，扩孔等方式生产零件毛坯。加工余量大，生产效率低；锻件力学性能和表面质量受生产操作工人的影响大，不易保证。这种锻造方法只适合单件及极小批量或大锻件的生产；不过，模锻的制坯工步有时也采用自由锻。特种锻造：有些零件采用专用设备可以大幅度提高生产率，锻件的各种要求也可以得到很好的保证，特种锻造有一定的局限性，特种锻造机械只能生产某一类型的产品，因此适合于生产批量大的零部件。模锻：模锻是指将坯料放入上下模块儿的型槽间，借助锻锤锤头，压力机滑块或液压机活动横梁向下的冲击或压力成形为锻件。锻模的上下模块分别紧固在锤头和底座上。模锻件余量小，只需少量的机械加工（有的甚至不加工）。模锻生产效率高，内部组织均匀，件与件之间的性能变化小，形状和尺寸主要靠模具保证，受操作人员的影响小。锻造应用范围广，几乎所有的运动的受力部件都由锻造成形，大到飞机轮船小到我们生活中的日常用品，锻造是现代工业的重要组成部分，同时也推动现代工业的不断向前发展。在现代工业生产中，模具是生产各类产品的重要工艺装备，它以其特定的形状通过一定的方式使原材料成形。采用模具生产零部件，具有生产效率高、质量好、成本低、节省能源和原材料等一系列优点，在锻造、冲压、塑料模制品等行业中得到了广泛应用，成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。模具工业对国民经济和社会的发展，起着越来越重要的作用。模具工业的快速发展，不断对模具制造提出更高的要求。世界上一些发达国家，模具制造技术发展非常迅速，模具制造的水平制约这模具设计的的发展，同时也制约这整个模具行业的发展。模具制造水平的高低，已经成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志之一。时至现在，计算机水平的飞速发展，cad、cae已广泛应用在设计制造中，这就使线切割，电火花等现代加工手段成为现实，基本上使模具设计脱离了模具制造水平的制约，同时也模具设计提供了一个广阔的平台。1 零件分析及工艺方案确定锻件工艺分析包括技术和经济两个方面的内容。在技术方面，根据锻件图纸，主要分析该模锻件的形状特点、尺寸大小、精度要求和材料性能等因素是否符合锻造工艺的要求；在经济方面根据锻件的生产批量，分析产品成本，做到在不影响零件使用的前提下，用最简单最经济的方法生产出来。一、对锻件的形状精度分析本次设计工件是转向杆。外形较为复杂，是由杆类件和弯曲件特征组成，杆类特征部分和弯曲类特征部分成一定的角度，相对复杂的锻件外形就决定了比较复杂的型腔，这对模具制造和模具寿命还是造成了一定的不利影响。本锻件精度等级不是特别的高，属半精密级（用于普通锻件和半精锻工艺锻压），但由于锻件的外表面大部分区域锻造成形不需要进一步加工，相对来说要求也比较高。二、对锻件的经济性分析所谓经济性，就是以最小的耗费取得最大的经济效果。在锻造生产中，保证产品质量，完成产品数量、品种计划的前提下，产品的成本越低，说明你设计的模具经济效果越大。降低制造成本的措施：1、降低模具费用，是降低成本的有效措施；2、工艺合理化可以降低模具费、节约加工工时、降低材料费用；3、多个工件同时加工成形，可使模具费、材料费和加工费降低；4、锻造过程的自动化及高速化，可以降低加工费用和提高材料利用率；5、提高材料利用率，降低材料费。常用的模锻方式有1：曲柄压力机上模锻、螺旋压力机上模锻、锤上模锻。故在此有三中方案供选择：一、 曲柄压力机上模锻 曲柄压力机行程和压力不可以随意调节，不易进行拔长、滚挤等制坯操作；对于一些主要靠压入方式成形的锻件不得不采用多型槽模锻，增加了模具和工序；造价比较昂贵，一次性投资大。二、 螺旋压力机上模锻螺旋压力机上模锻不能进行多型腔锻造，需要时，需要进行单独制坯。效率比较低，造价比较高。三、 锤上模锻1、工艺灵活，适应行好，可以生产各类形状复杂的锻件，如盘形件、轴类件等；可单型槽模锻，也可以多型槽模锻；可单件模锻，还可以多件模锻或一料多件连续模锻。2、锤头的行程，打击速度或打击能量均可调节，能实现轻重缓急不同的打击，因而可以实现镦粗，拔长，滚挤，弯曲，卡压，成形，预锻和终锻等各类工步。3、锤上模锻是靠锤头多次冲击坯料使之成形，因锤头运动速度快，金属流动有惯性，所以充填型槽能力强。4、模锻件的纤维组织是按锻件轮廓分布的，机械加工后仍基本保持完整，从而提高锻制零件的使用寿命。此惰轮轴采用第三种方案模锻即锤上模锻。2 锤上模锻件设计表4-1 锻件图设计的步骤和原则序号步骤原则1 确定分模位置和形状锻件的分模线形状分为：平直分模线、对称弯曲分模线、不对称弯曲分模线。良好的分模面应达到如下要求：1.保证锻件容易脱模，一般应以最大投影面作为分模面。2.分模面应易于检验上下模膛的相对位移。3.分模线应尽可能选用直线，使锻模加工简单。但对头部尺寸较大且上下不对称的锻件，则易取折线分模，以保证成形充满。4.圆饼类锻件的高度小于直径时，应取径向分模。5.应保证锻件有合理的金属流线分布2。2确定锻件公差和机械加工余量各生产厂应根据所用锻造和加热设备的精度，模锻件的形状和材料，零件设计对锻件尺寸的要求和锻件订货、验收所涉及的问题等，确定锻件的公差和加工余量。3确定模锻斜度模壁斜度大模锻后锻件易于从模膛中取出，但模壁斜度越大，所需的充模压力也越大。4确定锻件的圆角半径锻件外形和内腔轮廓拐角处的圆角半径对金属流动有很大的影响，过小的圆角半径，使金属流动受到很大的阻力而不易充满模膛，消耗较多的能量并造成模具相应部位严重磨埙，因此在允许的情况下应将此类圆角半径加大。2.1 确定分模位置确定分模面位置最基本的原则是保证锻件形状尽可能与零件形状相同。使锻件容易从锻模型槽中取出，因此锻件的侧表面不得有内凹的形状，并且使模膛的宽度大而深度小。锻件分模位置应选在具有最大水平投影尺寸的位置上。应使飞边能切除干净，不至产生飞刺。对金属流线有要求的锻件，应保证锻件有最好的纤维分布。根据惰轮轴形状，采用上下对称的直线分型模2.2 确定公差和加工余量 1、估算锻件质量，由表查出碳钢类密度为,计算锻件重量为1.296kg。锻件为45号钢。材质系数为m1。2、锻件材质系数0.65%c长、宽、高外表面尺寸的正负偏差大致按+2/3和-1/3,的比列分配。3.、锻件复杂系数：圆柱体的最大长度为128mm，最大低面直径为40.6mm，所以体积为165627 mm3。s=3410/3191=1.06，为一级，复杂系数s1查有关手册得，高度公差为mm；长度公差mm；宽度公差与高度公差一致。零件需磨削加工，加工精度为f2，有参考文献差得高度及水平尺寸的单边余量约为1.72.2mm，取2mm。外表面加工余量：查有关手册直径方向为2.02.5mm取2.0mm；水平方向为为2.02.5mm取2.0mm。锻件的复杂系数按下表1-4查得。表4-4 锻件形状复杂程度等级级别代号形状复杂系数值形状复杂程度s10.631简单s20.320.63一般s30.160.32较复杂s40.16复杂2.3 模锻斜度 零件图上的技术条件已注明模锻斜度为7。2.4 圆角半径 锻件上的圆角可使金属容易充满模膛，起模方便和延长模具使用寿命。圆角半径太小会使锻模在热处理或使用中产生裂纹或压塌变形，在锻件上也容易产生折纹。同时为了加工方便同一锻件圆角的选取要与铣刀相配。为了使金属易于流动和充满型槽，提高锻件质量并延长锻模寿命，模锻件上的所有转接出都用圆弧连接。r=余量+零件相应处圆角半径或倒角外圆角半径r=2+零件相应处圆角半径或倒角，内圆角半径=（23）r，其余部位的圆角半径取1.5mm4。2.5 技术条件（1）图上未标注的模锻斜度7；（2）图上未标注的圆角半径r2；（3）允许的错移量0.6mm；（4）允许的残留毛边量0.7mm；（5）允许的表面缺陷深度0.5mm；（6）锻件热处理:调质hb230260；（7）锻件表面清理:为便于检查淬火裂纹,采用酸洗。根据余量和公差,绘制锻件图。热锻件图2.6 计算锻件的主要参数利用cad求出锻件的基本数据如下：(1) 锻件在平面上的投影面积为5120mm2;(2) 锻件周边长度为374mm ;(3) 锻件体积为165627 mm3;(4) 锻件质量为1.296kg。3 锤用锻模设计3.1 选择飞边槽在开式模锻中一般要设置飞边槽，飞边槽的作用如下：造成足够大的水平方向阻力，迫使金属充满型槽，保证锻件尺寸准确；容纳多余的金属，在金属完全充满型槽之后，尚有多余金属需要排出，这时靠毛边仓部来容纳多余的金属；锻造时飞边起缓冲作用，减弱上下模的打击，防止模具的压塌和开裂。图6-6 飞边槽结构图（形式i）3.2 确定钳口按表13-6选择钳口尺寸b=60mm，h=25，=10mm，由于钳口设置在杆部小头处，大头的体积比较大，故调整钳口尺寸为b=80mm，h=25， =10mm。按表13-7查得，钳口颈尺寸a=2mm，b=8mm，l=18mm。具体尺寸如图5.2：图5.2 钳口表13-6 钳口尺寸钳口夹头直径d/mmb/mmh/mmr0/mm1818282835354040505055556060656575758585909510510511550607080901001101201301401501601702025303540455055606570758010101015151515151520202020表13-7 钳口颈尺寸锻件质量/kgb/mma/mml/mm0.20.2223.53.5556.5658080100567810121411.522.533.54l0.5f0s0锻件外壁最小厚度3.3 确定终锻型槽 终锻形槽是各种型槽中最重要的型槽，用来完成锻件最终成型，终锻件图按热锻件图加工和检验，所以设计终端形槽须先设计热锻件图。1.热锻件图的设计热锻件图以冷锻件图为依据，但又有所区别。首先热锻件的尺寸标注，高度方向尺寸标注以分模面为基准，以便于锻模机械加工和准备检验样板。其次考虑到金属的冷缩现象，热锻件图上的所有尺寸应计入收缩率，按下列公式计算：式中 热锻件尺寸； 冷锻件尺寸；终锻温度下的金属收缩率，取1.5%；特别注意无坐标圆角半径，不加放收缩率。所以终锻形槽及热锻件图见装配图的画法终锻型槽3.4 滚挤型槽设计 滚挤型槽设计：采用开式滚挤。1.型槽高度，计算的结果列于表中，按截面的高度绘制滚挤型槽纵剖面外形，然后用圆弧或直线光滑连接，并适当简化。2.毛刺槽的尺寸的确定，根据锻模设计手册，选取毛刺槽尺寸如下：表5-1 毛刺槽尺寸参数a(mm)c(mm)b(mm)r3r4数值625401063.夹钳口尺寸的确定： (5.2.1) (5.2.2) (5.2.3)型槽的长度等于计算毛坯图的长度。制胚模膛3.5 切断型槽设计由于采用单件模锻（一件坯料锻制一件模锻件的模锻方案），需要设计切断模膛，切掉单件模锻时在棒料上留下的锻钳夹头。锻钳夹头在切边时作为废料和飞边一起切掉。 切断型槽位于模具一角，斜度为15度、切断型槽4 锤上模锻工艺设计锤上模锻工序包括三类公步：模锻公步、制胚公步、切断公步。其中制胚公步为最主要的任务，而计算毛坯为解决问题的关键。4.1 确定模锻锤的吨位总变形面积为锻件在平面图上的投影面积与毛边面积之和，按1t2t锤毛边槽尺寸考虑，假定毛边乔部宽度为23mm，总面积f=5120+380*23=14688mm2按双作用模锻锤吨位确定的经验公式g=（3.56.3）k*f确定段位吨位因销轴生产量大，需生产效率高故去交大的系数6.3取k=1，于是： g=6.3*1*146.8=924.84 选用1t锤。4.2 确定毛边槽尺寸 飞边槽尺寸的确定方法有吨位法和计算法，采用计算法，准确性好。 ，q为锻件质量（kg）；则有， 。查锻造工艺学与模具设计第129页，表4-15 按桥部高度h确定的飞边槽尺寸（参见图3-6)选定飞边槽尺寸为 (锻件飞边平均截面积)。表4-15 按桥部高度h确定的飞边槽尺寸（参见图6-6）高度尺寸/mm圆角r1/mm宽度尺寸/mm入口处型槽深一、镦粗成型二、压入成型三、形状复杂hh140bb1fmax/mm2bb1fmax/mm2bb1fmax/mm20.63111.56185262061822740.8311.51.56206972277925881.0311.52.0722808259110281041.63.511.52.082210292511311301552.041.52.02.5925136102815312321773.051.52.02.51028201123223314382784.0622.53.11130268143834416423855.0722.53.11232343154043418465066.082.53.03.51335435164253020506427.01033.54.01438601184674522559028.01233.54.01540768205098825601208注：表中fmax为飞边槽截面积。h=2mm;h1=4mm;b=10mm;b1=25mm;r=1.5mm;计算出飞边的截面积:=265mm2 飞边的体积: =2653740.7=69377mm34.3 绘制计算毛坯图由于惰轮轴结构简单，毛坯尺寸可直接估算出。为了精确只取6个截面即可。长轴类锻件终锻前，最好先将等截面的原材料沿轴向预制成近似锻件各截面面积不等截面的中间毛坯，使中间毛坯上的每一横截面面积等于带毛边锻件的相应截面积，以保证终锻时，锻件各处充填饱满，毛边均匀，从而节省金属，减轻模锻型槽的磨损。按上述要求计算的坯料，通常称为计算毛坯。计算毛坯可用计算毛坯截面图与计算毛坯直径图表示。 计算毛坯的依据是，假定轴类件在模锻时属平面应变状态，因而计算毛坯的长度与锻件长度相等，而轴向各截面面积与锻件上相应截面面积和毛边截面积之和相等，即： 式中第i个截面的计算毛坯截面积； 锻件上第i个截面的面积； 锻件上第i个截面处毛边的截面积；充满系数，形状简单的锻件取0.30.5 ，形状复杂的取0.50.8 ，常取0.7 。 i=1，2，3 1、选择适当的缩尺比m，求出代表各截面面积的高度，即：，缩尺比m通常选用2050，此锻件缩尺比取了100。2、计算毛坯的体积 =69377+165627=235004mm33、计算毛坯的平均截面积 =235004374=628.352mm2 4、计算毛坯的平均截面边长25mm5、 计算毛坯的各截面 见表 6、计算毛坯各截面直径 （mm）见表 计算毛坯图截面图所围成的面积即为计算毛坯体积，得400631。表10-2 毛坯计算出来的数据断面号/2/= +2/=/修正/修正/kh=k/1058058022.360.7516.7821293.965801873.6640.49180030.50.7522.8732372.585802952.5855.133000320.7524.14934.355801514.3536.6015200.7527.455589.355801169.3538.151200401.145.276058058022.360.7516.784.4 计算繁重系数，选择制坯工步材料变形过程中的繁重系数与与材料本身的材质系数相关。根据公式： =ama/a均=1.44 =l计/a均=2.24 (3.4.3)式中金属流向头部的繁重系数；金属沿轴向流动的繁重系数；杆部斜率；计算毛坯的最大直径,72.3(mm)；计算毛坯的最小直径25.6(mm)；杆部与头部转接处的直径，又称为拐点处直径62.14(mm);计算毛坯的杆部长度, 167.5(mm)其中 ,，根据计算毛坯截面图求出为151.mm.3 值越大，表明金属流到头部的金属体积愈多；值愈大，则轴向流动的距离愈长；k值愈大，表明杆部锥度大，小头一端的金属愈为过剩；锻件质量g愈大，表明金属量大，制坯更困难。因此繁重系数代表了制坯时需转移金属量的多少，金属转移时的难易程度，作为选择制坯工步的依据。 模锻时，坯料按照锻件的复杂程度和具体生产条件，在锻模的一系列模膛中逐步变形，最后成为锻件。坯料在每一模膛中的变形过程叫做模膛工部，而工部的名称与所用模膛的名称是相应一致的。此锻件长度与截面相差较大，为长轴类锻件，查表确定制坯工步为拔长，滚挤，模锻工步为终锻。拔长后进行滚压，使坯料表面光滑，氧化皮去处干净，金属分配准确，防止锻件产生折叠，终锻模膛布置在锻模打击中心上以减少错移。根据以上所算数据，查表确定制坯工步为滚挤，模锻工步为终锻。 4.5 确定坯料尺寸f拔=v头/l头=12271.8420/130=1887.98毛坯截面积;计算毛坯头部最大尺寸处截面积, 3954mm2;=0.84094=3275mm2 1根据坯料的制坯工步采用圆形坯料其直径查表取标准直径=64.9mm。查表取烧损率=3%，在室内电炉中加热。钳头长度=（11.5）=70mm所以坯料长度：=209.4mm，取215mm。原材料尺寸为12060。5 锻模结构设计（1）型槽布置方式：模锻此摇臂的2t模锻锤机组，加热炉在锤的右方，故拔长型槽布置在右边，滚挤型槽布置在锻模左边，拔长型槽、滚挤型槽应以终锻型槽为中心左右对称排布，并尽可能使型槽中心与打击中心重合。（2）模块尺寸的选择：承击面：查教材表4-29得，2吨锤的最小承击面为500cm2 ,承击面积为模块在分模平面上的面积减去各型槽，毛边槽，锁扣和钳口所占面积。经计算符合要求。模块尺寸规格：模块高度根据型槽最大深度和锻锤的最小闭合高度确定。这是由于上下模块的最小闭合高度应不小于锻锤允许的最小闭合高度，由教材表4-34查得2t锻锤的最小闭合高度为400 mm。考虑到锻模翻修的需要，锻模总高度h模= （1.351.45）hmin=580mm；模块长度l=560mm；模块宽度b=500mm。 （3）燕尾槽、键槽和起重孔等尺寸按标准选取，具体数据见表5-2。表5-2 锤锻模燕尾b/mmh/mmb1/mmds(mmmm)30065.5753060燕尾槽、其重孔等尺寸按标准选取，具体见装配图。锁扣的设计：（根据有关手册按标准选取）锁扣高度h=锻件分模面的落差高度=21mm锁扣的厚度锁扣的斜度锁扣间隙锁扣非导向侧面间隙锁扣沿分模面非打击面上的间隙锁扣内圆角锁扣的外圆角3表13-5 蒸汽-空气模锻锤的技术规格落下部分质量/kg10002000300050001000016000最大打击能量/j2500005000075000125000250000400000锤头最大行程/mm120012001250130014001500最小闭合高度（不计燕尾）、mm220260350400450500导轨间距离/mm50060070075010001200锤头高度/mm450700800100012002000锤头前后方向长度/mm450700800100012002000模座前后方向长度/mm70090010001200140002110打击频率（次/min）8070-605040蒸汽绝对压力/pa(68)x105(68)x105(79)x105(79)x105(79)x105(79)x105允许温度/-200200200200200砧座质量/kg202504000051400112547235533325852总质量（不计砧座）/kg116001700026340437937573796235外形尺寸（前后左右地面高度）/(mmmmmm)2380x1380x50512960x1670 x54183260x1800x60352090x3700x65604400x2700x74604500x2500x7894 模具总图6 锻前加热锻后冷却及热处理要求的确定5.1 确定加热方式，及锻造温度范围 在锻造生产中，金属坯料锻前加热的目的：提高金属塑性，降低变形抗力，即增加金属的可塑性，从而使金属易于流动成型，并使锻件获得良好的组织和力学性能。金属坯料的加热方法，按所采用的加热源不同，可分为燃料加热和电加热两大类。根据锻件的形状，材质和体积，采用半连续炉加热。 金属的锻造温度范围是指开始锻造温度（始锻温度）和金属锻造温度（终锻温度）之间的一段温度区间。确定锻造温度的原则是，应能保证金属在锻造温度范围内具有较高的塑性和较小的变形抗力。并能使制出的锻件获得所希望的组织和性能。查有关资料确定锻件的始段锻温度为1200，终锻温度为800。5.2 确定加热时间 加热时间是坯料装炉后从开始加热到出炉所需的时间，包括加热个阶段的升温时间和保温时间。在半连续炉中加热，加热时间可按下式计算： 式中 d坯料直径或厚度（cm） 钢化学成分影响系数，取0.13（h/cm）;5.3 确定冷却方式及规范 按照冷却速度的不同，锻件的冷却方法有3种：在空气中冷却，冷却速度快；在灰沙中冷却，冷却速度较慢；在炉内冷却，冷却速度最慢。根据本锻件的形状体积大小及锻造温度的影响，选择在空气中冷却。5.4 确定锻后热处理方式及要求 锻件在机加工前后均进行热处理，其目的是调整锻件的硬度，以利锻件进行切削加工，消除锻件内应力，细化晶粒等。根据锻件的含碳量及锻件的形状大小，采用在连续热处理炉中，调质处理。可使锻件获得良好的综合力性能。7 确定模具材料及热处理的要求锻模是生产模锻件的必要工具，它的工作材料恶劣，不仅承受很大的冲击载荷，而且在高温下受到流动金属的摩擦，同时