AlCrN复合刀具涂层的制备及切削性能研究说明书
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IAlCrN 复合刀具涂层的制备及切削性能研究摘要模具行业在我国现阶段机械制造行业中扮演着极为重要的角色，为适应社会之所需，无论是在塑料模具，还是锻造模具等各模具行业中，其总体设计框架是千篇一律的。锻模行业经过了几年的发展，在某些技术上已经取得了较大的突破，但是毕竟还属于传统制造业，还依然存在机械加工的诟病，比如说机加工精度达不到要求，模具设计时的种种不合理导致的脱膜不便。为此本论文意在解决当前传统机械加工方面的精度问题及模具设计问题，尤其为了后面的实际锻造，做了有效的有限元分析，以保证模具锻造精度达到要求，并且也综合了 CAD/CAE 模具技术的应用。本论文以长安汽车万向节叉终锻模具为例采用了锻造工艺设计方法，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、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，以至于通过在不同温度范围和不同的应力范围与其分别对应的温度场云图和应力场云图各自之间相互对比作出相应的分析，为后续的锻模设计做好准备。为了适用当前社会的机械行业发展需要，在设计的同时进行了适应于现代化工业加工生产设备的配套工艺方案。关键词：CAD/CAE ；模具；万向节叉；热应力IIAbstractThe mold industry plays an extremely important role in the machine manufacturing industry at the present stage of our country. In order to meet the needs of the society, whether it is in the plastic mold, or forging. In the mold industry, the overall design framework is uniform. After several years of development, forging die industry has made a great breakthrough in some technology, but it still belongs to the traditional manufacturing industry, still still exists the criticism of mechanical processing, for example, the machining accuracy is not up to the requirements, the mold design is not reasonable caused by the inconvenience of the film removal. Therefore, the purpose of this paper is to solve the problem of the precision of the traditional machining and the design of the die. In particular, for the actual forging behind, an effective finite element analysis is made to ensure the precision of the die forging to meet the requirements, and the application of the CAD/CAE die technology is also integrated. In this paper, the forging process design method is adopted as an example of the final forging die of Changan automobile universal joint fork. Through the knowledge learned in this major and the application of SolidWorks2016 software to the 3D modeling of the parts of the forging parts, the upper and lower dies of the die and the two-dimensional drawing of the soft parts of the Auto-CAD2014 is made, and the detailed description is made. Workbench 15 finite element software is used to analyze the temperature field and the distribution of thermal stress field in the forging parts so that the corresponding analysis is made between the temperature field and the stress field in different temperature range and different stress range corresponding to the temperature field and the stress field, so that the subsequent forging die design is well designed. Get ready。In order to meet the development needs of the machinery industry in the current society, a matching process plan adapted to modern industrial processing equipment was also designed. Keywords: CAD/CAE，mould universal，joint fork，thermal stressIII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 -42.2.1 零件材料 -62.2.2 主要表面分析及技术要求 -62.2.3 零件特点 -62.3 计算坯料的质量与尺寸 -62.3.1 坯料质量的计算 -62.3.2 坯料尺寸的计算 -62.4 模锻压力与切边压力的确定 -72.4.1 模锻压力确定 -72.4.2 切边压力的确定 -72.5 锻造工序的选择 -82.6 锻前加热、锻后冷却及热处理要求的确定 -92.6.1 确定加热方式，及锻造温度范围 -92.6.2 加热时间及冷却方式的确定 -102.7 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 -13IV3.2.3 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 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。3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
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