曲轴终锻模设计及其数控加工仿真论文

摘要 在科技突飞猛进的 21 世纪，越来越多的先进制造方法应用于传统加工工艺中，为机械领域的发展提供了新的方向。本文主要阐述了锻造模具的数控加工及其发展趋势，并简单介绍了锻造的生产过程以及发展方向。本文重点介绍了汽车发动机曲轴终锻模具的设计制造方法，以及各种软件在曲轴终锻模具设计和加工中的应用。首先利用 轴零件、锻件、锻造模块等 进行实体建模，然后利用 件对模具型腔进行数控加工仿真，最后在 件中生成 曲轴 二维零件图 ，锻件图 ， 模块图和 装配图 。而对曲轴模腔的实体建模过程以及模腔 的 数控 加 工仿真过程做出的重点叙述，说明了 现代制造业中的应用。 关键词：发动机曲轴 终锻模 数控加工仿真 n 1st of in of a on of on of a of of of G C in to so to of of in NC 录 摘要 . I . 录 . I 第 1 章 绪论 . 1 述 . 1 内外曲轴加工技术的现状及发展 . 1 内外曲轴加工技术的现状 . 1 内外曲轴加工技术展望 . 3 课题研究的目的意义 . 4 第 2 章 曲轴设计 . 5 轴的工作条件和材料的选择 . 5 轴的工作条件和设计要求 . 5 轴的材料 . 6 轴强化的方法 . 6 轴主要尺寸的确定和结构细节设计 . 6 要尺寸的确定 . 7 轴两端设计 . 8 第 3 章 曲轴终锻模设计 . 10 定锻件图 . 10 算锻件的主要参数 . 11 备选定 . 11 锻模膛设计 . 12 轴的实体建模 . 13 轴的锻件实体建模 . 13 轴模块实体建模 . 15 具装配所需的其它零件的结构设计和实体建模 . 15 模架 . 15 模架 . 17 板 . 18 压板 . 19 挡板 . 20 向装置 . 20 杆 . 23 体建模装配 . 24 第 4 章 曲轴模膛数控加工仿真 . 25 锻模模膛数控加工 . 25 成 G 代码及刀具路径后处理 . 28 结论 . 32 参考文献 . 33 致谢 . 34 第 1 章 绪论 述 曲 轴 ，引擎的主要旋 转 机件， 装 上 连 杆后，可承接 连 杆的上下 (往复 )运动变 成循 环 (旋 转 )运动 。它是 发动 机上的一 个 重要的机件，其材料是由碳素结 构 钢 或球墨 铸铁制 成的， 有两个 重要部位：主 轴颈 ， 连 杆 颈 ，（ 还 有其它）。主 轴颈 被安 装 在缸体上， 连 杆 颈 与 连 杆大 头 孔 连 接， 连 杆小 头 孔与汽缸活塞 连 接，是一 个 典型的曲柄滑 块 机构。曲 轴的润 滑主要是指与 摇 臂 间轴瓦 的润 滑和 两头 固定 点的润 滑。曲 轴 的旋 转 是 发动 机的 动 力源，也是整 个 机械系 统 的源 动 力。 内 外曲 轴加 工技 术 的 现状 及 发 展 摘要：曲 轴是内 燃机 发动 机中 的关键 零件之一，其 是内 燃机中最 难 加工的工件之一。介 绍 了 国内 外的曲 轴在 生 产 制 造环节 中的 强 化 工艺 和机械加工技 术现状 ，先 进 的生 产设备 ，并 对 未 来 制造技 术的发 展提出了展望。 关键词 ：曲 轴 、加工技 术 、 强 化 工艺 、机械加工。 引言：曲 轴是内 燃 发动 机中 的关键 零件之一， 也是内 燃机中最 难 加工的工件之一。曲 轴在发 动 机中 是将 活塞 连 杆的往复 运动变为 旋 转运动 ，其在工作 过 程中 会 不 断承受 很大的 弯 曲 应 力和扭 转应 力，且受力情 况 异常复 杂 。所以对 曲 轴 的抗拉 强 度、 刚 度、耐磨性、耐疲 劳 性以及 冲击韧 性等都提出了更高的要求。曲 轴 的主要失效形式是 轴颈磨损 和疲 劳断 裂，因此 对 曲 轴 在生 产制 造环节强 化 工艺 技 术 和机械加工技 术 同 样 都有 着 更高的要求。 内 外曲 轴加 工技 术 的 现状 目前 车 用 发动 机曲 轴材质 主要有球墨 铸铁和钢两类 。由于球墨 铸铁 曲 轴成 本只有 调质钢 曲 轴成 本的 1/3 左右，且球墨 铸铁 的切削性能良好，可 获 得较 理想的 结 构形 状 ，并 且和钢质曲轴一样 可以 进 行各种 热处 理和表面 强 化 处理来 提高曲 轴 的抗疲 劳强 度、硬度和耐磨性。所以球墨 铸铁 曲 轴在国内 外得到了 广泛应 用。据 统计数 据 显 示， 车 用 发动 机曲 轴 采用球墨 铸铁 材 质 的比例在美 国为 90%，英 国为 85%，日本 为 60%，此外，德 国 、比利 时 等 国 家也已经 大批量采用。 国内 采用球墨 铸铁 曲 轴 的 趋势则 更加明 显 ，中小型功率柴油机曲 轴 85%以上采用球墨 铸铁 ，而功率在 160上 的发动 机曲 轴 多采用 锻钢 曲 轴 。 曲 轴 的 强 化 工艺 技 术 目前 国内 外曲 轴常见 的 强 化 工艺 大致有如下几种： 氮化 处 理。氮化能提高曲 轴 疲 劳强 度的 20% 60%。 喷 丸 处 理。曲 轴 经喷 丸 处 理后能提高疲 劳强 度 20% 40%。 圆 角与 轴颈 同 时 感 应 淬火 处 理。 该强 化方式 应 用于球墨 铸铁 曲 轴时 ，能提高疲 劳强 度 20%，而 应 用于碳 素结 构 钢 曲 轴时 ， 则 能提高 上。 圆 角 滚压处 理 球。墨 铸铁 曲 轴 经圆角该压 后 寿命 可提高 120% 300%， 碳 素结 构 钢 曲 轴 经圆 角液 压 后 寿命 可提高 70% 150%。曲 轴圆 角 滚压强 化 工艺 主要包括曲 轴圆 角 滚压 和曲 轴滚压 校正 两 部分。在 滚压过 程中 ， 由伺服 传动 系 统 控制曲轴 旋 转 的 转 速和旋 转 角度 ， 同 时 由液 压 伺服控制系 统 控制液 压过 程的 压力负载 ，使每 个主轴颈 和 连 杆 颈 依次完成整 个滚压过 程。 对弯 曲 曲 轴 的校直 处 理首先要 检测 曲 轴 的 弯曲变形数 据即 弯 曲度的大小和相位方向 ， 然后用 摆 差 传 感器 检测各 主轴颈处 的 摆 差 ， 继而 由 专 家系 统数 据 库对摆 差 数据进 行分析 处理并给 出校直方案 ， 即 给 出在某几 个主轴颈 或 连 杆 颈 上的再施 压 方案 ， 从 而利用此施 压 方案重新按 压产 生新的 变形来 消除曲 轴 的 弯 曲。 国 外 应 用的 圆 角 滚压 技 术 已相 当 先 进 ，可一次完成 对 所有 圆 角的 滚压 ，且可做到主 轴颈 与 连 杆 轴颈圆 角的 压力 不同，同一连 杆 轴颈圆 角在不同方向上的 压力 也可不同。 这样 可 经济 地 达 到最佳的 滚压 效果，最大限度地提高曲 轴 的抗疲 劳强 度。 经 德 国赫 根塞特（ 司定，球 膜铸铁 曲 轴经滚压 后 寿命 可增至 100% 280%。 复合 强 化 处 理。它是指 应 用多种 强 化 工艺对 曲 轴进 行 强 化 处 理 ， 球墨 铸铁 曲轴 采用 圆角该滚压工艺 与离子氮化 工艺结合 使用 ， 可使整 个 曲 轴 的抗疲 劳强 度提高 130%以上。 曲 轴 的机械加工技 术 曲 轴 主 轴颈 和 连 杆 轴颈 的粗加工、半精加 工工艺 和精加 工工艺 ， 大体分 为 以下几种 ： 传统 的曲 轴 主 轴颈 及 连 杆 轴颈 的多刀 车削 工 艺 。生 产 效率和自 动 化程度相 对较 低。粗加 工设备 多采用多刀 车床车削曲轴 主 轴颈 及 连 杆 轴颈 ，工序的 质 量 稳 定性差，容易 产 生 较 大的 内应 力， 难 以 达 到合理的加工余量。一般精加 工采用曲 轴磨 床，通常靠手工操作，加工 质 量不 稳 定，尺寸的一致性差。老式生 产线 的主要特 点 是普通 设备 多， 导 致 产 品生 产 周 期长 、 场 地占用面 积 大，且完全是靠多台 设备 分解工序和余量 来 提高生 产 效率。 数 控 车削工艺 。 数 控 车削设备价 格相 对 便宜，不需要复 杂的 刀具，但只适合小批量生 产。 数控内铣铣 削 工艺 。 内铣设备价 格 较 高，刀具 费 用也很高，但适合大批量生产。 数 控 车 拉、 数 控 车 车 拉 工艺 。其突出优 点 是可 对宽轴径进 行分 层 加工，切削效率高，加工 质 量好，但 车 拉刀具 结 构复 杂， 技 术含 量高，并且 长期 依靠 进口， 好处 是可集 车 车 拉 工艺 加工 连 杆 轴颈要 两 道工序于一起。 工艺 。 数 控高速外 铣 是 20世 纪 90年代 新兴 起 来 的一种新型加 工工艺 ， 其适用范 围广 ，特 别双 刀 盘数 控高速外 铣 以其加工效率高、加工 质 量 稳定、自 动 化水平高，已成 为当 前是曲 轴 主 轴颈 和 连 杆 轴颈 粗加工 的发 展方向。就比 较 而言， 车 拉 工艺 加工 连 杆 轴颈 要二道工序， 只要一道工序就能完成，切削速度高（目前最高可 达 350m/切 削时间较 短、工序循 环时间较 短、切削 力较 小、工件 温 升 较 低、刀具 寿命 高、 换 刀次 数 少、加工精度更高、柔性更好。如德 国 专为 汽 车发动 机 曲 轴设计 制造的柔性的高速 随动数 控外 铣 床 15 该设备应 用工件回 转 和 铣 刀 进给 伺服 连动 控制技 术 ，可以一次 装夹 不改 变曲轴 回 转 中心 随动 跟 踪铣 削曲 轴 的 连 杆 轴颈 。其采用一体化复合材料 结 构床身，工件 两 端 电 子同步旋 转驱动 ，具有干式切削、加工精度高、切削效率高等特 点 ；使用 40D ， 设备 操作 说 明 书在 人机界面上， 通 过输 入零件的基本 参数 即可自 动 生成加工程序，可以加工 长度 450 700 转 直 径 在 380 的各种曲 轴 ， 连 杆 轴颈 直 径误 差 仅为 数 控曲 轴磨 削 工艺 。精加工使 用数 控磨床 ， 采用 静压主轴 、 静压导轨 、 静压进给丝 杠 （ 砂轮头 架 ） 和 线 性光 栅 死循 环 控制等控制 装 置 ， 使各尺寸公差及形位公差得到可靠的保 证 ， 精加工 还广泛 使 用数 控砂 带抛 光机 进 行超精加工 ， 经 超精加工后的曲 轴轴颈表 面粗糙度至少提高一 级 精度。如 磨 床是日本发 生 产 的 专用 曲 轴磨 床 ， 是 为 了 满 足多品种、低成本、高精度、大批量生 产 需要而 设计 的 数 控曲 轴磨 床。 该 磨床 应 用工件回 转 和 砂轮进给 伺服 联动控制技 术 ， 可以一次 装夹 而不改 变曲轴 回 转 中心即可完成所有 轴颈 的磨削 ， 包括随动 跟 踪 磨削 连 杆 轴颈 ； 采用 静压主 轴 、 静压导轨 、 静压进给丝 杠 （ 砂轮头 架 ）和 线 性光 栅 死循 环 控制 ， 使用 机生 产 的 ， 磨削 轴颈圆 度精度可 达 到 采用 磨 削线 速度高 达 120m/s， 配 双砂轮头 架 ，磨削效率极高。 内 外曲 轴 加工技 术 展望 美 国 、德 国 、日本等汽 车工业发达国 家都致力于 开发绿 色 环 保、高性能 发动机，目前各 个 厂家采用 发动 机增 压 、 扩 缸及提高 转 速 来 提高功率的方法，使得曲轴 各 轴颈 要在很高的比 压下 高速 转动 ， 发动 机正向 着 增 压 、增 压 中冷、大功率、高可靠性、低排放方向 发 展。曲 轴 作 为发动 机的心 脏 ，正面 临着 安全性和可靠性的严 峻挑 战 ， 传统 材料和制造 工艺 已 无 法 满 足其功能要求，市 场对 曲 轴材质 以及毛坯加工技 术 、精度、表面粗糙度 、热处 理和表面 强 化、 动 平衡等要求都十分 严格 。如果其中任何一 个环节质量没 有得到保 证 ， 则可严 重影 响 曲 轴 的使用 寿命 和整机的可靠性。世界汽 车工业发达国 家 对 曲 轴 的加工十分重 视 ，并不 断 改 进曲轴加工工艺 。 随着 国内 曲 轴 生 产 厂家已 经 意 识到形势 的 紧 迫性，引 进了 为数 不少的先 进设备 和技 术 ，以期提高 产 品的整体 竞争 力，使得曲 轴 的制造技术 水准有了大幅提高，特 别 是近 5年 来发 展更 为 迅猛。 目前 国内轿车曲 轴 生 产线多为 高速柔性生 产线 这 种生 产线 的特 点 是 不仅 可以加工同系列曲 轴 ， 而且还 可加工 变 型 产 品、换代产 品和新 产 品，真正具 备 柔性意 义 。 为进 一步提高高速柔性生 产线 的生 产 效率，更快的 适应 市 场 ， 发 展是敏捷柔性生 产线 其主要目的是： 满 足市 场变 化的需求。不但 满 足 当 前 产 品的要求 ，还应 考 虑未 来 市 场 需求。 满 足生 产 方式的需求。能 满 足 现 代 发动 机“多品种、大中批量、高效率、低成本”的生 产 需求。符合“精益 生 产 ”的 原则 。杜 绝 浪 费 ，用最少投资 、最大回 报谋 取利 润 。由 于发动 机曲 轴 自身 结 构的特殊性，曲 轴 备 以下特 点 ：由高速加工中心和 高效专用 机床（含少量 组 合机床） 组 成。按 工艺 流程排列机床并由自 动输 送 装 置 连 接，采用柔性 夹 具和高 效专用刀 具生 产。为防止关键 工序 设备 故障造成全 线 停 产 ，可增 设 平行 设备 增 补 ，亦能 满 足大批量生 产 的需要。 课题研 究的目的意 义 发动 机曲 轴 的加工 质 量 对发动 机的功效尤 为 重要，曲 轴 是 发动 机中承受 冲击载 荷、 传递动 力的重要零件，是 发动 机的心 脏 ，它需要承受活塞通 过连 杆 传来 的力， 将 活塞的往复 运动变为 旋 转运动 ，并 将这 一旋 转运动传递给其它 部分，其工作是的受力情 况 非常复 杂， 在 发动 机各 个 部件中最 难 以保 证 加工 质 量。由于曲 轴工作 条 件 恶 劣，因此 对 曲 轴材质 以及毛坯加工技 术 、精度、表面粗糙度 、热处 理和表面 强 化、 动 平衡等要求都十分 严格 。如果其中任何一 个环节质量没 有得到保证 ， 则可严 重影 响 曲 轴 的使用 寿命 和整机的可靠性。 锻 造作 为 金 属 加工的主要方法和手段之一 。 在 国 民 经济 中占 有举 足 轻重 的地位 ， 是 装备 制造 业 ， 特 别 是机械 、 汽 车 行 业 ， 以及 军工 、 航空航天 工业中不 可或缺的主要加 工工艺 。 随着经济结 构 调 整的不 断 深化 ， 特 别 是作 为 支柱 产业 的汽 车制 造 业 的大 发 展 ， 为 我 国 的 锻 造 业营 造了非常好的机 会 ， 近几年在 设备 制造技 术和加工技 术 上都有了很大的 进 展 ， 行 业 的 竞争 力得到提升 ， 某些方面的技 术 水准已进 入世界先 进 行列。 锻 造的目的是使坯料成形及控制其 内 部 组织 性能 达 到所需几何形 状 、尺寸以及 质 量的 锻 件。曲 轴经过锻 造， 质 量大大提高，使用 寿命 和整机的可靠性也大大提升。作 为发动 机的心 脏 曲 轴 ，可以使 发动 机的功效 尽 可能 发挥 到最好。 第 2 章 曲 轴设计 曲 轴 是 发动 机中最重要的机件之一。它的尺寸 参数在很 大程度上 不仅 影 响着发动 机的整体尺寸和重量，而且也在很大程度上影 响着发动 机 的可靠性与 寿命 。曲 轴 的破坏事故可能引起 发动 机其它零件 的严重损 坏，在 发动 机的 结 构改 进 中，曲 轴 的改 进 也占有重要地位。 随着内 燃机 的发 展 与强 化，曲 轴 的工作 条 件越 来 越恶 劣了。因此，曲 轴 的 强 度和 刚 度 问题 就 变 得更加 严 重了。在 设计 曲 轴时 ，必 须正确 选择 曲 轴 的尺寸 参数 、 结 构型式、材料与 工艺 ，以 求获 得 经济 最合理的效果。 轴 的工作 条 件和材料的 选择 轴 的工作 条 件和 设计 要求 曲 轴 是在不 断 周期性 变 化的气体 压力 、往复和旋 转运动质 量的 惯 性力以及它们 的力矩共同作用下工作的， 从 而使曲 轴 既扭 转 又 弯 曲， 产 生疲 劳应 力 状态；对内 不平 衡 的发动 机曲 轴还承受内弯 矩和剪力；未采取扭 转 振 动减 振措施使曲 轴还可能作用 着 幅值 较 大的扭 转 振 动弹 性力矩。 这 些 载 荷都是交 变 性的，可能引起曲轴 疲 劳 失效。 实践表 明， 弯 曲 载 荷具有 决定 性作用， 弯 曲疲 劳 失效是主要破坏形式。因此曲 轴结 构 强 度的研究重 点 是 弯 曲疲 劳强 度，曲 轴设计 上要致力于提高曲轴 的疲 劳强 度。 曲 轴 形 状 复 杂，应 力集中 现 象相 当严 重，特 别 在 连 杆 轴颈 与曲柄臂的 过 渡 圆角 处和润 滑油孔出口附近的 应 力集中尤 为 突出。通常的曲 轴断 裂、疲 劳裂 纹 都始于 过 渡 圆 角和油孔 处 。 图1弯 曲疲 劳 破坏和扭 转疲 劳 破坏的情 况 。 弯 曲疲 劳 裂 缝从轴颈 根部表面的 圆 角 处发 展到曲柄上，基本上成 450折 断 曲柄；扭 转 疲 劳 破坏通常是 从 机械加工不良的油孔 边缘开始，约 成 450剪 断 曲柄 销 。所以，在 设计 曲 轴时 ，要特 别 注意 设法缓 和 应 力集中 现 象， 强 化 应 力集中部位。 曲 轴 各 轴颈在很高 的比 压下 ，以很大的相 对 速度 在轴 承中 发 生滑 动 摩擦。 这些 轴 承在 实际变 工 况运转条 件下并 不总能保证为液 体摩擦，尤 其当润 滑油不洁 净时 ， 轴颈表 面遭到 强 烈的磨料磨 损 ，使得曲 轴 的 实际 使用 寿命 大大降低。所以，设计时 ，要使其各摩擦表面耐磨，并匹配好适 当 材料的 轴 瓦。 曲 轴 是曲柄 连 杆机构中的中心 环节 ，其 刚 度亦很重要 。如果曲 轴弯 曲 刚 度不足， 则可 能 发 生 较剧 烈的 弯 曲振 动 ，使活塞 连 杆和 轴 承的工作 条 件大 为恶 化，影响这 些零件的工作可靠性和耐久性，甚至使曲 轴 箱局部 应 力 过 大而 开 裂。曲 轴 的扭 转刚 度差， 则可 能在工作 转 速范 围内产生强 烈的扭 转 振 动 。 轻则 引起噪音，加图 2曲 轴 的疲 劳 破坏 a） 弯 曲疲 劳 破坏 b）扭 转 疲 劳 破坏 速曲柄 上齿轮 等 传动 件的磨 损 ；重 则使 曲 轴断 裂。所以， 设计时 ， 应 保 证 它 有尽可能高的 弯 曲 刚 度和扭 转刚 度。 由于曲 轴 受力复 杂， 几何 断 面形 状 比 较 特殊，在 设计时 ，至今 还没 有一 个 能反映客 观实际 的 理论 公式可供通用。因此，目前曲 轴 的 设计 主要是依靠 经验来设计 。 轴 的材料 在结 构 设计 和加 工 工艺 正确合理的 条 件下，主要是材料 强 度 决定着 曲 轴 的体积 、重量和 寿命 。因此，必 须 根据 发动 机的用途及 强 化 强 度，正确的 选用 曲 轴材料，在保 证 曲 轴 有足 够强 度的前提下， 尽 可能采用一般材料。作 为曲轴 的材料，除了 应 具有优良的机械性能以外 ，还 要求有高度的耐磨性，耐疲 劳 性和 冲击韧 性。同 时 也要使曲 轴 的加工容易和造价低廉。 本 设计选用 的材料：球墨 铸铁 材料密度： 6900Kg/ 弹 性模量： ； 强 度 应 力极限：b=735 屈服 应 力极限：s=544 疲 劳应 力 强 度： 1 =355 强 化 处 理：表面等 温 淬火， 滚压圆 角。 轴强 化的方法 提高曲 轴 的疲 劳强 度是 设计 人 员 必 须 努力解 决 的 问题 。 为 了提高曲 轴 的疲 劳强 度，可以采用一系列 结 构 设计 和 工艺设计 措施。 在结 构 设计 方面，可以采用以下措施： 1）提高曲柄 销 和曲 轴 主 轴颈 的重迭度。 2）采用 较 大的 圆 角半 径 可以使 圆 角 弯 曲形 状 系 数 下降， 从 而提高 弯 曲 强 度。 3） 轴颈 上 设计卸载 槽使 应 力分布更加均 匀 ，而且沿 轴颈 和曲柄臂 宽 度的最大 应力较 小 ，还 可能使 轴颈到 曲柄臂 过 渡 圆 角的半 径 增大。 4）曲柄 销 的 内 卸 载 孔相 对 其几何 轴线远 离曲柄半 径 中心呈偏心布置使 圆 角处 的 弯 曲 应 力降低，提高疲 劳强 度。 5）增大曲柄臂的厚度 和宽 度。 除了 设计 措施外， 工艺 方面利用特殊的机械加工方法 、热处 理或化 学处 理方法 强 化表面，以提高曲 轴 的疲 劳强 度。常用的表面 强 化 工艺 有以下几种： 1） 圆 角高 频 感 应 淬火； 2） 圆 角 滚压； 3）氮化。 轴 主要尺寸的确定和 结 构 细节设计 要尺寸的确定 主 轴颈 的直 径 60 度 6 轴颈轴 端的直 径 72度 柄 销 的直 径 45 度 6曲柄 销轴 端的直 径 57 度 状 如 图 2示 。 图 2节曲轴尺寸 曲柄臂 的宽 度 L=15形 状 如 图 2曲柄臂的起模斜度 为 外模 =5， 内 模 =7；各 处 的倒角均 为 图 2节曲轴曲柄臂截面尺寸 轴两 端 设计 曲 轴 上 带动辅 助系 统 的 驱动链轮 （正 时链轮 ）一般 装 在曲 轴 的前端， 对 多缸发动 机而言往往把 传动齿轮装 在曲 轴 后端。消除扭 转 振 动 的 减 振器 无疑应装 在曲轴 前端，因 为这 里的振幅最大。 驱动齿轮装 在前端采用 键连 接。曲 轴 后端 设 有 法兰 和加粗的 轴颈 ， 飞轮 与后端用螺栓和定位 销连 接。且定位 销 的布置是 不对称 的或只有一 个 。具体尺寸和形 状 如 图 1 1示（未 画 出定位 销 ），未 标 注的 圆 角均 为 图 2 轴 前端 图 2 轴 后端 最 终 得到的曲 轴总长为 l=532如 图 2示。具体的 标注 见 曲 轴零件图 。 图 2 轴零件实 体 图 第 3 章 曲 轴终锻 模 设计 热模锻压力 机是自 动 化高效率生 产 模 锻 件的模 锻设备 ，也是 被广泛应 用的模锻设备 。 热模锻压 机是靠 静压力 使金 属变形 ，因此， 热模锻压 机上的 锻 模成型 规律是：金 属 沿水平方向流 动剧 烈，向高度方向流 动缓 慢。 预锻 模膛 设计 的主要 内容是 绘 制 热锻件图 和确定 飞边 槽尺寸，以下是整 个设计过 程。 定 锻件图 1. 分模位置 根据曲 轴 形 状 ，很易确定上下 对称 的直 线 分模。 2. 公差和加工余量 曲 轴 材料 为 球墨 铸铁 ，即材 质系数为 状 复 杂 系数 3级 复 杂 系 数 由 锻 造模具 简 明 设计 手 册 表 锻 件形 状 复 杂 系 数 0 3 其中： 品 质： 外廓包容体 质 量； 体 积 ； 外廓包容体体 积 。 由于 ，故形 状 复 杂 程度 为 由 锻 造模具 简 明 设计 手 册 表 长 度极限偏差值 为 度极限偏差值 为 度极限偏差值 为 由 锻 造模具 简 明 设计 手 册 表 轴 零件的表面粗糙度 得模锻 件 内 外表面加工余量 为： 厚度方向 为 3 水平方向 为 3 3. 模 锻 斜度 零件图 上的技 术条 件中已 给 出拔模斜度：外模斜度 为 5，内 模斜度 为 7。 4. 圆 角半 径 锻 件各部分的 圆 角半 径 取 为 5. 技 术条 件 (1) 图 上未 标 注的拔模斜度 为 外模斜度 为 5， 内 模斜度 为 7； (2) 图 上未 标 注的 圆 角半 径 2 (3) 由 锻 造模具 简 明 设计 手 册 表 得 允许 的 错 差公差 为 (4) 由 锻 造模具 简 明 设计 手 册 表 得 允许 的 残 留 飞边 公差 为 (5) 允许 的表面缺陷深度 (6) 锻 件 热处 理： 调质 ； (7) 锻 件表面清理： 为 了便于 检 查淬火裂 纹 ，系用酸洗。 6. 具体尺寸如 图 3示 图 3节曲轴 锻件尺寸 图 最 终 的 锻件图 如 图 3示： 图 3 轴锻件实 体 图 算 锻 件的主要 参数 备选 定 工艺 力 计 算 P=KF(式中 K 锻件单 位面 积变形 力（或 称金属变形 抗力系 数 ） , kN/F 锻 件投影面 积 ， 曲 轴锻 件的投影面 积 F=136.4 K= 120kN/所以 ， P=120 136.4 6368 选择 模 锻设备 根据 计 算 结 果，取 热模锻压力 机的 规 格 为 20000 20 锻 模膛 设计 热锻件图设计 按照 锻 件尺寸增加 收缩 率 绘 制 热锻件图 ，如 图 3示： 图 3 轴热锻件图 飞边槽设计 对 形 状 比 较 复 杂的锻 件， 为 了 较 好地充 满 模膛而必 须 增大金 属 外流的阻力时 ， 桥口的宽 度 该 表中的 数 据适 当增 大。 飞边 槽具体尺寸按 锻 造模具 简 明设计 手 册 表 备 200000选用 ，即： h=3b=10B=10=40mm 模 块结 构 曲 轴 模膛深度 较 深，最深 处为 曲 轴 模膛尺寸精度要求高，磨 损到一定程度就必 须 更 换 ，最后采用梯形模 块 。 长 度 和宽 度的确定 模 块长 度 和宽 度尺寸主要根据下列因素确定： 锻 件的最 大长 度、 宽 度、模壁厚度、 锁 扣尺寸、模 块的 承 压 面 积 ，以及模膛四周的壁厚等。 模壁厚度 S=（ 1 h 40式中 膛最深 处 的深度。 高度尺寸的确定 模 块 高度尺寸主要根据模 块 底厚（ T）、模膛深度以及模架 闭 合高度（ H）等。 S、 T、 足如下 条 件： T ( 2S ( 。 最 终 取模 块长 度 为 800 度 500度 200 模 块 所承受的 压应 力 应满 足： P=F/A 300 式中 :名 义压力 （ 块 底面的有效承 压 面 积 （ 曲 轴 模 块 底面的有效承 压 面 积 A=800 500 400000 F=20000 以，模 块 所 承受的 压力为 F=20000 400000 5000 足 条 件。 顶 杆 顶 杆位置 顶 杆 设 在 飞边 槽上。 顶 杆 结 构 顶 杆工作是必 须 有 导 向，主要由 顶 杆和 顶 杆孔的公差配合 来解 决。 顶 料 装 置 采用直接 顶 料 装 置。 轴 的 实 体建模 轴 的 锻件实 体建模 草 图 的 绘 制 从 “ 开始 ”菜 单进 入零件 设计环 境。 选择绘图 平 面进 行草 图绘 制。 对图形进 行尺寸 约 束，如 图 3-4(a)、 3-4(b)、 3-4(c)： 图 3-4(a) 曲轴主轴颈 尺寸 图 3-4(b) 曲轴曲柄臂尺寸 图 3-4(c) 曲轴连杆轴 颈 尺寸 建成立体模型 从 草 图设计环 境返回零件 设计环 境。 点击 “拉伸”按 钮进 行拉伸。 生成立体 图 ，如 图 3 图 3节曲轴锻件实体图 经过镜 像， 阵列 ， 圆 角等方法得到曲 轴 的 锻件图 ，如 图 3示。 轴 模 块实 体建模 进 行草 图绘 制，利用拉伸命令建立模 块 外形，如 图 3-6(a)所示。 图 3-6(a)未加工模腔的模块实体图 进 行 布尔运 算，得到模 块的 立体 图 ，如 3-6(b)所示。 图 3-6(b) 模块实体图 具 装配 所需的其它零件的 结 构 设计 和 实 体建模 模架 模架的作用与特点 模架用于固定模块，承受并传递锻造过程中的全部负荷，传递热模锻压力机的顶料运动，是热模锻压力机锻模的最主要的部件。 热模锻压力机锻模的模架质量大（一般整副模架重达 1 12t， 1200000 多吨），制造困难，因此必须重视模架的设计、制造和使用。 对模架设计的基本要求： 模架的结构形式力求具有较大的通用性 、万能性，适用多品种生产。 模架应具有足够的强度、刚度，使设备在锻造过程中所引起 的弹性变形，不致影响锻件高度的尺寸，为此，模架内各种承受锻造负荷的部件，包括上下模板在内，均应采用合金钢制造并进行适当的热处理。 模架上所有的零件形状应尽可能地简单，以便于加工制造。 模架内设置的顶料装置应可靠、耐用，以便于修理和更换。 模架的结构应保证在安装、调整和更换模具时，不需要把模架从热模锻压力机上卸下来，以节省时间，减少工作量。 模架上所有的紧固件位置，都要布排得当，使紧固时操作方便。 模架上应设有起重孔或起重棒，使吊装时安全可靠。 模架的结构形式 模架的结构按照它和模块紧固的方式划分，一般有两 种形式：窝座式和十字键式。本设计选用窝座式模架。 窝座式模架的特点： 优点： ）定位准确，紧固牢靠，是热模锻压力机模架使用最广泛的典型结构。 ）模具的翻新次数较多。 ）适用于锻件产量大，要求精度高，品种不太多的生产场合。 缺点： ） 要有较强