起重机连杆锤上模锻工艺及模具设计-课程设计说明书.doc

作者姓名：XXX（起重机连杆锤锻工艺及模具设计）目录引言21 锤锻工艺设计31.1热锻件图31.1.1分模面31.1.2余量及公差31.1.3拔模斜度41.1.4圆角半径41.1.5冲孔连皮41.1.6技术条件41.2锻件的主要参数41.3 设备吨位51.4计算毛坯图51.5制坯工步71.6坯料尺寸81.7模锻工艺流程82锻锤模具设计102.1 终锻模膛设计102.1.1 飞边槽设计102.1.2 钳口设计102.1.3 终锻模膛102.2 预锻模膛设计112.3 拔长模膛设计132.4滚压模膛设计142.5模膛排布152.5.1 排布顺序152.5.2 模膛壁厚152.5.3 模膛宽度方向排布152.5.4 模膛长度方向排布152.6模块设计152.7 锁扣设计162.8燕尾设计162.9模具校核162.10模具16参考文献1818引言连杆是连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。连杆是机器的主要运动件之一,它受载情况复杂,是较难设汁的重要零件之一。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。连杆是长轴类锻件中有代表性的锻件之一。起重机连杆是起重机发动机的主要零件之一，工作时在高速下运转，工作条件比较繁重。连杆的形状比较复杂，既有和曲轴相连的大头部，又有工字形断面的杆部，还有通过活塞销与活塞相连的小头部。起重机连杆绝大多数都不需要机械加工，所以对连杆锻件的尺寸要求比较严格。本次专业课程设计以起重机连杆为例，介绍它的锤锻工艺制订以及锻模设计的内容和步骤。本次专业课程设计摒弃了传统的锤锻工艺设计手段,针对传统的手工计算、绘图和分析的方法将有很大的误差和设计时间周期长并且费时费力等缺点,应用了计算机辅助设计（CAD）技术,通过大型三维CAD软件UG进行零件的造型、工艺计算及工艺分析,提高了设计效率以及计算的准确性。1 锤锻工艺设计1.1 热锻件图1.1.1 分模面从连杆的外形很容易确定锻件的分模面。分模面应选择在高度尺寸24.5mm的中间处，沿连杆高度方向对称分模，这样锻件的余块和机加工余量最小，最大深度最小，有利于金属充满模膛，模具制造也更加方便。1.1.2 余量及公差 锻件在需要加工的面上的尺寸公差已经直接给出，如图1.1所示。图1.1 连杆热锻件图连杆材料为40Cr，由UG软件可以计算出锻件重量约为7.29Kg，包容体体积约为3351506，锻件体积约为931531。根据参考文献1可查得材质系数为级，由该书中公式C=其中，锻件质量或体积； 锻件外包容体的质量或体积。计算得到C=931531/3351506=0.278，属于级，即较复杂件。零件需要磨削加工，即加工精度，由参考文献4表2-5查得高度及水平尺寸的单边余量为2-3mm，取3mm。1.1.3 拔模斜度锻件部分拔模斜度已经直接给出，未注拔模斜度根据参考文献5表5-26可确定，连杆大小头部的外拔模斜度=5，内拔模斜度=7；工字形杆部外拔模斜度=7，内拔模斜度=10。1.1.4 圆角半径 锻件部分圆角半径已经直接给出，未注圆角半径可根据参考文献5表5-28中公式=余量（其中为凸角处无倒角的凸角处的圆角半径），知锻件圆角未注圆角半径为3mm。1.1.5 冲孔连皮锻件已经直接选定冲孔连皮形式为平底连皮，根据参考文献5表5-29可确定连皮厚度为8.8mm。1.1.6 技术条件在上述参数的基础上便可绘制锻件图，其技术条件如下：1） 图中未注拔模斜度选取如下：连杆大小头部的外拔模斜度=5，内拔模斜度=7；工字形杆部外拔模斜度=7，内拔模斜度=10。2） 图中未注圆角半径3mm。3） 语序错差量0.6mm。4） 允许的残留飞边量0.7mm。5） 允许的表面缺陷深度0.5mm。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，一般用酸洗。通过上述参数以及已经给定的图形可绘制连杆热锻件的三维模型如图1.2所示。1.2 锻件的主要参数通过UG软件绘制出热锻件图后可以直接计算出钟锻件的一些参数如下：1） 锻件质量为7.29Kg。2） 锻件体积为931531。3） 锻件投影面积为28290。4） 锻件周边长度为1140mm。图1.2 连杆热锻件的三维模型1.3 设备吨位由参考文献5表5-48中的公式m=(3.56.3)kA其中，k-材料系数，由表5-49确定为1.15； m-锻件和飞边的水平投影面积（），飞边面积按仓部的一半计算。得到锻锤吨位m=(3.56.3)1.1550655=（19503510）Kg，故可以选择3吨锤。1.4 计算毛坯图根据参考文献2公式6-3：=+2 其中-计算毛坯截面积； -相应位置上锻件的剖面面积； -相应位置上飞边槽的剖面面积； -充满系数，由参考文献4表2-10选取=0.7。公式6-4：=/ M 其中-换算高度； M-缩尺比，取M=60。以及公式6-5：=1.13 其中-计算毛坯直径。即可计算出不同位置上的计算毛坯截面积、换算高度以及计算毛坯直径。在锻件长度方向上取20个截面，分别计算整理，得到数据如下：表1.1 计算毛坯图数据表编号2修正修正10685.3685.311.4 29.6 11.429.623682350.74032.767.2 71.8 60.167.036558201.66759.6112.7 92.9 89.282.245212201.65413.690.2 83.1 108.990.754919201.65120.685.3 80.9 114.093.065212201.65413.690.2 83.1 108.989.476558201.66759.6112.7 92.9 85.980.483667319.93986.966.4 71.4 54.667.591181520.11701.128.4 46.6 30.851.010788254.81042.817.4 36.5 19.4 37.81178820399116.5 35.6 1278820399116.5 35.6 1378820399116.5 35.6 14788204.4992.416.5 35.6 151342235.21577.226.3 44.9 162643213.52856.547.6 60.4 173025202.33227.353.8 64.2 182643214.92857.947.6 60.4 19671281.4952.415.9 34.9 200340.2340.25.7 20.8 按照上述计算数据描点并将各点用平滑曲线依次连接即可如图1.3的计算毛坯图。此图中图形有急突的变化，出现马鞍形，这样不仅不利于制坯，更不利于在模锻型槽中的成形。应该予以修正。图1.3 计算毛坯图（修正前） 按面积相等（即减少部分体积等于增加部分体积）的原则将图1.4中的原则进行修正，面积相等的原则主要是通过UG软件中“利用曲线测量面积”的命令保证。在修正过程中还应该保证最大截面积不变或者稍大，最大截面积的位置应在轴对称变形的轴上。得到修正的计算毛坯图后将修正量填入表1.1中。根据参考文献2公式6-6：= 其中，-毛坯的平均断面面积； -计算毛坯截面图的总面积，由UG软件计算得17003； -计算毛坯长度；得到=2298。 根据参考文献2公式6-7：=1.13（为计算毛坯计算直径）可得到：=1.13=54.2mm。由作图可以发现，该锻件毛坯是两头一杆的复杂计算毛坯，应该将其转化为两头两杆的计算毛坯（相当于转化为两个简单毛坯），便于分析和计算，其转化原则是头部多出的体积等于杆部缺少的体积，即计算毛坯截面图上头部多余的面积等于杆部缺少的面积。最终得到的计算毛坯图如图1.4所示。图1.4 计算毛坯图（修正后）1.5 制坯工步以大头组成的简单计算毛坯为例，由参考文献1公式2-8可求得衡量变形量的大小的指标如下：=93/54.2=1.71=329/54.2=6.07K=(54.2-35.6)/(329-117)=0.080.05M=7.29Kg其中，-金属流入头部的繁重系数； -金属沿轴向流动的繁重系数； K-杆部斜率； -计算毛坯最大直径； -计算毛坯平均直径； -杆部与头部转接处的直径； M-锻件质量。由参考文献1图2-21再根据以上指标可以确定该锻件的制坯工步为拔长加闭式滚压。1.6 坯料尺寸根据参考文献4第76页公式=（+）（1+） 其中，-坯料体积； -锻件体积； -飞边的体积； -连皮的体积； -烧损率。由UG软件可计算得到+=931531，=127496。锻件加热方式采用感应加热，由表2-12选取=1%。得到锻件体积为：=（+）（1+）=（931531+127496）（1+1%）=1069617利用参考文献2,第163页公式=（0.750.90），其中为坯料截面积，为计算毛坯最大截面积，可以得到坯料截面积=（0.750.90）6760=50706084，取=5526。则坯料直径为：=1.13=1.13=84mm坯料长度为：=193.6mm，取195mm。1.7 模锻工艺流程连杆锻件属于具有工字形截面并且带孔的锻件，其本身对锻件的力学性能要求也较高，为了改善金属流动条件，避免产生折叠，应该选用预锻工艺。因此，模锻工艺顺序为：拔长闭式滚压预锻终锻。根据参考文献1可确定连杆模锻工艺流程为：1） 切料：5000KN剪型机冷切。2） 加热：感应加热，1150-1200C。3） 模锻：3t模锻锤，拔长、闭式滚压、预锻、终锻。4） 热切边：1600KN切边压力机。5） 磨毛刺：砂轮机。6） 热处理：连续热处理炉，调质，硬度3.9-4.2dB。7） 酸洗：酸洗槽。8） 冷校正：1t夹板锤。9） 检验。2 锻锤模具设计2.1 终锻模膛设计终锻模膛的设计主要是热锻件、飞边槽与钳口的设计。热锻件已经在之前设计过程中设计好，接下来主要讲飞边槽和钳口的设计。2.1.1 飞边槽设计根据参考文献5表5-35选择如图1.3的飞边槽形式。图2.1 飞边槽形式根据表中公式h=0.015其中h-飞边槽仓部高度；A-锻件在分型面的投影面积。得到h=0.015=2.52mm，由于锻件比较复杂，需要增大压力，故选取h=2mm。根据考文献5表5-35可确定飞边其他尺寸如下：=4mm，=25mm，b=9mm，r=2mm。2.1.2 钳口设计通过参考文献4表2-19由锻件质量7.29Kg可确定钳口颈尺寸宽度b=12mm，半边高度a=3.5mm，长度l12mm，取l=15mm。通过a、b可大致确定钳夹头直径d18mm,通过表2-18可确定钳口宽度B=50mm，高度h=20mm，圆角半径=10mm。2.1.3 终锻模膛 最终得到的终锻模膛如图2.2所示。图2.2 终锻模膛2.2 预锻模膛设计连杆大头有孔，金属流动属于压入式，因此采取减小大头高度的方法，取大头高度为终锻模膛高度的0.80.9倍，取21mm。另外，为了保证充满，相对于终锻模膛减少大头和小头的直径（减小径向流动量）2mm，并且减小连杆大头宽度2mm。对于中间工字形截面选用参考文献5表5-37中圆浑形工字截面。选取的截面和终锻件工字形截面面积大致相等是通过UG软件“通过曲线测量面积”实现。由于预锻件和终锻件尺寸相差较小，这里预锻模膛钳口采用和终锻模膛一样的尺寸和形状。为了使金属尽可能地在预锻过程中流动，要使终锻件的圆角半径和拔模斜度增加一个等级。得到的预锻模膛形状如图2.3所示。图2.3 预锻模膛（修改前） 但是，通过Deform软件模拟发现，该预锻模膛金属大面积充不满。具体充填效果如图2.4。由图2.4可以看到，金属在大头的四个角上及其附近充满困难。通过分析可以得知需要改善这些部位的金属流动状况和充填方式。具体措施主要是通过继续增大拔模斜度和圆角半径来实现。在模拟过程中发现，金属在纵向流动的量大，纵向流动充满容易，因此将之前缩小的大小头的直径和大头图2.4 预锻件充填过程模拟效果（修改前）宽度调整至和终锻模膛相同。另外，由于锤的打击速度快，金属可以靠惯性充填较深的部位，因此将大头和小头的高度调整为稍高于终锻模膛高度，这样也能使终锻过程中金属以镦粗的方式充填模膛。中间的工字形截面在模拟过程中可以发现充填容易，因此不用修改。图2.5预锻件充填过程模拟效果（修改后）再次模拟得到的最终的效果图如图2.5所示。在图2.5中可以看到，之前大量未充满的连杆的四个角处在修改后已经能基本上充满（但不完全充满，且仍然有其他位置未充满），金属充满预锻模膛的能力得到大大改善。按照之前相同的原则继续对预锻模膛进行修改，一定能使金属完全充满模膛，达到良好的充填效果，但这里因为时间有限不再进行此重复过程。最终得到的预锻模膛形状如图2.6所示。图2.6预锻模膛（修改后）2.3 拔长模膛设计拔长模膛选择开口式拔长模膛，此种模膛形式操作比较容易，应用较广。通过参考文献5表5-40可计算拔长模膛参数如下：由公式h= 其中h-坎部高度； -系数，取0.8； V-锻件杆部体积，经UG软件可计算得V=281729； L-杆部长度，L=269.9mm；可以得到h=0.8=27.5mm，取h=28mm。由公式C= 其中，C-坎部长度； -系数，取=1.3； -坯料直径；可以得到C=1.384=109.2mm，取C=110mm。拔长模膛圆角半径R=0.25C=0.25110=27.5mm =10R=27.510=275mm由公式B=+（1020） 其中，B-拔长模膛宽度 -系数，取=1.3可以得到B=1.384+（1020）=119.2129.2mm，取B=125mm。拔长模膛深度=2h=228=56mm。拔长模膛杆部长度L=+10=320+10=330mm(为锻件杆部长度，=320mm)。由以上数据即可完成拔长模膛的设计，得到的拔长模膛形状如图2.7所示。图2.7 拔长模膛2.4 滚压模膛设计滚压模膛选用闭口式滚压模膛，这种滚压模膛聚料效果比较好，滚压后坯料表面圆滑，终锻不易产生折叠。由参考文献5表5-41可以确定滚压模膛减小坯料截面部分高度=0.8，减小坯料截面部分高度=1.3（A为计算毛坯相应部分截面面积）。通过计算计算毛坯典型断面的h值可以得到表2.1所示数据：表2.1 各断面计算毛坯面积（A）和滚压模膛高度(h)A（）685.34032.76759.65413.65120.6h（）29.671.892.983.180.9A（）5413.66759.63986.91701.11042.8h（）83.192.971.433.025.8A（）991991991992.41577.2h（）25.225.225.225.231.8A（）2856.53227.32857.9952.4340.2h（）60.464.260.434.920.8用作图的方法将各点位置的高度相连成光滑曲线，即得到滚压模膛（除去钳口和尾部小槽）的剖面形状。为了使杆部金属易于流入头部，计算毛坯杆部为水平线对应的滚压型槽可以带25的斜度，该滚压型槽取斜度为3。由表5-41可确定尾部小槽和钳口相应尺寸：a=10mm,c=35mm,=10mm,h=2026mm取h=24mm，R=12mm，m=3040mm取m=30mm。则可得到滚压模膛剖面形状如图2.8所示：图2.8 滚压模膛剖面形状滚压模膛宽度B可以由以下条件确定：（1.41.6）B1.25/且B1.1，经计算可得到102.2B134.4，取B=120mm。利用以上数据即可得到滚压模膛形状，如图2.9所示：图2.9 滚压模膛2.5 模膛排布2.5.1 排布顺序模具采用直式拔长模膛，应放在锻模的右边，则将滚压模膛放在锻模左边，为了使操作更加方便，模膛顺序从左到右依次是滚压模膛、预锻模膛、终锻模膛和拔长模膛。2.5.2 模膛壁厚由参考文献图2-41可得到多模膛锻造最小壁厚为S25mm，滚压模膛距离模块外壁尺寸S=10mm。2.5.3 模膛宽度方向排布预锻模膛和终锻模膛之间距离为L=77+25+105=203mm，取210mm，按预锻模膛中心线与终锻模膛中心线距离燕尾中心线距离比值2：1计算得到预锻模膛中心线距离燕尾中心线距离140mm，终锻模膛中心线距离燕尾中心线70mm。经过估计，模块宽度最小为694mm（按最小壁厚25mm计算），由参考文献1表2-33取模块宽度700mm，模膛之间壁厚2530mm。2.5.4 模膛长度方向排布通过UG软件可以大致计算出预锻模膛和终锻模膛的质心，按照预锻模膛质心和终锻模膛质心尽量在燕尾中心线上的原则选取键槽中心线距离长度方向边缘220mm处。2.6 模块设计 模块宽度B=700mm。终锻模膛长度约为548mm，考虑到壁厚和锁扣的布置，取模块长度L=650mm。由参考文献1可得模块最小高度为170mm，同时模具闭合高度最小为480mm。参考文献1表2-33取模块高度250mm。2.7 锁扣设计由参考文献1表2-25，选择锁扣形式为角锁扣，由于模膛分布限制，锁扣数量取为2个，分布在两个角上。由表2-28可确定锁扣尺寸如下：l=100mm，b=70mm，h=40mm，=1mm，=3，=3，=5，=10，=15。因为锁扣数量较少且分布在锻模同一侧，为保证强度使b=100mm,l=150。2.8 燕尾设计2.8.1 燕尾尺寸根据锤吨位由参考文献1表2-35可确定燕尾尺寸如下：燕尾宽度b=300mm，燕尾高度h