（光学工程专业论文）新型组合式制动梁左右支柱的锻造.pdf

北京交通大学硕士学位论文 y8 7 8 8 3 3 摘要 为适应国民经济的发展需求，铁路运输实现全面提速 已成为当务之急。货车转向架铁路全面提速后，随着列车运 行速度的提高和制动时问、制动频次的增加，对列车制动部 分就提出了更高的要求，原来使用的制动梁已不能满足列车 运行的需要，其运用中故障率居高不下，由于裂损与脱落情 况较为严重，“防脱、防断”是主要解决的问题。新型组合 式制动粱相比其他制动梁能够较好的解决“防脱、防断”现 象。 左右支柱是新型制动梁重要的组成部分，在新型制动梁 中已由铸件改为模锻件。本文着重阐述了左右支柱锻件的工 艺、模具设计及锻造分析，并以左右支柱的锻造为例，综合 性地分析了锻件在设计及生产中容易出现的问题和解决方 法。 本文主要的工作包括以下几方面： 1 、 锻造工艺技术的现状分析。通过分析当前主要的 锻造手段及其优劣性，确定左右支柱锻造所采取 的主要工艺。 2 、 锻造设备的现状分析。通过分析当前国内主要的 锻造设备以及锻压车间目前现状，结合左右支柱 锻造所确定的工艺确定设备的选型及配套。 3 、左右支柱模具设计。包括左右支柱终锻模设计、 左右支柱辊锻模设计、左右支柱切边模设计三部 分。 4 、 实际生产中发现的问题及解决办法。在设计完成 后，进行模具及工装的制造，通过实际生产中的 应用，发现了一系列问题，通过分析，找出问题 根源，并予以解决。 北京交通大学硕士学位论文 本论文在论述左右支柱锻造工艺的过程中，着重强调了 模具设计在锻造生产上的重要性，并主要讲述了左右支柱锻 模的设计以及在实际生产中发现的问题，从而进一步对锻造 模具的设计进行分析，解决了设计中的不足之处，使模具的 设计与实际的应用达到完美的结合。 本次设计用详尽的文字和图纸描述了左右支柱锻造生 产线的设计方案和左右支柱锻模结构的使用特点，突出了生 产线设计的合理性和新式锻模结构应用的优越性，从而将此 种设计方法进行推广，为同类锻造设计提供了一个参考方 案。 关键词：锻造、制动梁、支柱、锻模、辊锻、犁腔、飞边 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no f d e rt o a d a p t t h en a t i o n a l e c o n o m yd e v e l o p m e n t d e m a n d ，t h er a i l w a yt r a n s p or t a t i o nr e a l i z e sc o m p r e h e n s i v e l y r a i s e sf a s th a sb e c o m et h eu r g e n tm a t t e r a f t e rt h ef r e i g h t v e h i c l eb o g i eu s e do nt h er a i l r o a dc o m p r e h e s i v e l yr a i s e sf a s t ， w i t ht h ee n h a n c e m e n to ft r a j nr u n n i n gr a t e ，a n di n c r e a s i n go f t h e s t o p t i m ea db i a k e f r e q u e n c y ， a h i g h e rr e q u e s t i s p r o p o s e dt ot h et f a i nb f a k e t h eo “g i n a la p p l i e db r a k eb e a m i s n ta b i et o s a t i s f yt h en e e do ft r a i nm o v e m e n t ，a n di n i t s u t i l j z a t i o nf a i l u r er a t e s t a y e d a ta h i g hl e v e l ， b e c a u s eo f s e r i o u sc r a c ka d d r o p ，”g u a r d e da g a i n s te s c a p e d ，g u a r d s a g a i n s tb r e a k s ”i sm a i n l ym u s ts o l v e t h en e wc o m b i n e db r a k e b e a mc a nb ea b l et os o l u t et h e s ep h e n o m e n o n l e f t ，t h er i g h tp r o pi st h ei m p o r t a n tc o n s t j t u e n to ft h eb r a k e b e a m ，a n di nn e wa p p l i e st h eb f a k eb e a mh a sc h a n g e dt h ed i e f o r g e d “e mb yc a s t i n g t h i sa r t i c l ee l a b o f a t e de m p h a t i c a l l y t h ec r a f t ，m o l dd e s i g na n df o r g i n ga n a l y s i so fl e f t ，r i g h tp r o p f o r g i n g ， a n dt a k ea b o u tp r o pf o r g i n ga s t h e e x a m p l e ， c o m p r e h e s i v e l ya n a l y z e t h e q u e s t i o n a n dt h es o l u t i o n a p p e a r e di nt h ed e s i g na n dt h ep r o d u c t i o n - t h i s a n i c l em a i n w o f ki c l u d i n gf o l l o w i n gs e v e r a l a s p e c t s ： l ，f o f g ec f a f tt e c h n o l o g yp r e s e n ts i t u a t i o na n a l y s i s t h r o u 曲 t h ea n a l y s i so fc u r f e n tm a j nf o r g i n gm e t h o da n di t s f i ta n d u n f i tq u a l i t y ，d e t e r m i n e sl e f t ，r i g h tp r o pf o r g i n ga d o p t sm a i n c r a f t 2 ，f o r g ee q u i p m e n tp r e s e n ts i t u a t i o na n a i y s i s t h r o u g ht h e a n a l y s i sc u r r e n td o m e s t i cm a i nf o r 舀n ge q u i p m e n ta sw e i l a s 北京交通大学硕士学位论文 t h ef b r g i n ga n ds t a m p i n gw o r k s h o pa c t u a lp r e s e n ts i t u a t i o n ， u n i f i e st h ec r a f tw h i c hl e n ，r i g h tp r o pf o r g i n gd e t e r m i n e st 0 d e t e r m i n et h ee q u j p m e n tt h es h a p i n ga n df o r m sac o m p l e t e s e t 3 ，l e f t ，r i g h tp r o p sm o l dd e s i g n i n c l u d i n gl e f t ，r i g h tp r o pe n d f o r g i n gd i ed e s i g n ，l e f t ，r i g h tp f o pr o l l e ff o r g i n gd i ed e s i g n ， a n dl e f t ，r i g h tp r o pc r o p p i n gd i ed e s i g nt h r e ep a r t s 4 ，i nt h ea c t u a lp r o d u c t i o nd i s c o v e r e dq u e s t i o na n ds o l u t i o n c o m p l e t i n gd e s i g ，c a r r i e so nt h em o l da n dt h ew o r kc l o t h e s m a n u f a c t u r e ，t h r o u g ht h ea c t u a lp r o d u c t i o ni na p p l i c a t i o n ，h a d d i s c o v e r e d as e r i e so f q u e s t i o s ，t h r o u g h t h e a n a l y s i s ， d i s c o v e rt h eq u e s t i o nr o o t ，a n ds o l v e s d u r i n ge l a b o r a t i n gl e f t ， r i g h tp r o pf o r g i n gc r a f t ， t h e p r e s e n tp a p e re m p h a s i z e st h ei m p o n a n c e0 fm o l dd e s i g ni t h e f o r g i n gp r o d u c t i o n ，a n dm a i n l yd i s c u s s e st h ed e s i g no fl e f t ， “g h tp f o pe n df o r g i n gd i ea n dt h ep r o b l e m sd i s c o v e r e di nt h e a c t u a lp r o d u c t j o n t h u sf u r t h e fd i s c u s s e st h ed e s j g no ft h e f o r g e dm o l d ，a n ds o l v e sd e f i c i e n c yi nt h ed e s i g n ，c a u s e st h e m o l dd e s i g na n dt h ea c t u a l a p p l i c a t i o na c h i e v e st h ep e r f e c t u n i o n t h i sd e s i g nd e s c r i b e dt h ed e s i g np r o p o s a lo fl e f t ，r i g h t p r o pf o r g e dp r o d u c t i o nl i ew i t ht h ee x h a u s t i v ew r i t i n ga n d t h eb l u e p r i n t ，a n dh a n d l i n gc h a r a c t e r i s t i c so fl e f t ，r i g h tp r o p f o f g i n gd i es t r u c t u r e t h i sh a sh i g h l i g h t e dr a t i o n a l i t yo ft h e p r o d u c t i o nl i n ed e s i g n e da n ds u p e r i o r i t yo ft h en e ws t y l e f o r g i n gd i es t f u c t u r ea p p l i c a t i o n ，t h u sc a r r i e do nt h i sd e s i g n m e t h o dp r o m o t i o n ，a n d p r o v i d e sar e f e r e n c ep l a nf o rt h e s i m i l a rf o r g i n gd e s i g n 2 北京交通人学硕士学位论文 k e yw o r d ：f o r g e ，b r a k eb e a m ，p r o mf o r g e d i e ， r o l l e r h a m m e f s ，c a v i t y ，e d g e - 3 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 制动粱简介 目前，以转8 a 型转向架为代表的货车转向架上普遍采 用的圆钢弓型制动梁和槽钢弓型制动梁，均为滑槽式滚动焊 接结构制动梁。铁路全面提速后，随着列车运行速度的提高 和制动时间、制动频次的增加，制动粱运用中故障率居高不 下，裂损与脱落情况较为严重，是货车“防脱、防断”措施 主要解决的问题。 新型组合式制动梁彻底抛开原有的一焊到底的方式，由 几个部分通过紧固件组装在一起而成的模块化结构形式。整 个制动梁由制动粱架、支柱、夹扣、闸瓦托5 个主要零部件 组成，其中支柱和夹扣是锻件。 1 2 目前国内锻造生产现状 1 、锻造工艺技术的现状 目前，我国除了特殊大型锻件外，大部分大锻件都能供 应。一重厂和二重厂分别于1 9 6 7 年和1 9 8 5 年生产过2 3 0 t 和2 6 0 t 的钢锭，并锻成水轮发电机大轴。2 0 0 m w 和3 0 0 m w 的电机转子锻件和护环锻件质量，已达到了国际先进水平。 尽管如此，我国的大锻件仍普遍存在肥头大耳的弊病，因而 成本较高。 2 、锻造加热技术的现状 北京交通大学硕士学位论文 据统计资料介绍，国内目前采用燃煤加热锻坯质量占 锻件总量的4 6 ，燃油加热的占l7 ，燃气加热的占3 2 ，电 加热的占5 。一般，燃气加热的利用率只有1 5 ，而电感应 加热可达7 6 ，可见我国锻件加热能耗巨大，而且加热锻坯 的表面质量较差。 3 、锻造设备技术的现状 目前，我国的锻造设备制造业，对包括水压机和锤在 内的多种重型设备，都可以设计和制造。正在服役的模锻设 备比例小，只占锻造设备总量的1 1 0 ，而且绝大部分是模锻 锤，锻压机很少。锻锤的热效率很低，噪声和振动大，环境 污染非常严重。 基于上述，不难看出我国的锻造技术水平虽然有了很大 的提高，但与国外先进水平相比，仍有装备水平、工艺水平、 相关配套技术水平、基本炉型和燃料结构类型、生产组织方 面的差距。 1 3 锻压车间当前现状 在锻压车间接到左、右支柱锻造生产任务后，亟待解决 的问题就是设备的选型与生产线的建设。由于车间模锻起步 较晚，锻造左右支柱缺乏相应的设备。目前锻压车间的模锻 设备多为摩擦压力机，工人对其性能比较熟悉，操作熟练， 但车间现有的摩擦压力机公称压力小，满足不了左、右支柱 的锻造，因而车间还要考虑购置新设备。 北京交通大学硕士学位论文 1 4 当前车间应解决的问题 鉴于园内外锻造工艺的优缺点，车间吸取了较好的实际 经验，充分利用自身的特点，分析锻造行业普遍存在的问题， 制定了工艺路线。在模具的设计中，充分考虑到了锻件的外 形特点，对锻件进行模具设计，并采用了具有车间自身特色 的装配方案，充分发挥了摩擦压力机上锻模的优势，并很大 程度上解决了摩擦压力机固有的一些缺点，使摩擦压力机更 好的工作。 北京交通大学硕士学位论文 第二章锻造生产线的建立 2 1 锻造工艺路线的确定 左、右支柱为外形复杂的细长杆件，材质是q 2 3 5 一a ， 普通碳素结构钢，重量9 k g ，技术条件满足g b l 2 3 6 卜9 0 钢 质模锻件通用技术条件的要求。初步确定工艺路线为：下 料一加热一制坯一锻造一切边。 2 2 设备的选型 2 2 1 下料设备 由支柱的外形尺寸，确定原材料采用中9 0 圆钢锻造。 下料设备选用棒料剪断机，按照棒料剪断机的技术参数标准 ( 见表2 1 中国棒料剪断机技术参数标准) 公称力为4 0 0 0 k n 的棒料剪断机能够满足需要，考虑到的棒料剪断机的通用 性，选取公称力为5 0 0 0 k n 的棒料剪断机。 北京交通大学硕士学位论文 表2 1 中国棒料剪断机技术参数标准( 按照z b j 6 2 0 0 2 8 7 ) 公称 压力 1 0 0 01 6 0 02 5 0 04 0 0 05 0 0 06 3 0 01 0 0 0 01 6 0 0 0 k n 参数 oh = 6 0 0 m p a时 剪切棒5 06 38 01 0 01 1 01 2 51 6 02 0 0 料虽大 直径 2 2 2 加热设备 目前车间所使用的加热设备为热煤气加热炉，加热时热 利用率低下，坯料加热时间过长，氧化现象突出，并且对环 境污染严重。鉴于此种情况，在新建生产线上决定采用中频 感应透热炉加热，经过调研，中9 0 圆钢可采用5 0 0 k w 中频感 应透热炉加热。 2 2 3 制坯设备 左、右支柱为长杆形锻件，并且局部较粗，一般空气锤 不太容易实现，而辊锻机比较适合杆状锻件的制坯与成形， 初步考虑采用辊锻机制坯。 辊锻成形具有以下优点： ( 1 ) 提高锻件质量，降低废品率。 北京交通大学硕士学位论文 ( 2 ) 提高生产效率。 ( 3 ) 节约能源。 ( 4 ) 节约原材料。 ( 5 ) 减小模锻主机打击力，提高锻模寿命。 鉴于辊锻机在模锻制坯上的优势，决定采用辊锻机完成 制坯工序。 根据毛坯的尺寸，初步确定辊锻机的锻模公称直径( 选 用标准见表2 2 悬臂式辊锻机技术参数) 为m4 0 0 悬臂式辊 锻机。 表2 2 悬臂式辊锻机技术参数 锻模公称直径d ( m m )2 0 0 2 5 0 3 1 54 0 05 0 0 公称压力p ( k n ) 1 6 02 5 04 0 06 3 01 0 0 0 锻辊直径d ( m m ) l l o1 4 01 8 02 2 02 8 0 锻辊可用长度b ( m ) 2 0 02 5 03 1 54 0 0 5 0 0 锻辊转数n ( r m i n )1 2 5 1 0 08 06 35 0 锻辐中心距调节量 1 01 21 41 61 8 a ( m m ) 可锻方坯边长h ( m m ) 3 24 56 39 01 2 5 2 2 4 压力机的选型 终锻采用摩擦压力机，切边利用曲柄压力机。摩擦压力 机上的模锻力可以按照经验公式计算： p = ( 17 5 2 8 ) k f ( k n ) 式中f 一一锻件总变形面积( 包括锻件面积、冲孔连 皮面积及毛边面积) ( c t n 2 ) 北京交通大学硕士学位论文 k 一一钢种系数 f = 1 3 2 4 2 5 = 5 6 1 ( c m 2 ) 对于q 2 3 5 一a ，k 取值l 。 压力机所需要的压力为： p l = 17 5 k f = 5 6 l 1 7 5 l = 9 8 1 7 5 ( k n ) p 2 = 2 8 k f = 5 6 l 2 8 1 = 1 5 7 0 8 ( k n ) 公称压力应选择范围为9 8 1 7 5 k n 一1 5 7 0 8 k n 为了满足设备的生产效率，并且使设备处于正常状态下 运行，将参数设为2 3 ，计算结果为： p = 2 4 k f = 5 6 l 2 3 l = 1 2 9 0 3 k n 因此，设备选择公称压力应满足1 2 9 0 3 8 0 = 1 6 1 0 8 k n ， 即1 6 0 0 0 k n 摩擦压力机。 切边采用曲柄压力机。 根据经验值，1 6 0 0 0 k n 摩擦压力机需配备3 1 5 t 曲柄压力 机切边。 2 2 5 其他设备及工装 由于锻件重量为9 k g ，考虑到工人的劳动强度较大，因 此在辊锻机与1 6 0 0 t 摩擦压力机之间、1 6 0 0 t 摩擦压力机与 3 1 5 t 曲柄压力机之间需要配备传送装置。另外，5 0 0 k w 中频 感应加热炉上料处应有上料平台，出料口需要设计滑轨与辊 锻机相连，保证锻造生产线的连续性。 2 2 6 厂房及电力 此方案采用辊锻机进行制坯，工作环境较好，震动及噪 北京交通大学硕士学位论文 音小，1 6 0 0 0 k n 摩擦压力机对地基要求也不是很高，考虑到 目前车间的实际情况，厂房较小，将生产线建在普通厂房。 由于原有变压器满足不了生产线运行的需要，应考虑增 加一台变压器。设备耗电功率如下： 中频感应透热炉5 0 0 k w 辊锻机5 5 k w 1 6 0 0 0 k n 摩擦压力机 1 5 0 k w 3 1 5 t 曲柄压力机 5 5 k w 另外，中频感应透热炉需要考虑散热装置，即水循环冷 却装置。 总耗电量为7 6 0 k w ，考虑生产线以厉的扩展性及其他设备的使 用要求，采用1 6 0 0 k v a 变压器。 北京交通大学硕士学位论文 第三章模具的设计 3 1 辊锻工艺及模具设计 3 1 1 辊锻特点 辊锻是使金属坯料通过装有扇形模块的一对反向轧辊 中，使坯料连续的产生局部变形，从而获得所需要的锻件或 锻坯。辊锻的目的是使坯料沿坯料长度方向进行金属体积分 配，满足锻件形状需要，因此，辊锻变形的特点是使材料的 横截面积减小、长度增加的延伸变形过程，适用于减小坯料 截面的锻造过程，如杆件拔长等，而支柱正满足这种要求。 3 1 2 模具材料选取 辊锻是逐步的使坯料产生局部变形，所施加给坯料的外 力也是一个静压的过程，没有冲击和震动，因此，锻模寿命 比较高，对模具的材料要求比较低。支柱属于热锻件，辊锻 模材料应选择耐热模具钢，在实际生产中，辊锻模受力较小， 速度快，与锻件毛坯接触的时间短，因此，选择低耐热性热 作模具钢5 c r m n m o 作为模具材料。 北京交通大学硕士学位论文 3 1 3 辊锻工艺制定 根据支柱外形尺寸及选取坯料尺寸制定辊锻工艺为多 型槽开式辊锻。棒料在从加热炉出来后进入辊锻机，辊锻成 形后，在同一侧摩擦压力机上锻造，因此，送料方向最终应 和出料方向一致，才能保证工艺的合理性。由于横截面积变 化不是太大，锻模设定为两个型槽，送料方向指向辊锻机， 而出料方向背向辊锻机。在第一道辊锻模放入坯料后辊出， 然后在第二道辊锻模中将坯料翻转9 0 度辊锻，以保证毛坯 周向尺寸基本一致。 3 1 4 绘制辊锻毛坯图 根据锻件图加上飞边作出截面图，得到计算毛坯图，计 算毛坯的截面按照以下公式计算： f = f d + 2 k fr 式中f 一一计算毛坯的截面积； f 。一一锻件横截面积； f ，一一飞边横截面积： k 一一飞边槽充满系数，两道辊锻飞边取 k = 0 2 0 3 5 ( 每次) 。 支柱锻件图见图3 1 北京交通大学硕士学位论文 图3 1 右支柱锻件图 图中所示为右支柱锻件图，左支柱锻件图与右支柱锻件图反 向旋转4 0 。即可。 在设计辊锻毛坯图时，应注意以下几点： 1 按锻件长度上截面积大小不同，划分出几个特征段。 2 将各个特征段截面图简化，以保证辊锻型槽的形状不至于 太复杂。简化的原则是将直线取代曲线，并保持前后体积 不变。各特征区之间应以大圆弧过渡，否则在辊锻过程中， 以及以后的锻造中容易产生折迭。这一过渡区一般都划入 截面积较大的特征区内，过渡区段的斜度一般都小于4 5 度。 见图3 1 支柱辊锻工步图所示，根据制动梁左右支柱的 特点：中间为直径中8 4 的横截面，一端为中7 0 的圆柱面， 而另外一端形状比较复杂，因此，中间及复杂端应该有较 多的金属余量，设计辊锻坯料图如下图所示。 北京交通大学硕士学位论文 辊锻籀- 道 辊锻筇? 道 a a i|卜 | 图3 ，2 支柱辊锻工步图 以伸长率计算所需的辊锻道次，结果表明：采用两道辊锻可 完成零件的制坯辊锻。 3 辊锻毛坯的端部区段长度在一般情况下，应比锻件相应长 度取的稍短一些，以利于在模锻时容易将毛坯放进锻模 中，又可避免因坯料长而引起折迭的缺陷。辊锻毛坯中间 部分长度应和锻件相同。 3 1 5 辊锻型槽系选择 当辊锻道次多于一次时，那么制坯辊锻就要使原始毛坯 渤 北京交通大学硕士学位论文 在一系列型槽中逐渐变形，最终达到锻件尺寸和形状的要 求。这一系列型槽称为辊锻型槽系。支柱辊锻模采用两道辊 锻，坯料在辊锻型腔内每次压下量 a _ 一a b b 北京交通大学硕士学位论文 e e 图3 3 辊锻模截面剖视图 较大，宽展也大，翻转9 0 度时可能产生弯曲和折迭。为了 避免产生这种情况，选择使用椭圆一一圆形型槽系，( 如图 3 3 所示辊锻模截面剖视图) 这样可以使坯料流动时分配均 匀，表面质量较好，不易产生折迭。支柱长3 8 4 m m ，根据辊锻 型腔角度计算结果，在中4 0 0 m m 辊锻机辊锻成形时模具扇形 角为1 1 5 。即可满足要求。 北京交通大学硕士学位论文 图3 4 支柱第一道辊锻模主视图 1 5 ， ) 一 北京交通大学硕士学位论文 l ，i羔。h 一二一一3 ， 制 图3 5 支柱第一道辊锻模左视图 3 1 6 辊锻模型槽设计 在完成锻件工艺分析和制定辊锻方案后，就需要对模具 进行设计，支柱制坯辊锻型槽主要是根据锻件形状，使锻件 金属体积合理的进行分配。 型槽在模块的布置需注意，不论任何形式的型槽，其型 北京交通大学硕士学位论文 槽的主轴线必须平行于模块的主轴线，不得倾斜。对于左右 对称( 平面投影形状对称) 形状的型槽，型槽的主轴线应与 模块的中心线重合：对于具有局部左右不对称形状的型槽， 型槽中心线可与模块中心线不重合，但必须平行，且保证两 边模具的强度；对于上下不对称的型槽，应将孔型型槽截面 重心布置在轧制线上。 模块在辊锻模上的布置，当锻件所需的辊锻力较大，与 辊锻机性能规格相接近时，应将辊锻力最大的某一型槽布置 在辊锻中间。当选择大规格的辊锻机时，辊锻力有较大富裕， 可选择比较便于操作的位置来布置型槽，以提高生产率。 kj 柚展开图 图3 6 第一道辊锻模k 向展开图 图中所示1 为第一道辊锻模上模，2 为第一道辊锻模下 模。辊锻模结构如图3 4 所示。 第二道辊锻模模具图见下图： 北京交通大学硕士学位论文 图3 7 支柱第二道辊锻模主视图 - 1 8 北京交通大学硕士学位论文 图3 8 支柱第二道辊锻模左视图 - 1 9 一礤疆：= 扭 固瞄豆； 北京交通大学硕士学位论文 k 向展开图 图3 9 支柱第二道辊锻模k 向展开图 a a 芝? 影f j ；1 7 彰 芯蕊过 2 0 北京交通大学硕士学位论文 b b e e i 锱 鬈菸剥 图3 1 0 支柱第二道辊锻模截面剖视图 3 2 终锻工艺及模具设计 终锻模设计在1 6 0 0 t 摩擦压力机上进行。摩擦压力机具 有锻锤和压力机双重的工作特性：它在工作过程中带有一定 的冲击作用，滑块行程不固定，没有固定的下死点，这是锤 北京交通大学硕士学位论文 的特点，但它又是通过螺旋副传动能量，在金属产生塑性变 形的瞬间，滑块和工作台之间所受的力，由压力机封闭的框 架所承受，并形成一个封闭的力系，这是压力机的特点。 由于摩擦压力机承受偏心载荷的能力差，因此，在设计支柱 终锻模时，考虑采用一个型槽的单模膛设计。 3 2 1 锻件图设计 模锻生产过程、工艺规范制定、锻模设计、锻件检验及 锻模制造都离不开锻件图。锻件图分为冷锻件图和热锻件 图，冷锻件图用于最终锻件检验，热锻件图主要用于锻模型 腔设计、制造和检验。热锻件图是根据冷锻件图而来的，几 何形状与冷锻件图完全一样，所以首先应确定冷锻件图，再 根据锻件收缩率来确定热锻件图。 分模面位置和形状的确定。 考虑到锻件的不对称性，分模面的选择要注意几个方面 的问题：能自由的从模膛中取出锻件：最佳的金属充满模膛条 件；力求减少余块和飞边的损耗；便于检查上下模在模锻过程 中错移；便于制造切边模；简化模锻工艺和模膛制造工艺。 支柱的外形可分为两部分，头部、中间和尾部，由于头 部与其余地方成4 0 。角，因此，如何选择分模面是问题关键 所在。为了便于分模，初步设计以头部为基准来确定分模线， 中间部分采取曲面分模，以中间4 0 。两个圆弧作为分模线， 经过图形绘制，分模面经过中间圆形截面时，正好经过中5 8 外圆，因此可以考虑直线分模，分模情况如图3 1 1 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图3 1 1 支柱分模面的选取 锻件公差选择 模锻后锻件的实际尺寸和图纸上的公称尺寸是有偏差 的，因此在锻件图上必须规定出允许的偏差数值。这个允许 的偏差数值称为锻造公差。引起尺寸偏差的原因很多，如模 具制造偏差；模锻时水平方向错移；终锻型槽磨损变形；充 不满；坯料及锻件氧化、脱碳；拔模斜度等等这一系列原因 都使锻件不仅要加上机械加工余量，而且还得规定适当的锻 件公差。一般来说，锻件由于在高度方向模锻不足是发生尺 寸偏差的根本原因，因此，正公差比负公差大一些。根据 g b l2 3 6 卜9 0 钢质模锻件通用技术条件的要求选择公差， 锻件重量1 0 7 k g ，材质系数m l ，复杂系数计算为0 8 9 ，取 s l ，以此标准及实际所留机械加工余量选取公差。 模锻斜度与圆角半径 北京交通大学硕士学位论文 在锻件上与分模面相垂直的平面上或曲面所附加的斜 度或固有的斜度称为拔模斜度。模锻时金属被压入型槽后， 模型受到弹性压缩。外力去除后，模壁要弹性恢复而加紧锻 件。另外，由于金属与模壁间有摩擦存在，因此锻件不容易 取出，这就需要一定的拔模斜度来使锻件更容易从模膛罩取 出。锻件的拔模斜度分为外模斜度和内模斜度，在锻件冷却 时，外壁趋向离开模膛，而内壁则包在型槽突出的部分，不 易出来，因此，内模斜度一般比外模斜度大一级( 2 。3 。) 。 由于支柱头部与体部成40 。角，成为分模的一个有利条 件，因此，拔模斜度取7 。 为了便于金属在型槽内流动和考虑到锻模强度，锻件上 凸出或凹下的部位都不允许有锐角状，应带有适当的圆角。 锻件上的圆角也分为外圆角半径和内圆角半径，锻件上凸角 的圆角半径称为外圆角半径，锻件上凹角的圆角半径称为内 圆角半径。锻件圆角半径不宜太小，外圆角半径太小，填充 困难，且容易产生裂纹，内圆角半径过小，模具容易磨损、 压塌，且不容易出模，但是圆角半径过大将会增大加工余量， 也容易造成一些复杂部位充不满。一般取r3 5 ，内圆角 半径应比外圆角半径大。 冷锻件图设计如图3 1 l 所示。支柱在锻造过程中，锻 造温度范围取9 0 0 1 1 8 0 。c ，终锻温度一般在1 0 0 0 4 c 左 右，因此锻件收缩率为1 5 ，热锻件图尺寸按照冷锻件图尺 寸加收缩率即可。 公式为：ln = l 。( 1 十1 。5 ) 北京交通大学硕士学位论文 3 2 2 飞边及飞边槽 模面上，影响上下支柱在摩擦压力机上采用开式模 锻，模锻后所得的锻件是四周带有飞边的锻件。应根据锻件 尺寸、形状和切边方式等确定飞边槽的形式和尺寸。 飞边槽的作用 l 容纳多余的金属 2 在模膛的四周形成阻力，迫使金属充满模膛 3 起缓冲作用 飞边槽的结构及形式 飞边槽的结构分为桥部和仓部，桥部起阻止金属外流， 迫使金属充满型槽的作用。另外，使飞边的厚度减薄，以便 于切除。仓部起容纳多余金属的作用，以免金属流到分模打 靠。飞边槽的主要结构尺寸参数是桥部高度ht 和桥部宽度b 之比b h 、，桥口阻力大小与h 、和b 有关，桥口越宽，高度 越小，即b h 、越大，阻力越大。 一般情况下，上模比下模受热时间短，多数是将仓部凸 台放在上模，支柱飞边槽结构如图3 12 所示。 北京交通火学硕士学位论文 图3 1 2 支柱飞边槽结构 3 2 3 终锻模结构设计 摩擦压力机用锻模可分为整体模、镶块模和组合模，按 照支柱外形及尺寸，锻模采用整体式结构，紧固方式为斜楔 组合紧固，利用压块的斜度和模块自身的斜度压紧模块。模 块面积4 0 0 6 0 0 。由于摩擦压力机承受偏载能力较差，因此 锻模中心尽量与压力机的压力中心一致，以减小锻造时产生 假心力矩。从而遣成值载。为了保证模具。螅强度，模块的厚 度定为1 7 0 m ，模具上下模采用导柱导套的形式保证模具的 闭合精度锻模型腔结构如图3 1 3 所示。 北京交通大学硕士学位论文 l l l i厂 、 f 卜丑 i 马 矗f h _ ! 口! ! 山毒 ll y 、j l， - 一_ f ， 。 - 一 f l t 一夕 i i l l 图3 1 3 支柱型腔结构图 2 7 北京交通大学硕士学位论文 - 淑卜。藤 曜； 办 彩剽= i - 魔篁率 ，、 缁 y 渺引 i ： 二o 二o f - 之 瞬 寸 分i k 匡1 i 斧 i l = 。 诗 _ 俣。，l 峭 一、 羼 i 儿，i 二j l _ 彭 0刃霄i 。 i r i 酗3 1 4 支柱锻模图 2 8 北京交通大学硕士学位论文 3 2 4 锻模模架设计 模架设计的主要原则为： ( 1 ) 满足设备装模高度的要求： ( 2 ) 满足模具装卡的要求； ( 3 ) 满足锻模安装精度要求。 ( 4 ) 满足通用性要求。 1 6 0 0 t 摩擦压力机主要参数如下； 滑块行程为6 0 0 m m 最小封闭高度为8 2 0 m m ( 包括垫板厚度) 垫板厚度为2 2 0 姗 工作台面尺寸( 左右x 前后)1 0 0 0 x 1 2 8 0 滑块下底面尺寸( 左右x 前后) 9 7 0 x 1 2 0 0 导轨间距1 0 3 0 m m 由于我们所选锻模模块与现有压力机具有通用性，即最 大范围内保证模具在每一台设备上都可以装卡使用，因此， 模架设计必须也能满足其他模具的装卡要求，同时必须保证 最小装模高度。设备最小封闭高度为8 2 0 m m ，垫板厚度为 2 2 0 m m ，因此模具最小装模高度不小于6 0 0 m m 。模架上下与滑 块、压力机台面利用t 型螺栓紧固，为了保证锻造精度，采 用导柱式模架结构。 导柱式模架结构见下图3 1 5 导柱式模架上模、3 1 6 导 柱式模架下模和3 1 7 导柱式模架组装图。 北京交通大学硕士学位论文 小 里 妙 虽 ， 声 l 韩 、 再 睦 ， 列 i l - | 咱 二 图3 1 5 导柱式模架上模 、，= f 一鞠 、 b ， 刘 一_ 。 ：= = 图3 1 6 导柱式模架卜模 - 3 0 北京交通大学硕士学位论文 l 图3 17 导柱式模架组装图 3 3 切边模设计 切边工序是在终锻后热态下进行的。切边模采用常用的 简单模结构，由切边凹模、切边凸模和模座组成。 北京交通人学硕士学位论文 3 3 1 切边凹模的分块 切边凹模在设计上应将易于磨损的部位单独分块，以便 于调整和更换，比如说凹模刃口部分。凹模分块应注意：拼 线的位置应设在便于模块对位和避免毛刺产生之处，如拼接 线应让开圆角，设在直线上：分块数量在满足以上条件下， 应尽量少，以便于制造、安装；凹模分块后的尺寸一般控制 在3 5 0 5 0 0 范围内，既便于制造，又可防止热处理变形。 3 3 2 切边凹模形式 切边凹模刃口形式可分为直刃口、斜刃口、堆焊刃口和 波浪式刃口，支柱切边模采用直刃口，这样切边力较大，且 容易修磨。切边凹模基本尺寸参照下表选取。 毛边 桥部 h b ，b hb a。 a 厚度 ( m m ) a = 毛边 40 30 8 8 3 。 桥部 235 50 35 l01 05 。 宽一 ( 1 2 ) 北京交通大学硕士学位论文 2 50 35 lo 8 3 o 40 同上 3 5 5 40l210 5 。 3 40 l2 8 3o 6050 同上 54515105 。 表3 1 切边凹模基本尺寸 凹模座与凹模之间的间隙可按照下表选取。 l 压力机吨位( t ) 5 0 1 6 01 6 0 3 5 03 5 0 1 0 0 0 间隙( m m ) 1 21 5 3 3 5 表3 ，2 凹模座与凹模之间的间隙 凹模设计如图3 1 8 所示。 3 3 北京交通大学硕士学位论文 图3 1 8 切边凹模图 3 3 3 切边凸模的设计 切边凸模在切边模中通常起传力作用，一般由工作部分 和模柄组成，工作部分的形状取决于热锻件的实际形状。支 柱凸模的固定采用直接固定的方式，即用楔和中心键将凸模 固定在压力机的滑块上，这种固定方法牢固可靠。 凸模的高度由压力机的最大闭合高度和最小闭合高度 决定，它们之间的关系为： h m i n + ( 1 5 2 0 ) h h m a x 一( 1 5 2 0 ) 北京交通大学硕士学位论文 为确保锻件在切边后由凸模顺利推下，在确定凸模高度 时必须考虑切移量e ，即凸模从接触锻件时起，到行程终了 凸模推压锻件下行的距离。一般e 可取飞边桥部厚度的3 5 倍。支柱凸模与支柱接触的形状，基本上与锻件形状一致， 且有足够的接触面积，以避免支柱在局部受力的情况下产生 扭曲、弯曲或表面压伤等缺陷。支柱凸模形状如图3 1 9 所 示。 上一一一i 一一 图3 1 9 切边凸模图 3 3 4 切边模整体设计 锻件在切边时，凸模通常要进入凹模内，因此，凸凹模 之间必须留有一定的间隙6 。 北京交通大学硕士学位论文 7 一l 芦一h 皿厂、皿 m r r 卫、“ i f i 阔3 2 0 支柱切边模组装图 间隙值的选取是否合适将直接影响到切边的质量，如果 间隙过大，不便于模具的对中调整，易导致偏心切边而导致 锻件上产生不均匀的毛刺；间隙过小则不易从凸模上卸掉飞 边，甚至会啃坏模具的刃口。对于支柱的切边模间隙，取 o 8 m m 比较合理。支柱凸凹模组装图见3 2 0 支柱切边模组装 图。 北京交通大学硕士学位论文 4 1 试制情况 4 1 1 祥件 第四章试制 模具加工完成后，对左右支柱进行试制，试制后的锻件 表面质量较好，突出了中频感应炉加热的优点，锻件尺寸符 合锻件图要求，经过加工，满足零件图纸要求，说明设备的 选型及模具设计都满足了工艺要求。 4 1 2 生产线的优点 由于采用了辊锻机制坯工艺，锻件成形情况良好，在节 省原材料方面比其他厂家节约原材料大约为1 k g ，且效率大 大提高。 4 1 3 生产线的不足之处 由于辊锻机适合长杆状锻件制坯工艺，对于其他形状锻 件制坯效果较差，因此，生产线在满足通用性方面还不是很 完善，对于需要非杆类制坯的锻件能力不是很足。由于厂房 地基以及其他一些原因，暂时不能完善，可在以后的改造中 增加一台l t 自由锻锤作为制坯用，这样设备的锻造能力就 增加一台l t 自由锻锤作为制坯用，这样设备的锻造能力就 北京交通大学硕士学位论文 可以得到加强。 4 2 实际生产中发现的问题及解决办法 4 2 1 折叠 当首件支柱锻造出来以后，发现支柱中间凸出部分柱体 边缘出现折叠现象，仔细检查支柱锻模，没有找出产生折叠 的原因，仔细研究发现，问题产生在辊锻模与支柱终锻模的 配合上。将辊锻模卸下，对辊锻模型腔尺寸进行测量，尺寸 与图纸完全相符，应该是辊锻模设计时没有仔细的考虑金属 的流动与合