基于锻造特征的预锻件设计优秀毕业论文 参考文献.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 基于锻造特征的预锻件设计 姓名 夏鸿杰 申请学位级别 硕士 专业 材料工程 指导教师 李建军 郑志镇 2011 05 28 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 合理的预锻件设计可以改善金属在模膛中的流动方式 让金属更加易于充满型 腔 避免出现折叠等缺陷 同时减少模膛的磨损 提高锻模寿命 本文根据锻造特 征的成形方式及金属流动情况 提出了 基于锻造特征的预锻件设计 新思路 以 锻造特征 为基本操作单元进行预锻件的设计 首先 分析了模锻工艺成形特点和模锻工艺设计中的关键环节 接着研究了模 锻变形的两种主要方式 镦粗和压入变形的金属流动 并对长轴类和短轴类锻件的 金属流动进行分析 其中长轴类按平面变形方式而短轴类按轴对称变形方式 随后 研究了不同截面特征的金属流动 其次 对常见 截面法 的预锻件设计进行了简单分析 并提出了它的不足之 处 在此基础上 详细研究了 基于锻造特征的预锻件设计 方法和设计原则 主 要是从锻件整体结构方面提出了预锻件的设计方法和体积控制准则 以及对局部特 征的预锻件设计处理 其中包括圆角半径 拔模角 冲孔脸皮 叉形特征 枝芽结 构和工字型结构等锻造特征方面的设计参数和创建原则 并且提出了圆盘齿轮类特 征的预锻件设计方案 最后 通过 锻造特征 法来设计了机框的预锻件 验证 基于锻造 方法的 实用性与合理性 并应用 deform 3d 模拟软件对设计结果进行锻造工艺模拟 模拟 结果表明 通过基于锻造特征设计的预锻件完全能充满型腔 而且提高了锻件的变 形均匀性 金属流动更加流畅 流线分布更加合理 且大大降低终锻过程中的成形 力 减少模锻件的缺陷 关键词 关键词 预锻件设计 变形方式 锻造特征 截面法 体积控制原则 数值模拟 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract reasonable pre forging of metal in the mold design can improve the flow chamber which allows the metal more easily filled the cavity more easily to avoid folding defects reducing the die bore the wear and improve forging die life based on the way of forging and metal forming characteristics of the flow proposed the preform design based on forging features new ideas focus on the forging characteristics of preform for the study design first analysis the forming characteristics of the forging process forging process design and the key to the knowledge described then studied the two major ways of forging deformation deformation of upsetting and pressed into the metal flow and long axis and short axis of the metal forgings flow analysis which means long shaft and short axis plane deformation by category by axial symmetric deformation then studied the characteristics of different sections of metal flow second common section method of the pre forging design of a simple analysis and its deficiencies on this basis a detailed study of the preform design based on forging features approach and design principles mainly the overall structure of forgings made from a preform design and volume control criteria and the forging of local features of the pre design treatment including the corner radius taper angle punching the nerve fork features structure and work shoots font forging characteristics of the structure and the creation of the principles of design parameters and made a feature of the pre disk gear forging design finally by forging characteristics method to verify the design of the airport box preform practical and reasonable and apply deform 3d results of simulation software to design the forging process simulation the results show that the design based forging features of the preform cancompletely fill the cavity but also improve the uniformity of deformation metal flow more smooth streamline distribution is more reasonable and greatly reduced in the process of forming the final forging force to reduce forging defects key words preform design deformation forging characteristics section method the principle of volume control simulation 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除文中已经标明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在 文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密 在 年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1 1 课题的来源 目的及意义 1 1 1 课题来源 本课题是与德阳二重集团公司的 关于大型模锻件塑性成形共性技术研究和大 型模锻模具设计制造技术 合作项目 其中本文主要内容是对大型模锻件的金属流动 研究 成形工艺分析以及 基于锻造特征的预锻件设计 的研究 通过设计合理的预 锻件来提高大型模锻件产品质量和综合机械性能 1 1 2 研究目的 预锻成形的目的是在终锻前进一步对金属进行合理地分配 而分配金属是为了 确保金属无缺陷地在型腔中流动 易于充满型腔 减少过多金属材料流向飞边的损 失 减少终锻模膛的磨损 提高模具寿命 获得所希望的金属流线分布和合理控 制锻件的力学性能等 所以合理地设计预锻件能改善金属在终锻模膛中的流动条件 使金属易于充满模膛 同时减少终锻模膛的磨损程度 提高模具的使用寿命 在航空 零件中 多数产品的结构形状都比较复杂 比如有高筋薄腹板以及一些带筋的框类结 构 模锻时容易产生局部变形严重 即金属流动不均匀 内部出现空穴 因充不满而 达不到设计要求的尺寸 为了能使金属在终锻时完全达到形状的要求 让金属在模锻 型腔中合理的分配 模锻时大多通过预锻来降低成形力 让金属能更加容易地充满模 膛 随着世界全球经济竞争的日趋加剧 高效率 低成本 低能耗和高质量就成了模 锻企业在竞争中取胜的关键指标 同时也是锻造企业追求的最高目标 但同时 由于 零件产品复杂化和多样化 就必须设计合理的预锻件 所以 研究预锻件 合理设计 预成形便成为模锻成形过程中最为关键的一个环节 1 1 3 研究意义 随着航空工业的快速发展 相应地对航空模锻件的性能 减重 寿命 可靠性以 及结构整体化等方面要求也在不断提高 就必须对预锻件进行优化设计 也即是要设 计出合理的最佳的预锻件 这样才能模锻出性价比最高的终锻件 模锻工艺作为机械 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 制造行业重要的加工方法之一 少无飞边的模锻成形工艺及控制方法以及提高锻件质 量和综合性能现已经成为模锻工艺研究的重点 长期以来 因锻造本身的特点和实 际生产条件 预成形 也即预锻件 的设计在很大程度上仅仅凭借设计师的经验来完 成 而随着航空制造业竞争的日益加剧 高效 低耗 优质的锻件已经成为制造业提 高产品竞争力的追求 有限元等数值模拟仿真技术 为锻造工艺设计方案制定提供了 重要手段 但是 以模拟结果来改进工艺方案和预锻模设计仍需要人工来操作 然而 人们将工程优化设计理论与有限元数值模拟完美结合 以此来优化设计模锻成形工 艺 为了获得近净形的模锻件 1 4 在终锻前增加一道预锻工步 这样就能模锻出的 无缺陷合格锻件 1 2 预成形设计的研究理论及研究现状 1 2 1 预锻件优化设计相关理论研究 自上世纪 90 年代以来 为了协助模锻工艺师确定模锻成形时预成形工步数和预锻 件尺寸和形状 针对轴对称零件开展了预成形工步设计智能 cad 系统的大量研究工作 bid blocker initial design 的原型专家系统是由 krvemuri 等 5 人开发的 此系统修 改了肋部位截面的几何形式 利用模块存储的原理来设计带有飞边的预成形锻件 kim dae young 等人开发了主要是针对轴对称热锻件工艺设计的专家系统 6 该系统可 自动设计制坯件 预锻件和终锻件的几何形状 而且还能设计锻件的模锻工步及计算 锻件体积和压力等方面的参数 可帮助设计人员完成模锻工艺设计任务 随着航空模锻件的要求不断提高 其各种不同的优化算法都在锻造预锻件优化设 计中的得到实际应用 并取得了较好的成绩 在这些方法中 遗传算法和基于灵敏度 分析的优化算法得到较为广泛的参考和应用 首先是对遗传算法的研究 7 8 c f castro 和 antonio 9 10 等学者则通过应用遗传算法来对预锻件进行优化 且用相 关的锻造过程来验证了这种最优化方法的实用性 上海交大的罗仁平 11 13 则应用微观 遗传算法的有关法则和理论进行了预锻件的优化设计 并以连杆锻件为例进行预锻件 的优化设计工作 取得了较好的成果 poursina m 14 15 王广春 16 18 和 roy 19 等多 位研究人员则分别应用遗传法来进行预锻件的设计研究 同时也进行了许多相关实 验验证工作 由于此法因研究方法的不同 所以得出的预锻件有一定差异 不过都取 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 得了实质性的效果 其次是基于灵敏度分析的优化设计方法 灵敏度分析方法在锻件 预成形优化设计方面有了较大的发展 从对锻件形状进行优化到对变形力 微观组织 和变形均匀性等各方面进行优化 从单目标优化到多目标优化 同时灵敏度分析方法 也大量应用于预成形优化设计方面 灵敏度分析是一种大量用于优化目标函数梯度的 方法 20 25 赵新海 26 29 等分别以模锻件形状 变形力和金属流动均匀性为优化目标来 进行优化设计预成形模具形状 并以形状和金属流动均匀性为目标 以金属流动均 匀性和变形力为多目标 系统地研究锻造成形过程 fourment 30 31 等通过灵敏度有关 方法来对预锻件进行优化设计 并研究了灵敏度分析法的优化原则 d vieilledent fourment 32 z y gao 33 以及赵国群 34 41 等多位研究人员分别通过灵敏度法来对预成 形进行研究 并对预锻件的形状进行优化 取得了很好的成效 燕山大学的徐吉生 42 教授通过研究抛物线法来对预锻件进行优化设计 取得了不错的成绩 li s 43 等应 用曲面网络法相应法来优化预锻件 并对此展开深入研究分析 此法对实际预锻件设 计有一定的指导作用 而赵新海 44 47 通过黄金分割思想先确立优化目标函数 然后通 过工步之间的关系转换来确定预锻件 最后将设计的结果用模拟软件进行优化比较 此法优化结果比较明显 约束变尺度法的修正 约束变尺度法是以牛顿法求解的最优 解为出发点而发展的一种方法 西北工大的张麦仓 48 则应用基于 fem 法来对预锻件进 行优化设计 并通过模拟来验证其设计的合理性 同样也取得了一定的成绩 j kusiakt 49 提出的拟合优化方法思想是外推法 这种方法设计思路是通过求解简单 函数的极值点来预测其真实函数的极值点 用简单函数来近似逼近目标函数 山东大 学王广春 李玲 50 等人则应用微观组织法来对预成形工艺过程进优化设计 并通过实 例来验证了这种方法的实用性 而吉林工大的王忠金 51 则通过事先根据终锻件来假 定一个预锻件的形状和尺寸 然后通过模拟来验证其合理性 此外 还有一些方法如 轨道最优化方法 单纯形法 微粒群法等也在实际生产有所应用 但是总的来说 基 于遗传算法的研究和灵敏度分析的优化算法是比较多的研究且较为系统化 1 2 2 国内外预锻件设计研究现状 1 2 2 国内外预锻件设计研究现状 模锻过程是在一定的温度下 在一定的压力作用下使预锻件 或制坯件 产生塑 性形变 得到的锻件都比较复杂 特别是大型飞机整体零部件 其结构是相对复杂 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 当用形状规则的原始坯料直接模锻这些零件时 锻件就可能会出现比较严重的质量缺 陷问题 如材料断裂 折叠 充不满 局部变形不均匀等 另外 还可能会因模具载 荷过大而加快模具型腔磨损等 所以 针对形状复杂的模锻件 为使金属材料能更好 地充满整个模膛 提高锻件的综合机械性能和好的表面质量 以及提高锻模的使用寿 命 又能很好地避免终锻成形时产生严重缺陷 获得符合要求的高质量模锻件 通常 的做法是在终锻前进行一次或多次预成形 预成形设计是材料模锻成形工艺与锻模设 计的核心技术 现已成为控制终锻件质量 实现合格模锻件生产要求的重要环节 预 锻件设计是根据模锻的成形方式和金属流动情况 并依靠以往的具体实践经验 有限 元数值模拟技术和物理模拟技术等 52 53 来合理地设计 与此相对应地 预锻件设计的 手段也主要有基于以往丰富的设计经验 基于有限元数值模拟的计算机辅助设计与物 理模拟技术 基于以往丰富设计经验的指导原则 经验性强 技术含量高 主要是定性原则 所以学习应用比较难 同样 其定量准则主要基于圆角半径和锻件局部质量计算预锻 件的相关尺寸 仅起到启发性的指导作用 而物理模拟技术是指应用缩小或放大对象 比例 替用材料 简化设计条件等方法 借助于试验的模型来代替材料原型的研究 一般的物理模拟是指利用小的试样 然后借助于试验平台重现金属材料在模锻过程中 的受热和受力的物理模拟过程 通过组织与性能的变化规律来预测或评定金属材料在 模锻时可能出现的问题 为制定合理的模锻工艺已经预锻件的设计提供技术依据和理 论指导 基于有限元数值模拟技术是通过计算机仿真的方法来模拟模锻成形的整个过程 其主要功能是预测锻件的成形状况等 基于有限元数值模拟技术的预锻件设计包括有 正向模拟技术和反向模拟技术 正向模拟是模拟工件从原始坯料到终锻件的整个模锻 过程 主要是从预锻件到终锻件的过程模拟 把握工件的准确变形情况与各种场变量 分布和金属流动规律等知识 正向模拟中应用最多的是有限元法 反向模拟则主要是 以终锻件为起始研究对象 通过研究金属的成形方式和金属流动情况来返推实际需 要的预锻件结构与形状 反向模拟技术现广泛的应用到金属模锻成形的预锻件设计 中 duggirala 54 等用刚塑性有限元软件 alpid 来准确模拟多种模锻生产过程 赵国 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 群 55 58 等应用反向模拟方法来分别通过圆盘类以及工字型锻件的成形工艺不同和金 属流动方式来确定预锻件和制坯件的形状和尺寸 刘庆斌 59 60 等应用上限法对 h 型截面锻件的模锻过程进行了反向模拟与预锻件设计 而 park 61 则应用反向模拟技术 来设计壳体缩口的预锻件 1 2 3 锻造成形预锻模优化设计 优化设计算法在锻模工艺和锻模预锻件设计中应用较多 由于它能实现模锻工艺 与锻模设计的自动化 因此它是一种新的优化设计方法 国内外学者研究的重点是以 有限元正向模拟为基础 并结合一定的优化算法来设计预锻件 基于数值模拟的优化 方法大致有两大类 一类是应用目标函数的直接搜索法 另一类是应用灵敏度信息的 求导优化法 求导型优化法与直接搜索法相比 具有收敛速度快 迭代次数少和搜 索精度高等方面的优点 模锻件产品结构形状的多变 导致预锻件形状也是变化多端 的 因而预锻件形状优化设计就显得非常重要 理论上讲预锻件的形状是无限的可变 的 对预锻件的优化设计就是要从这无限的形状中来寻求最优解或者接近最优的解 山东大学的赵国群 62 教授多年来一直致力于预锻件设计优化理论研究 通过有限元灵 敏度分析 实现了预成形模具形状优化 并开发了预成形优化设计系统应用软件 kobayashi 63 等提出了利用有限元法来反向模拟金属成形过程与预锻件优化设计 方法 赵国群 64 67 等提出了通过模具接触追溯来设计预锻件形状的反向算法 并且建 立反向模拟边界条件的实现条件 另一种是基于灵敏度分析的预锻件优化设计法 它 是近些年来新兴的一种预锻件设计方法 其基本思路是 基于有限元正向模拟 利用 工程优化算法来实现预锻件的优化设计 fourment 68 等提出了用实际锻件形状与理想 锻件形状为目标对象函数来优化预锻模形状设计 lankals 69 提出了金属理论流动模 型以及一致变换法 金属理论流动模型 是基于理想材料而言 一般认为理想材料流 动即是将真实材料看成和理想材料一样变形 这样便可以实现无缺陷理想概念的锻 造 这样通过理想流动方式获得的中间形状便可看着是预锻件 也即真实材料达到近 似理想材料的流动状态 实际应用中主要存在问题有 在预成形的开始时 需要预先 确认模锻方向和锻件分模线 不能用于锻造方向与分模线经常变换的多工序模锻 另外预成形还有如下一些其他方法 比如正交矩阵法 扫描单纯形法 sweeping 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 simplex 遗传算法等但无论采取何种方法 最终目的就是为了能得到机械性能优良 金属流线顺畅 无折叠缺陷的优质合格锻件 通过预成形优化设计可以得出合理的预 锻件形状 通过有限元成形过程数值模拟可以验证其预成形设计结果的准确性 并对 其分析结果进行分析 最终得到合理的预锻件形状 1 3 基于锻造特征的预锻件设计法简介 锻造特征的预锻件设计就是根据锻造特征成形时不同特征其模锻成形方式和金 属流动情况的差异来分别对不同特征进行预锻件的设计 一般模锻成形方式有镦粗方 式和压入方式 通常情况下我们采用镦粗方式来成形锻件 因为镦粗方式成形时的金 属流动比较均匀 变形抗力小 锻件综合性能较高 但对于复杂结构的模锻件 其结 构往往带有比较难充满的特征 比如高筋类 高凸缘类 工字型类以及枝芽类等 这 些特征相对来说成形比较困难 对于这类特征就需要采用压入方式来成形 即通过金 属与模壁接触产生阻力作用来迫使金属压入到高筋和凸缘部位 而且这些难成形的特 征往往是最后充满型腔 根据不同锻件特征的成形方式和金属流动来分别对特征进行 预锻件的设计 也即是 基于锻造特征的预锻件设计法 基于锻造特征的预锻件 设计是以终锻件为研究对象 对锻件不同特征的成形特点和金属流动进行分析 并结 合生产实际合理地改进预锻件的结构形状 根据锻造成形特点 分别对不同变形方式 的锻件进行预锻件的设计 1 4 课题主要研究内容 本课题主要通过对模锻件成形工艺过程进行了细致的研究 主要包括对锻件图 设计和热锻件图的设计 终锻件设计以及预锻件进行相关研究 通过对金属在模锻 时的流动特点进行分析和对不同截面进行研究 最后得到的预成形的大概形状和尺 寸 主要研究工作如下 1 对模锻工艺设计过程进行相关研究 2 研究锻件局部特征截面的金属流动情况 即研究常见特征截面 型 型 型 型 工 型和 u 型等在不同成形方式下的金属流动 3 研究 基于锻造特征的预锻件设计 理论方法和设计准则 创建齿轮圆盘 类的数学模型 并根据特征体积相等原则来确定预锻件的大概轮廓和尺寸 分析比 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 较 基于锻件特征的预锻件设计 与 常见截面法 即通过 型 工 型 u 型截面建立预锻件相应的数学模型 两者的实用性 4 应用 基于锻造特征的预锻件设计 方法来设计大型航空模锻件机框的预 锻件 并通过 deform 3d 软件模拟机框的模锻工艺成形过程 根据模拟结果来分析 预锻件的金属流动特点和温度变化以及等效应变等 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 2 模锻成形工艺及金属流动分析 2 1 塑性成形特点 模锻塑性成形是将原始坯料加热到锻造温度范围后并置于锻模型腔内 然后通过 冲击力或者液压力迫使金属流动而得到合格模锻件的压力加工方法 在整个金属变形 中 因为模膛对金属坯料流动进行限制 因而锻造结束时能获得与模膛形状相一致的 锻件 与自由锻相比 模锻具有如下优点 a 锻件尺寸精确 加工余量小 b 能模锻 出结构比较复杂的锻件 c 生产率较高 d 节省金属材料 对于近净成形的锻件 可无需切削加工就可以直接使用 大大降低加工成本 随着现代航空工业的发展 需 要的模锻件结构也比较复杂 而且尺寸也比较大 如机框锻件 起落架和横梁等大型 锻件都是通过模锻来生成 按照质量计算 飞机上的锻件中其模锻件产品约占 80 汽车上约占有 75 所以 未来的模锻产品在大型工业中所占的比重会越来越大 2 2 模锻件的分类 模锻工艺和模锻方法与锻件轮廓相关 形状相类似的锻件 其模锻工艺流程 模 锻设备和锻模结构基本一致 为了便于制定模锻工艺流程 分析锻件成形过程中金属 流动情况以及合理地设计预锻件形状和尺寸 现根据锻件主轴线方向与其他两方向尺 寸的关系将锻件分为以下三类 1 短轴类锻件 锻件主轴方向的尺寸小于或接近于垂直主轴平面内的两个尺寸 短轴类锻件的锻造特点是成形力方向和锻件主轴线方向平行 锻造成形时坯料沿锻件的宽度 高度和长度三个方向都进行金属流动 属于 典型的体积变形方式 一般采用镦粗方式成形来填充 也有镦粗加压入成形的情况 2 长轴类锻件 锻件沿主轴方向的尺寸大于其他两个方向的上的尺寸 长轴类锻件的主要变形特点是打击方向与主轴线相垂直 在模锻成形中 变形金属主轴线方向的变形流动比较小 可看成是平面变形 3 复杂结构锻件 即具有以上两类锻件特征的组合结构 锻件分类如表 2 1 所示 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 表 2 1 锻件分类 类 别 组 别 锻件简图 简单形状 类 短 轴类 复杂形状 直长轴线 弯轴线 类 长 轴类 交叉轴线 类 复 杂类 综合类 2 3 模锻工艺设计方法 模锻工艺设计包括零件分析 确定模锻工艺方案 锻件图设计和变形工步设计等 内容 如下图 2 1 所示 这里主要介绍锻件图设计和模锻工步的确定 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 3 锻件图设计 2 确定模锻工艺 方案 1 零件分析 4 确定变形工步 功能分析 材质 形状 尺 寸和精度 余量及公差 冲孔连皮 分模面确定 拔模斜度 技术要求 模锻设备 模锻工艺 模锻方法 模锻工步制坯工步切断工步 模锻工艺设计 图 2 1 模锻工艺设计流程图 2 3 1 锻件图的设计和终锻件设计 一 锻件图的设计 锻件图是检查锻件 设计和制造锻模以及计算坯料的依据 合理地设计锻件图对 模锻质量有较大的影响 设计模锻件图时应考虑以下几个问题 1 确定模锻件的分模面 锻件的分模面是上下锻模在模锻件上的分界面 合理地选择分模面位置 将关系 到锻件成形效果 锻件出模以及材料利用率等问题 选择分模面的原则有 a 选择 分模面为平面 而且上下锻模的模膛深度应该基本一样 b 要保证锻模件能从模膛中 顺利取出 c 最好将分模面选在型腔深度最浅的位置处 这样可使金属比较容易充满 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 型腔 而且便于取出锻件 d 选定的分模面应该使锻件上所加的敷料为最少 这样可 以节省材料 确定分模面位置最基本的原则是 首先保持锻件形状与零件形状基本相同 且比 较容易从型腔中取出 尽量获得镦粗变形方式 因为镦粗变形时变形抗力最小 故此 锻件分模位置应选在具有最大水平投影尺寸的位置上 为了提高锻件质量和生产过程的稳定性 除满足上述分模原则外 确定开式模锻 件的分模位置还应考虑下列要求 1 为使分模结构尽量简单和便于发现上下模在模锻过程中的错移 分模平面尽可能 采用直线状 并应使分模线选在锻件侧面的中部 2 头部尺寸较大的长轴类锻件 不宜直线分模 而应改用折线分模 使上下模型腔 深度大致相等 以确保尖角处能充填饱满 3 为便于锻模加工制造和锻件切边 同时也为了节约金属材料 当圆饼类锻件的 h 2 5 3 d 时 则无论是在锤上锻造还是在曲柄压力机上锻造或螺旋压力机上锻 造 都应考虑径向分模 而尽量不采用轴向分模 因径向分模的锻模型槽可车削加工 效率高 工时省 切边模刃口形状简单 制造方便 径向分模还可锻出内腔 节约金 属 但当 h d 较大时 锤上模锻时 显然不能再考虑径向分模 若仍采用径向分模 则因模具高度尺寸太大 锻造困难 打击能量下降 需要的出模力也大 4 对金属流线有要求的锻件 为避免纤维组织被切断 应尽可能沿锻件截面外形分 模 如肋顶分模 同时还应考虑锻件工作时的受力情况 应使纤维组织与剪应力方向 垂直 2 加工余量及尺寸公差 模锻成形时金属坯料是在型腔中变形的 因而模锻件的尺寸相对自由锻来说就比 较精确 模锻件尺寸公差和机械加工余量均较小 锻件上凡是需要机械加工的表面 都应给予加工余量 此外 对于重要的承力件 要求 100 取样试验或为了检验和机械 加工定位的需要 还得考虑必要的工艺余块 加工余量的大小与零件的形状复杂程度 尺寸精度 表面粗糙度 锻件材质和模锻设备等因素有关 过大的余量将增加切削加 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 工量和金属损耗 加工余量若不足 又会使锻件废品率增加 以下为液压机模锻件单 面加工余量 如下表 2 2 所示 仅供参考 70 表 2 2 模锻件单面加工余量 单位 mm 模锻件最大边长 钢和钛单面加工余量 镁铝铜单面加工余量 50 1 5 1 0 50 80 1 5 1 5 80 120 2 0 1 5 120 180 2 0 2 0 180 250 2 5 2 0 250 315 2 5 2 5 315 400 3 0 2 5 400 500 3 0 3 0 500 630 3 0 3 0 630 800 3 5 3 5 800 1000 4 0 3 5 1000 1250 4 5 4 0 1250 1600 5 0 4 5 1600 2000 6 0 5 0 2000 2500 7 0 6 0 2500 3150 7 0 3150 4000 8 0 4000 5000 9 0 5000 6300 10 0 6300 8000 11 0 3 确定模锻斜度和圆角 设计拔模斜度是为了让模锻件能顺利地从型腔中取出 模锻斜度与型腔深度 h 和 该部分的宽度 b 的比值 h b 有关 比值越大 斜度应相应地增大 锻件上所有面与面 之间的交线处均需设计圆角半径 这样才有利于金属的流动 以避免在锻模交界处产 生应力集中而破坏锻模 设计原则为 内圆角半径应大于外圆角半径 模膛越深 相 应地圆角就随之增大 对于薄腹板 筋既窄又高这类锻件在模锻时筋部容易折叠 在 这些特征部位 就应该增加圆角半径来提高金属的流动性 锻件上的内圆角半径 r 应 比外圆角半径 r 大 一般取 r 2 3 r 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 4 冲孔连皮 透孔不能在模锻时直接锻出 所以在设计热锻件图时必须在孔内保留一层连皮 然后在切边压力机上冲除掉 一般情况下 当锻件内孔直径大于 30 时要考虑设冲孔连皮 连皮厚度 s 应适 当 若过薄 锻件容易发生锻不足并要求较大的打击力 从而导致模具凸出部分加速 模损或打塌 若连皮太厚 虽然有助于克服上述现象 但是冲除连皮困难 容易使锻 件形状走样 而且浪费金属 所以在设计有内孔的锻件时 必须正确选择连皮形式及 其尺寸 连皮形式一般有四种 平底连皮 这是常用的连皮形式 如图 2 2 所示 其厚度 s 可根据表 2 3 确定 也可以 按照公式 s 0 45 0 6 求得 式中 d 锻件内孔直径 h 锻件内孔深度 对于大于 25mm 的通孔也不能直接模锻出 而必须留有冲孔连皮 切边时再除掉 冲孔连皮 如果连皮直径过大 则可通过气割方式去除 图 2 2 连皮形式 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 连皮的厚度尺寸与冲孔直径 d 的关系 如下表 2 3 70 所示 表 2 3 连皮厚度 单位 mm 冲孔直径 d 连皮厚度 t 50 4 50 80 6 80 120 8 120 160 10 160 200 12 斜底连皮 如果锻件的内孔较大时 d 2 5h 则生产上一般设计为平底连皮 但斜底连 皮周边的厚度增大 造成切除连皮时容易引起锻件形状走样 带仓连皮 若锻件内孔直径大 形状复杂 需设计为带仓连皮 带仓连皮的厚度 s 和宽度 b 按毛边槽桥部高度 h 和桥部宽度 b 确定 仓部容积应足够容纳预锻后斜底连皮上多余 的金属 拱底连皮 如果锻件的内孔较大 d 15h 这时设计为拱底连皮 或带仓连皮 以便容纳更 多金属 避免产生折叠或穿筋等缺陷 切边也容易 压凹 当锻件内孔直径较小 d 25 不宜锻出连皮 应改用压凹形式 其目的是使 锻件饱满成形 二 终锻件设计 终锻件是预锻件和制坯件设计的基础 而终锻模膛主要参照热锻件图来设计 制 造和检验 设计终锻件时主要应考虑两个方面 第一 热收缩率 对于低合金钢和低碳素钢在热模锻时 其热锻件图上所有尺寸的热收缩率一般选 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 取 1 5 但对于细长杆类件以及模锻工步较多的锻件 其收缩率可选用 1 2 1 6 但对有色金属 则收缩率可取 0 8 1 2 同一锻件 因结构形状不同 采用热收缩 率也不尽相同 第二 飞边设计 终锻件图的形状尺寸与冷锻件图相对应 可根据模锻情况对冷锻件局部尺寸作一 定修整 并选择合适的飞边型式 常见飞边形式为以下三种 如图 2 3 所示 a 桥部在上模 b 桥部在下模 c 桥部均布上下模 图 2 3 飞边常见形式 2 3 2 制坯件的设计及工步选择依据 长轴类模锻件的制坯件设计主要是依据计算毛坯图来确定 计算毛坯图包括计算 毛坯截面图与计算毛坯直径图 主要确定思路是 假想坯料变形时 金属流动在长度 方向不发生变化 在高度和宽度方向的平面内发生平面变形 其沿轴向上的毛坯截面 面积等于的相应长度方向上锻件截面积和毛边面积之和 计算毛坯是一种理想化的毛 坯 计算毛坯图的主要作用是 1 可以根据毛坯截面图来计算坯料的体积与质量 2 可以合理地选择长轴类锻件的制坯工步 3 为制坯型槽提供合理的设计依据 长轴类锻件制坯工步的选择 首先应确定参数 1 比值 d最大 d平均 如比值 越大 则应选择聚料效果高的制坯工步 2 比值 l计 d平均 如比值大 应选择用 拔长效率高的制坯工步 3 锥度 k dk d最小 l杆 如 k 值越大 制坯型腔中作用 在金属上的水平分力也相应增大 4 锻件质量 g锻 如 g锻越大 表明在模膛中流动 金属的体积随之增大 根据这四大因素 a k g锻 即可确定长轴类锻件的制 坯工步 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 将截面相等的原坯料锻成截面不等的计算毛坯形状 需要采用较为合理的制坯工 步才可以将杆部多余的金属转移到大截面部位去 并参考有关的图表来选择合适的制 坯工步 另外还要结合生产实际来选择最佳的制坯工艺方案 实际生产中常见模锻件 采用的变形工步如表 2 4 所示 表 2 4 模锻件分类及变形工步 类别 结构特征 变 形 工 步 主 要 变 形 工 步 盘 类 水平面上的投影为 圆形或者长度接近 宽度的锻件 墩粗 预锻 终锻 注 对难成形部位采用 需预锻工步 直 长 轴 类 水平面上的投影长 度与宽度相差较大 轴线是直线 拔长 滚压 预锻 终锻 注 难成形特征应预锻 弯 轴 类 水平面上的投影长 度与宽度相差较大 轴线是弯曲线 拔长 滚压 弯曲 预 锻 终锻 注 难成形特征应预锻 叉 类 水平面上的投影为 叉形 拔长 滚压 预锻 终 锻 注 这类锻件须预锻 枝 芽 类 水平面上的投影具 有局部凸起部位 拔长 滚压 成形 预 锻 终锻 注 采用不对称滚压对 枝芽特征聚料 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 2 4 锻件截面的金属流动概述 在锻造成形过程中 由于其锻件结构的特征不同 其对应的模锻成形方法也就不 一样 模锻成形方法一般有镦粗和压入两种成形方式 它决定了锻造特征截面的金属 流动趋势和方向 但都遵循最小阻力定律 即金属在受到外力作用发生塑性变形时 金属颗粒都会沿着最小阻力方向流动 通常情况下 锻件以镦粗方式成形效果比较好 金属流动均匀 而且缺陷也较少 其中镦粗变形的变形抗力最小 压入变形的抗力最 大 一般金属沿着锻件中性面方向流动 如图 2 4 所示金属流动的平面和方向 下面 分别对短轴回转体 饼类 以及长轴类锻件的金属平面流动简要分析 图 2 4 金属流动平面和方向 1 短轴类 饼类 短轴回转体类锻件的金属是以轴线为中心沿半径方向对称地流动 如图 2 5 所 示的环形截面金属流动 对于圆形则向外流动 由圆心向外分布发散 对于环形则分 别向内外对称地流动 这种变形特征称为轴对称变形方式 图 2 5 环形截面金属流动 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 2 长轴类 长轴类金属流动如图 2 6 所示 在锻件两端部尤其是在大头位置 它具有轴对称 变形特征 而在杆部则金属流动与轴线方向垂直分别发散 由此可知 金属沿轴线方 向没有流动 只在垂直于轴线平面内向外流动 这种流动特征称为平面变形方式 a 直轴线 b 弯曲轴线 图 2 6 轴类锻件金属流动 1 两者变形方式的差别 对于轴对称变形和平面变形 其主要差别为 轴对称变形是变形前后其体积不 变 也即是对于其断面来说金属向外流动时 断面面积减小 而向内流动断面面积增 大 平面变形时其断面面积变形前后不变 长轴类锻件填充方式一般为 椭圆截面 圆截面 椭圆截面 矩形截面 矩形截面 工字型截面 但对于有些复杂锻件 特别是带有高筋薄壁和凸出部位 则需要通过压入方式 成形 金属流动是通过模壁的挤压作用将金属压入到高筋部位来充型筋部 相对镦粗 成形方式 压入成形时金属流动不是特别流畅 有时会出现穿流和紊流的不均匀现象 以上情况是通过成形方式来决定金属的流动趋势 即先确定锻件特征的成形方式 然 后决定锻造特征的金属流动情况 反过来 如果我们首先分析并确定锻造特征的金属 流动趋势和方向 然后根据金属流动来确定锻造特征的模锻成形方式 即最后确定是 通过镦粗还是压入方式成形 所以在模锻前对锻造特征的金属流动分析就显得特别重 要和关键 2 5 不同特征截面的金属流动分析 对于复杂的模锻件 它的结构是由不同的锻造特征来组合而成的 而每个特征 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 截面的在锻造压力作用下其金属流动也有一定的规律 下面对常见的锻造特征截面的 金属流动进行分析 2 5 1 型特征截面的金属流动 对于 型特征截面在镦粗变形时金属流动情况如下图 2 7 所示 图 2 7 圆形截面金属流动 从图中可以看出 镦粗圆形截面特征时 其金属流动是沿直径方向向外流动 金 属流动时均遵循遵循最小阻力定律 2 5 2 型特征截面的金属流动 对于方形和扁方形的截面特征在镦粗时 其金属流动有一定的差别 但仍然遵循 最小阻力定律 对于方形特征的锻件 在镦粗时其金属分别沿着垂直于直边方向流动 如图 2 8 a 所示 对于扁方特征的锻件在镦粗时其大多数金属沿长边垂直方向流动 较少的金属流向短边方向如图 2 8 b 所示 图 2 8 方形截面金属流动 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 2 5 3 型特征截面的金属流动 对于 型特征的环形件截面和框形的截面变形及金属流动情况如下图 2 9 所 示 其中图 a 为环形的金属流动情况 图 b 为框截面的金属流动情况 a 环形 b 框形 图 2 9 环形和框形金属流动 环形件的金属流动分界面位置并不是在壁厚的中间 而是在靠近内侧一边 主 要是因为金属向内孔流动时 孔直径缩小 在镦粗时金属内力引起径向压应力与摩擦 阻力方向一致 因此 在没有摩擦的条件下镦粗环形截面时 其坯料外径增大 内孔 直径也增大 对于方框类截面在镦粗时金属流动是垂直于直边分别向内外方向流动 2 5 4 型特征截面的金属流动 对于高筋结构特征的 型截面 其金属成形一般是靠压入方式来充满筋部型 腔如图 2 10 a 所示 因而其金属流动情况如图 2 10 b 所示 a 实体模拟图 b 筋部以压入法成形 图 2 10 筋类金属流动特点 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 2 5 5 工 型特征截面的金属流动 根据分析得知 此类 工 型截面的筋部是以压入方式来充满终锻型槽的 而腹 部则是靠镦粗方式来成形 金属流动是由中间部分分别向两边流动 并向筋板方向流 动聚集来填充 如图 2 11 所示 工 型特征截面的金属流动 a b c 图 2 11 工型金属流动特点 2 5 6 u 型特征截面的金属流动 同 工 型特征截面的金属流动一样 此类 u 型特征截面的的筋部是靠压入 方式来成形 腹部是靠镦粗成形方式来充填 金属流动是由中间部分分别向两边流动 并向筋板方向流动聚集来填充 如图 2 12 所示 工 型特征截面的金属流动 图 2 12 u 型进行流动特点 这类锻件的分模面一般设置在上部筋板位置 主要是为了金属流线分布均匀 能 提高锻件综合力学性能 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 22 2 6 本章小结 本章主要对模锻件的分类和模锻工艺设计的关键进行分析总结 对冷锻件设计 时的分模面 加工余量 冲孔连皮和飞边等方面的内容进行较为详细的介绍 特别 是对预锻件和制坯件的相关重点进行研究总结 并分析了长轴类制坯工步的选择原 则 通过对短轴类的轴对称变形和长轴类的平面变形时金属流动进行比较分析 最 后得到轴对称变形时金属体积在变形前后不变 而平面变形时其断面面积变形前后 不变 此外还对对不同锻件特征截面的金属流动进行分析 对常见的特征截面 型 型 型 型 工 型和 u 型等在不同成形方式下的金属 流动进行分析 其中特征截面 型 型 型通过镦粗方式来成形 型 工 型和 u 型特征则主要通过压入方式来成形 研究这些锻造特征 的金属流动 对于预锻件的设计有很大帮助 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 23 3 基于锻造特征的预锻件设计 3 1 常见 截面法 的预锻件设计概述 截面法 设计预锻件是沿其轴类锻件长度方向用有限平面去截取锻件的截面 并 将此截面看作是平面变形问题 然后依据面积相等原则设计预锻件截面形状和尺寸 最后将一系列预锻件截面沿指定路径扫描连接成三维实体预锻件形状 71 预锻件采用 最为普遍的原则是根据截面面积相等或者比终锻件稍大 如果是无飞边的模锻 就取 截面相等 如果是有飞边的情况 则应按一定比例放大终锻件截面面积即得到预锻件 截面面积 即预锻件截面面积应等于热锻件截面面积加上飞边的截面面积之和 它主 要是针对以下三种截面建立数学模型 1 型类截面数学模型创建 对于 型截面的锻件如下图 1 所示 分布表示预锻件和终锻