机械毕业设计（论文）-汽车离合器精密锻压模具设计【全套图纸】.doc

汽车离合器精密锻压模具设计引言锻造是金属加工方法之一，在现代制造业中占有重要地位。锻造一般属于体积成形，是通过金属体积的转移和分配，来获得机械零件或接近于零件尺寸的毛坯，锻造的产品称为锻件。模锻是适合于大批量生产锻件的锻造方法。模锻时，使用特制、开设有与锻件形状一致或相近的型腔（模膛）的锻模，将锻模安装在锻造设备上，金属毛坯置于锻模的模膛中，锻造设备通过锻模对毛坯施加载荷，是毛坯产生塑性变形，同时变形流动又受到模膛空间的限制。全套图纸，加153893706金属材料通过模锻塑性成形，可以获得形状尺寸精确、表面光洁程度较高的锻件，同时其内组织能够得到显著改善，使用性能得到提高。并且，模锻具有很高的生产率，模锻件机械加工余量较小，材料利用率较高；锻件流线分布合理，零件使用寿命高；生产操作简单方便。在工程应用中承受较大或复杂载荷的零件，常采用模锻方法进行大批量生产。模锻成形在国民经济各个领域中得到广泛应用。例如汽车、拖拉机、机械、航空、航天、军工等领域，某些需要考虑形状尺寸和内部质量的稳定性，以及有某些特殊性能要求的零件，也经常采用模锻方法生产。由于社会需求和生产技术的进步，各种先进的、特殊的模锻方法不断产生和发展。例如精密模锻、液态模锻、粉末锻造、摆动辗压、自动辗环、高速模锻、超塑模锻等，所加工的材料，也从普通钢和一般的有色金属，发展到特殊钢、高温合金、铝镁合金、复合材料等。锻造是历史久远的生产行业，也是飞速发展的学科领域，从依靠简单机械装置驱锤的古老锻造模式，发展到以高压蒸汽、压缩空气、液体等多种介质驱动多种锻造机器，使用多样化模具体系进行的近现代化模锻生产，进而到采用计算机控制的、全自动的、集成化模锻生产线或柔性化锻造加工系统，传统的成产方式正在被先进生产方式改造、取代。因此锻造工作者需要不断“充电”来适应学科、行业的发展。本次设计的主要是锻模，是对于汽车离合器的精密锻压模具设计。由于能力和时间有限，又是初次设计与分析，没有什么经验，仅凭的是别人总结出来的经验，还有许多不恰当的地方，错误和不妥之处肯定在所难免，敬请各位老师批评指正。第一章 模具的概述1.1模具的概念、作用和优点模具的概念在工业生产中，用各种压力机和装在压力机上的专用工具，通过压力机的压力，使金属或非金属材料在专用工具内变形、流动获得所需形状和尺寸的制件，这种专用工具统称为模具。模具的作用模具是工业生产中使用极为广泛的重要工艺装备。采用模具生产制品及零件，具有生产效率高，节约原材料成本低廉，保证质量等一系列优点，是现代工业生产的重要手段和主要发展方向。模具是成型金属、塑料、橡胶、玻璃、陶瓷等制件的基础工艺装备，是工业生产中发展和实现少无切削加工技术不可缺少的工具。如汽车、拖拉机、电器、电机、仪器仪表、电子等行业有60%80%的零件需要用模具加工，轻工业日用品的生产需要用模具更多，螺母、螺钉、垫圈等标准零件，没有模具就无法大量生产。由此看来，模具是工业生产中使用极为广泛的主要工艺装备之一。模具是一种高效率的工艺装备，用模具进行各种材料的成形可实现高速度的大批量生产，并能在大批量生产条件下稳定的保证制件的质量、节约原材料。因此，在现代工业生产中，模具的应用日益广泛，是当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。许多现代工业的发展和技术水平的提高，在很大程度上取决于模具工业的发展水平。模具工业的水平和发展状况已被认为是衡量一个国家工业水平的重要标志之一。模具加工制品的优点利用模具加工制品及零件主要有以下优点:(1)生产效率高，可实现制品与零件的高速度大量的生产；(2)节约原材料，可实现少切削，无切削加工；(3)制件质量稳定，有良好的互换性；(4)操作工艺简单，利用模具生产制品时，不需要操作者有较高的技艺水平；(5)利用模具批量生产的零件和制品成本低廉；(6)所加工出的的零件与制品可一次成形，不需要进行再加工；(7)能制造出用其他加工工艺方法难以加工、形状比较复杂的零件制品；(8)容易实现生产的自动化和半制动化。1.2 模具的分类和成形特点模具的分类模具分类方法很多，过去常使用的有：按模具结构形式分类，如单工序模，复式冲模等；按使用对象分类，如汽车覆盖件模具、电机模具等；按加工材料性质分类，如金属制品用模具，非金属制用模具等；按模具制造材料分类，如硬质合金模具等；按工艺性质分类，如拉深模、粉末冶金模、锻模等。这些分类方法中，有些不能全面地反映各种模具的结构和成形加工工艺的特点，以及它们的使用功能。为此，采用以使用模具进行成形加工的工艺性质和使用对象为主的综合分类方法，将模具分为十大类，见表1各大类模具，又可根据模具结构、材料、使用功能以及制模方法等分为若干小类或品种。其具体分类：1.冲压模具（冲模）模具品种：冲裁模（无、少废料冲裁、整修、光洁冲裁、深孔冲裁精冲模等），弯曲模具，拉深模具，单工序模具（冲裁、弯曲、拉深、成形等），复合冲模，级进冲模；汽车覆盖件冲模，组合冲模，电机硅钢片冲模适用范围:板材冲压成形2.塑料成型模具模具品种：压塑模具，挤塑模具，注射模具（立式、式、角式注射模具）；热固性塑料注射模具，挤出成形模具（管材、簿膜扁平机头等）发泡成形模具，低刀具工具泡注射成形模具，吹塑成形模具等适用范围:塑料制品成形加黄岩工艺（热固性和热塑性模塑料）3.压铸模模具品种：热室压铸机用压铸模，立式冷室压铸机用压铸模，臣式冷室压铸机用压铸模，全立式压铸机用压铸模，有色金属（锌、铝、铜、镁合金）压铸，黑色金属压铸模适用范围:有色金属与黑色金属压力铸造成形工艺4.锻造成形模具模具品种：模锻和大型压力机用锻模，螺旋压力机用锻模，平锻机锻模，辊锻模等；各种紧固件冷镦模，挤压模具，拉丝模具，液态锻造用模具等适用范围:金属零件成形，采用锻压、挤压5.铸造用金属模具模具品种：各种金属零件铸造时采用的金属模型 适用范围:金属浇铸成形工艺6.粉末冶金模具模具品种：成形模；手动模：实体单向压制、实体双向压制手动模；实体浮动压模；机动模：大型截面实体浮动压模，极掌单向压模，套类单向、双向压模，套类浮动压模；整形模；手动模；径向整形模，带外台阶套类全整形模，带球面件整形模等。机动模：无台阶实体件自动整形模，轴套拉杆式半自动整形馍，轴套通过式自动整形模轴套全整形自动模，带外台阶与带外球面轴套全整形自动模等 适用范围:粉末制品压坯的压制成形黄岩艺。主模具电加工设备用于铜基、铁基粉末制品；机械零件，工具材料与制品易热零件等7.玻璃制品模具模具品种：吹一吹法成形瓶罐模具，压一吹法成形瓶罐模具，玻璃器皿用模具等适用范围:玻璃制品成形工艺8.橡胶成型模具模具品种：橡胶制品的压胶模、挤胶模、注射模。橡胶轮胎模，“O”形密封圈橡胶模等适用范围:橡胶压制成形工艺9.陶瓷模具模具品种：各种陶瓷器皿等制品用的成形金属模具 适用范围:陶瓷制品成形工艺10.经济模具（简易模具）模具品种：低熔点合金成形模具，薄板冲模，叠层冲模，硅橡胶模，环氧树脂模，陶瓷型精铸模，叠层型腔塑料模，快速电铸成形模等 适用范围:适用多品种少批量工业产品用模具，有很高经济价值各类模具的成形特点(1) 冷冲模的成形特点冷冲模是指在室温下把金属或非金属材料放在模具内，通过压力机和模具对板料施加压力，使板料发生分离或变形制成所需零件的模具。各类冷冲模成形特点是： 图1-1 落料冲裁模成形特点 图1-2 冲孔冲裁模成形特点1）冲裁模。冲裁模的成形特点是：将一部分材料与另一部分材料分离。图1-1所示为落料冲裁模结构形式，它的成形特点是将材料封闭的轮廓分开，而最终得到的是一平整的零件。而图1-2所示是一冲裁模结构，它是将零件内的材料与封闭的轮廓分离，使零件得到孔。2）弯曲模。弯曲模的成形特点是：将板料或冲裁后的坯料通过压力在模具内弯成一定的角度和形状。如图1-3所示的压弯膜，是将平直的板料压成带有一定角度的弯曲形状。图1-3 弯曲模成形特点 图1-4 拉深模成形特点3）拉深模。拉深模的成形特点是：将经过冲裁所得到的平板坯料，压制成开口的空心零件。如图1-4所示的模具是将平板的坯料拉深成筒形零件。4）成形模。成形模的成形特点是：用各种局部变形的方法来改变零件或坯料的形状。如图1-5所示的缩口模，它是将空心件或管状毛坯的端部由外向内压缩，以缩小其口径成为所要求的零件形状。 图1-5 成形模成形特点 图1-6 冷挤压模成形特点5）冷挤压模。冷挤压模的成形特点是：在室温下，在模具型腔内将金属坯料加压，使其产生塑性变形，挤压成所需的形状、尺寸及性能的零件制品。如图1-6所示，是将一部分金属在压力作用下，冲挤到凸凹模形成的型腔内，是毛坯变成所需的空心零件。（2）型腔模的成形特点图1-7 锻模成形特点 1）锻模。锻模的成形特点是：将金属毛坯，加热后放在模膛内，利用锻锤的压力使材料发生塑性变形，待充满型腔后，形成所要求形状的零件，如图1-7所示。2）塑料压缩模。压缩模的成形特点是：将塑料放在模具型腔中，在压机上通过加热板对其加热、加压后使其软化充满型腔，保持一定的温度机保压一定时间后，软化的塑料就固化成一定形状的零件，如图1-8所示。图1-8 压缩模成形特点 图1-9 挤塑模成形特点3）塑料挤压模。挤压模的成形特点是：将塑料放入专用的加料室内，通过压力机加热、加压，使受热而软化的塑料熔液经过浇注系统挤入模具型腔内，待型腔填满固化后而形成所需的制品，如图1-9所示。4）塑料注射模。注射模的成形特点是：将热塑性塑料放入专用的注射机料筒内，通过加热使其熔化成流动状态，再以较高速度和压力，通过推杆将其注入模具型腔内，待其固化后，形成所需的零件，如图1-10所示。5）合金压铸模。合金压铸模的成形特点是：把经加热熔化成液体的有色金属合金，放入压铸机的加料室内，用压铸机活塞加压后使其进入模具型腔内，待冷却后固化成所需形状的零件，如图1-11所示。图1-10 注射模成形特点 图1-11 合金压铸模成形特点1.3 模具的加工方法和发展趋势传统模具加工法滚筒(加工)、波纹加工、拉刀切削、定中心、切削、外圆车削、放电加工、电解研磨、压花加工、面车削、锉刀修润、卷边加工、滚齿加工、摇动加工、抛光/研磨修润、雷射加工、车床车削、刨削加工、抛亮光、铰孔修润、粗切削、圆形加工、锯削、清除钢碇缺陷、成形加工、表面研磨、切缝切削、锥度车削、螺纹切削、超音波加工、逆铣加工、手工修润。新的模具技工方法1.高速切削技术高速切削加工技术按其目的而言可分为两类：以实现单位时间最大材料去除量为目的的加工和以实现高质量加工表面与细节结构为目的的加工。模具的高速切削加工都是这两类技术的综合运用。高速切削加工技术引进到模具加工行业，主要应用于以下三个方面：一是淬硬模具型腔的直接加工。二是EDM电极加工。三是快速样件制造。2.微型模具加工技术按其加工原理不同可分为三大类：光制作技术，如LIGA技术、UV-LIGA技术、电子束光刻技术、激光加工技术;腐蚀技术，如刻蚀技术;微机械加工技术，如微细车削、微细铣削、微细磨削、微细电火花等传统加工法。3. 采用离散制造原理,直接快速制造金属模具零件。制造中先采用超声波焊接, 实现层与层之间的固体连接,每一层焊接完成后,根据计算机中CAD数据信息,驱动刀具进行单层平面轮廓加工,然后再堆积成形新层。4.日本大隈公司开发出了一种加工模具的新方法粗加工时采用“机枪切削法”，即采取高速进给、而切入量较小的一种加工方法。精加工时则采用“超负荷加工方法”荷减小，加工稳定，刀具寿命延长，加工效率大大提高。模具技术的发展趋势模具产品主要是向着更大型、更精密、更复杂及更经济的方向发展，模具产品的技术含量不断提高，模具制造周期不断缩短，模具生产朝着信息化、无图化、精细化、自动化的方向发展，模具企业向着技术集成化、设备精良化、产批品牌化、管理信息化、经营国际化的方向发展。其开发动向为：1.以最适应的成型加工条件为目标的各种控制技术及其高度化、专家系统，开环和闭环控制日益普及，并设计各种高性能螺杆，开发薄膜、片材、中空制品等多层复合成型设备。2.开发精微控制、低噪音及性能优良的全电动性注塑机，电动和油压并用的电动注塑机。 3.可减低残留应力的加工机械，如各种低压成型或适应压力成型的加工机械，模内压力控制法、注塑压缩成型机等。4.多材、多色成型机，如多层专用加工机、夹芯注塑机、成型机、回收利用专用机、 成型机、软硬材料一体成型机等。 5.大型化塑机也是当前发展方向之一。 6.个性化也是当前塑机发展的另一个关注热点。1.4模具的材料选择模具材料以模具钢为主。锻造模具失效主要原因是受力过大、过热、磨损和热疲劳。对于大多数模锻锤和锻造压力机用的锻模模块，其工作硬度一般不大于HRC50。锻模一般截面较大，应选用淬透性较高的钢种，以提高模块心部的性能。为了提高热作模具的使用寿命，往往选择纯净度高、等向性好、经过炉外精炼、电渣重熔和多向锻造的高质量模具钢1.其分类为：按用途：热锻模用钢、热挤压模用钢、压铸模用钢，更可细分为锤锻模用钢、机锻模用钢、热挤压模用钢、热镦模用钢、热冲裁模用钢、压铸模用钢。按性能：高韧性热作模具钢、高热强性热作模具钢、高耐磨性热作模具钢，也可分为低耐热性热作模具钢、中耐热性热作模具钢、高耐热性热作模具钢。按成分：低合金热作模具钢、中合金热作模具钢、高合金热作模具钢，也可分为钨系热作模具钢、铬系热作模具钢、铬钼系热作模具钢、铬钨钼系热作模具钢。非专用热作模具钢：奥氏体耐热钢、高速工具钢、马氏体时效钢、析出硬化钢、冷热兼用基体钢等。本次毕业设计课题是精密锻压模具因此所要选择的模具材料为热作模具钢，其成分特点：(1)含碳量处于中等水平，碳的质量分数一般为0.3%0.6%；(2)加入Cr、Ni、Mn等元素，提高钢的淬透性和强度等性能；(3)加入W、Mo、V等元素，防止回火脆性，提高热稳定性及红硬性；(4)适当提高Cr、Mo、W在钢中的含量，可提高钢的抗热疲劳性。2.热作模具的使用性能要求：(1)较高的高温硬度 (2)优良的耐热疲劳性能(3)较高的高温强度和韧性 (4)良好的耐磨性3.锻压模具用钢的选用 1.锤锻模：受冲击负荷，韧性要求较高。中、小型锤锻模首选：5CrMnMo大型锤锻模首选：5CrNiMo 特大型锤锻模：5Cr2NiMoVSi2.压力机锻模：冲击负荷较小，负荷较大，要求热强性较高。压力机锻模首选：4Cr5MoSiV表1-1常用的锻压模具钢的选用4Cr5MoSiV1第二章 模锻生产工艺2.1 模锻成形方法 图2-1 开式模锻 图2-2 闭式模锻按目前实际生产中主要采用的方式，模锻可分为开式模锻（见图2-1）与闭式模锻（见图2-2）。开式模锻要形成飞边（也成毛边），因而称为有飞边模锻；而闭式模锻在正常情况下不产生飞边，因而又称为无飞边模锻。2.1.1模锻成形过程1.开式模锻的充形过程图 2-3 开式模锻变形过程开式模锻的变形过程如图2-3所示，在一般情况下拟将整个变形过程分为四个阶段，现分述如下：第阶段(自由变形或称镦粗变形阶段)。在这一阶段，坯料在型槽中发生镦粗变形，对于某些形状的锻件可能伴有局部压入变形。当被镦粗的坯料与模膛侧壁接触时，表明此阶段结束。此时变形金属处于较弱的三向压应力状态，变形抗力也较小。第阶段(形成毛边阶段)。第阶段结束后，由于金属流动受到模膛壁的阻碍，坯料在垂直于作用力方向的自由流动受到限制，继续压缩时，金属流动方向有两个，一个平行于受力方向，流向模膛深处，一个继续沿垂直于作用力方向流向毛边槽，形成少许毛边。此时变形抗力明显增大，毛边桥部内侧的金属处于较强的三向压应力状态。第阶段(充满型槽阶段)。毛边形成后，随着变形的继续进行，毛边逐渐减薄，形成一个阻力圈，使得金属流向毛边槽的阻力急剧增大。当这个阻力大于金属流向模膛深处和圆角处的阻力时，迫使金属继续向模膛深处和圆角处流动，直到整个模膛完全充满为止。此阶段变形金属处于更强的三向压应力状态，变形抗力急剧增大。第阶段(锻足或称打靠阶段)。通常坯料体积略大于模膛容积，因此，当模膛完全充满后，尚须继续压缩至上下模接触（即打靠）。多余金属全部排入毛边槽，以保证高度尺寸符合要求。这一阶段变形仅发生在分模面附近的不大区域内，其它部位则在静水压力作用下压合空洞、疏松或使变形体处于弹性变形状态。此阶段由于毛边厚度进一步减薄和冷却，多余金属由桥口流出的阻力很大，这时变形区处于最强的三向压应力状态，变形抗力也最大。有研究表明，此阶段的压下量虽小于2mm，它消耗的能量却占总能量的30%50%。2.闭式模锻成形过程图2-4 闭式模锻变形过程闭式模锻变形过程分为三个阶段如图2-4所示：开式镦粗阶段、充满角隙阶段和挤出端部飞边阶段。(1).粗阶段 开式镦粗即为自由镦粗，即由开始变形（H）至金属基本充满型槽（H）。从坯料与冲头或上型槽表面接触开始到坯料金属与型槽（最宽处）的侧壁接触为止。在这一阶段中，金属充满型槽中某些容易填充的部分。此阶段结束后继续变形时，变形抗力将急剧增高。(2).角隙阶段 即从毛坯的鼓形侧面与凹模侧壁接触开始（H）到金属完全充满型槽为止（H）的阶段。在这一阶段中，变形金属的流动受到模壁的阻碍，变形金属各部分处于不同三向压应力状态。随着毛坯变形程度的增加，模壁承受的侧向压力逐渐增大，直到型槽完全充满。在该阶段开始时，坯料的变形区位于未充满处附近的两个刚性区之间。在此阶段结束时的变形力比第阶段末可增大23倍，变形区随着变形过程的进行逐渐缩小，最后消失，但变形量H却很小。(3).出端部飞边阶段 即从充满型槽后（H）的多余金属在继续增大的压力作用下挤入凸、凹模之间的间隙中，形成环形纵向飞边。飞边不仅增大了能量消耗，而且会加速模具的磨损，因此镦粗式闭式模锻的最佳模锻锻力应是指最难成形的四角充满后模锻过程立即停止时动力。闭式模锻一般适用于轴对称变形或近似轴对称变形的锻件，应用最多的是短轴类的回转体锻件。2.1.2模锻时金属的流动方向判别判别方法金属流动是指金属内质点的移动。流动是由于塑性变形引起的，而流动的情况又决定了变形最终的形状和尺寸。模锻时，毛坯内部质点向什么方向流动，是模锻工艺设计者必须弄清楚的问题。解决这个问题目前还没有十分精确的公式，前人曾提出许多比较适用的观点，但也还有不完善的地方。确定金属流动方向的一般步骤是: 根据应力状态对毛坯进行分区，在每个区中作出应力状态图，确定最大主应力； 根据应力分布情况定出最大主应力增大的方向，确定质点主要流动方向； 根据次要主应力增大方向确定质点流动方向的偏移情况。2.1.3模锻的分类锻模的分类见表2-1。表2-1 锻模的分类项号分类方法模具名称应用范围1按模锻设备分类1. 模锻锤用锻模2. 摩擦压力机用锻模3. 自由锻锤用固定锻模及不固定锻模（胎模）2按工艺用途分类1. 模锻用锻模2. 切边、冲孔锻模用于成品锻件用于切除飞边及穿孔3按有无飞边分类1. 开式模锻用锻模2. 闭式模锻用锻模各种锻件轴对称回转体锻件4按模腔数量分类1. 单腔锻模2. 多腔锻模用于胎模锻和摩擦压力机模锻多用于锤上模锻2.1.4 锻造工艺的基本工序和工步一般情况下锻件生产流程为：备料加热锻造工序后续工序。锻造工序按加工方法的不同，又可分为自由锻工序、胎模锻工序和模锻工序。利用锻造设备的上、下砧和简单的通用工具使坯料在压力下产生塑性变形的锻造方法，称为自由锻工序。自由锻工序对锻造设备要求低，通常在自由锻锤上进行，因此锻件精度低。利用简单的可移动模具，在自由锻锤上锻造，称为胎模锻工序。它通常用于批量不大、精度要求不高的锻件生产。利用专门的锻模固定在模锻设备上使坏料变形而获得锻件的锻造方法称为模锻工序。生产中模锻工序往往又要分成好几个工步来逐步实现。工步是在锻造加工时采用一种模具在锻造设备一次或多次动作下，使坯料产生一种方式的变形并获得一定的外观变形量的步骤。如汽车发动机上连杆锻件在锤上模锻时，就要经过拔长、滚压、预锻、终锻四个工步。目前生产中所用锻造工序和工步名称很多。除按加工方法不同区分外，还可以按成形特点命名，如镦粗工序、拔长工序、弯曲工序等。表2-2只列举其中常见的一部分。表2-2 常用锻造工序及工步举例分类序号名称加工示意图成形特点说明自由锻工序1镦粗工序把坯料沿轴向压缩，使坯料横截面增大，轴向长度缩小2拔长工序使坯料在送进过程中横截面缩小，沿轴向长度增加3冲孔工序在轴向高度不大的盘形坯料上冲出大于25 的孔4弯曲工序将坯料中心轴线压弯成所需的角度和形状分类序号名称加工示意图成形特点说明模锻工序1拔长制坯工步利用锻模模膛，同时操作坯料，一面翻转，一面送进，使坯料长度增加，截面积减小。一般要多次连续锻打才能完成。有去除氧化皮功能2压扁（镦粗）制坯工步利用锻模上压扁平台或镦粗台，在锻造力作用下，使坯料截面积增大高度减小。锻造力与坯料轴线垂直，称压扁制坯工步锻造力与坯料轴线一致称镦粗制坯工步3滚压制坯工步利用锻模模膛，同时操作坯料不断翻转，在多次连续锻打下，使坯料一处截面积增大，另一处截面积减小，起聚料作用，同时有滚光和去除氧化皮功能4卡压制坯工步又称压肩制坯工步。坯料在锻模模膛中只受锻压力一次作用，使高度减小宽度增加，有少量聚料作用5弯曲工步利用模具使坯料轴线弯曲成形分类序号名称加工示意图成形特点说明模锻工序6挤压工步坯料放在锻模内，在冲头压力下挤压成形。又分正挤、反挤、复合挤、径向挤等。图示为正挤7预锻工步使制坯后的中间坯料进一步变形，使它更接近锻件形状，以改善坯料在终锻时流动条件，避免产生充填不满和折叠，并提高终锻模膛的寿命8终锻工步使坯料在终锻模膛中最终成形，生产出符合锻件图要求的锻件后续工序1切边（冲孔）工序利用切边或冲孔模在压力机上切除飞边或冲孔连皮，使锻件符合锻件图的要求2热处理工序按图样要求进行退火或调质等热处理；有要求的还要进行喷丸，酸洗等表面处理3校正工序为消除锻件在锻后产生的弯曲、扭转等变形，使之符合锻件图技术要求而进行的修整工序称为校正4精压工序是利用平板或模具对锻件进行少量压缩以达到高的精度（形状和尺寸）和细的表面粗糙度的一种工序22 模锻变形的力学与金属学基础2.2.1基本物理量（1）外力（载荷） 外力是重要的模锻工艺参数，外力由模锻设备借助于模具施加给毛坯。选择模锻设备、进行模具设计都须考虑外力及其对成型的影响。（2）应力 金属是通过原子间的结合力而结合成为整体的。要使金属产生变形，外力就必须克服原子间的相互作用力，是原子离开平衡位置向另一个平衡位置移动。（3）应变 毛坯内某质点处发生的变形大小用“应变”表示2.2.2 塑性变形一、塑性变形实质1、单晶体塑性变形（1）当无外力，晶格正常排列。（2）外力作用使原子离开平衡位置，晶格变形。（3）当剪应力足够大，沿晶面移动一个或几个原子距离。2、多晶体塑性变形多晶体是多个位向不同变形总和。特点：（1）变形过程复杂。 （2）变形抗力比单晶体大的多。二、热变形后金属组织与性能 1、气孔、缩孔、缩松能锻合，提高致密度。2、生成再结晶组织，细化晶粒。 3、生成纤维组织，使材料有方向性。铸锭组织不均，晶粒粗大，气孔、夹杂，塑性变形后，再结晶消除加工硬化组织，夹杂沿变形方向分布，呈纤维状。变形增加越明显，使材料有方向性。三、金属变形程度 常用锻造比表示 Y=F0/F F0表示变形前面积 F表示变形后面积 钢锭Y=2-3 合金钢Y=3-4 高速钢Y=5-12四、冷、热变形比较 热变形特点：（1）均匀、细化晶粒 （2）消除加工硬化（3）高温、塑性好 （4）氧化严重（5）精度差 （6）设备贵，维修费高 冷变形特点：（1）不加热 （2）精度、表面质量好 （3）硬度、强度高 （4）材料有方向性 （5）设备贵，存在残余应力，易产生裂纹。2.2.3塑性条件（屈服准则）材料质点处于单向应力状态时，此单向应力达到屈服极限时发生屈服，开式产生塑性变形。但是，当材料处于复杂受力条件下，质点处于多向应力状态时，就必须考虑所有方向应力分量综合作用的效果，实验研究表明：只有当各应力分量之间符合某一定关系时，质点才能进入塑性状态，这种关系成为屈服准则。目前常用的屈服准则是密席斯准则：“当材料质点处得等效应力达到时，质点发生屈服。” 或设代数值 ，其中为与 有关的系数。这里是指在变形温度下金属的抗力，即所谓“真实抗力”，可在资料或金属抗力图上查取。因为坯料形状和锻模模膛形状不同，各处接触情况不同，锻模内坏料各部分所受外力不同，应力亦不同。变形首先发生在已符合塑性条件的区域，这样的区域称为塑变区。其余区域称为弹性区或刚性区。随着时间变化，金属坯料的形状发生了改变，它和模膛接触情况在变化，外力和应力都在变化。所以塑变区和其余区域的界线在模锻过程中是在变化的。在塑变区和其余区域界线附近，由于两种区域变形量不同而存在附加应力。这种附加应力总是成对出现，其中的拉应力往往是金属坯料在锻造时发生塑性破裂的原因。2.2.4塑性变形体积不变条件塑性变形的机理是金属在剪应力作用下产生滑移，原子离开原来的位置到达新的平衡位置。塑性变形不产生体积的变化。可以描述为：可见塑性变形时，三个正应变分量不可能全为正。2.2.5 塑变图图2-5是圆柱体坯料在平砧上自由镦粗时坯料剖面内塑变区的分布图。圆柱体的变形分为三个不同的区域。第区为坯料两端与上、下锤砧相接触的圆锥体。其表层受到锤砧表面摩擦阻力作用变形十分困难，是弹性区或刚性区。区在坯料中心，受接触摩擦力影响很小，主要受垂直方向锻压力的作用金属由四角向上、下端面流动，是剧烈变形区。区是圆柱侧面所围成的厚度不等的圆环形。其外侧是自由表面，受端面摩擦力影响较小。随着区坯料不断变形，区直径也逐渐扩大呈现鼓形，其变形量在区和区之间，又称小变形区。区受到区胀大时引起切向拉应力，镦粗操作不当会造成圆柱侧面纵向裂纹。综上所述，主要塑变区是区。它和区分界面上作用有正应力和切应力。这些应力沿分界面积分总和的垂直分量是理论锻造力。图2-5 圆柱体坯料镦粗时塑变图高度和直径比例不同的圆柱体坯料在同一平砧上自由镦粗时，当原始高度Ho和原始直径Do之比在2.51.5之间时，出现双鼓形。当镦粗到H/D=1时双鼓形变为单鼓形。图2-6是高度和直径比例不同的圆柱体坯料在同一平砧上自由镦粗时的塑变图。当原始高度Ho和原始直径Do之比在2.51.5之间时，出现双鼓形。、区如前述，区为中心均匀变形区。区和区为塑变区。当镦粗到H/D=1时双鼓形变为单鼓形。图2-6 不同比例圆柱体的塑变图图2-7是终锻模膛内飞边已形成时的塑变图。图2-7 模锻件终锻时塑变图2.2.6金属的塑性和塑性指标塑性是材料在外力作用下产生永久变形，而不破坏其完整性的能力。影响金属塑性的因素主要有两个方面：一是材料本身的内在条件，如晶格类型、化学成分和金相组织等；二是外部施加的变形条件，如变形温度、变形速率和受力状态等。材料的塑性不是固定不变的。同一种材料在不同的变形条件下，会表现出不同的塑性。衡量塑性高低的数量指标成为塑性指标。塑性指标有很多种，实验方法不同，对应的塑性指标也不同。在单向拉伸实验中，对应的塑性指标是断后伸长率和断面收缩率。在落锤镦粗实验中，对应的塑性指标是极限压缩变形程度。影响塑性的主要因素有:化学成分，组织，变形温度和变形速度。2.3锻模的基本失效形式及外观检查锻模在上述复杂条件下工作，其失效形式也复杂多样。其基本失效形式有型腔部分的模壁断裂、燕尾开裂、型腔表面的热疲劳、塑性变形和磨损。一、模具的断裂 模具的断裂不仅影响生产，而且危及人身安全，是最危险的一种失效形式。1、模具断裂的类型 按断裂的性质，可分为早期脆性断裂和机械疲劳断裂两种类型。模具的早期脆性断裂一般发生在模具首次使用时，是在锤击次数较少时就会发生，有时仅锤击一次就发生断裂。其断口的形貌特征是从断裂源开始，裂纹呈人字花纹向外扩展。（锻模在首次使用时，操作工一定要十分注意。）模具的机械疲劳断裂是在模具经受多次锻击后发生的断裂，其宏观和微观断口也具有一般疲劳端口的特征，但宏观断口上的裂纹扩展区一般较小。图2-8 断裂图两种断裂形式可以从断口的特征加以区别。疲劳破裂断口一般可分为两部分：一部分是疲劳裂纹发展形成的疲劳破裂部分，这部分由于疲劳裂纹随着锻打过程时进时停常常呈现出贝壳形状；一部分是突然断裂部分，这部分的裂纹是急速发展的，端口成凸凹不平的粗糙状态。图2-9 燕尾转角处开裂前者也就是通常所说的“旧茬”，后者称“新茬”。脆性断裂由于是产生裂纹后急速扩展的，所以端口不呈贝壳形状。2、模具断裂的形式 常见的模具断裂形式主要有四种。图2-9燕尾转角处开裂第一种是燕尾根部转角处产生的裂纹造成燕尾断裂。据国内资料介绍和模具失效的情况看，有1030的锤锻模因燕尾开裂而失效。 第二种是沿高度方向开始于模腔深处的纵向裂纹造成模具破裂。其主要原因：其一是锻模的高度（厚度）不够，在锻击时模腔侧壁承受很大的压力，当应力值超过材料的强度极限时便引起破裂；其二是当模腔内圆角不足、有深而狭窄的凹槽、型槽根部留有加工刀痕，这时易造成应力集中而产生破坏。第三种是模壁被打断。其原因主要是两方面：其一是模壁太薄，强度不够；其二是模腔较深时模壁斜度和底部圆角小且留有加工刀痕。模壁破裂多发生于闭式锻模和镶块锻模。第四种是锻模凸锁扣被挤断。由于下模温度升高比上模快，容易出现卡模现象，所以，锻模采用角锁扣结构时通常把凸锁扣布置在下模上，其配合面为斜面配合。造成锻模断裂的因素较多，主要有：模具结构设计不合理造成应力集中、模具材料冶金质量不高或锻件质量缺陷、热处理缺陷和机械加工缺陷、模具的不正确安装等。这些因素均可诱发裂纹萌生，并导致早期断裂和机械疲劳断裂。二、型腔表面的热疲劳 所谓“热疲劳”是指模具在循环热应力的反复作用下所产生的疲劳裂纹和破坏。锻模尤其是大锻模，工作过程中模具型腔表面受急热、急冷的作用而内层的温度变化较小。因而，表层的热胀冷缩受到内层的约束而产生热应力。如果热应力大于材料的屈服点，便会产生压、拉塑性应变。模具经过一定的周次产生循环的塑性应变，导致型腔表面产生许多细小的裂纹，即热疲劳裂纹。 三、型腔表面的磨损 锻模在机械负荷和热负荷双重作用下，一方面坯料对型腔表面产生冲击性的接触应力，另一方面坯料塑变流动对型腔表面产生强烈的摩擦。在型腔表面与坯料滑动摩擦较小的部位（在模具的突出部），由于较大接触应力的重复作用，易使形腔表面产生小块剥落，形成痘状麻坑。在型腔表面受坯料滑动摩擦较大的部位（在模腔的口部和飞边槽桥部），由于摩擦切应力和热负荷的作用，易产生氧化磨损和热粘着磨损，坯料与模具型腔局部发生粘合，继而在粘合处产生擦伤沟槽，在粘合处产生破坏。四、模具形腔的塑性变形 锻模的塑性变形常发生在模具形腔中受力大且受热温升高的部位，如肋、凸台等突出部位。模具型腔在坯料的高温、变形过程摩擦产生的温升作用下（高于模具的回火温度），使模具材料的屈服强度下降，表面产生了软化层，在软化层较深的部位，则会产生棱角堆塌或使型腔深处产生凹陷等塑变现象。 因此，在锻造过程中，要选用合理的变形速度、操作方法和冷却、润滑方式，尽量减少坯料在模具中的停留时间，同时应合理的调节锤击速度和打击能量，尤其是在模具打靠时应避免重击。在毛坯充满模膛后，锤头（滑块）的多余能量主要由模具和设备的弹性变形所吸收，坯料被压缩后，使模具的内腔撑大，模具承受很大的应力，反复多次的冲击载荷作用，势必造成模具的塑变和破裂。模具外观检查1、模具表面不允许有裂纹、碰伤、腐蚀和严重氧化的缺陷，毛边、毛刺去除干净。模腔各部的过渡处圆角半径符合要求，圆弧连接应平缓圆滑，不允许有尖锐转角，不允许有加工中因进刀太深留下的局部刀痕和接刀痕迹。 2、模具各部的表面粗糙度符合图纸要求，模槽部分必须进行抛光处理，尤其是模腔窄槽底部、燕尾根部转角凹槽、镶块模座楔铁槽底部转角处、定位键槽底部和钳口部位是检查的重点，不允许有肉眼可见的刀痕。3、对于采用电火花加工的模具，要求在电加工后进行一次低温补充回.24 模锻工艺制定的主要内容2. 4. 1 制定与模锻变形相关的工艺1,设计锻件图 根据产品零件图、锻件精度、和其他生产条件，确定分模面、加工余量及公差、模锻斜度、圆角半径，设计冲孔连皮，绘制模锻件图；2，确定工艺方案 根据锻件形状尺寸和实际生产条件确定变形工艺方案，主要是工步的种类和顺序；3,设计工步和相应的模膛 设计顺序是先设计终锻模膛，再设计预锻模膛和制坯模膛（与变形过程相反）。在锻件图基础上根据锻件收缩率绘出热锻件图，热锻件图就是终锻模膛加工图，然后设计钳口和飞边槽；4,确定模锻设备吨位 按终锻工步计算锻压力，确定模锻设备类型及吨位并校核飞边槽设计； 5，确定原材料规格 根据制坯模膛的要求,坯料总体积和加热中的损耗及工艺余块、料夹头等确定下料长度；6,绘出锻模装配总图，给出锻模技术条件，再绘制锻模零件图。2.4.2 制定模锻变形前和变形后的工艺1，确定加热、冷却和热处理规范；2，确定切边工艺并设计切边模具；3，确定清理、校正等工艺和设备；4，汇总设计结果，填写模锻工艺卡片。2.5 模锻件图设计模锻的锻件图分为冷锻件图和热锻件图两种。冷锻件图是制定模锻工艺、设计锻模和检验锻件的依据，此外，机械加工车间也要依据冷锻件图来设计机加工时所用的工卡具。热锻件图用于锻模设计和加工制造。冷锻件图就简称为锻件图。锻件图是模锻生产最基本的技术文件之一。锻件图是根据产品零件图设计的。绘制模锻件图的主要工作内容是：确定分模面的形状和位置；确定加工余量、锻件公差和锻造余块；确定模锻斜度；确定模锻圆角半径；确定冲孔连皮；确定锻件技术条件等。2.5.1 分模面设计分模面是锻模上、下两部分的分界面。分模面的位置和形状选择正确与否，会影响到锻件成形、锻件出模、锻件质量、材料利用率和锻模、切边模制造的复杂程度等。确定分模面位置时，经常要考虑的原则如下：1，使锻件容易从模膛中取出。锻件分模应选择在具有最大的水平投影尺寸的位置上；2，使锻模结构简单，便于加工制造，保证合模精度，并防止上、下模错移，尽可能选择平面分模；3，便于发现上、下模在模锻过程中的错移，分模位置应选在锻件侧面的中部；4，头部尺寸较大并且上下不对称的长轴类锻件，有时不宜用直线式分模；5，便于锻模和切边模加工制造和减少金属损耗，短轴类锻件的HD时，应取径向分模而不宜轴向分模。6，有金属流线方向要求的锻件，应考虑到锻件在工作中的承力情况。2.5.2 加工余量、锻件公差和锻造余块1，加工余量由于毛坯表面在高温下产生氧化、脱碳以及其他污染现象，毛坯体积变化以及终端温度的波动，锻件表面敷料等原因，普通的模锻方法一般不能满足最终零件对形状和尺寸精度、表面粗糙度的要求。因此，锻件的全部或部分表面，在模锻后还需进行机械加工，在这些表面就应该留有供机械加工用的金属层，称为机械加工余量。锻件上凡是需要机械加工的部位，都应给予加工余量。加工余量的大小主要取决于零件的形状尺寸、加工精度和表面粗糙度的要求，以及锻造时设备模具精度和操作技术水平等。过大的加工余量，将增加机械加工工时和金属消耗；加工余量不足，则将增加锻件的废品率。对于外形尺寸，锻件的公称尺寸等于零件的公称尺寸与加工余量之和；对于内孔尺寸，锻件的公称尺寸等于零件的公称尺寸与加工余量之差。对于零件的非机械加工表面（黑皮），则无需贴放加工余量，这时，锻件的公称尺寸就是零件的公称尺寸。2，锻件公差图2-10 锻件尺寸模锻过程中，各种影响因素的波动，造成每个锻件在成形条件上的具体差异，于是锻件的实际尺寸不可能准确无误地达到锻件的公称尺寸，也允许有一定的误差，叫做锻件公差。允许锻件实际尺寸大于其公称尺寸的部分成为上偏差，允许锻件实际尺寸小于其公称尺寸的部分成为负偏差。锻件上不论是否需要机械加工的部分，都应注明锻件公差。普通锻件公差约为加工余量的1/41/3。3，锻造余块图2-11 锻造余块、余量、余面根据锻造工艺的需要，零件上较小的孔、狭窄的凹槽、直径差较小的而长度不大的台阶等难于锻造的地方，可以填满金属，使它们在锻件图上不再出现。这部分附加的金属叫做锻造余块。添加锻造余块可以简化锻件形状，减少锻造难度，但会增加机械加工工时和金属损耗。因此，是否增加锻造余块，应根据零件形状、锻造技术水平、加工成本等综合考虑确定。4，确定方法确定加工余量和锻件公差的的方法较多。模锻件的加工余量根据估算锻件质量、加工精度及锻件复杂系数查表；锻件公差根据锻件尺寸、重量、精度级别、形状复杂系数等查表确定。主要公差项目有：尺寸公差、错差、残留飞边公差、直线度和平面度公差、中心距公差、表面缺陷等。各查表因素确定方法如下：（1）锻件估算重量 根据零件公称尺寸，附加上估计的初定余量进行计算。（2）锻件形状复杂系数S 是锻件重量（或体积 ）与其外廓包容体（如图2-12、2-13所示）的重量（或体积 ）的比值，即：锻件形状复杂系数可分为四个等级，见表2-3:表2-3 锻件形状复杂系数等级级别形状复杂系数形状复杂程度级别形状复杂系数形状复杂程度0.631简单0.160.32复杂0.320.63一般0.16较复杂图2-12 a)、b)圆形锻件锻件的外廓包容体图2-13 c)、d)非圆形锻件锻件的外廓包容体（3）锻件材质系数按材料可锻难易程度，钢质模锻件可分为和两级。含碳量小于0.65%的碳钢或合金元素总含量小于3.0%的合金钢；含碳量大于或等于0.65%的碳钢或合金元素总含量大于或等于3.0%的合金钢。（4）钢质锻件公差等级 分为普通级和精密级。普通级公差是指用一般模锻方法能达到的精度；精密级公差适用于精密锻件。2.5.3 模锻斜度为了锻后能够顺利取出锻件，模膛的侧壁必须要有一定的斜度，相应地在锻件上也就会产生相应的斜度，个斜度叫做模锻斜度。模锻斜度可以在锻件侧表面上人为地添加敷料来形成，也可以是锻件侧表面上固有的斜度（自然斜度）。锻件在冷缩时趋向离开模壁的部分为外模锻斜度，用表示；反之为内模锻斜度，用表示（见图2-14）。模锻锤、锻压机和螺旋压力机上锻件的外模锻斜度，按锻件各部分的高度与宽度以及长度与宽度的比值、确定，数值见表2-4。内模锻斜度按外模锻斜度值加大2或3(15除外）。当模锻设备具有顶料机构时外模斜度可缩小2或3，但一般不宜小于3。注：为便于模具制造，采用标准刀具，模锻斜度可按下列数值选用：015，030，1，130，3，5，7，10，12，15。在同一锻模上不宜选用过多种模锻斜度。 图2-14 锻件的内外模锻斜度表2-4 模锻锤、热模锻压力机、螺旋压力机锻件外模锻斜度数值11334.54.56.56.51.55007001000120015001.5500500700100012002.5.4 圆角半径为了利于金属塑性流动，并考虑到模锻强度，锻件上各个凸出或凹下的转角部位都不允许呈锐利的尖角，应设计为适当半径的圆角。锻件各面交线都应是圆角。在制件公差允许条件下圆角半径应尽可能大。（1）外圆角半径模膛内凸处的圆角半径 称外圆角半径，它与锻件上的内圆角半径相呼应。太小，会使脱模困难，还会造成模锻时金属流动形成的纤维被割断甚至产生折叠。一般情况下 取值按下式确定： 式中 加工余量；零件上相应处的圆角半径或导角。（2）内圆角半径模膛内凹处的圆角半径 称为内圆角半径，它与锻件上的外圆角半径相呼应。太小，会使锻件成形困难，导致锻模因应力集中开裂。一般情况下 值按下式确定：为便于模具制造时采用标准刀具，圆角半径按下列数值选用（单位：）：1,1.5,2,2.5,3,4,5,6,8,10,12,16,20,25,30。同一锻模上圆角半径值不宜取得过多。2.5.5 冲孔连皮模锻件不能直接锻出透孔，必须在孔内保留一层连皮，然后再切边压力机上切除。连皮的厚度应适当：若s过薄，则锻击力大，容易造成合模困难，并且加速模膛凸出部分的磨损或塌陷；若s过厚，则浪费金属，冲切