毕业设计（论文）-钟形套锻造工艺及其模具设计

摘要等速万向节是轿车的传动轴和极为重要的承载部件，其应用是现代轿车舒适性、高传动效率和低噪音的重要标志。在等速万向节中，以钟形套的制造技术难度最大，它不仅重量大，形状复杂，加工精度要求高，而且生产工艺一直处于专利或保密状态。随着轿车工业的发展，对其需求量越来越多。近年来，美国、日本和俄罗斯等国采用“温锻+冷锻”复合成形工艺生产出的钟形套锻件外表面留约l mm的加工余量，球形内表面仅留约05mm的磨削量，六条弧形球道仅留O30，4mm磨削量。随着国内汽车工业迅速发展的需要，我国在80年代后期开始等速万向节的生产。和发达国家相比，我国汽车零件的精密塑性成形工艺(包括冷温精锻)还比较落后，因此，研究等速万向节钟形套精密成形技术，已成为我国汽车工业的重要课题。 利用CAXA绘制二维图，针对钟形套反挤压和冷缩经成形过程，把温锻温度范围的材料抗力模型引入CAD技术，建立与实际三维问题相符的模型，模拟结果可以有效地指导工艺和模具设计。关键词： 钟形套 ； 多工序冷温成形 ； CAD技术；CAXA全套图纸加扣3012250582IIABSTRACTThe cross groove constant velocity joint，a transmission shaft，is a very important load-supporting part of saloon calThis kind of joint can result in a reduction of vibration and noise，a significant reduction in joint size and an increase in the maximum speed and torqueIt is one of crucial issues in modem saloon carIn the all parts of the joint，the outer race is very difficult to be forged because of complicated shape，big weight and high precisionAnd the forming process is protected by patent or is kept a secret stillDue to rapid increase in car industry,there is a greater demand for such joints In recent years，a forging part of the outer race，which has just grinded tolerances of 1.0 mm in outer surface，05 mm in inner sphere surface and 0304 mm in arc sphere grooves，Can be formed by USA，Japan and Russia with warmcold forming processEver increasing requirements of the auto industry make it necessary to develop and manufacture the cross groove constant velocity joint，SO some Chinese enterprises began to manufacture it in the late of 80S last centuryCompared with those developed countries，China has poor ability in cold and warm forging process to produce this componentIn order to meet the development demands of Chinese automobile industry，research and development of the precise forming process of the outer race becomes the key project Using CAXA drawing 2 d figure，in order to analyze the forming process of backward extrusion and precision necking of outer race，the material model of warm forging temperature range is inducted into CAD technologyPlastic deformation 1aw is simulated and all obtained results Can be applied to development of multistage forming process and die design for outer raceExperiment equipments are designed and manufactured on the basis of the above simulation results and Experiments of multistage forming process are performed and the force。stroke calve and trend of metal flow about every forming procedure is obtainedMeanwhile the results of FEM simulation and experiment are compared,it shows that they are good agreementKeywords：Constant velocity joint outer raceMultistage warmcold forging process CAD technology CAXAVI摘要IABSTRACTII第一章 绪论111研究的意义与选题依据1111精密塑性成形技术：1112温冷锻精密成形技术在汽车中的应用2113课题的来源及研究意义312精密温冷锻成形技术及其研究概述5121冷锻5122温锻5123温冷锻复合成形工艺的研究开发6第二章 成形工艺的比较分析821引言82. 2锻件材料特性1023钟形套预成形件温热成形的前提1124钟形套预成形件温热成形工序方案选择12241钟形套预成形件工艺方案的选择12242不同工艺方案的成形过程模拟和比较13243分析和选择172. 5工艺流程与工步图设计182. 5. 1 坯料体积及尺寸的确定18第三章 钟形套模具设计203. 1预锻模具设计203. 1 .1折叠203. 1. 2充不满213. 1. 3预锻模具结构设计213. 2终锻模具设计233. 2. 1热锻件图233. 2. 2模架233. 2. 3模块243. 2 .4飞边槽243. 2. 5锁扣253. 2. 6钳口25第四章 冷缩径变形过程及模具结构2741引言2742冷缩径成形28421冷缩径成形过程28422回弹的研究3043模具结构30431模具结构30432运动仿真3344结论33第五章 模拟结果的应用345. 1模具的优化设计345. 2.坯料的选用345. 3设备的选择36第六章 总结38参考文献40致谢42第一章 绪论11研究的意义与选题依据111精密塑性成形技术：世纪之交，科技发展日新月异，知识经济初现瑞倪，制造业也经历着一场深刻的技术革命，全球先进制造技术(AMT)正以迅猛的步伐发展，改变了传统制造技术的面貌和旧的制造模式。成形制造技术向高精度发展是制造技术的一个重要发展方向。成形制造技术是铸造、塑性加工、连接、粉末冶金等单元技术的总称。展望21世纪，成形制造技术正在从制造零件的毛坯、从接近零件形状(NearNet Shape Proccess)向直接制成零件精密成形或称净成形(Net Shape Proccess)的方向发展。据国际机械加工技术协会预测，本世纪初，塑性成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。Hitz等人指出，到20052010年前后，成形件的公差将等于今天的磨削精度。精密成形技术是现代制造技术中非常活跃和重要的发展方向，是先进制造技术的重要组成部分，是现代电子技术、计算机技术、新材料、精密加工和测量技术与传统成形技术(铸造、锻压、焊接等)相结合的产物，其目的在于使成形的制品达到或接近最终产品的形状和尺寸，并且优化质量，缩短制造周期，降低成本，其方向是精密化、高效化和轻量化。新一代精密成形制造技术重点开发以实模精密成形、刚形(准刚形)精密成形、高精密造型(芯)技术为主的精密铸造技术；以精密锻模、辊锻、热轧、热挤压、多向分模锻造、热镦锻技术为主的精密热塑性成形技术；以温挤、冷挤、冷轧、超塑性等温成形、冷精整及复合成形技术为主的机械构件精密成形技术等。其中精确锻造成形技术将是2 1世纪塑性成形技术发展的主流。近年来，精密塑性成形制造技术发展迅速，已突破了主要提供毛坯的范畴，向部分取代切削加工、直接生产半成品或成品零件的方向发展，扩展了塑性成形的应用范围，且具有生产效率高、零件质量好、产品成本低、节约原材料和能源等优点，已成为塑性成形技术中极为重要的一个生长点。 在上个世纪八十年代末九十年代初，日本汽车制造行业成功地打入美国汽车制造行业及汽车市场，靠的是先进精密制造技术。所谓2mm工程就是最典型的事例之一，即日本制造的轿车车门，安装到轿车车身的门框上，关上后周边仅lmm的间隙，欧洲汽车行业制造的轿车间隙为2mm左右，而美国制造的轿车车门周边间隙大到3mm以上。由于美国的轿车零部件制造水平不如日本，导致整车性能竞争不过日本。这一问题引起了美国制造行业、美国政府乃至克林顿总统的高度重视，反思其原因在于由于计算机、电子及信息技术的发展，人们错误地认为制造行业是“夕阳”工业，忽视了制造工业的重要性。针对这一情况，克林顿总统率先提出先进制造技术的概念，并提出发展先进制造技术的政策。仅仅数年，美国的先进制造技术的发展处于国际先进水平，大大促进了美国汽车制造行业的发展。112温冷锻精密成形技术在汽车中的应用锻压工业广泛应用于汽车、航空、电子、家电等工业领域，其中作为衡量一个国家工业水平的标志之一的汽车工业，被当今世界主要工业发达国家和新兴工业国家列为国民经济支柱产业，其发展主导了锻压技术及装备的发展，锻压技术的发展和进步基本围绕汽车工业的发展而进行。激烈的市场竞争促使汽车更新换代的速度明显加快，产品的市场寿命周期进一步缩短；与此同时，汽车变型品种日益增多。目前，世界上平均每3叫年，轿车就要更新次车型，整个汽车制造业朝着提高载重自重比、节省能耗、降低噪音，高速、安全、舒适性方向发展。相应地汽车零部件制造技术发展也极为迅速，主要发展方向和发展趋势为：零件毛坯精密化甚至达到磨削精度的效果，稍作处理或不作处理就可直接装车；高的强度厘量比；应用组合件，减少整车零部件的数量；提高工艺的可靠性和设备的制造柔性；减少模具和工装的数量；减少设备的运行巡视；缩短设计到制造设计到市场的周期等。世界各国汽车工业之间的竞争日趋激烈，生产厂家在激烈的市场竞争中，获胜的前提条件是利用低成本生产出高质量的产品，这样对汽车工业中的塑性加工生产提出了更高的要求。厂家必须根据零件的批量及设计要求选择合适的工艺，以降低生产成本。汽车生产向着高性能方向发展。关键传动部件的体积越来越大，一般冷锻压力机不能胜任。温锻工艺应运而生。温锻的应用大幅度降低了毛坯的成形压力，具有较高的精度水平，解决了较大零件的成形问题。温锻技术可充分发挥其优越性，降低成本，提高质量，故温锻或温冷锻技术近年在美国、日本、德国等工业发达国家得到了越来越广泛的应用，并有逐渐取代热锻工艺的趋势。汽车工业中存在大量形状较复杂的轴对称或旋转对称零件，包括轴径、内星轮、外套、齿轮、极爪、联轴器等。这些锻件受零件材料或零件形状的限制，用单纯的冷锻工艺难以成形；若采用热锻工艺，则原材料及能源的消耗量大，后续机加工量大，由于型面形状复杂，机加工难度高，势必增加生产成本，且切削加工会破坏零件的金属流线结构，降低零件的机械性能。这些锻件的生产批量大，如采用温锻工艺或“温锻+冷锻”综合工艺来生产，则可以充分发挥温锻精密成形的优越性，降低成本，提高质量。当今，汽车工业已逐渐成为中国国民经济的的支柱产业。和发达国家相比，我国汽车工业的精密塑性成形工艺(包括温冷精锻)还比较落后，对于一些在发达国家比较成熟的精密成形工艺还没有完全的消化和吸收。为了提高我国汽车工业的温冷锻技术水平，对其成形工艺与理论展开深入研究是必要的。113课题的来源及研究意义在该项目中，将对轿车等速万向节中的关键零件(如图11、图12所示)的冷、温锻成形过程进行研究，从理论和实践中总结出切合实际生产流程的工艺方案及模具设计最佳方案，并将逐步投入实际生产。本论文以钟形套为代表，研究其精密成形工艺成形规律和相应的模具技术。 图11 等速万向节驱动结构图结构图 图1.2等速万向节重要零件图等速万向节是轿车的传动轴，这种传动轴具有结构合理、传动效率高、噪音小和寿命长等优点，国外轿车普遍采用，是极为重要的部件，它的应用是现代轿车舒适性、高传动效率和低嗓音的重要标志。随着轿车工业的发展，对其需求量越来越大。每车需用两根，到2005年我国轿车年产量超过200万辆，社会轿车保有量将达1000万辆，相应的维修量按5计算，再把部分轻型车及四轮驱动(4WD)轿车的需要考虑进来，估计出年所需量400万根以上；到2010年，我国轿车年产量将达400万辆以上，加上社会保有量的维修市场，预计年将需等速万向节1000万根以上。这将是一个庞大而有潜力的市场。同时对等速万向节的生产率、材料利用率及其他需求也就越来越高。因此开展等速万向节精密成形工艺的研究，是今后大规模发展轿车产业所必须的。 钟形套、星形套、三销滑套、三销轴等组件是构成等速万向节的关键零件，形状极为复杂，尺寸精度要求高，从毛坯到成品零件均不能采用常规工艺方法和设备制造，必须采用先进精密制造技术，其中钟形套不仅规格品种多，且技术难度最大。因此，衡量一个国家的轿车等速万向节乃至先进精密制造行业的生产水平，常以生产钟形套的技术水平为代表。我国自“八五”以来，上海纳铁福传动轴有限公司，中德合资吉林等速万向节公司，襄阳汽车轴承公司，杭州万向集团股份有限公司等通过引进关键机床，采用国内通用机床配套，形成年机加工能力100万余根。而其关键零件钟形套、三销滑套等的毛坯精化尚处于起步阶段，仅江苏大丰的三销滑套冷挤压形成了中小批量生产，而钟形套的精化毛坯生产均未达到生产的要求。具体的目的和意义为：(1)与“神龙富康”轿车配套，解决等速万向节供应瓶颈，实现等速万向节国产化，节约外汇，降低成本 富康车除进口一部分等速万向节外，主要由上海纳铁福传动轴有限公司供给半轴。由于上海轿车产量迅速增加，该公司继续供给半轴十分困难，因此希望襄轴公司尽快成为富康车半轴供应点，故研究等速万向节精密成形已成为一项紧迫的任务。神龙富康轿车进口一套(2根)等速万向节需4000元左右，若实现国产化，每套只需1400元，仅此一项就可以使神龙轿车整车成本降低2600元左右。因此实现等速万向节的国产化将产生明显的经济效益。(2)提高材料利用率和生产效率钟形套、三销轴套形状复杂且尺寸精度高，采用精化毛坯可显著提高材料利用率，减少机加工工作量，提高生产效率。以富康车钟形套为例，若采用本课题提供的精密成形工艺，同传统的生产工艺相比，预计单个锻件用料可由26Kg减少到19Kg，机加工工作量可减少50%以上，每件节约材料及机加工费用2530元以上。 (3).与引进的关键设备配套，填补我省等速万向节精化毛坯生产的空白对于机械加工，襄轴公司在八五期间投入7000万元引进部分关键机械加工设备，与国内通用机械加工设备配套，初步形成了约10万根的生产能力。而在钟形套等关键零件精化毛坯的生产方面完全处于空白。使进口关键机加工设备不能有效发挥其应有的作用，影响了其效能。12精密温冷锻成形技术及其研究概述121冷锻冷锻生产最早是从冷挤压开始的，到目前为止，冷挤压成形也是冷锻生产的主要形式，所以有一种习惯以冷挤压(Cold Extrusion)来概括整个冷锻生产技术。其实，这么说并不确切，因冷锻发展到今天还包括冷镦和其它体积成形形式，所以冷锻(Cold Forging)这个词才能更准确和全面地描述冷锻生产技术。冷锻的最大特点是：优质、高效、低能耗、大批量，冷锻生产能力的大小和工艺水平的高低己成为衡量一个国家工业化水平的一个方面。冷锻工艺与其他工艺组合成的复合工艺对于某种零件，采用简单的圆柱形和圆环形坯料在冷锻模具中一次成形，达到所要求的形状和尺寸精度的技术，已经被越来越多的人所掌握。为了适应对冷锻件的高附加值、低成本要求，冷锻工艺渗透到温锻、镦锻成形、粉末冶金、冲压、铸造等领域，或者与这些工艺相结合，组合成复合工艺。其中预制坯温锻工艺目前得到了快速发展。即先用温锻使金属达到产品的近似净形，然后冷锻进行终成形提高精度，这样可以减少采用冷成形制造预制坯的道数。122温锻 温锻成形是近年来在冷锻成形的基础上迅速发展起来的一种塑性成形工艺。变形温度范围为室温以上、完全再结晶温度以下。同冷锻(主要是冷挤)相比：金属的变形抗力有明显的降低，有利于减少设备吨位和提高模具寿命；可用于难于冷锻的一些金属材料，如中高碳钢、高合金钢、镁及镁合金、钛及钛合金等：一般可以省去坯料或中间毛坯的预先退火、磷化等辅助工序，便于组织连续生产，同时大大减少了环境污染等。同热锻相比：由于加工温度低，氧化和脱碳程度大大减小，其锻件的尺寸精度、表面粗造度和机械性能与冷挤压零件接近。由于温锻工艺比较集中体现了冷锻和热锻的优点，受到人们的极大关注。尤其近年来，由于模具材质、润滑和冷却等外围技术的发展，使得模具寿命大为提高，有的工序可获得与冷锻模具相同的寿命。 目前，温锻已成功应用于轴承套圈、锥齿轮、变速箱齿轮毛坯和等速万向节等汽车零件的生产。今后的趋势是一方面将以往热锻的部分锻件温锻化，提高锻件尺寸精度，降低成本：另一方面与闭式模锻等其他技术进行结合而省去些工序和提高成品率等。表1.1反映了热锻、温锻、冷锻三种模锻工艺所能达到的技术指标和适用范围。表l.1热锻温锻冷锻工艺达到的技术指标及实用范围比较模锻尺寸精度(精度等级)表面粗造度(p m) 锻件重量(kg) 可利用的钢毛坯的处理(件) 经济批量(件)模具寿命热锻12161000.0051500任意不要求500 2X1035X103温锻912104102X 104冷锻711100.00130碳紊钢低台金钢退火磷化3X1032X1046l04123温冷锻复合成形工艺的研究开发虽然温锻成形工艺具有许多优点，但由于加热引起的坯料金属体积膨胀和轻微脱碳而影响锻件尺寸精度。温锻技术在国外已开发出很多年，但是直到近年才被应用于汽车制造业，锻造温度范围通常为750850，材料屈服应力大致下降13，这就可显著减小挤压时模具所受的压力，同时可显著提高材料变形程度，减少工序和中间处理次数，并可应用于冷锻难于加工的材料。若采用温锻和冷锻相结合，则可显著提高温锻工艺的效果。采用先温锻后冷锻的复合工艺可得到仅用冷锻所能达到的尺寸精度和表面粗糙度，同时能减少工序数目，使用小吨位的压力机。轿车的发动机传动轴、变速箱、转向器中的弧齿锥齿轮、差速器齿轮、轿车轴、输入轴、离合器齿轮等二十余种零件国外已实现少无切削温冷锻件的大量生产。更重要的是一些形状奇特相对尺寸变化大的复杂杯杆类零件，如轿车等速万向节钟形套一般需要45个工步的多工位成形才能得到。对于这种零件，目前，日本、美国和俄罗斯均采用温锻成形和冷精整相结合的工艺，即基本的成形工序利用多工位温锻来实现，所得的工件经退火和磷化之后进行冷精整和冷缩径成形。同多工序冷锻相比，其能耗可降低到40以下；同热精锻相比，锻件尺寸精度可升到79级。对于DOJ型壳体其内径部分可直接达到零件要求，即完全实现无切削加工；对于BJ型壳体，其最难机械加工的滚珠沟槽仅留O13-038mm(单边)的磨削量。不难看出，这种工艺将成为实现净形成形的一种主要工艺方法，今后必将得到迅速的发展。温冷锻成形技术的应用在近年来得到了较快发展，特别在汽车工业中得到了迅速应用。但其专门研究文献还较少。德国学者DrEkkehard Kormer等讨论了温锻成形和冷锻成形结合起来生产形状复杂零件的可行性，并以汽车工业中的三个典型零件为例对该成形方法在技术上和经济上的优越性进行了比较。该综合成形工艺的特点是采用温锻工艺预成形零件复杂形状，然后用冷精整来保证零件的尺寸精度和表面质量。这样可以降低成形载荷，减少工步数量，减少或完全省去中间热处理工步，从而连续生产，降低生产成本，而零件精度能达到冷锻成形的精度。第二章 成形工艺的比较分析21引言 钟形套是轿车等遽万向节部件上最复杂的零件，属于典型的杯杆型零件，杯部为球形内表面和六条弧形滚球道组成，采用多工序温热挤压及冷精整与冷缩径成形，要求球形内表面及六条弧形滚珠球道仅留0304mm磨削量。目前，国内已有少数企业开始等速万向节钟形套生产，这些企业虽已具备一定的机加工和热处理能力，但因加工所用毛坯一般都是普通锻件，材料利用率低，生产效率低，成本高且年产量也很小。因此研究等速万向节钟形套精化毛坯的成形技术，已成为我国汽车工业的重要问题。图2.1为等速万向节部件结构图。由此图可知，它是由钟形套，钢珠，保持架，星形套和接合套等组成。在等速万向节的零件中，以钟形套的制造技术难度最大，主要是形状复杂，加工精度要求高。图2.1等速万向节部件结构简图1 钟形套2钢珠和保持架3星形套4接合套图2.2为钟形套零件图和预成形件图。由图可知，预成形件仅在零件图上对应部分加上一层机加工余量，以锻件公差代替精密加工公差。（a)钟形套零件图(b）钟形套预成形件图图22钟形套零件和预成形件图(a) 钟形套零件图(b)钟形套预成形件图本文在对钟形套预成形件多种温热成形过程进行模拟的基础上，对成形工艺方案进行分析比较，并对所选工艺方案提出了优化措施。2. 2锻件材料特性钟形套所选用的材料为50Mn钢。50Mn钢的化学成分及机械性能如表2.1和2.2表2.1 50Mn钢的化学成分元素CCrSiMn含量（%）0.48-0.560.250.17-0.370.7-1.0表2.2 50Mn钢的机械性能材料机械性能50Mn抗拉强度b/MPa（kgf/mm2）屈服点s/MPa（kgf/mm2）伸长率%断面收缩率%645390134023钟形套预成形件温热成形的前提将钟形套的三维变形简化为轴对称变形；对钟形套多工序温热预成形过程模拟，拟采用基于热力耦合的刚粘塑性有限元法，将工件视为刚塑性体，将冲头与凹模视为板壳结构，并假设为刚性体。钟形套材料为50Mn钢，泊松比v=O3，密度P=785e3 Kgm3，应力一应变曲线如图2.3。 图2.3 50Mn应力-应变曲线与温度相关的物性指标见表23；工件初始温度初选为780，凹模与冲头温度分别选为300和250。工件热交换定义如下：与周围环境的热交换系数为O17；与模具的热交换系数为20。塑性变形功转化为热能系数为09。表23与温度相关的物性指标温度（）201002003004005006001500杨氏模量E（Gpa）21320719919218417516469.44热收缩率（10e6m/m/）11.912.51313.614.114.514.914.9热传导率（W/m.K)41.743.443.241.439.136.734.134.1特别热(/Kg.K)461496533568611677778778摩擦模型为常剪应力摩擦模型，取摩擦系数为O2；冲头速度为25mms；设备选为液压机。24钟形套预成形件温热成形工序方案选择241钟形套预成形件工艺方案的选择拟定钟形套预成形件的成形工艺方案为：(1)杯一杆复合温挤：如图24a所示，即选择较粗的棒料在正挤杆部的同时，实现头部的镦粗和反挤，即一步成形。(2)镦挤复合成形：如图24b所示，按杆部直径选择棒料毛坯，顶镦头部一反挤杯部，即二步成形。(3)多工序联合成形：如图2.4e，按杆部直径选择棒料毛坯，正挤杆部(热)一顶镦头部(热)一反挤杯部(热)，三步成形。图2.4钟形套多工序温锻工序图a 杯-杆复合温挤 b 镦挤复合成形 c 多工序联合成形242不同工艺方案的成形过程模拟和比较(1)杯杆复合挤压过程模拟和力能参数曲线图2.5杯杆复合温挤过程模拟图图2.6杯杆复合温挤过程变形力一行程曲线 钟形套为杯杆型零件，按传统的杯杆型零件冷挤压成形方法，钟形套可以用d=54mm的圆柱形毛坯复合挤压成形，但这时钟形套杆部断面收缩率=(d 02-d 12)d 02=(542-302)502=691，而钟形套杯部的断面收缩率=436。由于复合挤压时，挤压力直接作用在反挤压变形区，而正挤压变形区的变形力是通过毛坯上部传递下去的。所以，复合挤压时，当正=反时，一般杯部方向的成形高度大于杆部方向的成形高度。当正3反时，挤压时将先进行杯部成形，只有当杯部完全充满型腔后，在凸模和封闭型腔的作用下，金属才开始向下流动们。该零件杯部断面收缩率比杆部断面收缩率小265，而杯部需要的高度有55mm，与杆部成形高度相当，如果该零件直接用圆柱形毛坯复合挤压一次成形，那么杆部的主要变形是在杯部已经成形后，在杯部封闭型腔和凸模的作用下进行的。该零件杆部断面收缩率己接近一次成形许用变形极限，而杆部现在又是在杯部已经成形的基础上才成形，这样会使杆部成形的后期将已经参与了杯部成形时的金属再次参与杆部成形。这一部分金属变形阻力增加，模具所承受的单位挤压力也将增加(有可能超过模具材料的极限许用应力)，模具很容易破裂。图25为杯杆复合挤压过程的流动模拟图。从圈2.5a至b，棒料主要产生镦粗变形，c d e为杯杆同时成形的过程。在杯一杆成形过程中，出现了两个问题：一是杯端出现尖角，二是杆部和杯部的充填速度不协调，有可能出现杯部先充满而杆部充填困难的情况。这就需要改进模具结构和坯料形状来实现，实现起来较困难，且工艺稳定性差。 通过变形力行程曲线(图2.6)可以看出，载荷随着变形行程的增加逐渐增大，最大载荷仅为35MN，这是因为在杯杆复合挤压过程中，变形区金属同时向两个上、下出口流动，故挤压载荷比单纯的正挤或反挤要小许多。(2) .镦挤复合成形过程模拟和力能参数曲线图27镦挤复合变形工艺的模拟阶段图图28镦挤变形力一行程曲线 图27为镦挤复合成形变形阶段图。变形分两步进行，先镦粗后挤压。由于镦粗变形后截面积增大，致使挤压变形时的变形力迅速增大，达到10MN(见图28)。(3) 多工序联合成形过程模拟和力能参数曲线图2.9多工序联合成形过程模拟金属流动阶段图(a) 正挤压 (b顶镦 (c)反挤压图21 0多工序联合成形力-行程曲线(a) 正挤压(b)顶镦(c)反挤压 图2.9多工序联合成形过程中毛坯轴向剖面上网格变形情况。图a为正挤压变形过程，图b为顶镦变形过程，图c为反挤压变形过程，从图中可以看出，图b中镦粗的头部上端轮廓尚不清晰。图210中a b c分别为正挤压，顶镦和反挤压力一行程曲线。从流动模拟图和力行程曲线来看，多工序联合成形工艺变形稳定，所需载荷适中，这表明该工艺方案是三种工艺方案中最为合理的方案。243分析和选择根据以上研究与分析，将工艺选择评价标准列于表2.4。表24工艺选择评价标准表方案标准成型的可行性成型的稳定性成型力的大小成形工步评价杯-杆型复合挤压成形困难折叠，充填速度不协调，坯料定位困难3.5MN1实现困难镦挤复合成形成形困难先镦后挤不稳定镦粗2MN挤压10MN2更困难多工序联合成型成形性能好稳定正挤3.5MN，镦锻4MN,反挤6.3MN3可行稳定 如前所述，杯-杆复合挤压出现了两个问题：一是杯端出现尖角，在进一步变形中可能出现折叠；二是杆部和杯部的充填速度可能不协调，有可能出现杯部先充满而杆部充填困难的情况，同时实现困难。在镦挤复合成形工艺中，挤压力比镦粗力大得多，所需设备吨位大，且模具容易损坏，所以镦挤复合成形不切实际。多工序联合成形工艺变形稳定，所需载荷适中。正挤变形力3.5MN,镦锻力4MN。此方案虽然工步数较多，但成形性能较好，工艺稳定性好。故采用此项工艺方案。图2.11为钟形套塑性成形整体方案，其中(c)(d)为精整，(d)-(e)为冷缩径成形。图211钟形套多工序挤压工序图(a) 正挤杆部(b)顶镦头部(c)反挤杯部(d)冷精整(e)冷缩径2. 5工艺流程与工步图设计钟形套多工序温冷复合挤压成形工艺流程为：坯料加热杆部正挤压头部闭式镦粗头部反挤压退火+表面处理型腔底部冷精整头部冷缩径成形，如图2.11所示。2. 5. 1 坯料体积及尺寸的确定 原毛坯是根据锻件形状和尺寸、锻造方法、经计算得到所需体积、断面尺寸和下料长度。生产中由于方钢品种少及其工艺适应性小的原因，通常用圆钢作为毛坯。 原毛坯体积应当包括锻件、飞边、连皮、钳料头和加热引起的氧化皮之总和。原毛坯断面尺寸取决于锻造方法，计算所需体积和断面尺寸后，就可确定下料长度。计算坯料体积：V坯=（V锻+V飞+V冲）（1+）式中 V坯 坯料体积； V锻 锻件体积； V飞 飞边体积，V飞 =KF飞L，K为飞边槽充满系数，K=0.6-0.8F飞为飞边槽的计算断面积，L为通过飞边横断面重心的周长;V冲冲孔连皮的体积;d一火耗率，以锻件加飞边质量的百分比给定，取0.005 。根据以上公式分别采用不同规格的坯料进行模拟分析，选择最佳的坯料。得到坯料的尺寸为54100mm。通过对等速万向节钟形套预成形件三种温热锻造成形工艺的有限元模拟，比较了杯杆复合成形，镦挤复合成形和多工序联合成形三种工艺方案的成形过程和力能参数，分析了各自的优缺点，在此基础上选择多工序联合成形作为我们的实施方案。第三章 钟形套模具设计3. 1预锻模具设计预锻的作用是使制坯后的坯料进一步变形，以保证终锻时金属充满型槽，得到无折叠、裂纹或其它缺陷的优质锻件，同时有助于减少终锻型槽磨损，提高使用寿命。下面主要分析预锻中的常见缺陷，研究设计预锻型槽时应注意的问题。3. 1 .1折叠折叠是金属变形流动过程中金属汇合在一起而形成的。在零件上折叠是一种内患。它不仅减少了零件的承载面积，而且，工作时此处应力集中，常常成为疲劳源，尤其当折纹与受力方向垂直时危害更严重。折叠的类型和形成的原因大致有以下几种由于变形金属弯曲而形成: 1)锤上模锻滚挤时，有时金属流到分模面上，翻转90度滚挤形成折叠，辊锻和轧制时也常产生这中这种类型的折叠。2)由金属的回流形成弯曲，继续模压进发展成折叠。部分金属局部变形被压入另一部分金属内: 这类形式的折叠在生产中是很常见的。如模锻时，上下模错移时在锻件上啃掉一块金属再压入本体骨形成折叠。又如预锻模圆角过大，而终锻模相应处圆角过小，终锻时使在圆角处啃下一块金属并压入锻件内形成折叠。故一般取R预=1.2R终+3。由一股金属的急速大量流动将邻近部分的表层金属带着流动，两者汇合而形成折叠缺陷。工字形截面的锻件、某些环形件和齿轮常易产生这类缺陷。这类锻件，模锻时折叠产生的原因是:由于接触面附近的金属一起外流，使已氧化的表层金属汇合一起而形成的。它包含着产生折叠的三个条件:一是靠近接触面附近的金属要有流动;二是必需沿水平方向外流;三是由中间部分排出的金属量较大。当1/t较大，筋与腹板的圆角半径过小，润滑剂过多或变形太快时，较易产生这种缺陷。因此，为防止此种折叠产生，应当注意: 1)使中间部分金属在终锻进的变形量小一些，亦即由中间部分排出的金属少一些; 2)创造条件(如增加飞桥口部分的阻力或减小充填型槽的阻力)使终锻时由中间部分排出的金属尽可能向上和向下流动，继续充填型槽。 由两股金属对流汇合而成折叠 1)模锻过程中由于某处金属充填较慢，在相邻部分均已基本充满时，此处仍缺少大量金属，形成空腔，于是相邻部分的金属便往此处汇流而形成折叠。模锻时坯料尺寸不合适。操作坯料位置安放不当，打击速度过快，模具圆角斜度不合适，或某处金属充填阻力过大等常常出现这种情况。 2)弯轴和带枝叉的锻件模锻时，常易由两股流动金属汇合形成折叠。3. 1. 2充不满模锻时引起充不满的原因可能是:在型槽深而窄的部分由于阻力过大不易充满，在型槽的某些部分，由于金属不易流到而不易充满;制坯进某部分坯料体积不足或操作时由于放偏，某部分金属量不足引起充不满，下面分析两种情况:高筋的锻件模锻时产生充不满的情况 筋部产生充不满的原因是由于在筋部有摩擦阻力，模壁引起的垂直分力和此处金属冷却较快，变形抗力大等。因此为使筋部充满，一方面应设法减小流入筋部的阻力，另一方面应加大桥口部分的阻力，迫使金属向筋部流动，在设计终锻型槽时一般采取下列具体措施:1)增大过渡处的圆角半径;2)将带筋的部分放在上模;3)增大桥口部分的阻力，即加大b/h值。但圆角半径过大时，要增大加工余量;桥口部分阻力过大时，上下模不能打靠，甚至可能造成桥口被打塌等。叉形锻件模锻时，常在内端角处产生充不满的情况将坯料直接进行终锻时，金属的变形流动情况，沿横向流动的金属先水平外流，与模壁接触后，部分金属转向内角处流动。由于变形流动情况决定了沿横向是最难充满的地方，之所以在内端角部分更不易充满还由于此处被排出的金属，除了横向流入型槽外，有很大一部分沿轴向流入飞边槽，造成内端角处金属量不足所致。因此，为避免为种缺陷，终锻前制坯时应将叉形部分劈开，这样，终锻时就会改善金属的流动情况，以保证内端角处充满。3. 1. 3预锻模具结构设计根据对上述缺陷分析，设计钟形套预锻模具结构为挤压式结构，挤压单边间隙取0.2mm。拟采用2500t热模锻压机，受设备所限，上下顶杆顶出行程均为l0mm为了便于挤压件的脱模，模具设计为倒装式。为了便于在冲头上放置坯料，在挤压件上设计了。75 X 3mm的突起，以两个R10圆角与头部连接。挤压模具杆部尺寸与终锻一致，保证在挤压工步成形尽量长的杆部。在头部和杆部过渡处，希望通过有限元模拟对过渡圆弧进行优化设计，使其既有利于杆部的成形，又不至于产生折迭。模具材料选用45钢，热处理规范为HRC45，加工完毕后表面渗氮处理。初步设计的挤压件结构和模结构如图3.1, 3.2所示:图3.1预锻件结构图图3.2预锻模结构图3. 2终锻模具设计终锻型槽是锻坯模锻时最后成形的型槽，它是按热锻件图制造和检验的，由型腔、飞边槽、钳口、锁扣等几部分组成，所以设计终锻型槽时，必须考虑制定热锻件图、飞边槽结构以及钳口形状等。3. 2. 1热锻件图热锻件图以冷锻件图为依据，考虑到金属冷缩现象，热锻件图的尺寸比冷锻件图的相应尺寸有所增大。理论上加放收缩率后的尺寸按下式计算:L=1(1+d%)式中:L为热锻件尺寸;1为冷锻件尺寸;d为终锻温度下金属的收缩率。根据经验，50Mn钢加热温度为780时线膨胀系数为1。所绘制的钟形套终锻热锻件图如图3.3所示。图3.3终锻热锻件图3. 2. 2模架 热模锻压力机由于工作速度低、工作平稳、装有顶出装置、模锻时上下模不能压靠，锻模不承受锻压过程中的过剩能量，不需要考虑锻模承击面的大小，所以热模锻压力机用的锻模一般采用在通用模架内安装带型槽镶块(模块)的组合式结构。这种组合式锻模主要由通用模架、具有型槽的镶块、镶块垫板、镶块紧固件、导柱、导套、顶出机构等零件组成。 模架是用作紧固模块并传递锻压机顶料运动的主要部件，它承受锻造过程中的全部负荷。模架的种类很多，可按不同的工艺要求设计。目前常用的模架结构形式有压板式模架和定位键式模架，根据实际情况，选用定位键式模架。这种模架的特点是镶块、垫板和模座之间均用十字形布置的键实现前后左右方向定位，用螺栓将三者紧固成一体。定位键式模架的优点是具有较好的互换性和通用性，镶块尺寸可在较大范围内调节，适用于各种类型锻件的生产。3. 2. 3模块 热模锻压机上大都采用组合式模具，而模块则是模具的主体。模块上开设各种成形模膛，模膛的尺寸由热锻件图确定。通常一个模块上只设置一个模膛，但有时也可能把二个或几个模膛同时设置在一个模块上，在本套模具设计中，一个模块只设置一个模膛。 模块的形式应与模架结构形式相适应并同时确定，其主要形式有两种:长方形和圆柱形。因为长方形模块调整、加工比圆柱形模块容易，近年来长方形模块采用较多。本套模具中，采用长方形模块，模块尺寸为370mm X 220mm。3. 2. 4飞边槽 飞边槽所形成的金属流动阻力既能使锻件充分成形，又能使消耗的变形功最小。常用飞边槽的结构形式如图3.4所示。A所示的飞边槽广泛用于锤上模锻，胎模锻和螺旋压机模锻。B所示的飞边槽用于锻压机模锻。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，使飞边厚度减薄，以便于切除。飞边槽的结构尺寸参数是桥部高度h飞和桥部的宽高比b/h飞。图3. 4飞边槽的基本结构型式 根据各种不同的具体情况可选用一些特殊结构型式的飞边槽，以适应实际生产的需要，如平飞边槽、双仓飞边槽、阻力沟飞边槽等，如图3.5所示。图3.5特殊结构型式飞边槽 现有的各种型式的飞边槽各有特点，各有较为适合的应用范围。因此，设计模具时应根据具体情况正确选用。开式模锻的终锻型槽边必需有飞边槽，其形式及其作用如前所述。目前飞边槽的选用方法有两种: 吨位法 国内外很多厂家根据生产经验，按锻锤吨位确定飞边槽尺寸，具体数值可参考有关手册。 计算法 目前常用经验公式计算桥部高度h，其它有关尺寸可查阅有关手册。式中f，件一一锻件在水平面上的投影面积(mm2 ) 。根据锻模设计手册，桥部高度设计为3mm，宽度为15mm，仓部深度为6.5 mm为了简化模具结构，仓部形状只取在上模。3. 2. 5锁扣 锻压机上模锻虽然有良好的导向装置，但当锻件的分模面为斜面、曲面或锻模中心与模膛中心的偏移量较大时，在模锻过程中将产生水平分力，引起锻模和锻件错移，并加速压机导轨和模具导柱、导套的磨损。因此，在这些情况下，锻模模膛的模块上常常采用锁扣来平衡错移力。考虑到锻件的精度要求较高和设备经长期使用导向精度难以达到要求，为了精确导向，自在模具设计时考虑采用导锁进行锻造时的导向和定位。根据模块的形状和型腔的布局，设计为外形锁扣，即锁扣沿模块和型腔的形状设计。 本套模具导锁高度设计为41mm，拔模斜度为30，导锁间隙为0. 3mm 。3 .2. 6钳口 终锻型槽和预锻型槽前端的特制凹槽，一般称为钳口。钳口主要用来容纳夹持坯料的夹钳和便于将锻件从型槽中取出，制造锻模时，钳口还用作浇铅水或金属盐的浇口，以复制型槽的形状，作检验用。钳口与型槽间的沟槽称为口颈，其作用不仅是为了浇铅水或金属盐，同时也是为了增加锻件与钳夹头的刚度，有助于锻件出模。本套模具钳口宽度设计为50mm，倾斜度为15度。根据上述分析，设计的钟形套终锻模结构如图3.6所示。模具材料选用45钢，热处理规范为HRC45 48，加工完毕后表面渗氮处理。图3.6终锻模设计图第四章 冷缩径变形过程及模具结构41引言毛坯经过温热预成形(图4.1)后，最终零件(图2.2a)成形的关键是冷缩径工艺，即如何通过预成形件头部的锥形外壁(图4.1)变为直壁时使金属产生径向流动而获得球形内表面、以及如何将凸模从球形内腔中脱出和如何补偿因回弹造成的内腔尺寸变化。为此，有必要对冷缩径成形过程金属流动情况、变形后的回弹及模具运动关系进行仿真分析。采用有限变形弹塑性有限元法分析金属成形问题，可对成形过程的金属可成形性、金属的变形过程、工件及模具的温度场变化、成形力、以及模具的受力及失效原因等进行详细的热力耦合分析，而且能有效