镦粗挤压防失稳模具结构设计

江苏科技大学 本 科 毕 业 设 计（论文） 学 院 材料科学与工程学院 专 业 材料成型及控制工程 学生姓名 王荣 班级学号 1040601131 指导教师 黄忠富 二零一 四 年六月 江苏科技大学本科毕业设计 镦粗挤压防失稳模具结构设计 The mold design of upsetting and extrusion to prevent instability 加装毕业设计任务书 江苏科技大学本科毕业设计（论文） I 摘 要 随着时代的发展，科技的进步，社会生产水平的不断提高，大量的社会需求促使制造业的加工工艺不断发展与优化。在传统镦粗锻造中，锻件的高径比不能大于 3，否则锻件会发生失稳而弯曲，这一问题就是困扰企业 高效生产的一大难题。 本文就是针对长轴类锻件在镦粗过程中会发生失稳现象这一问题而制定相关方案并设计模具，以此来解决这一难题，从而提高生产效率。本次所设计的模具的关键就是控制长轴锻件镦粗部分的高径比不能大于 3，为满足这一条件，本文制定的解决方案为先镦粗后挤压的成型方案。先通过模具对锻件的保护，控制镦粗部分锻件的高径比小于 3，然后在镦粗结束后对坯料进行挤压，从而得到零件。在模具设计过程中，使用了 CAD、 PRO/ENGINEER和 DEFORM-3D等软件，其中利用 DEFORM-3D模拟了坯料成型时的流动过程，通过 模拟结果分析模具的受力情况及坯料的变形，并以此来改善模具结构。由于计算机技术的飞速发展和普及，通过使用上述软件之后，大大降低了生产成本、提高了模具精度、缩短设计周期。 关键词 ： 长轴锻件；失稳；高径比；有限元模拟；模具 江苏科技大学本科毕业设计（论文） II Abstract With the development of the times, the progress of science and technology,social production level rise ceaselessly, a lot of social needs to process the development and optimization of manufacturing industry. In the traditional upsetting forging, the ratio of height to diameter of forging is not greater than 3,otherwise the forgings will be instability and buckling occurred, this problem is a puzzling problem to enterprise. This paper is aimed at long axis forgings during upsetting this problem occurs instability and formulate relevant scheme and die design, in order to solve this problem, so as to improve production efficiency. The key to the mold is to control the ratio of height to diameter of upsetting part of long axis is not greater than 3, to meet this condition, solution for forming the blank is extrusion after upsetting. First through the mold on the forging of protection, control upsetting forging parts of the ratio of height to diameter is less than 3, then the blank upsetting extrusion in the end, in order to get the parts. In the mold design process, the use of CAD, PRO/ENGINEER and DEFORM-3D software, which use DEFORM-3D to simulate the flow process blank molding, through the analysis of deformation force and blank mould, and in order to improve the die structure.Because of the rapid development and popularization of computer technology, by using the software, can greatly reduce the production cost, improves the precision of mould, shorten the design cycle. Keywords: Long axis forgings;instability;the ratio of height to diameter; finite element simulation;mould 江苏科技大学本科毕业设计（论文） III 目 录 第一章 绪论 . 错误 !未定义书签。 1.1 镦粗及经典镦粗工艺理论简述 . 错误 !未定义书签。 1.2 镦粗模具的现状及发展方向 . 错误 !未定义书签。 1.3 长轴类锻件镦粗的研究 . 2 1.4 Pro/E的概要和在镦粗模具计算机辅助设计方面应用 . 错误 !未定义书签。 1.4.1 Pro/E 概要 . 错误 !未定义书签。 1.4.2 Proe/E 在镦粗模具计算机辅助设计方面应用 . 错误 !未定义书签。 1.5 DEFORM的功能和特点 . 4 第 二 章 防失稳镦粗模具设计方案的确定 . 5 2.1 镦粗模具 设计的流程简介 . 5 2.2 镦粗零件锻件图设计 . 5 2.3 镦粗锻造工艺性分析 . 6 2.3.1 零件的分析 . 6 2.3.2 毛坯计算及分析 . 6 2.4 镦粗长杆件模具设计方案 . 7 2.5 镦粗零件加热及加热规范 . 8 2.5.1 锻件加热 . 8 2.5.2 锻件加热规范 . 9 第三章 镦粗挤压防失稳模具设计 . 错误 !未定义书签。 0 3.1 防失稳模具各成型零件结构设计初步构想 . 错误 !未定义书签。 0 3.1.1 轴套、冲头结构初始设计 . 错误 !未定义书签。 0 3.1.2 轴套、冲头初始结构分析 . 错误 !未定义书签。 0 3.1.3 凹模、凹模座结构初始设计 . 错误 !未定义书签。 1 3.1.4 凹模、凹模座结构分析 . 错误 !未定义书签。 2 3.1.5 顶出机构的初始结构设计 . 错误 !未定义书签。 2 3.1.6 顶出机构的初始结构分析 . 错误 !未定义书签。 2 江苏科技大学本科毕业设计（论文） IV 3.2 防失稳模具各零件结构设计 . 错误 !未定义书签。 3 3.2.1 防失稳模具上模座的结构设计 . 错误 !未定义书签。 3 3.2.2 防失稳模具垫板的结构设计 . 错误 !未定义书签。 4 3.2.3 防失稳模具上模板的结构设计 . 错误 !未定义书签。 3.2.4 防失稳模具轴套的结构设计 . 错误 !未定义书签。 6 3.2.5 防失稳模具冲头的结构设计 . 错误 !未定义书签。 3.2.6 防失稳模具凹模的结构设计 . 错误 !未定义书签。 8 3.2.7 防失稳模具凹模座 的结构设计 . 19 3.2.8 防失稳模具凹模垫板的结构设计 . 19 3.2.9 防失稳模具顶出机构的结构设计 . 20 3.3 防失稳模具整体装配图及运动概述 . 20 3.4 锻造设备种类的选择 . 22 3.4.1 液压机的选取 . 23 3.5 锻模材料选择 . 24 第四章 镦粗挤压过程有限元模拟及分析 . 错误 !未定义书签。 6 4.1 长轴件镦粗挤压过程有限元模拟 . 276 4.2 长轴件镦粗挤压过程有限元模拟结果分析 . 287 4.3 有限元模拟结论 . 30 结 语 . 31 致 谢 . 332 参 考 文 献 . 343 附录 模具成型零件及装配 2D 图 . 34 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 镦粗及经典镦粗工 艺理论简述 在材料科学发展的大趋势下，大塑性变形（ Severe Plastic Deformation,SPD） 1作为一种提高材料综合性能的最新工艺技术应运而生。 锻造 为 金属加工的主要方法和手段之一，在国民经济中占有举足轻重的地位，特别是机械、汽车行业 、 军工 以及 航空航天工业中不可或缺的主要加工工艺。 镦粗是锻造的一种，属于自由锻， 与其他 的 金属加工方法 比较 ，其优越性 表现为 ：它不但能够获得金属零件的形状，而且能改善金属的原来组织，提高金属的力学性能和物理性能。 镦粗可以分为局部镦粗和完全镦粗。 20 世纪 60 年代 前苏联学者 M.B.斯德罗日夫在其所著的“金属压力加工原理”一书中提出，在摩擦力为零的理想情况下，镦粗时的应力为简单压缩；而在有摩擦力存在时，镦粗体心部总是呈三向压缩应力状态 2。后来在大型锻件的生产实践发现，经典的镦粗理论存在着某种程度的不完善性和认识上的误区。 1.2 镦粗模具的现状及发展方向 镦粗是指用压力使坯料高度减小而直径（或横向尺寸）增大的工序。镦粗时，镦粗部分的长度与直径之比应小于 3，因为当高径比大于 3 时，坯料容易失稳弯曲 3，所以要配合模具加工。 目前，随着机械制造工业的快速发展，锻造生产 也随之得到飞速发展。 在设备方面，已能成功制造 5KN以下的自由锻锤、带数控装置的 150MN的自由锻造水压机、 300MN的锻模水压机等。在加热设备方面，用无烟节煤炉代替了落户的煤炉，制造了高效薄壁旋转加热炉和敞焰无氧化加热炉。 锻造生产总的发展方向是在提高劳动生产率和锻件质量、降低成本和改善工人劳动条件的前提下，广泛采用机械化、自动化和先进工艺。 目前我国锻造行业的任务是： 1） 提高大型锻件与合金钢锻件的质量和锻造生产的机械化和自动化程度。 2） 进一步推广模锻，发展大型、先进的模锻设备，扩大模锻生产，提高模锻件在整个锻 件中占的比例。 3） 根据热源条件，发展煤气、天然气、油、电等先进的加热技术。 4） 大力推广锻造少无切削工艺，发展高效、精密的锻压设备 4。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 2 1.3 长轴类锻件镦粗的研究 在现在的镦粗加工中，由于当锻件的高径比大于 3会发生弯曲失稳现象，所以通常是保证锻件的高径比不大于 3，然后进行镦粗锻造。但是随着社会的发展，长轴类锻件镦粗的需求不断加大，同时又为节约生产时间、降低生产成本、提高生产效率，需设计研究高径比大于 3的长轴类锻件的镦粗锻造方法。本次毕业设计所研究的就是如何在防失稳的条件下镦粗长轴类锻件。 为避免失稳现象的出 现，控制高径比不大于 3是首要解决的，而解决这一问题的方法有很多，本文就采用先镦粗再挤压的成型方案来设计相关模具。通过模具将长轴锻件的镦粗部分坯料的高径比控制在 3以内，在镦粗结束之后再利用冲头将剩余坯料挤压进凹模，从而成型所需零件。在设计模具过程中，通过 PRO/E 制出模具三维造型，用DEFORM-3D模拟软件模拟零件成型过程，最后通过分析模拟结果不断改善模具结构，从而得到符合要求的零件。 1.4 PRO/E 的概要和在镦粗模具计算机辅助设计方面应用 1.4.1 PRO/E 概要 随着科技的大跨步前进，制造业正在向 全球化、网络化、数字化的方向发展；产品存在的生命周期不断变短。新产品的更替速度越来越快，量也越来越大。计算机辅助设计 /计算机辅助制造（ CAD/CAM）作为数字化技术的重要组成部分，是计算机技术在工程设计、制造加工等广阔领域中具有重大影响的革新技术。 CAD主要包括数据测量、几何建模、计算分析、绘图及技术文档生成、工程数据库的管 理和共享等功能。 CAM的涉及广泛，在狭义上指的是编制数控程序，包括规划道具路径、生成道具文件、仿真道具轨迹以及生成 NC 代码。 CAD/CAM 软件技术在快速发展，出现了很多软件产品，广泛应用的有 PRO/ENGINEER、 Uni graphics、 Solid Works、 ANSYS、 Master cam 等，这些产品根据自身的开发档次计适用度，满足了各行各业。本文主要应用的 CAD/CAM 软件是Pro/ENGINEER。 PRO/ENGINEER 是由美国 PTC(Parametric Technology Corporation,参数技术 公司 )在 1998年研发推出的，集 CAD/CAM/CAE于一体、全方位的 3D产品开发软件， 在如今的三维造型软件领域中占有着重要地位 。 PRO/ENGINEER 首次 提出了 参 数化设计这个 概念，并且 通过 单一数据库来 处理 特征的相关性问题。 此 外，它 利用 模块化方式，用户可以 自江苏科技大学本科毕业设计（论文） 3 行 选择，而不必 将所有的模块 安装。 PRO/ENGINEER 通过 基于特征方式，将设计至生产全过程集成到一起，实现 了 并行工程设计。它不但可以 在工作站 应用，而且也可以 在单机上 应用。 PRO/ENGINEER的主要特性： （ 1）参数化设计 无论几何模型多么复杂，都可以将它分解成一定数量的构成特征，而每一种特征，都可以用参数完全约束，这就是参数化设计。 （ 2）基于特征建模 PRO/ENGINEER 是基于特征的实体模型化系统 ，设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角。 （ 3）单一数据库 单一数据库是指工程中的所有资料全都来自一个库，使得不管是哪一个部门的独立用户都可为一件产品造型而工作。这一优点，可以优化设计，提高成品质量，使得产品可以更好地推向市场，同时价格也更便宜。 （ 4）直观装配管理 PRO/ENGINEER 的基本特征能够利用直观的命令把零件装配起来，并保持设计意图。高级的功能支持 构造和管理大型复杂的装配体，并且不限制这些装配体中零件的数量。 （ 5）易于使用 菜单直观的联级出现，提供了最普通选项的逻辑选项、预先选取，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助。 1.4.2 PRO/E 在镦粗模具计算机辅助设计方面应用 PRO/ENGINEER 具有超强的三维造型功能。在 PRO/ENGINEER 中主要是用特征模块，即 PRO/ENGINEER 中是基于特征来实体建立三维模型，特征是指可以通过参数来驱动的三维实体模型。特征可分为基础特征和工程特征。基础特征是只有二维界面草图经过拉伸、旋转、扫描 和混合等方式形成的一类实体特征，基于此种特征造型需对二维草绘图进行拉伸、旋转、扫描和混合。模具的凸模、凹模、轴套等零件都是通过这些方法进行三维造型，之后通过格式转化，导入 DEFORM-3D模拟软件进行。 PRO/ENGINEER 中三维造型的设计方法与准则如下所示 : （ 1） 分析造型零件，确定其基本特征和特征顺序； （ 2） 简化特征的类型； （ 3） 建立特征父子关系； （ 4） 适当采用特征父子操作。 PRO/ENGINEER 中建模的过程如下所示 : 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 4 （ 1） 分析零件的特征，确定所有特征的创建顺序； （ 2） 开始零件设计方式； （ 3） 创建基本特征，它是其他特征的父特 征； （ 4） 建立其他特征； （ 5） 编辑和修改图形； （ 6） 保存图形。 1.5 DEFORM 的功能和操作步骤 DEFORM（ Design Environment for Forming） 是全球著名的 2D/3D金属成形加工和热处理工艺仿真模拟有限元分析软件，由美国 Ohio Clumbus(Scinece Forming Technology Corporation)公司 专为实际生产应用而设计开发的，使用简单。二十多年的工业实践证明了基于有限元法的 DEFORM有着极高的准确性和稳定性，模拟引擎在行程载荷、大金属流动以及预测产品缺陷 等方面保持着令人叹为观止的精度，无需现场试验就能预测到工业实际生产中的金属流动情况，大大地降低了制造成本，缩短研发和生产周期 5。 DEFORM-3D功能 十分 强大， 适用于冷、热、温金属塑性成形，可以提供极有价值的工艺分析数据 6。 DEFORM-3D软件的基本操作方法 如下所示： （ 1） 几何模型导入 在 DEFORM-3D软件 里，不能直接建立三维几何模型，必须先通过其他 CAD/CAE软件建模 后导入 DEFORM软件中，现在， DEFORM-3D的几何模型接口格式有 :STL,UNV,PDA,AMG. （ 2） 网格 划分 （ 3） 初始条件 DEFORM材料库里提供了各个材料在不同温度下的特性。 （ 4） 材料模型 在 DEFORM-3D软件 里 ，用户可以根据需要，输入材料的塑性、弹性、杨氏模量、泊松比、电阻、热物理性能数据。 （ 5） 接触定义 （ 6） 网格 自动重新划分 （ 7） 增加约束 DEFORM可以增加各个自由度的约束在 节点 上。 （ 8） 后处理 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 5 第二章 防失稳镦粗模具设计方案的确定 2.1 镦粗模具 设计的流程简介 锻模的种类很多，通常锻模按制造设备来分类，可分为胎膜、锤 锻模、机锻模、平锻模等 4。 本次要设计加工的是长轴锻件镦粗，采用的是一次镦粗成型方法，这样不仅仅节约生产成本，同时可以大大地提高生产效率。考虑到长轴锻件镦粗高径比大于 3时，会产生失稳现象，因此，如何防止零件在镦粗时发生失稳是本次研究的重点问题。保证长轴锻件镦粗不发生失稳，就得保证高径比不超过 3，因此合适的加工工艺及模具就是我们本次设计要考虑并得出的。经过初步参考资料和分析，可以通过实时保证镦粗部分的高径比不超过 3来防失稳镦粗长杆件。具体成型方法可采用：先镦粗然后挤压或直接等截面镦粗。所用软件为 PRO/ENGINEER、 DEFORM、 CAD。 镦粗 模具计算机辅助设计开发制造一般流程 如下： （ 1） 用 PRO/E画出零件图的三维图，根据零件图计算毛坯尺寸，确定镦粗工艺，考虑如何防失稳镦粗该零件； （ 2） 用 Pro/E绘制毛坯图； （ 3） 根据毛坯尺寸及零件尺寸，初步构想模具框架，并绘制草图，确保在不失稳镦粗的情况下确定模具结构，加入强度、硬度等因素确定模具大概尺寸； （ 4） 用 PRO/E画出模具三维图，并进行装配； （ 5） 通过装配图可以直观看出其中的不足，并根据问题来修改完善模具组成； （ 6） 用 DEFORM对产品图和零件图进行模拟分析，寻找其中不足并再次调 整模具； （ 7） 更改模具后再用 DEFORM对毛坯成型过程进行模拟，直到得到较合理的分析效果图则说明所设计的模具及加工工艺合理； 2.2 镦粗零件锻件图设计 锻件图是依据零件图绘制成的。它是以零件图为基础，再考虑加工余量、锻造公差、锻造余块、检验试样及工艺卡头等因素绘制而成的 2. 锻件表面一般可分为非加工表面和待加工表面两大类。通常，锻件表面会留有供机械加工用的金属层，即为加工余量。影响锻件的机械加工余量与公差的主要因素有：锻件的精度等级、锻件质量和公称尺寸、锻件形状复杂程度、锻件的材质、零件表面粗糙度、锻件加 热条件等 7。由于本次研究的零件，是不加工的黑皮部分，则不需要加上加江苏科技大学本科毕业设计（论文） 6 工余量和公差 4。同时，锻造余块等因素也不考虑。 2.3 镦粗锻造工艺性分析 2.3.1 零件的分析 零件由指导老师黄老师直接给出，根据实物画出零件的三维及二维图，见图 2-1、图 2-2，该零件总长为 78mm，下半部分为直径 12mm、长 63mm，上半部分为直径 26mm、长15mm，所用材料为 T8钢。该 钢无网状碳化物 析出倾向，其塑 性、韧 性 较 好 ，淬透性与 T10A 钢相近。 图 2-1 零件三维图（ PRO/E绘制） 图 2-2 零件二维图（ CDA绘制） 2.3.2 毛坯计算及分析 根据零件可知，其上端部分是通过镦粗成型，毛坯是一根长圆柱体，直径也是 12mm，假设零件上部长度为 L1=15mm，直径为 d1=26mm；所求毛坯直径为 D，长度为 l；根据体积不变原理，则 L1（ d1/2） 2=l（ D/2） 2 （ 2-1） 15 132=l 62 l=15132/62 L=70.4mm 经计算， L=70.4mm，因为镦粗过程中可能会出现损耗，所以 l 取 71mm。毛坯总长L=63+l=63+71=134mm，高径比： H/D=71/123，坯料如图所示，图 2-3,图 2-4 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 7 图 2-3毛坯三维图 图 2-4 毛坯二维图 由 2.2.2中毛坯所求尺寸可知，需要镦粗加工部分的直径为 12mm，而长度为 71mm，其高径比远远大于 3，若不加任何补充直接镦粗，必然出现镦弯等失稳现象。因此，为将毛坯镦粗得到所需零件，就必须控制高径比在 3以内，这就是现在设计模具的依据。 2.4 镦粗长杆件模具设计方案 由 2.2.2毛坯计算与分析中可知，毛坯的镦粗部分高径比远大于 3，要将毛坯通过镦粗锻造成型出零件，就必须通过一定的模具结构来辅助镦粗。而镦粗成型该零件所用的 模具结构主体就是要控制坯料被镦粗部分的高径比不得大于 3，以此来防止镦粗过程中发生的失稳现象。经过和同学的讨论，及在黄老师的指导分析下，我们初步想出 3种方案： 方案一：两次镦粗。采用弹簧下置，并用固定板限制高径比小于 3的方法。首先用弹簧将厚度大于 36mm 的固定板撑起，将固定板的中心打一个通孔，其直径与毛坯等直径相同，将毛坯穿过其中，并使毛坯上表面与其上表面在同一水平面上。这里取固定板厚度是 40 mm，这样是为了使毛坯露在外面部分的高度小于 3倍直径。冲头选用阶梯状的，前半部分冲头长 40 mm。镦粗过程中，冲头接 触毛坯后先对毛坯进行镦粗工序，在冲头不断向下运动中，阶梯状冲头后半部分接触到固定板，然后其带动固定板一起向下运动，将镦粗后的毛坯再次镦粗并成型零件。 方案二：直接等截面镦粗。 采用四个支撑，将支撑固定在高径比为 3 的临界高度处江苏科技大学本科毕业设计（论文） 8 （需要说明的是，此处指的临界高度并不是 3 倍毛坯直径的长度，因为随着镦粗过程的进行，坯料的直径是会发生变化，因此临界高度就会发生变化） ，支撑 部分 在竖直方向上 要保持不变 ， 而在 水平方向要 随着镦粗的进行发生一些移动 ，此时坯料变形分为上中下三个部分，上下两个部分为没有限制的镦粗，中间的镦粗是在有力的 干预下，根据固定 预先设计的尺寸进行 变形的镦粗，这样就使镦粗部分的高径比都小于 3。随着镦粗 过程 的 继续 ，压力机冲头 不断 向下 移动 ，坯料高度持续减小，当 高度 减小到达临界高度后，四个支撑快速 退出 ，此时坯料由于在镦粗过程中不断变粗， 高度不断减小， 此时坯料的高径比小于三倍直径，而冲头可以继续向下镦粗剩余坯料，这样就不会出现坯料失稳的现象。 该方案主要考虑到： 由于坯料鼓形量很小 ，因此就对微小鼓形 忽略 ， 则镦粗变形时坯料是等截面变化的 。 方案三：先镦粗后挤压。采用轴套，将其连接在上模座，并使用 4个弹簧与其连接。镦粗之前，弹簧就处 于一定量的压缩状态。将毛坯的上端部分插入轴套，插入部分主要是为了控制露在外面的部分的长度不大于 3 倍坯料直径，同时冲头也要有部分伸入轴套，并与坯料的上表面接触，因此轴套长度即为坯料插入长度与冲头伸入长度之和。在此，冲头也是阶梯状的，轴套上表面与冲头阶梯的距离等于坯料插入轴套的长度。当镦粗开始时，冲头带动轴套一起向下运动，对露在外面的坯料进行镦粗，由于轴套已经对坯料露在外面部分的长度进行限制保证高径比不大于 3，所以镦粗时不会发生失稳现象。冲头与轴套持续向下运动，直到轴套接触凹模时，冲头继续向下运动，此时压缩弹簧 ，冲头与轴套发生相对运动，此时冲头将留在轴套中的坯料挤入凹模中，最后阶梯冲头的上部分接触轴套上表面，此时可以防止坯料挤压轴套使弹簧回弹，同时镦粗成型。 本次毕业设计采用的是方案三，该方案为镦粗挤压防失稳，因为挤压是金属压力加工中一种高效率而又精密的成形工艺 8，所以配合镦粗，使得成型变得简单可靠，此方案的关键结构在于轴套的设计。 2.5 镦粗零件加热及加热规范 2.5.1 锻件加热 在模锻实际生产中，金属毛坯通常需要先加热再锻造。其目的是：正确地利用金属加热过程中的微观演变规律，提高金属的塑性，降低变形抗 力 9，使毛坯容易变形流动，能够顺利实现成型，同时获得良好的锻后组织和性能。锻前加热时整个锻造过程中的一个重要环节，对提高锻造生产率、保证锻件质量以及节约能源消耗等都有直接影响 10。江苏科技大学本科毕业设计（论文） 9 目前生产中常用的加热方法主要有：火焰加热法和电加热法两类 11。 2.5.2 锻造加热规范 金属毛坯在加热时，有一定的锻造温度范围，即合理的开始锻造温度（始锻温度）和合理的结束锻造温度（终锻温度）之间的一段温度区间 12。因为本次毕业设计的零件所用材料为 T8 钢 ， T8 钢属于碳素工具钢，淬火后的洛氏硬度不低于 62HRC13。 其含碳量为 0.75-0.84%。 表 2-8 各类钢的锻造温度范围 7 钢种 始锻温度 / 终锻温度 / 温度范围 / 普通碳素钢 优质碳素钢 碳素工具钢 合金结构钢 合金工具钢 耐热钢 弹簧钢 轴承钢 1280 1200 1100 1150-1200 1050-1150 1100-1150 1100-1150 1080 700 800 770 800-850 800-850 850 800-850 800 580 400 330 350 250-300 250-300 300 280 经查阅资料 ，如表 2-8所示，碳素工具钢的始锻温度为 1100，终锻温度为 770，温度范围为 330。因此，毛坯在锻造过程中，其温度应严格控制在上述温度范围之内，否则将会出现过烧、塑性显著降低、加工硬化甚至锻造裂纹等缺陷。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 10 第三章 镦粗挤压防失稳模具设计 3.1 防失稳模具各成型零件结构设计初步构想 该方案主要是通过活动轴套的使用，来保证镦粗部分的坯料的高径比或镦粗比不大于 3，以此在不失稳的情况下对坯料进行镦粗加工，最后再加上挤压工序，就可方便有效的镦粗长杆件。因此，本次毕业设计的关键就是设计好轴套的结构同 时配合冲头的运动完成镦粗挤压，最后达到防失稳的效果。 3.1.1 轴套、冲头结构初始设计 如第二章第三节里镦粗长杆件模具设计方案中方案三所述，采用轴套就是为了控制高径比。同时为了方便镦粗过程的进行以及尽可能使模具结构紧凑从而使之更稳定些，所以其长度由坯料和冲头在轴套中的长度来决定。根据第二章第三节方案三中采用的方法，首先用螺栓将冲头和轴套连接，然后在螺栓外再用弹簧将冲头与轴套连接。由于开始镦粗时要让冲头与轴套同时向下，而轴套在向下运动时，弹簧势必会受到压缩力，所以在配合时，必须要将弹簧保持压缩状态，使之具有 一定的压缩力，从而保证开始镦粗时，轴套可以与冲头一起向下运动直至接触到凹模表面。镦粗开始时，轴套与冲头一起向下运动并当接触到凹模时，轴套无法继续向下而冲头在压力机的带动下继续向下运动，因为，冲头将压缩弹簧继续向下运动，从而与轴套发生相对运动。随着镦粗的进行，冲头将会把轴套中剩余的坯料挤压入凹模中。这种模具结构通过轴套保护坯料上半部分，将被镦粗部分坯料的长度控制在 3倍高径比之内，从而达到防失稳镦粗的效果。 3.1.2 轴套、冲头初始结构分析 表面上看，上述结构是可以通过镦粗挤压达到防失稳镦粗的要求，可是经过进 一步分析不难发现轴套与冲头结构的简单及不合理之处。首先，由于冲头与坯料直接接触，且其材料应选用强度、硬度较高，价格相对昂贵的材料，所以冲头部分应做成易损件。另外，当轴套已经接触到凹模而冲头继续向下运动并到保压时，此时被压入凹模中的坯料有可能对轴套有向上的压力，当压力达到一定值时，可能会发生轴套压缩弹簧并相对冲头向上运动，从而使镦粗件的上表面出现凹坑。因此，冲头不能简单设计成圆柱结构，应该设计个阶梯状圆柱，其结构如图 3-1所示。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 11 图 3-1 阶梯状圆柱冲头结构示意图 使得当冲头将轴套中所有坯料压入凹模且与凹模上表面在同一水平面，即图中表面2与凹模上表面持平，此时阶梯状冲头阶梯出，即图中表面 1应与轴套上表面接触，这样在保压的过程中，就不会发生坯料将轴套挤压向上运 动了。 3.1.3 防失稳模具凹模、凹模座结构初始设计 由于毛坯一端 63mm 是不变形的，所以可将此部分固定在凹模上。因此，凹模的大致高度可以确定，只需再加上凹模座要被夹持在压力机工作台的厚度。由于是一次性镦粗挤压成型，所以凹模的型腔与零件形状、尺寸一致。其初始设计如图所示 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 12 图 3-2 凹模、凹模座结构设计 1：凹模座， 2：凹模 3.1.4 防失稳模具凹模、凹模座初始结构分析 如图 3-3所示，凹模采用了易损件结构，出现损坏可以方便拆卸，并且当坯料在镦粗过程中，凹模由于有一定的斜度，可以固定在凹模座上，但是当镦粗成型以后，成型零件通过顶杆顶出时，凹模可能会被一起顶出，因此凹模的固定存在一定问题。解 决该问题的方案可以用块垫板，并通过螺栓将其固定在凹模座上，注意不得干涉轴套的运动。 3.1.5 顶出机构的初始结构设计 顶出装置一般情况都是安装在下模上的，由于本次毕业设计所选用的压力机并没有顶出机构，所以在模具结构设计中还需要考虑到顶出机构的设计。经过对零件的成型分析，我们不难发现，毛坯在被镦粗挤压的时候，毛坯下端应该要被固定，所以我们所设计的顶出机构不仅需要具备顶出成型零件的能力，还要在镦粗挤压过程中对坯料起支撑固定作用。综上所述，接下来要设计的顶出机构应该是一套完整的联动顶出装置，具有拉杆、拉板、顶杆 等。其基本运动过程应该是：安装在上模的拉杆，当上模回程时带动拉杆向上运动，通过螺栓连接的拉板也跟着拉杆向上运动，当拉板接触到顶杆时，顶杆受到拉板向上的力而向上运动，最后顶杆将成型零件顶出。 3.1.6 顶出机构的初始结构分析 由于是对长杆件的镦粗挤压，所以模具结构径向尺寸相对较大，所以拉杆的直径应江苏科技大学本科毕业设计（论文） 13 该较大些，这样才能保证具有较大的硬度和强度。与此同时，本次研究的零件的直径只有 12mm，而成型零件要从凹模中取出，至少需要被顶出至少 63mm，所以顶杆只能选择细长杆型。在镦粗阶段时，顶杆还需对坯料起支撑作用，也就是 说，如果顶杆仅仅设计为长直杆状，那么在镦粗阶段，顶杆也受几乎相同镦粗力，这样对顶杆的承力、抗弯强度等要求太高，因此为了减少细长顶杆受更多的压力，将顶杆设计成如图 3-3所示。 图 3-3 顶出机构示意图 1：顶杆， 2：凹模 ， 3：坯料 利用图示 T型结构，当零件受镦粗挤压时，顶杆凸出部分与凹模接触，力又传递到凹模上，则顶杆下面细长部分将不会受到巨大压力，有效地防止顶杆受到损坏。 3.2 防失稳模具各零件结构设计 经过对零件成型过程的分析，确定了一套可行的成型方案，在此基础上，大致模具组成部分和结构得已确定。经过反复的分析讨论之后，初始设计的模具各组成部分不断完善，各模具之间的配合关系也越来越合理。下面将一一介绍经过进一步改进 之后的模具各组成部分。 3.2.1 防失稳模具上模座的结构设计 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 14 图 3-4 上模座三维图 图 3-5 上模座二维图 上模座对上主要是连接压力机，对下主要是连接模具上模部分，从而使冲头可以对零件进行镦粗挤压成型。上模座的长为 180mm，宽 180mm，高 25mm。上模座所打的各孔主要是通过螺栓连接垫板、上模板和冲头，并且通过销对它们进行定位。孔的定位及尺寸如图 3-5所示。 3.2.2 防失稳模具垫板的结构设计 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 15 图 3-6 垫板三维图 图 3-7 垫板二维图 垫板通过螺栓和销连接在上模座和上模板之间，其长为 114mm，宽为 114mm，高为20mm，其孔的定位尺寸及直径如图 3-7所示。 3.2.3 防失稳模具上模板的结构设计 上模板主要连接冲头，同时还要与上模座连接，这样才能保证冲头随压力机一起运动。由于本次模具设计所选的压力机不带顶出机构，所以上模板还需连接顶出机构中的拉杆。同时由于该模具是将坯料先镦 粗再挤压，因此用到了弹簧，又基于模具的紧凑性，在上模板上又钻孔放置一部分弹簧。其具体结构如图 3-8所示。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 16 图 3-8 上模板二维图 图 3-9 上模板三维图 由图 3-8和图 3-9可以看出，上模板已经为冲头和拉杆设置了易损结构位子了。上模江苏科技大学本科毕业设计（论文） 17 板的长为 114mm，宽为 114mm，高为 25mm。其余孔的位置及直径如图 3-8所示。 3.2.4 防失稳模具轴套的结构设计 图 3-10 轴套二维图 图 3-11 轴套三维图 轴套的设计就是为了使坯料镦 粗部分的高径比不大于 3，所以坯料上端的 35mm 将会被包裹在轴套的下端。因为冲头实际对坯料施压的部分直径只有 12mm，且冲头的行程较长，所以需要一定的导向机构，在这里就直接设计在冲头上，将冲头上半部分加粗，直径定义为 24mm。由于顶出机构的要求，加上弹簧的长度，冲头加粗部分的长度要大于 65mm，经计算分析后，取轴套总长 150mm，其余各部分长度如图 3-10 所示。轴套上端突出部分是用来安装螺栓和弹簧用的，其三维图如图 3-11所示。 3.2.5 防失稳模具冲头的结构设计 在锻造工艺中，冲头是个易损件，所以应独立设 计。冲头的设计应该与轴套同时设计再确定各段尺寸。在这里详细简述下轴套与冲头各部分尺寸的计算过程。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 18 图 3-12 轴套与冲头的配合图 因为轴套是用来固 定坯料以控制高径比的，所以图 3-12 中的尺寸 1 可以得到为35mm；尺寸 2 为冲头冲压部分伸入轴套中的尺寸，可以设置为 10mm；因为模具的最后阶段是将轴套中剩余的坯料挤压入凹模里，所以尺寸 3 为 35mm；镦粗挤压成型之后的零件要被顶出机构顶出，且由于坯料被加持部分的长度为 63mm，所以尺寸 4设定为 60mm；尺寸 5为轴套与冲头具有导向作用部分的长度，为节约材料使用，设置为 10mm；尺寸 6为具有压缩量的弹簧尺寸和上模板厚度的尺寸之和，设置为 75mm。综合上述各段所设置的尺寸，就不难计算得到冲头与轴套的各阶段长度了。 冲头下部分长度为 45mm，中间具有导向功能的长度为 135mm，上部分为 10mm。其具体尺寸如图 3-13 所示，其三维图如图 3-14所示。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 19 图 3-13 冲头结构二维图 图 3-14 冲头结构三维图 3.2.6 防失稳模具凹模的结构设计 图 3-15 凹模剖面图 本次锻造过程的最后阶段是挤压，所以凹模的结构与成型零件的结构一样。凹模的高度是零件的高度加上顶出机构顶杆在凹模中的长度，所以取凹模的高度为 103mm。其结构及具体尺寸，如图 3-15所示。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 20 3.2.7 防失稳模具凹模座的结构设计 由于凹模是易 损件，所以凹模座中要放置凹模，所以凹模座中心部分尺寸为凹模尺寸。这次设计的模具有顶出机构，所以凹模座上还设置了一些孔，有些为螺纹孔，用来固定拉料板。其结构如 3-16所示。 图 3-16 凹模座结构示意图 3.2.8 防失稳模具凹模垫板的结构设计 图 3-17 凹模座垫板 具有斜度的凹模在向下的方向上可以被限制，但其向上的方向没有被限制，当顶杆顶出零件的时候，被镦粗挤压后的零件紧紧裹在凹模中，此时凹模可能跟着零件一起被顶出，所以在上模座上应该设置一个垫板。垫板只需固定凹模且不干涉向下运动的轴套江苏科技大学本科毕业设计（论文） 21 就行。其结构如图 3-17所示。 3.2.9 防失稳模具顶出机构的设计 当零 件成型完成之后，如何取出成型件是件关键性的问题，这里设计了顶出机构将成型零件顶出凹模然后取出。顶出机构是由拉杆、拉板、顶杆和螺栓组成。固定在上模板上的拉杆随上模回程而向上运动，拉杆下端部的螺栓接触到拉板时，拉板跟着拉杆一起向上运动，此时拉板就会拉着顶杆向上顶成型好的零件，当零件全部顶出后，压力机停止向上运动，成型结束。零件需要被顶出的距离为 63mm，所以拉杆的长度为上模板及其以下模具的厚度加上顶出距离之和，取拉杆长度为 475mm。其中拉杆、拉板结构如图3-18所示。 图 3-18 拉杆、拉板结构示意图 3.3 防失稳模具整体装配图及运动概述 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 22 图 3-19 动模、定模、装配及分解三维图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 23 该模具的大致装配结构如图 3-19所示，