基于UG的曲轴模具设计

第 6期 总第 1 6 3 期 2 0 1 0年 1 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI C AL ENGI NEERI NG AUT0MATI ON NO 6 De c 文 章编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 0 0 6 0 0 6 7 0 2 基于 UG 的 曲轴模具设计 宋春 玉 李 内蒙古工业大学 机械 学院 强 张 辉 内蒙古 呼和浩特0 1 0 0 5 1 摘要 传统 的锻造工艺和模具设计 通常采用反复 的实物试验 设 计周 期长 产 品数据精度 低 为了克服这些弊 端 借助三维 C A D软件 UG 对 3拐 1 2 o 分布 曲轴进行 了锻造工艺和模 具设计研 究 包括设计锻 件图 制定 工艺方案 计算工艺参数和设计锻造模具 此设计方 法能大大缩短生产准备周期 降低材料消耗和生产成本 关键 词 曲轴 模具设计 UG 中图分类号 TK4 1 3 3 1 T G7 6 文献标识码 A 0 引言 曲轴是 内燃 机 中承 受 冲击 载荷传 递动 力的关 键零 件 由于曲轴工作条件恶劣 既承受交变应力作高速 运转 又传 递大 的扭矩 一旦 损坏就 可能造 成重 大事 故 因此世界各国对曲轴的加工都非常重视 不断改 进曲轴工艺口 目前曲轴锻造成形工艺 的发展方向是 突 出发展精 密净成 形 发展少无 切 削技术 锻 造 成形过 程 向着科学化 数字化 和可控化 发展 2 本 文借 助三维 CA D 软件 UG 对 3拐 1 2 0 分 布 曲轴 进行 了锻 造 工艺 和模具 设计研 究 1 曲轴 的模锻 工艺 本文研究的是 3拐呈 1 2 0 分布 6个平衡块 形 状复杂的中小型曲轴 曲轴零件图如图 1所示 锻造 方法 是先锻 成 多拐平 面状 在红热状 态下 最后 一道工 序 通 过 扭 转 机 将 各 拐 扭 转 到相 应 的 角度 3 在 三 维 C AD 软件 UG 的平 台 上进行 曲轴 锻 件 的锻 造 工艺 与 模具 设计 其模锻 工序 为 预 热一 切料 一加 热一 预锻一 终锻一 热切 边一扭 转一热 处理一 校形一 检验 一入库 图 1 曲 轴零 件 图 1 1 毛 边槽 的设计 由于 闭式模锻 要求 坯料体 积精 确 故 其应用 范 围 比较窄 所 以本文在曲轴的锻造时选用开式模锻 开 式模锻预锻型槽一般不带毛边槽 但对形状复杂的多 拐曲轴件 其预锻型槽也应考虑设置毛边槽 桥部高 度比终锻的大些 桥部宽度和仓部高度可小些 根据 锻压手册查得预锻型槽 的毛边槽桥部高度为6 mm 宽 度为1 5 mm 仓部 高度 为2 0 mm 如 图 2所示 图 2预 锻 型 槽 毛 边 槽 1 2设备 的选择 根据公式 1 来计算锻件的变形力 尸一 5 0 7 0 F 1 其 中 P为变形力 k N F为包括毛边槽桥部在 内的 锻 件投 影面 积 c m 通过计算 F一5 4 3 c m 代人式 1 计算得P一 2 7 1 5 O 3 8 0 1 0 k N 考 虑设 备安全 工作 问题 选 取 4 0 MN的热模 锻 压力机 1 3 确 定锻 件 的机加 工余 量和 公 差 普通模锻方法很难满足机械零件的要求 一般存 在锻件走样和表面质量不高两方面的问题 为此需要 给出加工余量 而且还需规定适当的公差 以保证锻 件的误差落在余量范围之内 本文的曲轴锻件根据压 力机的吨位数取加工余量为 轴向3 mm 主轴颈单边 2 5 mm 连杆颈单边2 5 mm 而对于公差 取轴向公 差 由 曲轴 中心 向两侧 为 一0 8 mm 2 0 mi l l 厚度 公 差 为 2 0 mm 1 4 连 皮 的设计 模锻不能直接锻出透孔 因此 在设计锻件图时 必 须在 孔 内保 留一层 连皮 然后 在切 边压力 机上 冲除 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 2 修 回E t 期 2 0 1 0 0 6 2 7 作者简介 宋春玉 1 9 8 0 一 女 内蒙古赤峰人 在读硕士研究生 主要研究方向 模具设计 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 6 8 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 0年第 6期 掉 因为曲轴属于形状复杂的锻件 在型槽 中采用拱 式带 仓连 皮 连 皮 的厚 度应适 当 若 过薄 锻件容 易 发生锻不足和要求较大的打击力 导致模具突出部分 出现加速磨损或打塌的现象 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 锻件走 样 而且浪费金属 所以设计连皮厚度为1 5 mm 1 5锻件材 料及 下料尺 寸确 定 此 曲轴 体积为 1 2 9 0 c m 由三 维造 型计 算所 得 重量 为l 0 k g 总长 4 3 0 mm 所选 的材料 是 4 0 C r 坯 料体 积按下式 计算 V坯一 件十V毛 V 1 2 其 中 件为锻件体积 V毛为毛边体积 皮为连皮体 积 a为火耗 与所 选用 的加热设 备类 型有关 电感 应 加 热时取a 一1 经 过计算 得V 一1 4 3 1 c m 同类 曲轴 锻造 时材 料 利用 率 一 般为 7 O 7 5 按 照 材 料 利 用 率 为 7 2 计 算 初 步 选 择 8 O mm 3 9 5 mm的坯料 2曲轴 的模具设 计 2 1 分模 面 的选取 由于曲轴是 3拐呈 1 2 0 分布 整体模锻成形需要 曲面分模 补充很大的工艺余量 此外平衡块底部成 型难度大 由平衡块局部充型不满导致废品率较高 曲 轴连杆颈分模处容易因曲面分模使上模过深 在受纵 向冲击时产 生变形 断裂 因此 目前许 多 国家采用扭 转工艺 即将中部对称的曲轴扭转成平衡块 1 2 0 分布 的 曲轴 确定 分模 面 的基 本原则 是保 证锻件形 状尽 可 能与零 件形状 相 同 以及 锻件能从 锻模 中取 出 为此 锻 件分 模 面应 选 择在 具 有 最 大 水平 投 影 尺 寸 的位 置 上 故选 择锻 件侧 面 的中部对称 平面作 为分模 面 2 2 模 具设 计 2 2 1 终锻 型槽设 计 热锻件 图以冷 锻件 图为依据 但 又有所 区别 考 虑到金属 冷缩现 象 热锻 件图上 的所有 尺寸应 计人 收 缩率 即按公式 3 计算热锻件图尺寸 J L 1十 3 其 中 为热 锻件 尺寸 为冷锻 件尺 寸 为终 锻温 度 下 的收缩率 钢 的 一 0 8 1 5 该 曲轴 在冷锻 件基 础上 加 放 1 5 的收 缩率 即可 满 足要求 所 以该 热锻件 的长度 为4 3 7 mm 利用 UG 的 Mo l d Wi z a r d模块 进行 曲轴模具 的设 计 其具体过程如下 1 对项 目名称 装配产品和单位进行初始化 在 投影单位 中选 择毫 米 项 目名 设置 为 曲轴 2 确立模具 装 配坐标 系 给后续部 件 的安装 建 立定位坐标系 模具设计需要确定模具的分模面和顶 出方 向 这是 由模 具 坐标 系的位置 和方位确 定 的 旋 转 坐标 系 使 Z r 轴 的 正方 向指 向顶 出方 向 在模 具 C S YS对话框中选择锁定 轴 更改WC S位置 选择 当前 WCS 3 设置 模具 收缩率 4 设置 模具 工件 即模具 的毛坯 尺寸 锻模模 膛应 有足够 的壁厚 以保证 锻模 在工作 中不致损 坏 模 块平 面尺 寸按 模膛 最 大外 形尺 寸 加上 模 壁厚 度确 定 最 终确定 的模块 尺 寸为6 0 0 mlT l 2 5 0 mlT l 2 0 0 mm 5 分模设计 包括定义分型线 创建分型面 抽 取型腔区域 创建型腔 使用模具工具 中的实体分割 沿 x 一y 平面进 行 分割 在 分 型管理 器 对 话框 中单击 编辑分 型 线 选 择 自动搜 索分 型线 选 择 顶 出方 向为一Z r方 向 获得分 型线 在 分 型管理器 中选择 创建 编辑 分型面 单击创建分型面 生成如图 3所示的分型面 再分别通过抽取型腔区域 创建型腔 最终所得的模 具型 腔见 图 4 图 3曲轴的分模面 图 4模 具 型 腔 2 2 2 预锻件 的设 计 预锻在模具工艺 中占有重要地位 其作用是使制 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 其他缺 陷 的优质 锻件 同时有助 于减少终锻型槽磨损 提高其使用寿命 预锻 件 的圆角要 比终锻 件 的大 预 锻件 的拔模斜 度与终锻件一致 3曲轴 的扭转 锻造 完 的曲轴要 进行扭 转 采用扭 转工艺 的优点 是 曲轴 的 曲柄和平 衡块设 计几 乎不受 限制 产 品在 径 向可 以完全对 称 曲轴 可以得 到最好 的平衡 效果 可以提高模具使用寿命 降低工艺难度 提高生产效 率和材料利用率 扭转后 3个平衡块呈 1 2 0 分布 扭 转后 的曲轴如图 5所示 图 5扭转 后的曲轴 下转第 7 1页 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 0 1 0年 第 6期 机 械 工 程 与 自 动 化 7 1 4 结 论 根据 计算 流体力学 理论 和 F l u e n t 建模 方法 建立 某型火炮 带炮 口制退 器 的炮 口流 场动力 学模型 并考 虑了高速运动弹丸的影响 对炮 E l 流场进行仿真和验 证 为研究炮 口制退器综合性能 确立衡量炮 口制退 器的性能 指标 并选取 影 响制退器 的结构 参数作 为优 化设 计变量 基 于正交 设计法 建立 了试验 方案 利用 F l u e n t 仿真计 算得 到输入 输 出样 本对 并用 响应 面法 建立 性能指 标 和优 化参 数之 间的映射关 系 确立 了炮 口制退器综合性能优化 目标函数 为炮 口制退器的优 化 提供 了依 据 参考文献 1 高树滋 陈运生 张月林 等 火炮 反后坐装 置设计 M 2 3 J E 4 5 6 3 北京 兵器工业 出版社 1 9 9 5 尤 国钊 许厚谦 杨启 仁 中间弹道学 M 北京 国防 工 业 出版社 2 0 0 3 张辉 谭俊杰 崔东 明 带制退器膛 口流场 的三维数值模 拟E J 3 力学与实践 2 0 0 8 3 0 4 3 4 3 8 王成 基于流体动力 学与多变热力 学理论 的火炮 反后坐 装置 内部介质流动 与传热研究 D 石家庄 军械工程学 院 2 0 0 8 7 1 7 4 江坤 钱林方 徐亚栋 等 炮 口制退 器斜 切喷口结构优化 及其应用 J 系统仿真学报 2 0 0 7 1 9 9 2 0 9 4 2 0 9 7 刘金辉 乔志德 杨旭东 等 基于 响应 面法 的机翼气 动 结构一体 化优 化设 计研 究E J 3 空气动力学学报 2 0 0 6 2 4 3 3 0 0 3 06 M u z z l e Br a k e Op t i m i z a t i o n Ba s e d o n Re s p o ns e S u r f a c e M e t h o d WANG S h i s o n g Z HENG J i a n J I A C h a n g z h i C UI Yi n g j i e 1 Or d n a n c e E n g i n e e r i n g C o l l e g e S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 0 3 C h i n a 2 7 7 1 5 6 o f Un i t s L e s h a n 6 1 4 0 0 0 Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t O e s t i ma t e t he c o mpr e he ns i v e p e r f or ma n c e o f muz z l e br a ke s t hi s pa p e r e s t a bl i s h e d t h e f l ow f i e l d dy n ami c mo de l of a mu z z l e b r a ke b a s e d o n i t s s t r uc t ur e p a r a me t e r s s u c h a s t he l e ng t h of t r a pe z i f o r m bo t t om t h e ha l f a ng l e of di l a t a t i on e t e Th e e f f i c i e nc y a nd p e ak v al ue of s ho c k wa v e we r e u s e d t O r e f l e c t t h e c o mpr e he ns i v e pe r f o r ma nc e of t he muz z l e br a ke t O e xa mi ne s i mul a t e a nd a na l yz e t he f l ow f i e l d dy na mi c mo d e1 Or t hog on al d e s i gn met h od wa s i n t r o duc e d t O de s i g n t he s i mu l at i on e xp e r i me nt a t i on S O as t o ob t a i n t h e s a mpl e c ou pl e s Th e n t he n on l i ne a r ma p pi ng r e l a t i on be t we e n t he d e s i gn pa r a me t e r s a nd p e r f o r ma n c e i n d e x e s wa s a c h i e v e d b y u s i n g r e s p o n s e s u r f a c e me t h o d Th e o b j e c t i v e f u n c t i o n f o r o p t i mi z i n g t h e c o mp r e h e n s i v e p e r f o r man c e o f t he muz z l e b r a k e wa s s et up t h e n t he a pp r o pr i a t e a r i t hme t i c c o ul d be us e d t O op t i mi z e t he v i t al pa r a me t e r s M o r e o v e r i t c o ul d pr ov i de t he o r e t i c a l gui d e f or pe r f or ma nc e o pt i mi z at i o n o f m u z z l e br a ke s Ke y wo r d s r e s p o n s e s u r f a c e me t h o d mu z z l e b r a k e o p t i mi z a t i o n 柱 扭 津 挣 挣 曲 津驴 津 曲 婶 上接 第 6 8页 4结 论 使 用三 维 C AD软 件 UG设 计 3拐 1 2 0 分 布 的 曲 轴锻件图 根据锻件图可以计算曲轴体积和投影面积 并 确定 坯料尺 寸和设 备吨位 使 用 UG 中的 Mo l d Wi z a r d模块进行曲轴锻造模具设计 可以方便 快捷 准确地完成 曲轴锻造模具 的设计 达到缩短设计周期 提高生产效率的目的 使用扭转的方法制造 1 2 0 分布 的 曲轴 简 化 了设 计工艺 提 高 了模具 的使 用寿命 参考文献 1 李海国 国 内外内燃 机曲轴制造技术现状及发展趋 势E J 制造 技 术 与 机 床 2 0 0 3 5 1 2 1 5 E 2 3 4 I s 6 3 7 中国锻压协会秘书处 中国锻压行业未来发展方略l J 锻 压技术 2 0 0 3 1 1 2 冯 海林 空间 分模五 拐 曲轴模锻 工艺 E J 热加 工工 艺 2 0 09 3 8 3 47 姚泽坤 锻造工艺学 与模具设计 M 西安 西北工业大学 出版社 2 0 0 1 李翔鹏 UG NX5自学手册一模具设计入门篇 M 北京 人 民邮 电出版社 2 0 0 8 锻模设计手册 编写组 锻压设计手册 M 北京 机械工业 出版社 1 9 9 1 翟 良 鄢成 明 曲轴模锻 工艺 J 3 机械工人 2 0 0 4 1 2 1 4 一 7 Cr a n ks h a f t Di e De s i g n Ba s e d o n UG S ONG C h a n y u LI Qi a n g ZHANG Hu i Co l l e g e o f M e c h a n i c a l En gin e e r i n g I nn e r M o n g o l i a