“摇臂”锤模锻工艺及模具设计课程设计报告

1、“摇臂”锤模锻工艺及模具设计目 录课程设计任务书1前言21 零件分析及基本工艺方案确定零件分析31.1 零件分析31.2 零件材料特性分析31.3 零件尺寸精度及表面粗糙度分析41.4 零件基本工艺方案确定42 锤上模锻锻件设计52.1 确定分模位置52.2 确定锻件公差及加工余量52.2.1 确定材质系数、复杂系数、零件的机械加工精度52.2.2 确定锻件公差和余量62.2.3 确定模锻斜度62.2.4 确定圆角半径72.2.5 确定冲孔连皮72.3 确定模锻件的技术条件73 锤上模锻锻件工艺设计93.1 计算锻件的主要参数93.2 确定锻锤设备吨位93.3 确定飞边槽形式和尺寸93.4 绘

2、制计算毛坯图103.5 计算繁重系数并确定制坯工步123.6 确定坯料尺寸123.6.1 坯料截面积及直径计算123.6.2 坯料长度计算133.7 模锻前期工序方法选择133.8 模锻后期工序方法选择143.9 锻件工艺卡144 锤上模锻锻模设计164.1 终锻模膛设计164.2 滚挤模膛设计164.2.1 滚挤模膛的高度17i“摇臂”锤模锻工艺及模具设计4.2.2 滚挤模膛宽度184.2.3 钳口、毛刺槽等尺寸184.3 模膛结构设计184.3.1 模膛布置184.3.2 锁扣尺寸194.3.3 模壁厚度确定194.4 模具结构设计204.4.1 检验角、燕尾和键槽尺寸确定204.4.2

3、模块尺寸204.5 模具参数校核215 总结23参考文献24ii“摇臂”锤模锻工艺及模具设计前言大学四年的学习生活，转眼间只剩下最后的一学期。经过三年半的学习，我们对所学专业从陌生到了解，再到熟悉。经过生产实习，对实际生产中专业的运用得到了解，知道未来毕业后的工作。同时，很多同学已经找到工作或准备读研究生，这样需要我们对本专业的整体设计工作进行锻炼。锻造课程设计，是专业计划学习的重要部分，有助于巩固和加深锻造工艺的学习，训练综合运用所学知识的能力，结合锻压的生产特点及质量要求，初步掌握锻件、锻造工艺过程及配用模具的设计方法。为期四周的课程设计，首先要阅读零件图，根据零件特点和技术要求对零件进行

4、分析，初步确定模锻方案。然后根据产品图和技术条件，确定锻件的余量、公差、余块、拔模斜度、圆角半径等工艺要求，制定锻件技术条件，绘制以零件图为依据的锻件图。第三，按平面变形特征，计算毛坯图和截面图，确定制坯工步选择毛坯尺寸。最后，考虑收缩率绘制热锻件图，确定终锻模膛和制坯模膛形状，并对锻模结构进行设计，并绘制锻模图。课程设计需要我们积极、严谨和刻苦钻研的态度，只有在独自、研究、发现、解决的过程中才能学到真正的东西，才能起到课程设计的真正目的。2“摇臂”锤模锻工艺及模具设计1 零件分析及基本工艺方案确定零件分析由零件图（图1-1）可以得到，该零件名称为摇臂，材料为40mnb，热处理要求为hb277

5、311，为大批量生产。图1-1 摇臂零件图1.1 零件分析摇臂使用时一端装在单立柱上，可绕立柱轴线回转，并可沿其轴线上下移动且具有水平的导轨。由图中尺寸可以看到，轴线方向长度大于160mm，宽度、高度方向尺寸分别为63mm、29mm，因此该锻件具有轴线较长，即锻件的长度与宽度或高度的尺寸比例较大的特点，且锻件的主轴线和分模面为直线状，属于长轴类锻件。该类锻件的变形特点是模锻时，毛坯轴线方向与打击方向相垂直，金属主要沿高度和宽度方向流动，沿长度方向流动很小。因此，当锻件沿长度方向其截面面积变化较大时，必须考虑采用有效的制坯工步，如卡压、拔长、滚挤工步等，以保证锻件饱满成形。且该零件为轴对称分布，

6、没有支芽和叉类特征，不易产生折叠、锻不足等缺陷，因此不用设置预锻工步。但零件中20的孔，因为直径较小，考虑模具寿命，锻造时不锻出。1.2 零件材料特性分析由零件图可知，该零件所使用的材料为40mnb，属合金结构钢。所含合金成分如表1-1 所示：3“摇臂”锤模锻工艺及模具设计表1-140mnb 的化学成分（gb3077-88）1该材料具有较高的强度、硬度、耐磨性及良好的韧性，是一种取代40cr 钢较成功的新钢种。该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。主要用作汽车上的转向臂、转向节、转向轴、半轴、蜗杆、花键轴、刹车调整臂等，也可代替40cr 钢制造较大截面的零件

7、。具体的力学性能如表1-2 所示，可见该材料的锻造性能较好。表1-240mnb 的力学性能（gb3077-88）21.3 零件尺寸精度及表面粗糙度分析由零件图可以看出，该零件右侧圆柱的上表面、左侧圆柱上下两表面和两内孔需要进行机械加工，尺寸精度、表面粗糙度要求高。其中左侧圆柱上下两表面的表面粗糙度要求达到ra0.8m。其余表面均为净锻表面，无需进行机械加工，尺寸精度和表面粗糙度要求低，尺寸精度按it13 级确定，表面粗糙度为原锻件表面粗糙度。1.4 零件基本工艺方案确定根据该零件特点、材料特性、尺寸精度与表面粗糙度和生产批量的要求，此零件使用锤模锻，基本工艺流程设计为：备料、下料、加热、制坯、

8、开式模锻、切边冲孔、热处理、表面清理、检验、机械加工等。1 周大隽主编：锻压技术数据手册，机械工业出版社1998 年版，第3 页表1-3。2 周大隽主编：锻压技术数据手册，机械工业出版社1998 年版，第26 页表1-22。4牌号热处理力学性能退火或高温绘出供应转头布氏硬度（hbs）不大于淬火回火抗拉强度/mpa屈服点/mpa伸长率 （%）断面收缩率（%）温度/冷却剂温度/冷却剂不小于40mnb850油500水，油9807851045207牌号化学成分（质量分数）%csimnb40mnb0.370.440.170.371.101.400.00050.0035“摇臂”锤模锻工艺及模具设计2 锤上

9、模锻锻件设计2.1 确定分模位置由零件图可以看到，左右两侧圆柱的锻件分模面均位于圆柱的中间，但并不位于同一直线上，因此使用具有落差的不对称弯曲分模线。且零件中间的连接杆的剖视图可以看出分模面通过杆部中间通过。阶梯部位位于右侧圆柱与连接杆的接触部位。分模面形状如图2-1 所示。2.2 确定锻件公差及加工余量2.2.1 确定材质系数、复杂系数、零件的机械加工精度（1）材质系数锻件的材质系数分为二级：m1 和m2。由表1-1 得，40mnb 中含碳量为0.370.44%，合金元素总含量小于3.0%，符合材质系数m1：钢的最高含碳量小于0.65%的碳钢或合金元素最高总含量小于3.0%的合金钢的标准。因

10、此40mnb 的材质系数为m1。（2）复杂系数锻件形状复杂系数（s）是锻件重量（w 锻件）与相应的锻件外廓包容体的重量（w 外廓包容体）的比值，即：s=w锻件w外廓包容体=v锻件v外廓包容体该零件的外廓包容体（图2-1）长l 总=166mm，高h 总=29mm，宽b 总=66mm。则v外廓包容体=l总h总b总=1662966mm3=317724mm3通过计算，锻件的体积计算可简化为三部分：v锻件=v右头+v杆+v左头=r右h右+l上+l下h杆+r左h左=3025+(15+50)12+2020=119219mm因此s=锻件=0.3752。外廓包容体查得该锻件为一般复杂，即复杂系数为s 。同时由此

11、可以估算锻件质量为0.93kg。（3）零件的机械加工精度零件加工精度是确定锻件加工余量的重要依据。零件表面粗糙度大于或等于ra3.2m的为一般加工精度f1；零件表面精度小于ra3.2m时需采用精加工f2，余量要适当放大。由零件图可以得到，右侧圆柱上下两端面表面粗糙度为ra0.8m，属于精加5“摇臂”锤模锻工艺及模具设计工；右侧圆柱上端面和两内孔表面粗糙度均为ra3.2m，属于一般加工精度。（4）加热条件该锻件在煤气加热炉中加热。2.2.2 确定锻件公差和余量在零件的加工表面上增加供切削加工用的余量，称之为锻件加工余量。锻件加工余量的大小与零件的材料、形状、尺寸、批量大小、生产实际条件等因素有关

12、。此零件为简单的摇臂，查表3得，33内孔直径方向的单边加工余量为1.52.0mm，此处取2.0mm；高度方向，左侧圆柱单边加工余量为1.52.0mm，此处取2.0mm，右侧圆柱需磨削加工，即加工精度为f2，查表得单边加工余量为1.62.1mm，此处取2.1mm。零件尺寸加上加工余量即为锻件名义尺寸，由锻件名义尺寸可确定锻件格尺寸的公差，其值的大小以锻件形状、尺寸有关，并受到生产具体情况的影响。查表4得各尺寸公差列于表2-1 中。表2-1 摇臂锻件尺寸加工余量及公差52.2.3 确定模锻斜度为使锻件成形后顺利地由模膛中取出，锻件侧表面上必须带有斜度，称为模锻斜度。模膛上的斜度是用指状标准铣刀加工

13、而成，所以模锻斜度应选用标准度数，以便与铣刀规格相一致。此处，外模锻斜度与零件图上一致，取=7，内模锻斜度取=10。3 李尚键主编：锻造工艺及模具设计资料，机械工业出版社 1991 年版，第 128 页表 5-5。4 李尚键主编：锻造工艺及模具设计资料，机械工业出版社 1991 年版，第 124 页表 5-5、第 126页表 5-6。5 表中根据一栏均来自：李尚键主编锻造工艺及模具设计资料，机械工业出版社 1991 年版。6锻件重量锻件体积包容体体积复杂系数材质系数0.93kg119219317724s240mnbm1零件尺寸锻件尺寸公差/mm根据精度等级直径3329+ 1 . 0- 0 .

14、4表5-5、表5-1一般加工精度厚度2024.2+ 1 . 1- 0 . 4表5-5、表5-3精加工2527+ 1 . 1- 0 . 4表5-5、表5-3一般加工精度长度110110+ 1 . 2- 0 . 6表5-1一般加工精度允许错差0.6mm表5-3允许横向残留飞边0.7mm表5-3“摇臂”锤模锻工艺及模具设计2.2.4 确定圆角半径锻件上的圆角半径对于保证金属流动、提高锻模寿命、提高锻件质量和便于出模等十分重要。因此在锻件上各相交表面处必须做出圆角，不允许呈尖角状。为便于制造模具所用刀具标准化，圆角半径应按标准数值选取。同时为保证锻件凸角处的最小余量，有倒角时，取r1=余量+零件的倒角

15、值；无倒角时，取r2=余量。此处，零件图上有圆角标注的为加工面，按原图中圆角加工。60 外圆角处圆角半径r=（2+1）mm=3mm；29 处圆角r=（2+1）mm=3mm；40 外圆角出圆角半径r=2mm。具体数值见图2-2。2.2.5 确定冲孔连皮此零件中有29 内孔需要锻出，锤上模锻不能直接锻出透孔，必须在孔内保留一层连皮，形成盲孔，然后在切边压力机上冲除。此处，内孔直径d=29mm，使用平底连皮。内孔高度h=孔=mm=13.5mm，按公式计算厚度：t = 0.45 d - 0.25h - 5 + 0.6 h = 0.45 29 - 0.25 27 - 5 + 0.6 27 = 4.25m

16、m 。连皮圆角半径应大于内圆角半径，取为r=3mm。图2-1 摇臂冷锻件图2.3 确定模锻件的技术条件参考“钢质模锻件机械加工余量与公差标准”（gb1263290）和“钢质模锻件通用技术条件”（gb1236190）的有关规定制定：（1）图上未注明模锻斜度为7；7“摇臂”锤模锻工艺及模具设计（2）图上未注明圆角半径为r2；（3）允许错差量0.6mm；（4）允许横向残留飞边0.7mm；（5）允许的表面缺陷深度1.0mm；（6）锻件热处理：调质；（7）锻件表面清理：抛丸。根据上述各项参数，绘制冷锻件图，如图2-1 所示。8“摇臂”锤模锻工艺及模具设计3 锤上模锻锻件工艺设计通过确定机械加工余量、公差

17、、分模面、拔模斜度、圆角半径等，绘制出冷锻件图，根据冷锻件图和技术要求，对零件的锤上模锻进行工艺分析，确定模锻设备及吨位、飞边槽，并绘制计算毛坯图，确定制坯工步、坯料尺寸和模锻前后期工序的选择及参数的确定。3.1 计算锻件的主要参数（1）锻件在水平面上的投影面积为8510mm2；（2）锻件周边长度为420mm；（3）锻件体积为115000mm3；（4）锻件重量为0.902kg。3.2 确定锻锤设备吨位总变形面积为锻件在水平面上的投影面积与飞边水平投影面积之和，参考飞边槽尺寸，按12t 锤飞边槽尺寸考虑，假定飞边均匀宽度为20mm，总的变形面积s=(5800+42020)mm=14200mm 。

18、按双作用模锻锤吨位确定的经验公式m=3.56.3ks。式中k 为材料系数，查表6得k=1.15；因为此零件为大批量生产，要求高生产率，因此取系数6.3m=6.31.15142kg=1028.8kg选用1t 模锻锤。3.3 确定飞边槽形式和尺寸开式模锻的终锻型槽周边必须有飞边槽，其形式及尺寸大小是否合适对锻件成形影响很大。此处选用最广泛使用的一种飞边槽（图3-1），其优点是桥部设在上模块，因而受热小，图3-1 飞边槽型式不易磨损或压塌。查表7选定飞边槽的尺寸如表3-1 所示：表3-1 飞边槽尺寸 （单位：mm）计算得s 飞=110mm2；飞边槽充满率取=0.7，则锻件飞边平均断面积f 飞=s 飞

19、=77mm2；飞边体积v 飞=0.7420110mm3=32340mm3。6 李尚键主编：锻造工艺及模具设计资料，机械工业出版社1991 年版，第136 页表5-19。7 吕炎主编：锻造工艺学，机械工业出版社1995 年版，第172 页表8-1。9锻锤吨位/th 飞h1bb1r11.548252“摇臂”锤模锻工艺及模具设计3.4 绘 制 计 算 毛 坯图计算毛坯的依据是根据平面变形假设进行计算并经修正所得的具有圆形截面的中间坯料。其长度与锻件相等，而横截面积应等于锻件上相应截面积与飞边截面积之和。计算毛坯图是制坯工步选择的依据，按金属流动的效率，制坯工步的优先次序是：拔长、滚挤、卡压工步。计算

20、毛坯图的步骤如下：（1）选择截面及计算截面面积根据摇臂的形状特点，供选取15 个截面（如图3-2 所示）。横截面面积f计=f锻+2f飞式中充满图3-2 计算毛坯图系数，位于端部的1 处和15 处截面因为材料在锻造时容易先产生飞边，因此取1，其余各处取0.7。分别计算15 个截面处的f锻、f计，结果列于表3-2。（2）绘制计算毛坯的截面图以计算毛坯的长度l计为横坐标，以算得的f计为纵坐标，在坐标纸上绘制计算毛坯的截面图。方法是：通常用缩尺比m 除f计，得到用直线段h计来表示的所取各截面的面积值：h计=计。此处为便于制图，缩尺比区m=10mm2/mm。10“摇臂”锤模锻工艺及模具设计将计算出的h计

21、绘制在坐标纸上，并连接各端点成光滑曲线，即得计算毛坯截面图（如图3-2 所示）。（3）计算并绘制计算毛坯直径图分别计算毛坯上各截面的直径d计，由下式计算：d计=1.13f计计算结果见表3-2。然后以l计为横坐标，以d计为纵坐标，在截面图的下方绘制计算毛坯直径图（如图3-2 所示）。（4）复杂形状的简化对头部带内孔的长轴类锻件（左侧头部），计算坯料的截面图和直径图在头部具有突变的轮廓线（如图3-3 所示），为使制坯模膛制造简便和有利于终锻成形，按体积不变条件将截面图和直径图简化为圆滑的形状，如图3-3 中虚线所示，并将修正后的截面数据列于表3-2 中。表3-2 计算毛坯的计算数据截面图所围面积即

22、为计算毛坯体积，得v计=148310mm ；平均截面面积11断面号2f （mm ）锻2s （mm ）飞总2f （mm ）计d （mm）计2修正f （mm ）计修正d计（mm）1011011011.85219415434821.083871154102536.241004154115838.45569015484432.83630015445424.08738415453826.21845615461027.919988154114238.2101458154161245.37132041.05111148154130240.77140542.36121021154117538.73145043

23、.03131269154142342.63127040.271427015442423.2715011011011.85“摇臂”锤模锻工艺及模具设计s均=计计=927mm ；平均截面直径d均=1.13s均=34.4mm。将平均截面积s均和d均在计算毛坯图中用点化线绘出，如图3-2 所示。在计算毛坯直径图上，d计d均处，称为头部，d计0.5s=0.540mm=20mm，取l=25mm；钳口总长度l=60mm。4.2 滚挤模膛设计滚挤模膛也是以计算毛坯为依据进行设计的，主要是确定模膛高度h、宽度b。滚挤模膛有钳口、模膛本体和毛刺槽三部分组成（如图4-2 所示）。13 张志文主编：锻造工艺学，机械工

24、业出版社1983 年版，第146 页表5-13、表5-14。16钳夹头直径d锻件重量（kg）钳口尺寸钳口颈尺寸bhr0bal380.90280351561.5l0.5s“摇臂”锤模锻工艺及模具设计4.2.1 滚挤模膛的高度滚挤模膛高度h=kd计。在模锻锤上滚挤时，上下模一般打不靠，故采用的模膛高度比计算的小一些，一般取：h=(0.70.8)d计。在头部，为了有助于金属的聚集，模膛的高度应等于或略大于计算毛坯图的响应部分的直径。即：h= （11.05）d计。此锻件滚挤各截面k 的取值及模膛高度列于表4-2：表4-2 滚挤模膛高度根据以上数据，沿锻件轴向，使之对半分开，先用黑点表示，然后用圆弧或直

25、线光滑连接，应尽可能做到圆滑过渡，并进行适当简化（如图4-2 所示）。图4-2 滚挤模膛高度尺寸17断面号d （mm）计kh（mm）111.851.0512.44221.081.0522.13336.21.0538.01438.451.142.30532.831.0534.47624.080.7518.06726.210.7519.66827.910.7520.93938.21.0540.111041.051.0543.101142.361.0544.481243.031.0545.181340.271.0542.281423.271.0524.431511.851.0512.44“摇臂”锤模

26、锻工艺及模具设计4.2.2 滚挤模膛宽度此锻件采用无拔长的闭式滚挤，查表14得滚挤模膛宽度滚按一下公式计算：1.7d坯滚1.15f坯h，但滚1.1d此处1.7d坯=1.738mm=64.6mm；1.15坯=1.15mm=61.7mm1.1d=1.143mm=47.3mm则64.6此处取滚61.7，滚=64mm，能够满足要求。4.2.3 钳口、毛刺槽等尺寸钳口不仅是为了容纳火钳，同时也是用来卡细毛坯，减少料头消耗。毛刺槽用来容纳滚挤时产生的端部毛刺。查表得钳口尺寸按以下公式计算：n=0.2d坯+6mm=0.238+6mm=13.6mmm=(12)n=1.513.6mm=20.4mm，取m=21m

27、mr=0.1d坯+6mm=0.138+6mm=9.8mm，取r=10mm此处为无切刀滚挤，d坯=38mm，查表15得毛刺槽尺寸列于表4-3：表4-3 毛刺槽尺寸（mm）按上述尺寸绘制滚挤模膛钳口和毛刺槽（如图4-2）。4.3 模膛结构设计4.3.1 模膛布置模膛布置是根据模膛数及各模膛的作用，以及操作方便安排的。终锻模膛的变形力最大，为防止产生太大的锤击偏心力，应尽可能使模膛中心与锻模中心重合，以便锤击力与锻件发作用力处于同一垂直线上。否则，将出现偏心力矩。此锻件为轴对称，则模膛中心通过其对称轴，因此燕尾中心线与锻件对称轴重合。燕尾中心线至检验边的距离为80.5mm；经实体计算模膛中心距大头前

28、端距离67mm，结合模块长度和钳口长度确定出键槽中心线至检验边的距离为137mm。14 张志文主编：锻造工艺学，机械工业出版社1983 年版，第168 页表5-24。15 张志文主编：锻造工艺学，机械工业出版社1983 年版，第169 页表5-25。18d坯acrrb386255630“摇臂”锤模锻工艺及模具设计此锻件模膛包括滚挤模膛和终锻模膛两个。模锻此摇臂的1t 模锻锤机组，加热炉在锤的左方，且吹风机在模锻锤右立柱，防止氧化皮吹入终锻模膛，因此滚挤模膛位于模膛的左侧（如图4-5 所示）。因为此锻件轴对称，则燕尾中心线与终锻模膛的轴线重合。用实测方法，找出终锻模膛中心离连杆大头前端67mm。

29、4.3.2 锁扣尺寸因为此锻件为有落差的不对称分模面，在模锻过程中将产生水平分力，从而引起锻模错差。不仅影响尺寸精度和加工余量，而且加速锻锤导轨磨损和锤杆过早折断。所以在此采用在锻模内设置锁扣的平衡锁扣，在锤击成形过程中，使上下模块相互锁住，从而克服错移（图4-3 所示）。图4-3 带锁扣的锻模锁扣设计尺寸查表16计算列于表4-4：表4-4 锁扣设计尺寸4.3.3 模壁厚度确定模壁厚度应保证足够的强度，同时又要尽可能减小模块尺寸。（1）终锻模膛壁厚由终锻模膛h=13.5mm，r=30.5h，=7，查“确定模膛壁厚曲线” 图1716 李尚键主编：锻造工艺及模具设计资料，机械工业出版社1991 年

30、版，第157 页表5-33。17 张志文主编：锻造工艺学，机械工业出版社1983 年版，第188 页图5-118。19项目尺寸锁扣高度h/mmh=锻件分模面落差高度=7.5mm锁扣宽度b/mmb1.5h=1.57.5mm=11.25mm锁扣斜度=5锁扣间隙/mm=0.4锁扣平面间隙/mm=1.5mm倾斜分模面上的间隙/mm=1.5mm锁扣内圆角半径r/mmr=0.15h=0.157.5mm1mm锁扣外圆角半径r/mmr=r+2mm=3mm“摇臂”锤模锻工艺及模具设计得s=38mm，取整s=40mm。终锻模膛与滚挤模膛间壁厚从飞边桥部外侧算起。（2）滚挤模膛壁厚滚挤模膛外壁厚度s=510mm，此

31、处取s=10mm。4.4 模具结构设计4.4.1 检验角、燕尾和键槽尺寸确定检验角是各模膛与燕尾尺寸的基准面，在生产者是模具调试的依据，为相互垂直的两个平面，做在模块的前面和右面。查表确定尺寸：宽度b=5mm，高度h=50mm。锤锻模紧固在下模座和锤头上，既要求紧固可靠又要安装调试方便。采用楔铁和键块配合燕尾紧固的方法。燕尾形状如图4-4 所示，查表18确定锤锻模燕尾和键槽尺寸，如表4-5 所示。注意到4.3.1 中计算燕尾中心线至检验面的距离80.5mm=100mm图4-4 燕尾形状不符合要求，在此应加大终锻模膛右侧壁厚，结合模块宽度取65mm。表4-5 锤锻模燕尾和键槽尺寸（单位：mm）4.4.2 模块尺寸模块尺寸应根据模膛布置、模壁厚度、锁扣等有关因素确定，同时应对承击面积、模块长度、锻模中心与模块中心偏移量、模块宽度、模块高度、上模最大重量、模块规格等进行校核。根据前面计算结果，分别确定模块宽度、长度和高度。（1）模块宽度b=10+64+40+8+64+8+65+5=264mm取b=270mm。18 李尚键主编：锻造工艺及模具设计资料，机械工