小行星架精锻成形分析及模具设计

1、图书分类号：密 级：毕业设计(论文)小行星架精锻成形分析及模具设计ASTEROIDS PRECISION FORGING FORMING ANALYSIS AND DIE DESIGN学生姓名班 级学院名称专业名称指导教师 学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、

2、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘要本文以小行星架作为研究对象，深入研究了小行星架精锻成形分析及模具设计的相关技术，设计了小行星架精锻模具，根据小行星架的特点，确定小行星架锻件的材料、加工方案和加工流程以及所用的模锻设备；锻造过程中采用

3、高速切削技术加工模具，减小模具热处理变形的影响；利用高合金钢材料模具补焊技术，提高模具硬度，延长模具使用寿命；润滑剂选择了经济实用又不污染的水基石墨润滑剂；用UG软件导出模具二维装配图，依据装配图完成模具主要零件图的绘制和设计；利用DEFORM-3D软件对锻造成形过程进行了数值模拟分析，预测了成形过程中可能出现的问题，从而优化了成形工艺参数及模具结构。关键词：小行星架；精密成形；模具；模拟分析AbstractBased on an asteroid frame as the research object, this paper deeply studied the asteroid prec

4、ision forging forming analysis and the relevant technology of the mould design, design the asteroid plane composition, according to the characteristics of the asteroid frame, determine the asteroid forging materials, processing scheme and die forging used in the machining process and equipment; The

5、high speed cutting technology in the process of forging processing mould, reduce the influence of the mold heat treatment deformation; Mold repair welding technology using high quality steel material, improve the mold hardness, prolong the service life of mould; Lubricant chose the economy practical

6、 and polluting the water-based graphite lubricant; UG software is used to derive the mold 2 d assembly drawing, according to the assembly drawings to complete the drawing and design of main part drawing of die; Using DEFORM 3 d software in forging forming process numerical simulation analysis, forec

7、ast the possible problems in the forming process, thus forming process parameters and die structure was optimized.Keywords ：asteroid frame precision molding mold simulation analysis目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 引言11.2 精密锻造技术的发展现状11.3研究的意义及目的21.4 主要研究方向和内容22 小行星架精锻成形工艺设计42.1引言42.2小行星架精锻成形工艺分析42.2.1 小

8、行星架材料的选择42.2.2 冷精锻、等温精锻和热热锻的工艺对比42.2.3 热精锻成形的长短处52.3 小行星架精锻成形方案的制定52.3.1 小行星架材料及加工工艺的确定52.3.2精锻成形方法的确定52.3.3小行星架精锻工艺流程的确定62.4毛坯的处理和毛坯尺寸的确定72.5模锻设备的选择72.6本章小结83 小行星架精密锻造模具结构设计93.1 引言93.2 模具的结构要求93.3模具材料的确定103.4小行星架锻件膨胀系数和收缩率103.5分模面的确定103.6 模具零部件设计113.6.1 凸模的设计113.6.2 凹模的设计113.6.3 模架的设计113.7 模具工作尺寸的计

9、算123.7.1凹模径向尺寸的计算123.7.2凹模深度尺寸的计算123.7.3凸模径向尺寸的计算123.7.4 凸模高度尺寸的计算133.8模具总装设计图133.9模具的后续处理及模具延寿的处理方法133.9.1高速切削在热处理后的加工工艺133.9.2模具补焊技术在延长模具寿命上的应用143.9.3 热模锻时的润滑143.10本章小结154 小行星架精锻成形分析164.1 引言164.2 有限元理论简介164.2.1有限元分析法的优缺点164.2.2 DEFORM软件简介174.2.3 DEFORM的特点174.2.4 DEFORM的功能174.3 对小行星架的有限元模型的建立174.3.

10、1几何模型的建立184.3.2有限元分析模型的建立184.3.3 定义工具和边界条件的确定194.4本章小结20总结21致谢22参考文献231 绪论1.1 引言随着经济技术和科学技术的不断提高，我国的制造业飞速发展，普通的锻造技术已经不能满足经济社会发展的需要了。行星架是行星齿轮传动装置的重要构件，是几乎一切机械中不可或缺的组成构件，其地位相当重要，不论是关系到国家安全的军工行业还是与我们个人生活息息相关的基础机械行业都有小行星架的身影。小行星架所受外力矩非常之大，小行星架的精密程度甚至直接影响机械装备的性能。小行星架的加工一般分为切削加工和精密锻造，传统切削加工工艺不仅生产效率低、材料利用率

11、低，而且切削加工破坏了纤维流线分布，使得锻件的强度很低。不同的是，使用精密锻造小行星架就完全避免了上述缺陷，精密锻造不仅提高了小行星架的强度而且材料的利用率有极大提高呈指数级上升，相应的，生产效率也比之前的传统加工也提高了很多。如今的机械制造业在高速发展，相应的对小行星架精锻成形技术和精锻工艺的要求也非常高。因此，传统的切削加工技术势必将被精密锻造技术取代。但是由于小行星架的精锻精度依赖于模具的精度，多种因素影响着模具及锻件的精度，如热处理变形、二次氧化等。因此可以采用高速切削技术来确保模具的精度，但是高速切削技术可以减少热处理变形，但是不能全部消除热变形的影响，这就使型腔存在误差。这样就必须

12、认真拟定小行星架精锻的总体设计方案，并用DEFORM-3D软件对小行星架精锻成形过程进行数值模拟分析。有限元分析是必不可少的部分，利用有限元仿真软件DEFORM-3D进行数值模拟能够得到小行星架锻件和模具的基础参数。根据拟定的工艺加工方案，利用UG三维造型软件确定小行星架的各项参数数据。1.2 精密锻造技术的发展现状精密锻造技术从上个世纪五十年代开始德国人开始使用当时很新颖的的电火花加工工艺来制造锻模的型腔；七十年代受汽车工业成本不断降低的影响，精密锻造技术得到长足发展；八十年代的锻造技术业已成熟许多，工件精度也已经达到了很高的要求，适合于大批量生产。近几十年来大量优质、高效、节能的精锻技术相

13、继出现，冷精锻、温精锻、热精锻、复合精锻、等温精锻等精锻技术得到迅猛发展，在国际上越来越多地用于生产发动机齿轮、汽车变速器等，在汽车行业、重型工程机械加工业中得到广泛应用。我国小行星架精锻技术起步较晚，工艺有不完善的地方,设备依旧很落后,锻造余量和公差仍然较大,产品的精度、强度、耐磨性相对于国际先进技术有一定差距；国内外许多学者对小行星架精锻成形技术的研究深度、方向有些不同，但是都取得了令人瞩目的研究成果。随着制造业的发展，精密锻造技术应用愈加广泛，小行星架精密锻造技术在未来的发展走向：（1）精密锻造过程的数值模拟技术的应用。现阶段主要依靠DEFORM-3D软件对小行星架精密锻造成形过程进行数

14、值模拟分析，利用UG三维造型软件确定小行星架的各项参数数据。（2）精密锻造工艺过程逐渐向自动化、柔性化的复合工艺方向靠近。在小行星架工加工方面，普通的精密锻造技术已经不能紧跟不断提高的工艺要求, 此时的复合工艺的优势就体现出来, 将不同的锻造工艺加以合理组合, 制造出品质更高的零部件。（3）现代化工业加工流程设计。虽然精密锻造加工小行星架有很多的优点，并已用于一些零件的大批量生产，但距应用于特殊要求的小行星架的批量生产还有很长的一段路需要走。这需要制定一套科学、安全、高效的生产工艺流程，为了适应现代工业的需求，小行星架的精密锻造工艺飞速前进，工艺设计也变得越来越复杂、科学。1.3研究的意义及目

15、的由于小行星架是机械设备的重要组成部分，并且生产批量大、应用非常广泛，因此追求生产速度的同时还要保证小行星架的精度。传统切削加工虽然加工方法简便灵活，但是生产效率低产品成形周期长、因加工余量的存在而使得生产成本变高，而且传统切削加工破坏锻件原有的纤维流线分布因而强度并不能满足现代化设备的要求，随着时代的推进这种传统切削技术已经不再适应当下工业发展的需求了。在这种情况下，精锻加工技术已经出现萌芽，喷薄欲出。精密锻造属于无切削加工技术，材料能够做到最大限度地节约，这样，材料利用率就提高了；由于是无屑加工，精密锻造并不破坏锻件的纤维流线分布这样使小行星架的强度也大大提高；同时精锻技术的生产效率和产品

16、效益也比传统切削加工工艺有极大提高。这样，生产成本就降低了很多，适应了现代工业的需求。根据小行星架用途广泛需求量大等特点，一直吸引着国内外专家学者致力于小行星架精锻课题的研究，其研究成果也是相当的丰富。目前，国际上小行星架精锻的发展趋势是追求越来越高的精度，不少锻件可以实现无切削或者少切削加工，这样就可以直接进行装配，无需二次加工。由于国际先进技术的影响，我国许多企业已经采用了精锻的方式来加工小行星架等一系列零配件，精密锻造技术所带来的提高产品质量、降低生产成本、增加企业效益等一系列益处，推动着我国锻造乃至整个机械制造业的蓬勃发展。1.4 主要研究方向和内容 小行星架精锻成形的加工工艺有传统切

17、削加工技术所没有的优点比如材料的利用率、工件的加工效率和经济效益都比传统切削加工技术要高，因此精锻成形加工工艺必将取代传统切削加工工艺。在上个世纪五十年代精密锻造已经被应用于机械制造业，如今这一工艺发展已经相当成熟。将精锻这一技术应用于小行星架的加工，就无需进行二次加工，不会破坏锻件原有的纤维流线分布晶粒也会变小，所以精密锻件的精度很高。本文要解决的问题：如何解决热处理变形对模具及锻件精度影响的问题；如何解决精锻过程中变形抗力较大模具重复使用寿命较低的问题；如何改变依据经验和直觉的设计标准所带来的周期长、成本高、精度低等加工问题。本文针对精锻成形加工工艺生产小行星架存在的问题，分析问题并提出以

18、下解决方法：（1）查阅相关资料，拟订小行星架精锻模具总体设计方案；（2）锻造过程中运用高速切削技术加工模具，减小热处理变形； （3）利用高合金钢材料模具补焊技术，提高模具硬度；（4）用DEFORM-3D软件对小行星架精锻成形过程进行数值模拟分析。2 小行星架精锻成形工艺设计2.1引言本章将对小行星架精锻成形的加工工艺方法进行对比，比较冷精锻、热精锻和等温精锻的优缺点从而确定热精锻的加工方法。根据精密锻造的要求选择高品质、高综合机械质量的材料，制定合适的加工方案和加工流程。对小行星架的毛坯尺寸、加工工艺、加工设备等问题提出切实可行的方案和数据结合相关资料和公式进行计算。2.2小行星架精锻成形工艺

19、分析2.2.1 小行星架材料的选择本文将对图2.1所示的小行星架进行研究，该小行星架采用40Cr，40Cr有较高的回火脆性、淬透性、低温冲击韧性和较高的综合机械性能。40Cr弹性模数:切变模量G(20) 80800，弹性模量E(20) / MPa 200000211700。图2-1 小行星架零件图2.2.2 冷精锻、等温精锻和热热锻的工艺对比表2-1热精锻、等温精锻、冷精锻工艺对比名称热精锻等温精锻冷精锻坯料材料任意轴对称轴对称钢材种类任意任意低碳钢(C<045)锻件等级IT 12IT 16IT9IT 12IT7一IT9模具原材料热作模具钢热作模具钢，高速钢，硬质合金钢冷作模具钢，高速钢

20、，硬质合金钢模具寿命/件5000100001 0000200002000050000能量利用率，JKg464940424042材料利用率/%608070858590热精锻工艺的塑性好、材料变形抗力低, 复杂工件相对容易成形, 但是锻件的表面质量和尺寸精度都会因为剧烈氧化作用的存在而降到比要求低很多的程度。冷精锻加工技术加工的工件形状和尺寸容易掌控在规定范围，工件强度、精度和表面质量都能达到相当高水平。但是冷精锻工艺加工的工件塑性差、变形抗力大，对于构造复杂锻件的成形有很大难度，而且一般中小企业不用冷精锻成形加工工艺，因为它对模具和设备的要求很高。等温精锻技术囊括了冷精锻和热精锻的所有长处，同时

21、又让两种加工工艺的缺点在等温精锻上无法体现。但是等温精锻工艺的温度条件很苛刻，还需要专门的高精度设备，它对模具和设备的要求一样很高。2.2.3 热精锻成形的长短处早在上世纪五十年代精密锻造技术就已经在德国得到应用，经过几十年的发展改进精密锻造技术已经有很大的发展。其中热精锻历史最为悠久、应用十分广泛，但是热精锻也是有一定的缺点的。影响锻件精度的因素一般可以分为模具的精度误差、热胀冷缩、强烈氧化等。因为金属材料不同热胀冷缩的程度也不一样，零件形状不一样热胀冷缩也有差别；还有就是强烈的氧化现象，也让锻件表面质量很低。现阶段热精锻的目标是使用分流降压原理；在热精锻过程中用部分热处理；进一步降低生产成

22、本提高生产效益。2.3 小行星架精锻成形方案的制定小行星架精锻成形方案的制定主要包括小行星架材料及加工工艺的确定、精锻成形方法的确定、精锻工艺流程的确定、坯料尺寸的计算、锻造设备及温度的确定。2.3.1 小行星架材料及加工工艺的确定小行星架的精密锻造对锻件的精度要求很高，要选择精锻工艺的塑性好、材料变形抗力低, 复杂工件相对容易成形,锻件无切削加工的热精锻加工工艺。2.3.2精锻成形方法的确定模锻成形的方法一般可以分为开式和闭式两种。简单来说，开式在分型面的周围要形成横向飞边，而闭式就不会有飞边的出现能制造出与工件最大程度相似的锻件，而且闭式锻模能够最大程度提高材料利用率，因此小行星架精锻锻造

23、选择闭式模锻加工工艺。 图2-2开式锻模 图2-3 闭式锻模2.3.3小行星架精锻工艺流程的确定一般，小行星架精锻闭式模锻加工工艺流程为：锻坯下料、加热、镦粗、预锻、修正、终锻、空冷、入库。本文按照一般的精锻加工工艺流程进行加工小行星架，对小行星架锻件进行高温加热、随炉冷却到300后空气冷却、密封光亮退火等一系列软化处理。此时的锻件的硬度达到150163HB。2.4毛坯的处理和毛坯尺寸的确定首先，对毛坯表面的凹坑等缺陷进行处理；其次，对毛坯进行退火软化处理，使40Cr的大硬度、大晶粒有所变化，同时，40Cr较差的塑性变形能力、较大的变形抗力也变好些。小行星架毛坯的尺寸和形状在热精锻时将对小行星

24、架的成形质量和锻件是否合格产生影响。因此对毛坯的处理和尺寸进行确定时，下列因素要在重点考察之列：毛坯金属材料原有的某些不利品质能否避免或者不影响精密锻造过程，毛坯的前期处理是否便于进行，毛坯的尺寸数据是否便于确定，锻件成形时锻件的质量是否达标锻件内部是否有裂纹等。若要锻造出高精度高质量的小行星架必须解决好以上问题。小行星架要有一定的尺寸精度和表面粗糙度，锻造成形后还应该要对锻件表面进行一系列加工工序必须留有精加工余量，毛坯要比锻件的体积大一些，切削余量一般控制在0.4mm5mm内，公差一般控制在0.3mm 3mm内。本文确定的小行星架毛坯尺寸UG的体积求解功能解算出来的，能够保证数值的精确性，

25、与以往的传统手工毛坯计算有很大差别。首先，数据精确性能够保证；其次，计算工作量也大大降低。具体数据为:Vd =535000mm3 Vp（1k）Vd （式2.1） dp1.083（Vp/m ） （式2.2） Lp4Vp/dp2 （式2.3） 式中 Vd锻件体积 Vp毛坯体积 k宽裕系数，它综合了模锻件的复杂程度、飞边体积和火耗量的影响。K一般取0.120.25,这里取k0.2； m毛坯高度与直径的比值，一般取1.82.2，这里取2。代入数据解得：Vp6420003； dp74； Lp=149mm2.5模锻设备的选择精密锻造设备一般可以分为蒸汽-空气模锻锤、热模锻压力机、平锻机、螺旋压力机、液压机

26、等。其中，蒸汽-空气模锻锤的工艺适应性很强，能够锻造多种类型的锻件，而且设备费用很低。但是这种设备的噪声大、生产效率低。热模锻压力机锻造出的锻件精度高、效率高，但是设备和模具复杂而且造价高，不适合单件小批生产。平锻机制造锻件质量高、效率高、噪声小，但是和热模锻压力机一样设备复杂、造价高，只能用于大批量生产。螺旋压力机的投资低，工艺适应性跟蒸汽-空气模锻锤一样很强，缺点是生产效率不高。液压机滑块刚度符合要求，速度慢、运行平稳，任何行程位置都能达到公称压力，适合小行星架的锻造。因此本文选用液压机为锻造设备。查中国模具设计大典可知，40Cr的最高炉温为1250，始锻温度为800，终锻温度为1200。

27、2.6本章小结本章主要对以下内容进行了研究：（1） 对比热精锻、冷精锻、等温精锻的优缺点，最终确定了用热精锻加工工艺来加工小行星架。（2） 分析小行星架的特点确定了小行星架的材料为40Cr；成形方法为闭式模锻加工方法；加工工艺流程为下料、加热、镦粗、预锻、修正、终锻、空冷、入库；精锻设备选用液压机。（3） UG软件的体积求解功能对毛坯尺寸的求解，方便了计算。总结现代工业社会齿轮尤其是行星齿轮在各种机械中的应用十分广泛，行星架是行星齿轮中必不可少的一部分，但是行星齿轮包括行星架在内都很容易因磨损而损坏，工业上自然对行星架有大量的需求。但是传统的切削加工方式加工小行星架不仅效率低、精度差而且生产成

28、本高。我们采用精密锻造的工艺加工方法生产小行星架有效率高、精度好、成本低、寿命长等诸多优点，其生产应用的前景十分广阔。本文根据小行星架的特点，对比了冷精锻、热精锻、等温精锻的各自优缺点，选择热精锻的加工工艺；确定了小行星架锻件的材料为40Cr；精密锻造方法为闭式模锻，加工工艺流程为：锻坯下料、加热、镦粗、预锻、修正、终锻、空冷、入库；比较各种锻造设备的优缺点，最终确定了液压机为锻造设备；考虑到小行星架精密锻造的精度要求和表面质量都比较高，因此模具材料的选择要有足够的强度和韧性；高温时足够强度；较好的回火稳定性；良好的冷热疲劳性；较高的抗氧化性；良好的热熔性；较好的淬透性；较高的冷热加工工艺性能，故而选择4Cr5MoSiV2作为模具材料；在模具精度保证和寿命的延长上采用高速切削加工工艺和模具补焊技术；模具润滑剂选用水基石墨；DEFORM-3D在数值模拟时起到了重大作用。致谢 参考文献1 聂兰启,周靖.喷管精密锻造工艺及模具设计J.精密成形工程,2012,4(6):50-52.2 王俸生,杨志军,陈新度.螺旋伞齿轮从动轮毛坯锻造成形数值模拟 J .锻压技术,2012,37(3):144-148.3 张艳娥直齿锥齿轮精密锻造工艺与模具设计方法研究D山东大学