拔叉锻造模具设计

课程设计说明书一、前言随着航空产业的不断发展，对航空装备极端轻质化与可靠化的追求越来越急迫，对材料和锻件的性能要求（如比强度、强韧性）也越来越高。钛合金、高温合金等材料的应用日益广泛，以航空工业为例，F-22和F-35飞机钛合金用量已分别高达39%和27%，先进航空发动机中高温合金和钛合金锻件重量占发动机总结构重量的55%~65%。而高温合金、钛合金属于难变形材料，即加工参数范围狭窄、变形抗力大、组织性能对加工过程十分敏感。所以锻造技术在航空制造领域的应用相比其他工业领域难度较大。至今，我国航空锻造技术的发展已能满足第三代军用飞机及其发动机的批量生产需求，质量比较稳定，锻件组织致密、可控，性能优异，并通过工艺的调整可以使锻件不同部位具有不同的组织性能，已满足各部位性能求显著不同的场合，如TC11钛合金双性能压气机盘的制造。但与国外先进航空锻造技术相比，还有较大差距，并且随着新一代战机对航空装备极端轻质化与可靠性的不断追求，飞机和发动机正朝着高性能、高减重、长寿命、高可靠、低成本的方向不断发展，这就对航空锻造技术有了更高的要求。航空科学技术是关系国家安危和国民经济可持续发展的战略性高技术,该学科涉及众多专业技术领域,技术综合性高,带动性强。随着电子、信息、材料、能源等专业技术的发展,航空技术的各个专业领域都在发生着日新月异的变化。考虑到对航空科学技术的各学科专业进行研究的工作量非常庞大,中国航空学会航空科学技术发展年度报告在2006年参加中国科协组织的学科发展研究工作时就确定了分批进行重点研究的原则。2006年,重点研究了飞行器设计、飞机结构设计与强度、航空推进系统、飞行控制系统、惯性/组合导航系统、航空电子、人机与环境工程、航空材料、航空制造技术9个专业领域;2008年又研究了民用飞机、浮空器、空气动力学、航空仿真、航空液压、航空仪表与测试、应急救生、航空电气工程、航空维修工程等专业技术;2010年在涉及航空科学技术各主要专业的基础上,更侧重无人飞行器、直升机、飞行力学、飞行试验、航空安全、飞行技术、空中交通管理、航空地面保障、航空复合材料、航空可靠性工程等,均附有专题研究报告。2012—2013年的学科发展研究,是第二轮研究,内容上将第一轮第一期的研究领域作为重点专题研究,保证航空科学技术学科发展研究的完整性和连续性。为了利于各专业领域研究的完整和连贯,对这些专业领域的研究时间跨度不限于2012—2013年,而是尽可能完整地反映近几年来的进展。通过对航空科学技术各专业分期分批进行总结、研究,逐步对我国航空科学技术学科的发展情况形成一个基本完整的描述。航空科学技术是工程性很强的学科,其进展与工程技术成就紧密相连,其成果应用特别是集成性应用往往通过工程技术成就体现’本研究工作力求从学科进展的视角对航空科学技术的发展进行分析研究,通过对我国航空科学技术的新进展、新成果、新见解、新观点、新方法、新技术及时总结并与国际先进水平进行比较研究,分析航空科学技术学科发展动态、总趋势及前沿热点;对照国家经济社会发展战略需求,分析我国航空科学技术发展前景提出重点研究方向的建议。二、锻造工艺方案的确定一般来说，一个零件可以有多种生产方法，但在其中选择一种最好的生产方法颇为不易。在生产中选择一种最好的方法，需综合考虑以下一些因素：(1)零件在使用中的强度要求。选择零件的制造方法，需考虑零件的强度、复杂程度、表面粗糙度和精度等方面的因素。如强度要求不高，而形状复杂，则用铸造；形状简单，强度要求较高，则用锻造。锻造与机械加工联合应用，可获得综合机械性能和精度都很高而粗糙度很小的零件。(2)锻件的生产批量。当生产批量较小而采用昂贵的专用设备和工装时，必然导致锻件的高成本；当生产批量很大而采用通用设备或工装时，同时也会导致锻件成本的提高。为此，当生产批量很小时，用自由锻；当生产批量较小时，用胎模锻；当生产批量较大时，用模锻；当生产批量很大时，可用专用模锻生产线。(3)零件的形状、尺寸和技术条件。模锻采用的设备类型跟零件的形状有关。一般，每一类型的锻压设备都有其合理的典型锻件：①模锻锤：适合锻造齿轮、拔叉类、连杆及形状复杂的弯曲件。②机械锻压机：适合锻造齿轮及截面变化不大的长拔叉类。③平锻机：适合锻造带杆的局部镦粗件和带孔的锻件。(4)现场设备条件。尽管每种类型的设备有其合适的典型锻件，但也要根据具体条件而定。如锻件在平锻机上模锻比较合适，但车间没有平锻机，且产量不大，则可改在别的设备上模锻[9]。锻造工艺方案是影响模锻件成本的主要因素之一。合理的锻造工艺方案应当是在满足锻件技术的前提下，使用较小的设备吨位，并有高的材料利用率。结合实际，此次设计采用锤上模锻制造接头，是一种比较经济、可靠和合理的方法。三、拔叉锻模设计3.1锻件图的设计3.1.1零件分析对零件的整体形状尺寸，表面粗糙度进行分析，此零件的材料为45号钢，材料性能稳定，零件图图如图3-1。图3-1拔叉二维零件图图3-2拔叉三维零件图在本次设计中采用了UG三维绘图软件绘出该零件的热锻件图和领锻件图，并导出其二维图。3.1.2工艺方案的确定根据对拔叉零件的分析，并结合大批量生产和生产设备的要求，确定方案为：选用设备类型：单作用模锻锤模锻形式：开式模锻初步估计变形工步：下料→开式拔长→终锻，详细工步需要按后面计算才可确定。3.1.3分模面的确定拔叉模锻件是在可上下分型的模腔中成形，“分型面”是指组成模具型腔的各模块的分合面。锻件分模形式合适与否，直接影响到模锻工艺、锻件质量、锻模结构及制模费用、锻件出模、切边、材料利用率等一系列问题。确定分模面位置最基本的原则是：1、保证锻件形状尽可能与零件形状相同，容易从锻模型槽中取出；2、争取获得镦粗充填成型；3、锻件分模位置应选在具最大水平投影尺寸最大的位置上。根据飞机航坐系统拔叉件的形状及尺寸，采用折线分型（如图3-2）和上下对称的直线分型（如图3-3）两种形式。图3-3上下对称直线分型考虑到拔叉锻件拔叉类锻件，本次设计采用上下对称分型更好的能填充。3.1.4锻件机械加工余量和公差的确定确定锻件机械加工余量和公差大小的方法主要有两种：①按锻件吨位大小确定；②按锻件形状尺寸大小查表确定。此设计采用查表法确定。锻件形状复杂系数：初步确定锻件的质量：估算锻件质量约为=7.85*47.1=0.369kg。外包容体质量：=316.4×7.85=2.4kg计算锻件的形状复杂系数：其中Md——锻件质量Mb——锻件的外包容体质量则根据公式S=0.369/2.4=0.15，查资料得S小于0.16，所以锻件的复杂程度等级是4级，形状复杂程度为复杂。图3-4UG测量体积确定锻件的材质系数拔叉的材料为45号钢，所以其材料系数是M1。确定加工余量零件需磨削加工，加工精度为，锻件在电阻炉中加热。由表5-5[8]查得在厚度和水平方向上的单边加工余量为1.7～2.2mm，取2mm。零件尺寸加上加工余量既为锻件名义尺寸，由锻件名义尺寸：最大长度：113mm最大宽度：70mm最大厚度：40mm根据锻件质量0.369kg，材质因素，形状复杂因素，查表1和表3[8]得锻件各尺寸的公差：长度公差：mm，宽度公差：mm。3.1.5模锻斜度的确定为了便于从型槽中取出模锻件，需将型槽做成一定的斜度，即模锻斜度。模锻斜度可以是锻件侧壁附加的斜度，也可以是侧壁的自然斜度。模锻斜度越大，越易取出锻件。但增大斜度会增加金属的损耗，而且使金属材料难以充满型槽。因此，在保证锻件能顺利出模的前提下，应尽量减小模锻斜度。根据零件图上的技术要求，取模锻斜度为5°。3.1.6圆角半径为了使金属易于流动和充满型槽，提高锻件质量并延长锻模寿命，模锻件上所有的转接处都要用圆弧连接，此过渡处称为锻件的圆角。合理的圆角半径有利于金属充满型槽，并使起模方便，而且还有利于提高锻模寿命。外圆角半径r太小，金属充填型槽相应凹角处困难，另外由于应力集中，锻模在热处理或模锻造过程中极易产生裂纹和堆塌，使锻模寿命显著降低；同时由于圆角半径过小，模锻时金属流动形成的纤维会被割断，从而影响锻件的机械性能，因此外圆角半径应尽量取大值；但是外圆角半径过大，又会减小圆角处的机械加工余量，以至于不能满足切削加工的要求。内圆角半径可按R＝(2～3.5)r确定，尽可能取大值，因模锻时金属在该处流动很剧烈，若其值太小，模锻时该处极易磨损，还可能因此而形成折叠。为了保证锻件外圆角处有最小余量，取：r＝余量＋a式中:a--零件圆角半径或倒角内圆角可取较大的数值：R＝(2～3)r,除零件要求的倒角，其余部位的圆角半径取2mm。3.1.7模锻锻件图及技术条件(1).装配图及零件图上未注明模锻斜度为5°；(2).图上未注明的圆角半径R＝2mm；(3).由表5-1[3]查得允许的错差量≤0.4mm；(4).由表5-1查得允许的残余飞边量≤0.5mm；(5).允许的表面缺陷深度≤0.5mm；(6).锻件热处理：正火并回火，890～910℃空冷，670～710℃空冷。(7).锻件表面清理：抛丸。图3-5冷锻件图3.2锻件的主要参数(1)、锻件在平面上的投影面积为3934；(2)、锻件周边长度为362；(3)、件体积为74537；(4)、锻件质量为0.58kg。图3-6CAD测量图图3-7UG测量冷锻件图体积3.3锻锤吨位的确定选择合适的模锻锤吨位，既能获得优质锻件，又能节省能量，保证正常生产，并能保证锻模具有一定的寿命。关于模锻变形力的计算，尽管有不少的理论计算方法，但因模锻过程是一个短暂的动态变化过程，受到诸多因素的影响，要获得准确的理论解是很困难的。因此，生产中，为方便起见，多用经验公式或近似解的理论公式确定设备吨位。此设计采用经验公式确定锻锤吨位。总变形面积为锻件在平面上的投影面积与毛边面积之和。查表4-14[9]，按1～2t锤毛边槽尺寸考虑，假定毛边平均宽度为25mm，总面积F＝3934+362×25＝12984,按单作用模锻锤吨位确定的经验公式：式中：k--钢种系数（本设计中取4）F--锻件及飞边槽的投影面积（）所以，G==0.516（t）故取1t锤。3.4计算毛坯图的绘制根据拔叉的形状特点，在此设计中选取了5个截面图，分别计算F终，F毛和F计列于表3-1，并在坐标纸上绘出拔叉的截面图和直径图（如图3-5）。为设计滚挤型槽方便，计算毛坯图按热锻件尺寸计算。表3-1拔叉计算毛坯的计算数据截面号（mm）（mm）(mm)128817646421.524.22347.2176523.222.825.7324817642420.523.141840.11762016.144.950.75254.4176430.420.723.3Fi计＝FI锻＋2ηFi毛式中：Fi计—第i个截面的计算毛坯截面积(mm2)；FI锻—锻件上第i个截面的面积(mm2)；Fi毛—锻件上第i个截处毛边的截面积(mm2)；η—充满系数，形状简单的锻件取0.～0.5，形状复杂的取0.5～0.8，常取0.7；3i＝1，2，3…。计算毛坯截面图所围面积即为计算毛坯体积，由公式式中计算毛坯图体积计算毛坯截面图曲线下的总面积（）得：2796.5*30=838951)毛坯的平均直径：式中，为计算毛坯的长度，本题中等于锻件的长度。图3-4计算毛坯图3.5制坯工步的选择繁重系数的计算：采用以上繁重系数查找锻模设计手册，并考虑该锻件为一头两杆，可以对计算毛坯进行简化等情况，最后选用开式滚挤为制坯工步。选用方形坯料，先拔长，再开式滚挤。模锻工艺方案为：拔长→滚挤→终锻。3.6坯料尺寸的确定所需坯料截面积：＝1.2＝1.2×2016.1＝2419.3＝根据原材料规格，实际取＝55烧损率δ取1.5%。坯料体积为：＝(1＋δ)＝83895×(1＋1.5%)＝85153坯料长度：＝经试锻调整后，直径定为55mm,下料长度定为35mm。3.7型槽的设计3.7.1确定终锻型槽（1）拔叉的热锻件图高温状态下进行模锻时，由于金属热胀冷缩的规律，锻件在终锻后冷却到室温的过程中其尺寸必然会发生缩小。因此，为了在锻后获得符合锻件图要求的锻件，终锻型槽应根据热锻件图来设计和制造。热锻件图是按冷锻件图加收缩率而制定的。此拔叉锻件的材料为45号钢，考虑收缩率为1.5％、模锻斜度及内、外圆角的尺寸按冷锻件图不变，根据余量和公差绘制热锻件图，如图3-8所示：图3-8拔叉热锻件图（2）毛边槽的形式及尺寸的确定1)毛边槽的结构形式开式模锻的终锻型槽周边必须设有毛边槽，它的形式和尺寸对锻件质量影响很大。由于拔叉锻件在高度方向形状不对称，且复杂部分设在上模，为简化切边冲头的形状，通常将锻件翻转180，故应将桥部设在下模，所以应采用形式Ⅱ。如图3-6所示。图3-6毛边槽2)确定毛边槽尺寸毛边槽尺寸的确定方法通常有两种：①吨位法毛边槽具体尺寸根据锻锤吨位大小来选定。吨位法是从实际生产中总结出来的，应用简便。②计算法采用经验公式计算毛边槽桥部高度，即(a)h＝0.015(mm)式中：F件--拔叉锻件在分模面上的投影面积(mm2)。然后根据计算得到的h查表确定毛边槽的其它尺寸。(b)h＝-0.09＋2–0.01Q(mm)式中：Q--拔叉锻件质量(Kg)选用毛边槽形式Ⅱ，其尺寸按吨位法查表4-14[10]确定：选定毛边槽尺寸为＝1.6mm，＝4mm，b＝8mm，＝25mm，r＝2mm，＝126。锻件毛边体积＝362×0.7＝362×0.7×126＝31928（3）钳口的确定终锻型槽和预锻型槽都需配制钳口。按表5-22[10]选择钳口尺寸：B＝60mm，h＝30mm，＝10mm。终锻型槽是按热锻件图加工和检验的，拔叉的材料为45号钢，考虑到收缩率为1.8%。根据生产的经验总结，需要修改几处尺寸：长度、宽度和厚度方向在冷锻件图的基础上各增加0.5mm，绘制的热锻件图见锻模装配图。3.7.2设计滚挤型槽滚挤模膛用来减小坯料某部分横截面积，而增大另外一部分横截面积，以获得接近计算毛坯图的形状和尺寸。同时它还有滚光坯料表面和去除氧化皮的作用。根据拔叉锻件形状和计算毛坯图，此设计应采用混合式滚挤型槽。3.7.3锁扣的设计由于本次设计分模面为折线分型，锻件分模面落差h=11.4mm小于15mm，但根据锻件的结构外形及尺寸，为了更好克服或消除锻件错移需设置锁扣，如图3-9所示。锁扣厚度b1.5h=1.511.4=17.1mm取20mm斜度锁扣间隙mm锁扣平面间隙（小于毛边桥部高度）=1.5mm锁扣侧面间隙=3mm斜侧分型面间隙=2mm。图3-9锁扣3.8锻模结构设计3.8.1型槽布置终锻型槽的布置:由于此锻件需设置预锻型槽，因此终锻型槽和预锻型槽位置对称中心应尽可能与锻模中心重合，此时，模锻时的合力通过锤杆中心线。否则，将产生偏心力矩。制坯型槽布置:考虑到加热炉和吹氧化皮风管的位置，将滚挤型槽布置在锻模左边，终锻型槽布置在右边。3.8.2模壁厚度制坯型槽壁厚取5～10mm，预锻、终锻型槽的壁厚大小与型槽深度h、底部圆角半径R和模锻斜度α有关。h越大、R和a，则壁厚越大。由于R＜0.5h，α＜20°，按图4–113[13]线查得当h＝6mm时，型槽与模块边缘厚度＝15mm。3.8.3模块尺寸(1)承击面积承击面积是指上下模接触部分的面积。承击面积过小，容易压塌分模平面，以至不能保证锻件高度尺寸，使锻模过早返修；过大又会使模具材料费用增加。为了保证模块强度，应有足够大的承击面积，同时又使模具材料费用最低，按1t锻锤查表4-29[12]得模块的最小承击面积为300。(2)锻模中心与模块中心的偏移量最大偏移量应限制在a≤0.1A，b≤0.1B的范围内。（A为模块长度，B为模块宽度。）(3)模块长度模锻特长锻件时，允许模块超出锤头，两端处于悬空状态，这种状态使锻模受力条件处于不利，应限制模块伸出去的长度。一般，每端允许伸出锤头长度值f≤H/3，H为模块长度。此锻件的长度较短、宽度较大，考虑到预锻、终锻、滚挤、拔长型槽长度和承击面积，模块长度取380mm。(4)模块宽度模块宽度由式≥[13]，由1t锤查燕尾宽度b＝200mm，所以≥110mm，即模块宽度的最小尺寸为220mm。结合模块规格取230mm。(5)模块高度模块高度是根据型槽最大深度和锻锤的最小闭合高度来确定的。按1t锤查表4-46[2]得：＝320mm，＝500mm，取H＝430mm。(6)校核模块尺寸取300×300×430mm。承击面积＝30mm×300mm－2×3665mm-180×68mm-70×85mm=62420mm2＞最小承击面积30000mm2。所以此模块尺寸复合要求。3.9锻模其他标准3.9.1燕尾和键槽设计燕尾是紧固锻模的重要部位，它的结构，尺寸要求，加工精度和表面粗糙度都有明确的要求。燕尾是和键槽一起确定的。可以查[3]表4-50和图4-113得到所需要的尺寸。3.9.2起重孔设计起重孔是用来装卸模具。起重孔位置应该按模块中心线制造，偏差不得超过10mm。孔尺寸根据锻锤吨位选择，查[3]表4-55，d=40mm，s=60mm。3.9.3模具材料的选择锻模是生产锻件的必要工具，工作条件恶劣，不仅承受很大的冲击载荷，而且在高温下受到流动金属的摩擦，同时还受到反复的冷热交变作用。因此，合理的选择锻模材料，恰当的热处理硬度，正确的使用维护是提高锻模寿命，降低生产成本的重要环节。锻模选择的模具材料要有尽可能高的冲击韧性、硬度、抗拉强度、屈服强度和断面收缩率并且在工作温度下具有良好的组织稳定性等。选用5CrNiMo合金结构钢。参考文献[1]姚泽坤主编.锻造工艺学与模具设计[M].西安：西北工业大学出版社，2013.07[2]吕炎主编.锻模设计手册[M].北京：机械工业出版社,2004.07[3]虞跃生,龚勇.我国锻造工业的发展现状及对策.汽车科技[J].2004年1月第1期36～38[4]杨志敏.我国