锻件图的设计

锻件图的设计锻模设计、工艺规程制订、模锻生产过程、锻模加工及锻件检验，都离不开锻件图。锻件图分为冷锻件图和热锻件图，冷锻件图用于最终锻件检验和热锻件图设计；热锻件图用于锻模设计与加工制造。习惯上将冷锻件图称为锻件图。1.1冷锻件图的设计冷锻件图根据零件图设计，通常要解决下列问题。1.1.1确定分模面图6-5直线类锻件分模位置模锻件是在可分的模腔中成形，组成模具型腔的各模块的分合面称为“分模面”；分模面与锻件表面的交线称为锻件的“分模线”。锻件分模位置合适与否，直接关系到锻件成形、出模，材料利用率等一系列问题。因此，分模线是模锻件最重要、最基本的结构要素。确定分模位置最基本的原则是：保证锻件形状尽可能与零件形状相同，容易从模腔中取出；此外应争取获得镦粗成形。故此，锻件分模位置应选在具有最大水平投影尺寸的位置上，如图6-5所示。为了提高锻件质量和生产过程的稳定性，除满足上述分模原则外，确定开式模锻件的分模位置还应考虑下列要求：1.为使分模结构尽量简单和便于发现上下模在模锻过程中的错移，分模平面尽可能采用直线状，并应使分模线选在锻件侧面的中部，如图6-5和图6-6所示。图6-6分模位置选择图6-7折线分模2.头部尺寸较大的长轴类锻件，不宜直线分模，而应改用折线分模，如图6-7所示，使上下模型腔深度大致相等，以确保尖角处能充填饱满。3.为便于锻模加工制造和锻件切边，同时也为了节约金属材料，当圆饼类锻件的H≤（2.5～3）D时，则无论是在锤上锻造还是在曲柄压力机上锻造或螺旋压力机上锻造，都应考虑径向分模（图4-8a），而尽量不采用轴向分模（图6-8b）。因径向分模的锻模型槽可车削加工，效率高，工时省，切边模刃口形状简单，制造方便；径向分模还可锻出内腔，节约金属。但当H/D较大时，锤上模锻时，显然不能再考虑径向分模。若仍采用径向分模，则因模具高度尺寸太大，锻造困难，锻锤打击能量下降，需要的出模力也大。图6-9有流线方向要求的锻件分模位置（a）正确（b）不正确4.对金属流线有要求的锻件，为避免纤维组织被切断，应尽可能沿锻件截面外形分模，如肋顶分模（图6-9）。同时还应考虑锻件工作时的受力情况，应使纤维组织与剪应力方向垂直。图6-8H/D比值不同时分模线的选择1.1.2确定锻件的机械加工余量和公差普通模锻方法很难满足机械零件的要求，一般来说存在如下两方面的问题，即：1.锻件走样。由于欠压、锻模磨损、上下模错移、毛坯体积和终锻温度的波动，使得锻件的形状发生变化，尺寸在一定范围内波动；又由于锻件出模需要模膛带有斜度，锻件侧壁不得不添加敷料；形状复杂的长轴类锻件还可能发生翘曲歪扭，从而导致锻件与零件有较大的差别。2.表面质量不易保证。由于锻件表面氧化与脱碳，合金元素蒸发与污染，表面裂纹时有发生；表面粗糙度也达不到零件图要求等，使得锻件的表面质量远远低于机械加工零件表面质量。正是这两方面的原因，使得锻件设计时，不得不考虑添加一层包覆零件外层的金属，即余量，而且还得规定适当的公差，以保证锻件的误差落在余量范围之内。图6-10锻件的各种尺寸和公差余量锻件图尺寸、余量、公差与零件图尺寸的关系见图6-10。锻件上凡是需要机械加工的表面，都应给予加工余量。此外，对于重要的承力件，要求100%取样试验或为了检验和机械加工定位的需要，还得考虑必要的工艺余块。加工余量的大小与零件的形状复杂程度、尺寸精度、表面粗糙度、锻件材质和模锻设备等因素有关。过大的余量将增加切削加工量和金属损耗；加工余量若不足，又会使锻件废品率增加。1.1.2.1模锻件的加工余量的确定模锻件的加工余量由下列因素共同组成：Z=M+m+h+x/2（6－3）式中：Z—加工余量（㎜）；M—精加工的最小余量（㎜）；m—锻件的最大错移量等形位公差（㎜）；h—表面缺陷（凹坑、脱碳等）层的深度（㎜）；x—锻件尺寸的下偏差（㎜）。1.1.2.2影响加工余量的因素锻件需要切削加工的表面均应有足够的余量,而余量的大小,受下列因素的影响：1.锻件的尺寸大小。锻件尺寸大，加工余量较大；锻件尺寸小，加工余量也小。2.零件的尺寸精度、表面粗糙度要求以及零件的形状复杂程度。当尺寸精度和表面粗糙度要求高或形状复杂时，必须多次加工，此时加工余量就应适当增加。3.锻件各类公差对加工余量有影响，尤其应着重考虑错移、直线度、平面度、同轴度、顶杆压痕等形位公差。4.零件机械加工方法与工艺。机械切削加工零件时，只要求锻件能保证最小余量即可；电解加工时，则要求有均匀的余量；有中间热处理工序或零件需经焊接或组合加工时，应留有较多的余量。5.锻件的材料。铝镁合金毛坯加热后氧化少，可减小粗加工余量；钢和钛合金锻件表面缺陷层深，应加大余量。1.2.3模锻件公差的定义与分类模锻件的公差为锻件最大极限尺寸与最小极限尺寸之差，它可以是具有上下偏差的双向公差或是只有一向偏差的单向公差。按所代表的技术要素的定义可分为：尺寸公差包括长度、宽度、厚度、中心距、角度、出模斜度、圆弧半径和圆角半径等公差。图6-11错移公差形状位置公差包括直线度、平面度、深孔轴的同轴度、错移量（锻件上分模线一侧的任一点和另一侧的对应点之间不一致的允许值，见图6-11）、剪切端变形量和杆部变形量等。表面技术要素公差包括深度、残留毛边与毛边过切量、顶杆压痕深度和表面粗糙度等。各项公差都不应该互相叠加。1.1.2.3确定模锻件公差的依据1.锻件的精度等级。锻件的精度等级分为普通级（用粗锻或普通模锻工艺锻压）、半精密级（用普通模锻或半精锻工艺锻压）和精密级（用精锻工艺锻压），其中精密级锻件应根据需要单独确定锻件公差。（a）（b）图6-12锻件的内、外表面尺寸（a）外表面尺寸（b）内表面尺寸2.锻件的质量和公称尺寸的大小。这里应注意的是长、宽、高尺寸公差如属外表面尺寸（见图6-12（a））的，其正负偏差值按+2/3和-1/3比例分配；属内表面尺寸（见图6-12（b））的，其正负偏差值按+1/3和-2/3比例分配。厚度公差则按+3/4，-1/4或+2/3，-1/3的比例分配。3.锻件的形状复杂系数。根据前节所述，形状复杂系数S值大小分为四个等级。4.锻件的材质系数。材质系数按锻压的难易程度也分为四个等级，规定可锻性优的铝合金、镁合金为M0；可锻性良的低碳、低合金钢为M1；可锻性一般的高碳、高合金钢为M2；可锻性差的不锈钢、耐热钢、高温合金、钛合金为M3。5.锻压工艺类型。主要是指锻件是在锤上模锻、曲柄压力机上模锻还是在其它设备上模锻。具体的余量、公差数值可在有关标准或锻压手册中查找。1.1.3模锻斜度1.1.3.1模锻斜度的定义与作用为了便于模锻件从型槽中取出，须将型槽壁部加工成一定的角度，称模锻斜度或出模角。模锻斜度可以是锻件侧壁附加的斜度，也可以是锻件侧壁的自然斜度。模锻时金属被压入型槽后，锻模受到弹性压缩，外力去除后，由于锻模的弹性恢复，对锻件锻件产生很大的压力N（图6-13），取出锻件时，要克服模壁对锻件的摩檫阻力以及锻件自重。摩檫力F的大小是由摩檫因数及模壁压力N决定的，即F=μN。当模壁具有斜度后，模壁压力N所产生的垂直分力N·sinα将抵消摩檫阻力F·conα，有助于锻件出模。如不计锻件本身质量，则出模力P出为图6-13锻件在模膛内的受力情况P出=F·conα－N·sinα当F·conα=N·sinα，即F/N=tanα=μ时，P出=0，具备自然出模条件。实际生产中，较难实现自然出模，出模角度不是偏大就是偏小。若出模角增大，则金属充填型槽阻力增大，锻件斜度余量也增大，从而增加金属的消耗和机械加工余量。因此，在保证锻件能顺利取出的前提下，模锻斜度应尽量取小值。模锻斜度有内斜度β和外斜度α之分，当热锻件冷缩时，锻件外侧趋向离开模壁，而内侧包住模具型槽中凸出部分不易取出，因此β应取大于α一级。图6-14模锻斜度用角度表示和斜度余量用长度计量1.1.3.2模锻斜度的度量与作图法模锻斜度的大小一般均用角度（0）表示。有时为了方便起见，在加工模具画线或计算时，可将模锻斜度的角度值换算成线性长度，这种线性长度一般称为斜度余量，以㎜计量（图6-14）。模锻斜度在锻件图上的画法和标注极为重要，同样形状的锻件，往往由于画法和标注不同，结果就可能得到不同的锻件形状，给锻模加工制造和锻件检验带来困难。对称形状的锻件，分模线一般选在锻件最大截面的中部，这时上下型槽深度相等，锻件上下的斜度相等。但对于非对称形状锻件，上下模型槽深度不相等，这时出模斜度有两种取法，如图6-15所示。1.反引等斜度。先作型槽较深一侧的斜度，交分模线于b点，再由b点向另一侧反引等斜度。采用这种作图法，锻件在浅型槽一侧将出现增大的余量Δ。2.连接斜度。先作型槽较深一侧的斜度，交分模线于b点，再作垂线ac，连接bc。这种作图法在浅型槽一侧将获得较大的斜度，通常将这种斜度称为连接斜度或匹配斜度。图6-15非对称形状锻件模锻斜度作图法（a）反引等斜度（b）连接斜度1－锻件2－零件3－分模线图6-16改变分模位置而获得自然斜度（a）平面分模（b）折线分模3.自然斜度。利用锻件本身固有的倾斜面，不用添加斜度就可自然出模，这种倾斜面的斜度称为自然斜度。如圆截面体（球、圆柱体、椭圆柱体等）的弧面在直径平面上采用直线分模时作出的出模斜度就是自然斜度。具有矩形截面的锻件，将其倾斜一定角度时就构成自然斜度。图6-16所示盒形件，如分模线位置选择合理，不仅可使原来需添加的模锻斜度变为锻件本身固有的自然斜度，还可减小模锻斜度。若选择腹板平面分模，则需在肋的一侧添加模锻斜度（图6-16a），改选沿肋顶分模，则使肋的侧面变成自然斜度，省去了机械加工余量，节约了金属。4.变换模锻斜度。当锻件高度尺寸大，宽度尺寸小且仍采用径向分模时，锻件出模困难，而且不易充满型槽深处，这时应取较大的出模斜度。当高宽比（h/b或h/d）超过一定值时，斜度不宜加得太大，这时可作成具有两段斜度的变换斜度，见图6-17。图6-17变换模锻斜度1.1.3.3模锻件斜度的大小一个锻件某部分斜度的大小，视金属充填该部分型槽深度H及宽度B的比值而定，型槽窄而深者模锻斜度大。模锻铝镁合金时，氧化皮少，型槽表面粗糙度值低，当对模具采取良好润滑时，模锻斜度可比钢质锻件小一级。1.1.4圆角半径为了使金属易于流动和充满型槽，提高锻件的成型质量并延长锻模的使用寿命，模锻件上所有的转接处都要用圆弧连接，使尖角、棱边呈圆弧过渡，此过渡处称为锻件的圆角。图6-18圆角半径过小对模具的影响图6-19圆角半径与折叠的关系锻件上的凸圆角半径称外圆角半径，用r表示；凹圆角半径称内圆角半径，用R表示。锻件上的外圆角对应模具型槽的内圆角，其作用是避免锻模在热处理和模锻过程中因应力集中而导致模具开裂，并保证金属能充满此处。若外圆角半径过小，金属充填模具型槽相应处十分困难，而且易在此处引起应力集中使模具过早开裂。若外圆角半径过大，会使锻件凸角处余量减少。锻件上内圆角对应模具型槽上的凸圆角，其作用是使金属易于流动充填深腔，防止腹板薄、筋既窄又高这类锻件在筋部折叠，同时也防止型槽中较窄的凸出部分压塌（图6-18）。如锻件内圆角过小，则金属流动时形成的纤维容易被割断，导致力学性能下降；或是产生回流、形成折叠，使锻件报废（图6-19）；或使模具中凸出部分压塌而影响锻件出模。内圆角半径若过大，将增加机械加工余量和金属损耗，对于某些复杂锻件，内圆角半径过大，会使金属过早流失，造成局部充不满。圆角半径的大小与锻件的形状尺寸有关，锻件高度尺寸大，圆角半径应加大。为保证锻件外圆角处有必要的加工余量，可按下述公式确定：r=余量+零件相应处半径或倒角或是参考有关手册确定。锻件上的内圆角半径R应比外圆角半径r大，一般取R=（2～3）r。为便于选用标准刀具，圆角半径应按下列标准选定：1，1.5，2，3，4，5，6，8，10，12，15，20，25，30（㎜）。1.1.5冲孔连皮模锻不能直接锻出透孔，因此，在设计热锻件图时必须在孔内保留一层连皮（图6-20），然后在切边压力机上冲除掉。一般情况下，当锻件内孔直径大于30㎜时要考虑设冲孔连皮。连皮厚度s应适当，若过薄，锻件容易发生锻不足并要求较大的打击力，从而导致模具凸出部分加速模损或打塌；若连皮太厚，虽然有助于克服上述现象，但是冲除连皮困难，容易使锻件形状走样，而且浪费金属。所以在设计有内孔的锻件时，必须正确选择连皮形式及其尺寸。1.平底连皮。这是常用的连皮形式，其厚度s可根据图6-20确定，也可按下式计算：s=0.45+0.6(㎜)（6－4）图6-20平底连皮厚度的确定式中:d——锻件内孔直径（㎜）；h——锻件内孔深度（㎜）。连皮上的圆角半径R1，因模锻成形过程中金属流动激烈，应比同尺寸压凹件内圆角半径R大一些，可按下式确定：R1=R+0.1h+2（㎜）2.斜底连皮。当锻件内孔较大时（d＞2.5h或d＞60㎜），采用平底连皮则锻件内孔处的多余金属不易向四周排除，而且容易在连皮周边处产生折叠，冲头部分也会过早的磨损或压塌，为此应改用斜底连皮（图6-21）。但斜底连皮周边的厚度增大，切除连皮时容易引起锻件形状走样。斜底连皮有关尺寸如下：s大=1.35s；s小=0.65sd1=0.12d+s或d1=(0.25～0.3)d式中:s按平底连皮计算。图6-21斜底连皮图6-22带仓连皮图6-23拱底连皮3.带仓连皮。若锻件内孔直径大，形状复杂，需经预锻和终锻成形，可在预锻型槽中安排斜底连皮，而在终锻型槽中则改用带仓连皮（图6-22），以便于切边时冲除。带仓连皮的厚度s和宽度b，按毛边槽桥部高度h和桥部宽度b确定，仓部容积应足够容纳预锻后斜底连皮上多余的金属。4.拱底连皮。若锻件内孔很大（d＞15h），高度又很小，金属向外流动困难，这时应采用拱底连皮（图6-23）或带仓连皮，以便容纳更多金属，避免产生折叠或穿筋等缺陷，切边也容易。5.压凹。当锻件内孔直径较小（d＜25㎜），不宜锻出连皮，应改用压凹形式，其目的是使锻件饱满成形。1.1.6模锻件图及技术条件模锻件图即冷锻件图是在零件图的基础上，加机械加工余量、余块或其它特殊留量后绘制的图。图中锻件外形用粗实线表示，零件外形用双点画线表示，以便了解各处的加工余量是否满足要求。锻件的公称尺寸与公差