顶盖锻造模具设计

目录

1引言.............................................1

1.1模具和模具工业....................................................................1

2模锻及锤用锻模的了解.............................1

2.1模锻工艺概述......................................................................1

3顶盖锻模的设计....................................1

3.1锻件图的设计.....................................................................1

3.2计算锻件的主要参数...............................................................7

3.3确定锻锤吨位.....................................................................8

3.4确定毛边槽的形式和尺寸...........................................................8

3.5设计终段模膛.....................................................................9

3.6确定坯料尺寸....................................................................10

4锻前加热，锻后冷却及热处理要求....................11

4.1确定加热方式及锻造温度范围......................................................II

4.1.1确定加热方式................................................................II

4.1.2锻造温度范围................................................................11

4.2确定加热时间....................................................................II

4.3确定冷却方式....................................................................12

4.4确定热处理方式及要求...........................................................12

5锤用模锻设计.....................................12

5.1终锻型槽设计....................................................................12

5.2型槽的布排......................................................................13

5.2模块的选择......................................................................13

5.4墩粗台的设计....................................................................13

5.5检验角的选择....................................................................14

5.6燕尾槽的选择....................................................................14

5.7起重孔的设计....................................................................15

5.8模块尺寸........................................................................15

总结.................................................16

参考文献............................................17

1引言

1.1模具和模具工业

在现代工业产品中，60%-90%的工业产品需要使用模具加工，模具已成为工业发

展的基础，许多新产品开发和生产在很大程度上依赖于模具生产⑴，特别是汽车，电

子，航空等行业尤为突出。而作为机械工业的制造业，根据国际生产技术协会的预测,

21世纪机械制造零件，其75%粗加工和50%的精加工依靠模具完成。因此，模具行

业已成为国民经济的重要基础。

模具行业是模具技术开发的关键，涉及多学科交叉⑵。模具作为高附加值和技术

密集型产品，其技术水平水平已成为国家制造业标准之一。世界上许多国家特别是一

些工业化国家高度重视模具技术的发展，大力发展模具行业，积极采用先进的技术和

设备来提高模具制造水平，取得了显着的经济效益⑶。

2模锻及锤用锻模的了解

2.1模锻工艺概述

锻造过程是金属坯料的锻造工艺，其在外力下变形以填充模具并获得所需的形

状，尺寸某些机械性能。根据锻造是否形成水平闪光，锻造过程可分为两种：

具有闪光模锻，如图2.1a所示。模具表面垂直于模具的移动方向，并且模具锻

造期间分离表面之间的距离逐渐减小。横向闪光沿着分型面形成，并且金属被模具填

充。其特征在于横向骨折沿着锻造周围的分离表面形成。

3锻模的设计

3.1锻件图的设计

锻造图基于零件产品图，完全反映了锻造图中的锻件，以指定锻造公差和加工余

量；锻造材料和热处理要求；锻造方法如锻件。锻造图是锻造工艺卡的基础，模具的

设计和量规，锻造的最终检验，加工部门的锻造部件的验收，切削的开发，设计和加

工夹具（具有粗糙的表面定位）所以锻造是最重要的基本工艺文件。考虑到锻造批

次，设备，工艺条件等生产要素，必须考虑锻件的设计。锻造图的设计也必须与加

工技术人员协商和批准。

课程设计说明5

图3-1顶盖二维零件图

图3-1顶盖三维零件图

3.1.1确定分模位置

分离表面选择的基本要求是确保锻模从模孔中移除，使得锻造侧不能具有凹形。

还要考虑以下因素：

1）确保锻造容易剥离，一般应为最大投影面作为表面

2）容易检查上入腔室的相对位移

3）分切线尽可能选择直线，使锻造模具加工简单，见图3.1C;但尺寸较大的头部,

上下不对称锻造，易折叠模具保证形状完整

2

课程设计说明5

图3-3ug测量体积

表3-1锻件材质系数

级别钢的最高含碳量合金钢的合金元素最高含量

<0.65%<3.0%

<0.65%>3.0%

M2

45钢钢显然属于M1类。

3）锻件形状复亲系数S

S二〃抬件

7九外席包容体

式中错误!未找到引用源。；

，〃外廓包容体—锻件外廓包容体的质量。

对于本课题S=39732=0.58

67652.5

锻件形状复杂系数S分级见表3・2。

注：当锻件为薄形圆盘或法兰件，其厚度与直径之比＞0.16-0.32时，直接确定为

一般等级。其结果为错误!未找到引用源。2级。

4

课程设计说明5

表3-2锻件形状复杂系数S分级表

级别S数值范围级别S数值范围

简单错误!未找到引较复杂>0.16-0.32

用源。＞0.63-1.00

一般复杂

52>0.32-0.63S4<0.16

有零件图中顶盖的表面粗糙度可知顶盖需要磨削加工，即加工精度为错误!未找

到引用源。错误!未找到引用源。，根据锻件质量、材质系数、锻件形状复杂系数和

相应部位的尺寸查表得：

在厚度方向的单边加工余量为1.0-1.5mm;

在水平方向的单边加工余量为故统一取1.5mm。顶盖的孔不要锻

造出来。

3.1.3模锻件的公差的确定

模锻件公差代表模锻件要求达到的精度。就尺寸公差而言，是锻件公称尺寸所允

许的增大值叫做正偏差；对公称尺寸所允许的减小值叫做负偏差。

1）长度、宽度和高度尺寸公差指在分模线一侧同一块模具上沿长度1、宽度b、

高度h方向上的尺寸公差，此类公差根据锻件的基本尺寸、质量、形状复杂系数及材

质系数查⑺表15-18查得为：

宽度极限偏差为

高度极限偏差为需

由于顶盖锻件的分模线是一直线，比较厚度和高度的尺寸公差发现公差带值相

等，只是上下偏差分布有0.1mm的差入。故厚度的和高度的统一起来与高度尺寸公

差一样。

3）错位公差和残留飞边公差顶盖锻件的错位公差为0.4mm,顶盖锻件的横向

残留飞边公差为0.5mm。

4）允许的表面缺陷深度对于加工表面，最大深度不超过余量的一半；对于非

加工表面，其最大深度不超过最大厚度公差的三分之一。故取锻件的允许表面缺陷深

度为0.5mmo

3.1.4模锻斜度的确定

很明显，加上模锻斜度后会增加金属耗材和机加工工时。因此应尽量选用较小的

5

课程设计说明5

锻模斜度，同时要注意充分利用锻件的固有斜度。模锻斜度与模膛内壁斜度相对应。

模膛内壁斜度系用指状标准铳刀加工而成，所以模锻斜度应该选用3°,5"错误!未找

到引用源。，7°,10。，12°标准度数，以便与铳刀规格一致。为了减少铳削加工的换

刀次数，可选用内外模锻斜度为同一数值。同时和零件图的模锻斜度保持一致，故选

模锻斜度为5°。

3.1.5圆角半径的确定

锻件上凸起和凹下的部分均应带有圆角，不允许出现锐角。如图3-4所示。

凸圆角的作用是避免锻模在热处理时和模锻过程中因为应力集中导致开裂也使

金属易于充满相应的部位。凹圆角的作用是使金属易于流动，防止模锻件产生折叠，

防止模膛过早磨损和被压塌。生产上吧模锻件的凸圆角称为外圆角半径r,凹圆角半径

称为内圆角半径R（图3.3）。适当加大圆角半径，对防止锻件转角处的流线被切断、

提高模锻件品质和模具寿命有利。然而，增加外圆角半径r将会减少相应部位的机加

工余量，增加内圆角半径R,将会加大相应部位的机加工余量，增加材料损耗。对某

些复杂锻件，内圆角半径R过大，也会使金属过早流失，造成局部充不满现象。为

保证锻件外圆角处的最小机加工余量：

q=余量+a

式中错误!未找到引用源。一零件相应处的圆角半径或倒角值；

若无倒角：弓=余量

为了适应制造模具所用刀具的标准化，可按下列序列值设计圆角半径（mm）：

1.0,1.5,2.5,3.0,4.0,5.0,6.0,8.0,10.0,12.0,15.0。当圆角半径大于15mm

后，按以5mm为递增值生成序列选取。在同一锻件上选定的圆角半径规格应该尽量

一致，不宜过多。

本锻件高度余量：2mm,

其余部位的圆角半径取2mm。

3.1.6冲孔连皮

具有通孔的零件，在模锻是不能直接锻出通孔。所锻成的要留一层具有一定厚度

的金属层，称为冲孔连皮。冲孔连皮可利用切边机切除。模锻时锻出盲孔是为了使

锻件更接近零件形状，减少金属消耗、缩短机加工工时。连皮的厚度s要适当，过薄

易发生锻不足而且容易导致模膛凸起部分打塌；过厚切除连皮困难而且浪费金属。

一般情况下，当锻件内孔直径小于30mm，孔可以不锻出。当锻件内孔直径大于30mm,

6

课程设计说明5

可考虑冲孔，要合理设计冲孔连皮的形状和尺寸。孔的尺寸21,不需要考虑冲孔连

皮。

3.1.7技术要求

1）锻件图上未标注的模锻斜度为5°o

2）锻件图上未标注的圆角半径R2o

3）允许的错差量为0.4mm。

4）允许的残留飞边量（）.5mm0

5）允许的便面缺陷深度0.5mmo

6）锻件热处理为：调质。

7）锻件表面的清理：为了便于检查淬火裂纹，系用酸洗。

上述各参数确定后，便可以绘出制模锻件图。带连皮的模锻件，不需要绘出连皮

的形状和尺寸.

图3-5顶盖冷锻件图

3.2计算锻件的主要参数

1）锻件在平面图上的投影面积为3525.6Wo

2）锻件周边长度为：210.4mmo

3）锻件体积为:通过UG造型得到的体积60717mm3。

4）锻件质量为：0.471kg

7

课程设计说明5

选桂对象:

面域----------------

面积

・

・3525.6524

周长

・

•210.4867

边界

福

X:921.9966--988.9966

Y:422.6844--489.6844

质心:X:955.4966

Y:456.1844

惯性矩:X:734692148.0037

Y:3219817555.2609

惯性积:XY:-1536770636.2354

旋转半径:X:456.4918

Y:955.6435

图3-6CAD和UG测量顶盖冷锻件图

3.3确定锻锤吨位

模锻吨位一般按照经验公式确定，当锻锤吨位的选择正恰当的时候，既能获得性

能良好的模锻件，又能节约，并能保证模具一定的使用时间。

1）按锻件在分模面上的投影面积和材料性质选择的经验公式如下：

G=（3.363）KF

式中G—锤落下部分质量（kg）；F—锻件的本身和飞边槽（按仓部的50%计算）

在分模面水平面上的投影面积（“/）；K—材料系数；

2）按锻件在分模面上的投影面积，变形抗力大小和锻件复杂程度：

错误!未找到引用源。

式中错误!未找到引用源。一合金变形抗力系数；

错误!未找到引用源。一锻件复杂程度系数；

错误!未找到引用源。一不包括毛边的模锻件在分模面上的投影面积（错误!未

找到引用源。）；

按照方法一，总面积=3525mm2,因大批量生产,取系数为5,k=1.25o

G=5xl.25x（35+21*2.5）=548kg=lt

经计算的得选择的吨位为1吨模锻锤。

3.4确定毛边槽的形式和尺寸

1）毛边槽形式的确定。开式模锻的终锻型槽周边必须设计毛边槽，它的形式和

尺寸对锻件质量和模具有很大的影响。根据锻件的形状选用的是形式I,桥部设在上

模的最广泛的一种形式U它的优点是和坯料接触的时间少，温升少，可以减轻桥部的

8

课程设计说明5

磨损。

琳H

'.5皿1.7兄、7^

赧Ir*-=-L_*1

R=4~51.2~1.5h

叔n破V~^^^7777^

砂就

9////>,,,,,,,,,,

/^777777777

图3-7毛边槽形式

2）毛边槽尺寸的确定。本锻件毛边槽的确定采用的是吨位法。吨位法就是指根

据锻锤吨位的大小来确定毛边槽尺寸的方法。由上述中可知选的锻锤吨位为2吨，所

以参照表格可以确定毛边尺寸，如下图：

图3-8毛边槽

3.5设计终段模膛

终锻模膛是锻件最后成形的模膛，通过它获得带飞边的锻件。终锻模膛是按照热

锻件图制造的，模膛设计的主要内容是绘制热锻图和确定飞边槽尺寸。

考虑金属的热胀冷缩，热锻件图上的尺寸应比锻件图的相应尺寸有所放大。终锻

9

课程设计说明5

温度下的收缩率为普通钢：1.2%-1.5%；顶盖热锻件图考虑1.5%冷缩率。根据生产中

的经验总结，考虑到锻模使用后承击面下陷，模膛深度减小及精压是变形不均，横向

尺寸增大等因素，需要修改几处尺寸。绘制的热锻件图见锻件图。

3.6确定坯料尺寸

模锻用原材料的体积应包括锻件本体、毛边、连皮、夹钳料头和加热引起的氧化

皮之总和。原材料的横截面尺寸及长度是以计算毛坯为基础，再根据热锻件特点及所

选定的制坯工步、模锻方法(单件锻、调头锻、逐件连续锻)确定。不同类别的短见,

变形特点不同，所需坯料的计算方法亦不同。

该锻件为圆饼类锻件用锻粗制坏，所以毛坏尺寸应以饿粗变形为依据进行计算。

唳=%(1+8(3.4)

式中匕牛-锻件体积；

k--宽裕系数，考虑到锻件复杂程度影响毛边体积，并计及火耗量。对圆形

锻件，k=0.12〜0.25；对非圆形锻件，k=().2〜().35.现取().25。

则%=%(1+女)=60717x(1十0.25)=75896.2mm3

4不=(0.87-0.93)师=0.9x。75896.2=38mm

取毛坯直径为40mmo

毛坯下料长度为心坯=匕不+外产68mm

所以下料毛坯尺寸为040x68mm。

10

课程设计说明5

4锻前加热，锻后冷却及热处理要求

4.1确定加热方式及锻造温度范围

4.1.1确定加热方式

在锻造生产中，为提高金属塑性，降低变形抗力，即增加金属的可锻性，从而使

金属易于流动成形，并使锻件获得良好的锻后组织和力学性能，因此在金属坯料锻前

进行加热处理。金属坯料的加热方法，按所采用的热源不同，可分为燃料加热和电加

热两大类。

由于该锻件的材料为45#钢，电加热具rr加热速度快、炉温控制准确、工件氧化

少、加热质量好、劳动条件好、易于实现自动化操作等优点，因此采用电加热。

4.1.2锻造温度范围

金属的锻造温度范围是指开始锻造温度（始锻温度）和结束锻造温度（终锻温度）

之间的一段温度区间。

锻造温度范围的确定原则是：应能保证金属在锻造温度范围内具有较高的塑性和

较小的变形抗力，并能使制出的锻件获得所希里的组织和性能。

通过长期生产实践和大量试验研究，现有金属材料的锻造温度范围已经确定，可

从有关手册中查得。45#钢经文献查表⑴知始锻温度为1200C,终锻温度为800

表4-1常用金属材料围的锻造温度范

金属种类牌号举例始锻温度（°C）终锻温度（°C）

普通碳素钢A3,A4,A51280700

优质碳素钢40,45,601200800

合金工具钢T7,45钢，T9,T10110077()

4.2确定加热时间

加热时间是指坯料坯料装炉后从开始加热到出炉所需要的时间，包括加热各阶段

的升温时间和保温时间。加热时间可按传热学理论计算，但因计算复杂，与实际差距

大，生产中很少采用。

11

课程设计说明5

该锻件为中小钢坯，在半连续中加热时，加热时间可按公式：

r=<7£)(/?)(4.1)

式中D——坯料直径或宽度(mm)

a——钢料化学成分影响系数(h/cm),碳素结构钢:a=0.1〜0.15;合金结构

钢:a=0.15~0.20；工具钢和高合金钢:a=0.3〜0.4。

经计算，r=0.15x60=97?

4.3确定冷却方式

锻件的冷却是指锻件从终锻温度出模冷却到室温。如果冷却方法选择不当，锻件

可能因产生裂纹或白点而报废，也可能延长生产周期而影响生产率。

制定锻件冷却规范的关键是冷却速度。根据锻件材料的化学成分、组织特点、锻

件的端面尺寸和锻造变形情况等因素来确定合适的冷却速度。空冷冷却速度较快,所

以采用在空气中冷却。

4.4确定热处理方式及要求

锻件在机械加工前后，均须进行热处理。锻件常用的热处理方法有：退火、正火、

调质、淬火与低温回火、淬火与时效等。为调整锻件的硬度，以利于锻件进行后续加

工；同时消除锻件内应力，以免在机械加工时变形；改善锻件内部组织，细化晶粒，为最

终热处理作好组织准备。

该锻件材料为45钢钢，为了改善钢的性能，因此采用的热处理方式为调质。

5锤用模锻设计

5.1终锻型槽设计

终锻型槽是各种型槽中最重要的型槽，用来完成锻件最终成成形。终锻型槽是按

热锻件图加工和检验的。该锻件所用材料为45钢钢，其收缩率为1.5%。根据生产经验

总结，考虑到锻模使用后承击面下陷，型槽深度减小。因此作了修改:辐板处增厚

12

课程设计说明5

5.2型槽的布排

锤锻模结构设计的优劣对锻件质量、生产效率、劳动强度、锻模和锻锤的使用寿

命以及锻模加工制造都有直接的影响。锤锻模结构设计是指锻件所采用的各个工步型

槽在模块地上的合理布排，型槽之间和型槽至模块边缘的壁厚，模块尺寸、质量、纤

维方向要求，以及平衡借移力的锁扣。

锻模分模平面上的型槽布置要根据型槽数、各型槽的作用及操作是否方便来确

定。原则上应使型槽中心与理论上的打击中心重合，以使锤击力与锻件的反作用力处

于同一垂直线上，从而减小锤杆承受的偏心力矩，有利于延长锤杆使用寿命，减小导

轨的磨损和模块燕尾的偏心载荷，在保证应有的打击能量和锻模具有足够强度的前提

下，应尽量减小模块尺寸，这样，模具寿命长，锻件精度高。

本设计只有终锻型槽，应尽量使型槽中心与打击中心重合。这时打击力与反作用

力的合力处在同一铅垂线上，不产生偏心力矩°根据零件形状可知，首先应进行锻粗，

其作用是使毛坯高度尺寸减小，水平尺寸增大，以利于充满型槽，防止产生折叠，兼

有去除氧化皮的作用。

终锻型槽，应将燕尾中心偏离模块中心线，偏移的距离应小于模块宽度的10%o

否则，由于模块自身的质量在捶头运动中会因重力产生偏心力矩，导致锤杆弯曲，加

速导轨磨损。

型槽中心安排：根据设备吨位为2吨分布。

5.2模块的选择

模块尺寸除了与型槽数、型槽尺寸、排列方式和各型槽件的最小壁厚有关，还

需要考虑的问题：锻模允许的最小承击面，打击中心与模块中心的偏移值，模块的

长、宽、高度，模块的质量，模块材料的流线方向，锻模检验角，模块的技术要求

和模块的规格等。

考虑模块尺寸确定的原则，再根据所必需的模块最小轮廓尺寸，然后选取模块

标准中相近的较大值。查锻模手册选择标准模块尺寸为:300mmx300mmx250mm（宽

x长x|Wj）©

5.4墩粗台的设计

墩粗台是用来墩粗毛坯以减小其高度，增加直径，使墩粗后的毛坯在终锻模膛内

13

课程设计说明5

能够复盖一定的凸部与凹槽，以防止锻件产生折迭和充不满，并起清除毛坯氧化皮，

减少模膛磨损的作用。

根据锻件的形状、尺寸和原毛坯尺寸确定墩粗后的毛坯直径d,再根据d值确定

墩粗台尺寸。

墩粗后毛坯直径dJ>(D,+£>2)/2

(5.1)

式中DiMX67mm,D2取40mm。经计算，d取53.5mm。

墩粗台尺寸：

1.墩粗台高度h

h=咻-rA=54754-?2247=24mm(5.2)

经计算，h取35mmo

2.C,C和C，尺寸：边缘距离C：C=10-15mm；

至锁扣距离C'：C'=5〜10mm；

右侧与后边距离C：C”=15〜20mm。

5.5检验角的选择

检验角在锻模设计与制造时，是各模膛和燕尾尺寸的基准面，在生产中是模具调

整的依据。检验角的两个平面互相垂直，一般是做在模块前面与左面或右面，应根据

模膛布排的情况而定。以模块铳开部分较少的一面为宜。

检验角的尺寸：

(1)宽度b：b=5mm。

(2)高度h:h取为50mmo

(3)边缘圆角R：R=8〜10mm。

5.6燕尾槽的选择

锤锻模紧固在模座和锤头上，既要求紧固可靠又要安装调试方便。在长期生产

时间常常采用楔铁和键块配合燕尾紧固的方法。

燕尾是紧固锻模的重要部位。根据锻锤的吨位，查手册⑸，选取2吨吨位的锻

锤下的燕尾槽，如表5-1锤锻模燕尾和键槽的尺寸。

表5/锤锻模燕尾和键槽的尺寸

锻锤h锻锤h

14

课程设计说明5

吨位bh吨位bh

1#2#3#1#2#3#

/t/t

10~

1-220050.55()535640080.5100103106

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模锻安装规格如下表5-2。

表5-2模锻锤安模空间规格

锻锤吨GmHmab-0.25/ac+0.2

HminBi1Lh0-5#0.5pO.lC

5

位AaxX2

70125607090

24001001405()848()143

0()000

5.7起重孔的设计

起重孔的位置应按模块中心线制造，偏差不得大于10mm,锻模重量超过800Kg

时，应在锻模两侧面上各增加两个起重孔。起重孔的直径d与深度S由表5-3锻模

起重孔尺寸选定。

表5-3锻模起重孔尺寸(mm)

锻锤吨位/tdS

().5〜53()60

5.8模块尺寸

1.承击面积

承击面积是指锻锤空击时，上下模块实际接触的面积。承击面积关系到模锻的寿

命和经济性，承击面积过大，则导致材料的浪费；过小则不能保证模块强度，造成分

模平面压塌。根据本设计所用的锻锤吨位，查表4-29[1]的2t锤允许的最小承击面积

为700mm2o

2打击中心与模块中心偏移量

由于本设计中设有制坯型槽，允许打击中心与模块中心不重合，但最大偏移量应

限制在aSO.lA和bSO.lB范围内(A为模块长度，B为模块宽度，a为长度方向偏

移量，b为宽度方向I扁移量)。

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课程设计说明5

3模块长度

综合闭式滚挤型槽、终锻型槽、承击面积以及壁厚考虑，初步确定模块长度为

350mmo

4模块宽度

模块最大宽度Bmax应保证模块边缘与导轨间留有单边距离大于20mmo模块最

小宽度应至少超出燕尾每边10mm。由