【某乘用车万向节的锻造工艺设计案例分析5100字】

某乘用车万向节的锻造工艺设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u19596某乘用车万向节的锻造工艺设计案例分析 1284301.1乘用车万向节的锻造工艺分析 143151.1.1万向节的零件分析 1177651.1.2转向节热锻件图 2307541.1.3锻造设备的分析 3215791.1.4仿真模拟软件的分析 4292821.2模具设计 544451.1.1模膛设计 5219751.1.2飞边槽的设计 5155121.1.3键槽和燕尾设计 5252101.1.4钳口设计 5159541.3万向节模锻工艺设计 6282901.3.1模锻工艺 6200251.3.2模锻工艺方案的确定 6276291.3.3最大成形载荷计算 6294941.4自由锻坯料及弯曲模具设计 7141711.4.1自由锻坯料计算及设计 7110991.4.2一次弯曲模具的设计 8252831.4.3二次弯曲模具的设计 81.1乘用车万向节的锻造工艺分析1.1.1万向节的零件分析转向节属于万向节中的一种零件，在汽车的安全性能中起到重要作用。本文以轿车转向节为研究对象。从图1.1、图1.2中的转向节的实物图和三维图可以看出转向节的大致形状，整个锻件是弯曲杆状，在锻件前端，有两个长度方向相反的分叉，中间的杆弯曲且均匀，尾部在宽方向上变化剧烈，形状比较复杂，中间有连皮和凸包，凸起的高度较高，而且工件成非对称形状，小细节较多，截面复杂多样，工件尾部细节变形较多，前端枝芽分叉使金属分布极不均匀，锻造成形过程中金属的充填和形变都有巨大的困难，这对锻造工艺有着较高的要求。图1.1转向节的实物图图1.2转向节的三维图1.1.2转向节热锻件图热锻工艺需要根据制件的热锻图来设计，热锻模具设计方案、锻件成形、最终检验及加工都离不开基础的热锻图。上应该锻件图有确定的锻件的分模线形状，加工余量，锻件公差，模锻斜度和圆角半径等细节数据。锻件成形后检验，加工程序使制件更加精确。锻件图需要按以下原则制图：（1）为保证锻件顺利出模，应该在锻件的最大投影尺寸处选择分割面，确定分模面。加工工艺应尽量用镦粗成形，这对于锻件成型有利。其次应减少多余的胚料体积，这样能减少加工步骤，工件更加精确。分模线应尽量选用规则图形，例如平直的或对称的分模线，这样能简化设计的模具结构，有利于加工。本文设计的转向节锻件外形毫无规律不对称，根本没有简单易处理的分模位置，因此只能大致将分模面设计为工件的大致弯曲方向，建立分模面。（2）选定加工余量。锻件锻造成型过程中，需要加工的地方都需要留一些加工余量以保证工件的精度。锻件的形状大小和粗糙度决定了加工余量，合适的加工余量非常重要，影响到工件的精度。加工余量太大，需要较长时间的加工，浪费精力和金属材料；加工余量太小，加工时最小加工量都比加工余量大，锻件没办法完成精确加工甚至从而报废。所以合适的加工余量非常重要。本文的锻造设计使用的材料是铝合金6061，工件的形状比较复杂，转向节的前弯梁和分叉都不需要机械加工，只需要在后端少数地方留下连皮、凸起及孔的加工余量。（3）确定模锻斜度。为了便于锻件顺利出模，末端斜度应该选在锻件的侧面。在锻件冷却过程中，倾向于离开模壁部分的称为外斜度，倾向于模具里面的称为内斜度，此斜度也不可能忽视。锻件侧面本来带有的斜度称为自然斜度，为了让上模下模相匹配而人为增加的分模线两侧的模锻斜度称为匹配斜度。人为增加模锻斜度会带来过多的加工余量，浪费金属材料和精力，所以要保证锻件顺利出模，尽可能选择较小的模锻斜度，若锻件的自然斜度能够保证锻件顺利出模，就没必要增加斜度，浪费金属材料，锻件的倾向于模具内的斜度一般比倾向于离开模壁的斜度稍大，如果模锻上面深而下面窄则应该选择较大的模锻斜度，相反的就选较小的模锻斜度。模锻斜度标准度数有0°、0.25°、0.5°、1.5°、3°、5°、7°、10°、12°和15°等，匹配斜度是人为增加，因此不受此限制。本文转向节锻件的材料是铝合金，外斜度都用自然斜度，锻件保留层皮孔直径较大，深度较小，所以本文选择3°作为锻件的斜度。图1.3所示为本文设计的转向节锻件。图1.3锻件三维图（4）确定圆角半价。为了减少锻件的应力集中，锻件的各壁面相交处应使用圆弧过渡。本文的锻件圆角半价确定为2mm，锻造过程中不能直接打出通孔，需要在孔内留一点厚度的连皮，后期精确加工。热锻制件图是根据锻件的材料性质和锻件的厚度来设计的，热锻制件图的设计如下：热锻制件图的所有尺寸均应计入收缩率，收缩率根据材料的性质和锻件的厚度来确定，其中Al6061和转向节所用材料的最大厚度为1%。LR=L（L+1%）（1.1）这种类型的LR是锻件的热尺寸，而L是冷尺寸。热锻零件图应清楚地指出分模面的位置，有了分模面具体的位置能清楚的看出各部位位置，还要指出哪里是下模，哪里是上模。本文使用SOLIDWORKS建立三维模型，建立了转向节相应的零件三维图形，并得到了转向节的锻件图，然后将整个锻件模型的收缩放大，即将锻件体积乘以铝6061的收缩就可以得到热锻件的三维模型，并可用于模具设计。1.1.3锻造设备的分析工厂为了满足转向节的批量生产，一般会选用三类机械设备。第一，热锻压机，热锻压最适合大批量生产转向节，目前，世界上大多数锻造厂都在采用热锻压生产转向节。第二，锻压锤，这种设备使用的不多，投资少，但是只适用于小批量生产，而且工艺落后，产品质量不高，满足不了现代化的需要。第三，螺旋压力机或水压机，这类设备也只能用于中、小批量生产。第一的热锻压力机可锻造多种类的锻件，因为其型槽可以多变，而且为了提高模具的使用寿命，设置了死点。热锻压力机工作迅速有效，工作压力大，一次完成一个工序，锻件质量稳定，受其他因素影响小，生产效率高，能够实现自动化生产，，缺点是设备成本高。因为车型种类繁多，其转向节锻造用的设备也各不相同：依维柯货车、全顺货车等用的是20000kN~25000kN级。中等轿车使用40000kN的功率。沃尔沃、斯太尔和北奔驰都采用了63000kN级别。1.1.4仿真模拟软件的分析CAE，一种计算机辅助工程，一种分析计算的分析软件，比如静应力、动应力和温度应力的计算，各种载荷作用下的变形计算、振动频率和振动模态的计算，也可以用来模拟各种复杂工程及制品，计算出它的强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、传热、多体接触、弹性和塑性力学性能等问题，优化它们的结构特性。自60年代以来，经过数十年的发展，CAE已不仅被应用于工程实践，在航空、航天、机械、土木工程和数值计算等领域都有其重要的贡献，CAE的理论和算法也已从一个由蓬勃发展的辅助软件到成熟的不可缺少的重要工具，产品结构分析的重要工具。数十年的发展，计算机的普及让大众都能接触到计算机软件，计算机技术也得到普及和完善。CAE不仅仅只是计算得出结果的优势，还有很大程度上代替了传统设计中资源消耗的实验验证过程，减少了试验时间和经费，还能避免危险事故的发生。汽车设计的CAE技术主要有结构、疲劳、振动和碰撞分析，分析内容包含汽车的零部件的模态、刚度强度和疲劳分析，噪音分析，以及振动频率分析。CAE系统核心思想是分散结构，以有限元法为基础，将CAE各个阶段的时间划分为：40%~45%用于建模和数据输入，50%~55%用于判读和评估分析结果，而真正的分析计算时间只有5%左右。CAD技术与CAE相辅相成，CAE前处理一般是用CAD技术对CAE进行几何、物理建模，然后输入分析数据。CAE后处理则是需要通过CAD技术产生CAE的数据结果变成图像输出，如产生位移图、应力、温度、压力分布等值线图，并用彩色明暗图表示应力、温度、压力分布。再其他不同的方面，甚至是生产线、工厂的运动和运行状态，机器的零部件也可以用CAE仿真来模拟。计算机辅助工程软件的计算效率和计算结果的精度，主要取决于求解库。高效率的求解算法与常规算法相比，其计算效率可提高数倍，数十倍，甚至几百倍。前后处理是近十多年发展最快的CAE软件成分，它们是实现CAD、CAM、CAPP、PDM等软件无缝集成的关键性软件成分，通过增设CAD软件，例如Pro/Engineer，UG，Solidedge，CATIA，MDT等软件的接口数据模块，实现CAD/CAE的有效集成。1.2模具设计以热锻件图为基础进行分析，确定胚料的尺寸大小，从而确定凹凸模的形状尺寸，根据凹凸模尺寸设计出一系列模具零部件，不断改进各零部件关系确定数据设计出模具。1.1.1模膛设计模具缸体就是开在模块上的锻件型槽，这是根据锻件的尺寸确定的。结合热锻件的三维模型，确定模具的分模面，并得出凹模尺寸大小，十分方便。1.1.2飞边槽的设计飞边槽（图1.4所示）是对模具寿命影响很大的结构之一。在胚料形变进入飞边槽后，其形变阻力会随温度降低而增大，而压力不撤去，此时胚料会慢慢充满模膛，最终成型。但是此时模具受到的压力也会增大，会加剧飞边槽的磨损，所以为了减少模具的磨损，则要在设计飞边槽时，要考虑到在保证锻件成型的前提下减少模具磨损的最大压力。图1.4锻模飞边槽示意图1.1.3键槽和燕尾设计在模具上设置键槽和燕尾，键槽位置应在模具中心线上。1.1.4钳口设计为了方便将锻件成型后从模具中取出，在终锻型槽和预锻型槽前端会留下特制的凹槽，这些凹槽称为钳口。钳口的作用不仅仅如此，在制造上下模时，钳口还能作为浇口，浇灌铅水或金属盐等。在型槽与钳口之间的沟槽称为为钳口颈，钳口颈的作用同样是方便锻件出模，锻件成型后它能增加锻件与钳夹连接的刚度。根据以上型槽、飞边槽、键槽燕尾、钳口的设计并确定了模具的其它特征，建立模型，得到的上下模模具如图1.5所示。图1.5终锻模具1.3万向节模锻工艺设计1.3.1模锻工艺锻造工艺是一系列以锻件塑性成型为核心的加工工序，锻造前对坯料进行下料和加热处理，对坯料进行塑性变形之后热处理、精加工等工序，使其逐渐接近锻件形状，如要满足批量生产还要以最少的工序，最短的流程，经济合理地锻造出符合质量要求的锻件。模具锻造工艺方案主要根据锻件的形状、尺寸和精度各数据，以及锻造批量和现有设备条件等来确定。1.3.2模锻工艺方案的确定本文转向节材料为铝合金6061，根据锻件材质和性能特点，设计出转向节的锻造工艺方案为：棒料—加热—自由锻—弯曲—加热—终锻—加工—热处理。1.3.3最大成形载荷计算锻件成型的形变功与设备的公称压力有关相关，若设备给予的最大压力过小，则会出现不足以支撑锻件形变，无法成型；若设备的压力过大，就会“大材小用”浪费能源，因此对于选用合适的设备，锻件的形变功的计算很重要，但因为多种干扰因素，实际上锻造过程是比较复杂的，想要精确的计算出来非常困难因此，本文采用经验计算方法进行计算：P=K*F（1.2）其中：K—金属变形抗力系数，受材料特性和锻件复杂程度影响；F—锻件的最大投影面积，包括飞边宽度（cm2）。取K=0.075MN/cm2，F=173cm2，则P=13MN。根据工厂的设备状况，选用1600吨液压机为终锻设备。1.4自由锻坯料及弯曲模具设计1.4.1自由锻坯料计算及设计mm3S=70%×44×14=431.2mm2飞边周长L=1510mm，得出：V1=S×L=431.2×1510=6.5×105mm3因此可以得到毛坯的体积V：V=V0+V1=1.44×106mm3锻件三维模型的最大截面积D可以确定原始棒料直径L0：D=100mm，L0=4V÷3.14÷D2=320mm自由锻是利用外力作用在坯料上使其各个方向自由变形，不受任何限制而获得所需锻件的加工方法。自由锻的基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、扭转、错移、切削和锻接等。自由锻所用设备和工具比较简单，锻件精度低，加工余量大。自由锻可分为手工自由锻和机器自由锻，手工自由锻生产效率低，仅适用于小型、小批锻件生产，机器自由锻是锻造生产的主要方法，适用于大型、重型机械制造。自由锻设备分为锻锤和液压机两大类，液压机是生产大型锻件的唯一方式。根据以上的工艺方案，坯料需通过自由锻造，进行初始金属量分配，弯曲后进入终锻模膛。根据锻件的模型，设计自由锻制坯的形状。自由锻制坯作为锻造的第一步，形状尺寸很关键，直接影响着后面的锻件，因此自由锻制坯应该满足各部位金属分布，外形力求简洁。在使用自由锻时，根据锻件的形状特征，首先要把钢筋拉平，并且前后短叉端部要有不同程度的聚集，以适应金属体积的分布。图1.6中显示了自由锻件的设计形状：图1.6自由锻制坯形状1.4.2一次弯曲模具的设计一次弯曲模具既要将前部的长分叉弯曲成形，又要将短分叉部位的聚料成型，所以弯曲的弧度必须与终锻件大致相同，尽管自由锻已使坯料形成了初步形状，但也要计算所需