材料成型基础2012.04.01

材料成形基础宁波工程学院周志斌2012.04.01第五节锻模结构的设计绘制热锻件图校正模设计终锻模膛设计预锻模膛设计飞边槽设计钳口设计锻模结构设计切边模设计制坯模膛设计确定模锻工序编制工艺流程（一）模锻工艺方案的选择原则：技术可行性；经济合理性。模锻工步(工艺流程图)：先备料、制坯，后预锻和终锻，最终热处理、校正、清理和检验。备料加热制坯加热模锻切边冲切孔内连皮热处理表面清理最终检验冷精压冷校正工序间检验清除氧化皮去毛刺热校正一、模锻工艺过程的制定工艺流程图模锻工艺与锻模设计内容：1、产品工艺分析；2、绘制模锻件图(冷锻件图)；3、确定模锻工序；4、编制工艺流程；5、填写工艺卡；6、锻模设计（据热锻件图）。二、模锻方法单件模锻：一个坯料锻一件，一般用于较大锻件的锻造。调头模锻：锻制锻件重2～3kg，长度350mm。一模多件：一锻模内一次2~3锻件，重量0.5kg、长度80mm一模多件调头模锻多件合锻（二）模锻模膛设计1、模膛尺寸计算热锻件图依据冷锻件图绘制。热锻件图上尺寸比冷锻件图中尺寸加大一个收缩率，即%)1(lL一、终锻模膛设计式中：δ—终锻温度下的合金收缩率。钢为1.2％～1.5％。从分模面起始标注模膛高度尺寸。2、飞边槽设计开式模锻中的终锻模膛由模膛本部和飞边槽两部分组成。一般只有终锻模膛设计有飞边槽。但对于一些复杂锻件，预锻模膛也采用飞边槽。1）飞边槽作用Ⅰ产生足够大的横向阻力，促使模膛充满。热模锻压力机上模膛内横向阻力不太大。Ⅱ容纳坯料上的多余金属，起补偿与调节作用。Ⅲ对锤类设备还有缓冲作用。模锻过程示意a）镦粗b）形成飞边c）充满模膛d）打靠合模2）飞边槽结构形式与尺寸3）钳口设计主要为终锻模膛和预锻模膛沿分模面上下局部加工装配成的特制凹腔，作为钳夹操作空间。三种：形式Ⅰ—飞边在上模膛内聚集，常用。形式Ⅱ—桥部在下模膛内。形式Ⅲ—用于形状复杂件。二、预锻模膛设计（参照终锻模膛尺寸相应增、减）1、模膛的宽与高预锻模膛的高度应比终锻模膛大2～5mm，宽度应小1～2mm。一般不设飞边槽。2、模锻斜度预锻、终锻模膛的斜度相同。3、圆角半径：比终锻模膛大一个系数c（C=2～5mm;模深大，取上限）即cRR例如对带工字形断面的锻件，如各种连杆锻件，根据肋的相对高度来设计预锻模膛。如右图：当h＜2b时，B’=B－（2～3）mm;当h≥2b时，B’=B－（1～2）mm。（三）制坯工步的选择制坯工步是从坯料到预锻或直接终锻间的变形工步。通过制坯使坯料变成易于终锻成形的毛坯。包括镦粗、拔长、卡压、滚挤、弯曲和扭转等一、圆饼类锻件采用镦粗制坯或成形镦粗制坯。轮毂较矮毛坯尺寸满足：D1＞D镦＞D2轮毂较高毛坯尺寸满足：（D1＋D2）/2＞D镦＞D2轮毂高，凸缘大有内孔，采用成形镦粗毛坯尺寸满足：H’1＞H1，D’1≤D1，d’≤d二、长轴类锻件1、长轴类锻件的制坯工步主要采用拔长(或辊锻)、滚挤、弯曲、卡压、局部成形等制坯工步。后再经过预锻和终锻等工步成形。1)直长轴线形用拔长、滚挤、卡压或辊锻工步等制成中间毛坯。技术要点：中间毛坯长度=终锻模膛长度；沿轴线毛坯的每一横截面积＝相应处锻件截面积＋飞边截面积。辊锻2）弯曲轴线形图中为汽车前梁，是一个弯曲锻件。除了辊锻或拔长、滚挤、卡压等制坯工步外，还必须加一道弯曲工步才能得到弯曲轴线。后再经过预锻和终锻等工步成形。辊锻弯曲预锻终锻这是一个弯曲手柄的制坯工步3)带枝芽形增加成形工步或非对称滚挤工步，充满枝芽模膛。4)叉形件需增加预锻劈叉工步，形成叉形部分。2、长轴类锻件坯料尺寸的计算（这是一个重点内容）1）计算毛坯图(1)依据假定长轴类锻件在模锻时为平面应变状态，计算毛坯的长度与锻件长度相等。则：轴向各横截面积A计=相应处锻件横截面积A锻+飞边横截面积A飞，即：飞锻计AAA2式中η——充满系数。对于形状简单的锻件取0.3～0.5；对于形状简单的锻件复杂的取0.5～0.8。（2）“计算毛坯”的作图步骤：Ⅰ绘制冷锻件图；Ⅱ在锻件图上选取若干具有代表性的截面，分别计算出A计；Ⅲ求出各相关截面的折算高度h计，即用缩尺比M除以A计，得：（通常取M=3～5mm2/mm）MAh/计计Ⅳ将折算高度h计等比例沿轴向画出锻件截面积分布图。（3）计算毛坯直径图计计Ad13.1计算毛坯图（中图）上每一折算高度h计表示该轴类锻件相关处的截面积。可以将曲线下的整个面积看成是计算毛坯的体积。即V计=MA计由此，计算毛坯上任一处的直径d计为：右图为完整的计算毛坯图,包括锻件图、截面图和直径图。(1)平均截面积与平均直径(2)确定计算毛坯的头部和杆部2)坯料规格尺寸计算长轴类锻件的平均截面积与平均直径，用如下公式计算：计计均LVA平均截面积：均均Ad13.1平均直径（图中虚线所示）：MAh均均;平均截面折算高度：均计dd杆部：均计dd头部：(3)几项繁重系数的计算①金属流入头部的繁重系数α：②金属沿轴向流动的繁重系数β：③杆部斜率K：④锻件重量G。均ddmax计拐LminddK=L件/d均上列式中：dmax—计算毛坯的最大直径；dmin—计算毛坯的最小直径；d拐—杆部与头部交接处的直径：说明：α值越大，流向头部的金属体积越多；β值越大，金属沿轴向流动的距离越长；K值越大，表明杆部锥度大，小头和杆部金属过剩；G值越大，制坯难度加大。Mhd拐拐13.1(4)根据繁重系数确定制坯工序的初步方案长轴类锻件可根据计算出的繁重系数在右示经验图表中查出制坯工序的初步方案，再依据生产试验修改确定。图中：不—表示无需制坯工序；卡—需卡压制坯；开—需开式滚挤制坯；闭—需开式滚挤制坯。①坯料截面积：A坯=kA均；k=1.02~1.2由A坯求出坯料直径D或方坯边长a或b。②坯料长度：%1连飞件坯VVVV钳坯坯坯LSVL③坯料体积按下式计算：式中：δ—加热烧损率，％。（5）长轴类锻件坯料的规格尺寸（四）制坯模膛设计一、镦粗台与压扁台的设计镦粗台适用于圆饼类锻件。压扁台适用于近似矩形锻件的设计。镦粗台高度：h=V/（D2×π/4）式中D—镦粗后毛坯直径，mm；镦粗台压扁台压扁台宽度：B=0.5B件＋B坯＋40mm压扁台长度：L=L坯＋40mm二、拔长模膛设计有关模膛设计参数，依据计算毛坯尺寸考虑。详见设计参考资料。拔长模膛用来减小坯料断面积，增加其长度，兼有清除氧化皮的作用。拔长模膛开式拔长模膛闭式拔长模膛三、滚挤模膛设计滚挤模膛用于减小坯料局部断面积，增大另一部分断面积，兼有清除氧化皮和滚光作用。滚挤模膛有开式、闭式、和非对称滚挤模膛三种结构形式。常用后两种结构。滚挤模膛非对称滚挤模膛闭式滚挤模膛滚挤模膛设计主要是确定模膛高度h、宽度B等尺寸。其结构尺寸详见锻模设计手册或其他参考资料。滚挤时金属流动情况（五）锻模结构设计锻模有整体式、镶块式两种。模具块、镶块常用5CrNiMo、4Cr5MoSiV（H11）、4Cr5MoSiVⅠ（H13）等热作模具钢加工成。整体模具块、镶块一般用楔铁和燕尾槽安装在模架上。一、锻模合理结构的两个基本点1、锻模上无预锻模膛时，终锻模膛中心应与锻模中心重合。锻模中心为锻模燕尾槽中心线与键槽中心线的交点。2、有预锻模膛时，应把预锻模膛和终锻模膛分别设置在锻模中心两旁。a/b≤1/2或a≤1/3L二、热模锻压力机上锻模结构设计1、工步及工步图设计1）终锻工步设计主要内容是绘制热锻件图和确定飞边槽形式与尺寸。飞边槽主要起排泄和容纳多余金属作用。充填模膛的阻力作用相对次要。锻件高度由压机行程保证。上下分模面间保留一定间隙，不发生碰撞。间隙大小根据飞边槽高度而定。2）预锻工步设计预锻工步图根据终锻工步图设计。总的原则是使预锻后的坯料尽可能以镦粗方式进行。1、预锻工步图高度比终锻工步图相应高出2～5mm，宽度尺寸适当减小。2、若终锻件横截面为圆形，则相应的预锻件横截面为椭圆形。3、严格控制预锻件各部分的体积，使终锻时多余金属能够合理地流动。4、应考虑预锻件在终锻模膛中的定位问题。5、预锻模膛中的飞边槽，其桥部高度应比终锻模膛相应大30%~60%。桥部宽度和仓部高度可适当减小。2、热模锻压力机上锻模结构设计特点压板紧固式模板结构1）多采用镶块装配结构。用压板紧固。上下模块与模座间加淬火垫板。用导柱、导套导向，立于模座一侧。下模中心处有顶料装置。预锻件在终锻模膛中的压入过程2）模具闭合高度HH=2（h1＋h2＋h3）＋hn满足：H=A＋0.5a式中H—压机最小闭合高度；a—压机工作台最大调节高度。3）模壁厚度t，st=（1～1.5）h≥40mm。s≥（0.35～0.65）h式中h—模膛最宽处深度。4）排气孔如遇到终锻模膛中有较深的内腔，则应在深腔中金属最后充满处开设排气孔。5）推杆、顶料装置顶飞边顶锻件顶冲孔连皮正确不正确杠杆、托板三顶料装置（六）切边与冲孔模设计一、功能：切除飞边与冲孔连皮。二、结构：1、切边：凸模推压；凹模刃口剪切。2、冲孔：凹模支承；凸模刃口剪切。三、间隙：凸、凹模间保留一定间隙。（七）锻模设计实例汽车连杆的锻模设计技术条件1、模锻斜度7°；2、表面不应有未充满、分层、裂纹、毛刺、氧化皮及腐蚀现象；3、硬度207~241HBS；4、流线方向与连杆外廓、形状相符合；5、金相组织应为均匀的细晶结构。材料40钢零件连杆连杆零件图1、模锻件图的设计先设计冷模锻件图，到终锻模膛设计时要有热模锻件图。这是连杆零件的冷模锻件图。冷模锻件图上应该反映出哪些基本内容呢？图中表示出：1）分模面位置：取水平投影面积最大的中心平面为分模面。2）公差、加工余量的确定：锻件重1.44kg；材质系数M1（40钢）；锻件形状复杂系数S=m锻/m廓=0.19，定为S3级，为比较复杂的锻件。查表得：h(+1.4，-1.6)；L(+1.9，-0.9)；B(+1.5，-0.7)3）加工精度为F2级，取单边余量2mm。4）圆角半径：叉内3mm，其余1.5mm。5)技术条件：按零件图上要求保证。2、计算锻件主要参数包括在分模面上的投影面积、周边长度、体积和重量，即：1)投影面积8000mm2；2)周边长度680mm；3)体积184000mm3；4)重量1.44kg。3、确定锻造设备的吨位按经验公式计算并选用。按形状复杂系数S3级取k1=7.0，按材质M1级取k2=1.0计算，有F=7.0×1.0×A=7.0×1.0×236000=1652Kg。4、飞边槽的形式和尺寸根据锻锤的吨位，锻件图的结构特点即可选定形式、尺寸。5、终锻模膛设计根据锻件图增加1.5％的收缩率绘制热锻件图。6、预锻模膛设计锻件形状复杂，需设置预锻模膛。预锻模膛在叉部采用了劈料台。7、绘制计算毛坯图选取13个截面，计算A锻，和边长a计()或直径d计()，绘出连杆截面图和计算毛坯图。计计Sa计计Sd13.18、选择制坯工步计算毛坯为两头一杆,模锻工艺方案可确定为：拔长一开式滚压一预锻一终锻。东风公司锻造厂锻造连杆则采用辊锻直接制坯。9、确定坯料尺寸计算边长a坯=45mm；可计算出坯料长度L坯=123mm；选用调头模锻，一料两件；料长取246mm。10、制坯模膛设计根据计算毛坯图来设计滚压模膛和拔长模膛。11、锤锻模结构设计上述工作完毕后即可进行锻模的结构设计并绘制锻模图。11、锤锻模结构设计连杆锤用锻模图热模锻压力机上连杆锻模图精密模锻通过模锻制取形状复杂、精度高的锻件而可以不必再经切削加工的锻造工艺。精密模锻伞齿轮，齿形尺寸精度可达IT12-IT15，表面粗糙度Ra=3.2-1.6µm。精密模锻工艺要点精确下料，坯料表面质量高；无氧化或少氧化气氛中加热；高精度模具；通常增加精压工序。一、零件的挤压施加强大压力作用于模具，迫使模具内的金属坯料产生定向塑性变形并挤出模孔或缝隙，直至获得所需零件或半成品。挤压工艺的特点三向受压下变形，提高塑性，可加大变形量；提高零件力学性能；节省材料；生产率高；模具材料强度、刚度和耐磨性要求高；润滑要求高。挤压方式正挤压（a）、反挤压（b）、径向