長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計說明書

長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計說明書,長安,汽車,萬向節(jié),鍛造,鑄造,工藝,設計,說明書,仿單 I長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計摘要模具行業(yè)在我國現(xiàn)階段機械制造行業(yè)中扮演著極為重要的角色，現(xiàn)代的模具行業(yè)普遍追求更高精度、更簡易的工藝流程、更先進的設計方案，為適應社會之所需，結合本行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，無論是在塑料模具、鈑金模具還是鍛造模具等各模具行業(yè)中，其總體設計框架是千篇一律的。鍛模行業(yè)經過了幾年的發(fā)展，在某些技術上已經取得了較大的突破，但是畢竟還屬于傳統(tǒng)制造業(yè)，還依然存在機械加工的詬病，比如說機加工精度達不到要求，粗糙度控制不好，模具設計時的種種不合理導致的脫膜不便。為此本論文意在解決當前傳統(tǒng)機械加工方面的精度問題及模具設計問題，尤其為了后面的實際鍛造，做了有效的有限元分析，以保證模具鍛造精度達到要求，并且也綜合了 CAD/CAE 模具技術的應用。本論文以長安汽車萬向節(jié)叉終鍛模具為例采用了鍛造工藝設計方法，通過本專業(yè)所學的知識并運用了 SolidWorks2016 軟件對鍛件零件進行三維建模，創(chuàng)建模具的上下模及配套的零件、運用 Auto-CAD2014 軟件進行二維圖繪制，標注好詳細的公差尺寸要求、運用 Workbench 15.0 有限元軟件進行鍛件溫度場及熱應力場分布分析，以至于通過在不同溫度范圍和不同的應力范圍與其分別對應的溫度場云圖和應力場云圖各自之間相互對比作出相應的分析，為后續(xù)的鍛模設計做好準備。在設計的同時也考慮了外協(xié)加工工廠的實際加工設備，因此為該鍛件制定了配套加工的工藝路線。為了適用當前社會的機械行業(yè)發(fā)展需要，在設計的同時也進行了適應于現(xiàn)代化工業(yè)加工生產設備的配套工藝方案。關鍵詞：CAD/CAE；模具；萬向節(jié)叉；熱應力IIAbstractThe mold industry plays an extremely important role in the machine manufacturing industry at the present stage of our country. Modern mold industry is generally pursuing higher precision, more simple process flow and more advanced design scheme. In order to meet the needs of the society, it combines with the development of the industry, whether it is in the plastic mold, sheet metal die or forging. In the mold industry, the overall design framework is uniform. After several years of development, forging die industry has made a great breakthrough in some technology, but it still belongs to the traditional manufacturing industry, still still exists the criticism of mechanical processing, for example, the machining accuracy is not up to the requirements, the roughness control is not good, the mold design is not reasonable caused by the inconvenience of the film removal. Therefore, the purpose of this paper is to solve the problem of the precision of the traditional machining and the design of the die. In particular, for the actual forging behind, an effective finite element analysis is made to ensure the precision of the die forging to meet the requirements, and the application of the CAD/CAE die technology is also integrated. In this paper, the forging process design method is adopted as an example of the final forging die of Changan automobile universal joint fork. Through the knowledge learned in this major and the application of SolidWorks2016 software to the 3D modeling of the parts of the forging parts, the upper and lower dies of the die and the supporting parts are created, and the two-dimensional drawing of the soft parts of the Auto-CAD2014 is made, and the detailed description is made. Workbench 15 finite element software is used to analyze the temperature field and the distribution of thermal stress field in the forging parts so that the corresponding analysis is made between the temperature field and the stress field in different temperature range and different stress range corresponding to the temperature field and the stress field, so that the subsequent forging die design is well designed. Get ready。 At the same time, the actual processing equipment of the external processing plant was also considered, so the processing route for the forging was formulated. In order to meet the development needs of the machinery industry in the current society, a matching process plan adapted to modern industrial processing equipment was also designed. Keywords: CAD/CAE；mould universal ；joint fork；thermal stressIII目錄摘要 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------IABSTRACT-------------------------------------------------------------------------------------------------------------II目錄 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------III1 緒論 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------11.1 題研究的目的及意義 -----------------------------------------------------------------------------------------11.1.1 鍛造模具的研究目的 -----------------------------------------------------------------------------------11.1.2 模具 CAD/CAM 的研究意義 -------------------------------------------------------------------------11.2 國內外研究現(xiàn)狀 -----------------------------------------------------------------------------------------------21.3 本課題研究內容 -----------------------------------------------------------------------------------------------32 長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計 -------------------------------------------------------------------------------52.1 零件結構分析 --------------------------------------------------------------------------------------------------52.2 零件工藝分析 --------------------------------------------------------------------------------------------------72.2.1 零件材料 --------------------------------------------------------------------------------------------------72.2.2 主要表面分析及技術要求 -----------------------------------------------------------------------------72.2.3 零件特點 --------------------------------------------------------------------------------------------------72.3 計算坯料的質量與尺寸 --------------------------------------------------------------------------------------82.3.1 坯料質量的計算 -----------------------------------------------------------------------------------------82.3.2 坯料尺寸的計算 -----------------------------------------------------------------------------------------82.4 模鍛壓力與切邊壓力的確定 --------------------------------------------------------------------------------82.4.1 模鍛壓力確定 ----------------------------------------------------------------------------------------------82.4.2 切邊壓力的確定 --------------------------------------------------------------------------------------------92.5 鍛造工序的選擇 -----------------------------------------------------------------------------------------------92.6 鍛前加熱、鍛后冷卻及熱處理要求的確定 -------------------------------------------------------------112.6.1 確定加熱方式，及鍛造溫度范圍 -------------------------------------------------------------------112.6.2 加熱時間及冷卻方式的確定 -------------------------------------------------------------------------112.7 小結 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------123 長安汽車萬向節(jié)叉鍛模設計 ------------------------------------------------------------------------------------133.1 鍛件鍛?？傮w設計方案的確定 ----------------------------------------------------------------------------133.2 鍛模的設計 ----------------------------------------------------------------------------------------------------143.2.1 確定鍛件的分型面及分型線 -------------------------------------------------------------------------143.2.2 制定鍛件的機加工余量及公差 ----------------------------------------------------------------------153.2.3 鍛模生成及凸凹模分割 -------------------------------------------------------------------------------163.3 預鍛模具設計圖 ----------------------------------------------------------------------------------------------193.4 鍛模飛邊槽的設計 -------------------------------------------------------------------------------------------203.5 模架總體設計 -------------------------------------------------------------------------------------------------22IV3.6 鑲塊設計 -------------------------------------------------------------------------------------------------------233.7 小結 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------234 萬向節(jié)叉有限元分析 ---------------------------------------------------------------------------------------------244.1 不同溫度下 45 鋼的性能變化 -----------------------------------------------------------------------------244.2 有限元分析前置參數(shù)設置 ----------------------------------------------------------------------------------254.3 鍛件溫度場及應力分布分析 -------------------------------------------------------------------------------284.4 小結 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------30總結 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------31參考文獻 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------32致謝 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------33附錄 A -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3411 緒論1.1 題研究的目的及意義1.1.1 鍛造模具的研究目的現(xiàn)如今，塑料模具、鍛造模具及其所配套的 CAD/CAM 技術在機械行業(yè)中出于領軍地位，鍛造模具的地位尤為重要；它使傳統(tǒng)金屬零件的加工生產流程得到了簡化，它同樣也是傳統(tǒng)模具制造的關鍵生產技術之一，它需要依靠計算機軟進行輔助設計及配合各種機械設備進行加工生產。以便加工人員能進行更方便的生產自己想要的產品。在工程師們的不斷研究中，鍛造模具行業(yè)逐漸偏向于設計優(yōu)化、流程優(yōu)化生產優(yōu)化的理念進行研發(fā)。鍛造生產能夠顯著地減少機械零件的生產加工周期 [1]。提高了產品的性能并且使工藝流程得到簡化，更為重要的是減輕了工人師傅們的勞動強度，減少了企業(yè)的生產成本。鍛造模具同塑料模具都是為用來進行產品成型所制造的。它大體可以劃分為動模和定模兩部分，或稱途模和凹模，在工作過程中的開合來進行產品的擠壓成型。鍛造的過程同樣分為初鍛和終鍛兩部分，往往終鍛過程較為復雜。在產品成型的過程中，氣壓、沖頭等一系列外部構件把外力傳遞給動模和定模，上下模具框架為擠壓產生的力起了緩沖作用。因為鍛造模具在實際的加工生產中對生產效率有明顯的提高并且能夠節(jié)約生產原料，提高了生產效率，因此在全國眾多工廠中得到了廣泛的應用。針對鍛造模具，本文以長安汽車萬向節(jié)叉零件為例進行了模具設計、零件受熱應力場及溫度場模擬分析，簡要描述了模具在實際生產過程中的應用。1.1.2 模具 CAD/CAM 的研究意義隨著機械 CAD/CAM 行業(yè)蓬勃發(fā)展，現(xiàn)模具能夠實現(xiàn)三維軟件自動分?；蛴萌S設計軟件手動輔助分模，大大縮短模具研發(fā)設計時間?，F(xiàn)在甚至是未來模具行業(yè)的發(fā)展更趨向于設計與制造智能化、一體化、集成化。此次設計是針對長安汽車萬向節(jié)叉的鍛造中終鍛部分模具的設計，涉及三維產品設計、模具2分模設計、二維工程圖及 ANSYS 溫度場應力場分析仿真，總體涵蓋了鍛模的設計及應用，完全與工廠實際設計生產需求接軌 [2]。 終鍛模是零件進行模具鍛造時使毛坯料在型腔內擠壓成型而獲得產品的模具。設計之初重要的是選擇鍛件的材料，按照工廠所給圖紙的要求即選擇了 45鋼。終鍛之前需先將鍛件進行加熱，以達到終鍛所需的溫度要求，接著將預熱的初鍛件放置在鍛造設備上，按照要求施加壓力，迫使鍛件因其自身的塑性變形發(fā)生內部分子流動，進而成型獲得終鍛件 [3]。所設計的鍛造模具在實際運用中既要承受鍛錘的高速沖擊作用及負載壓力，并且還要承受在鍛件成型過程中的急冷、急熱和冷熱交變狀態(tài)，對于模具的材料需要其滿足高耐磨及強度剛度。1.2 國內外研究現(xiàn)狀經過了幾代機械行業(yè)乃至模具行業(yè)科研人員的不斷挖掘發(fā)展，目前模具行業(yè)及其配套的 CAD/CAM/CAE 在整個行業(yè)起了不可替代的位置，基本上國內大小公司都離不開這三方面聯(lián)合設計模具的應用，并一直刷新行業(yè)應用記錄，比如更高的模具制造精度及更優(yōu)化的鍛造方案，有卓越的貢獻。尤其在近幾年模具行業(yè)借助 Ansys 等 CAE 軟件配合進行實際工況產品應力場及溫度場的模擬分析，可謂是模具行業(yè)質的突破 [4]。同時更多的科研人員進行在 SolidWorks 和UG 軟件平臺上針對模具設計的二次開發(fā)軟件，更加方便了設計人員開發(fā)模具，直接縮短了設計流程。升級傳統(tǒng)模具制造生產的關鍵技術方案是進行模具CAD/CAM/CAE 聯(lián)合研究開發(fā)，它作為當今機械行業(yè)高水平發(fā)展的方向一直被廣泛的應用 [5]。此技術借助計算機軟件給設計者提供了很好地工作平臺，提高了模具設計效率，提高了模具的制造精度及使用的安全系數(shù)。通過有限元軟件分析能夠進行模具結構的簡化、模具鍛造工藝的優(yōu)化、鍛件成型工藝的升級等。鍛造模具行業(yè)的 CAD/CAM/CAE 的發(fā)展狀況符合總體機械類相關軟件的發(fā)展進程，基本上設計軟件每升級一版本，模具行業(yè)的科研進度也跟上一個版本。目前相關的軟件發(fā)展情況基本如下所述:CAD 從前幾年的僅僅能夠二維平面圖形設計、三維實體模型模擬設計、自由曲面模型模擬設計、參數(shù)化模擬設計、特征模型模擬設計等等，到近些年來隨著互聯(lián)網的廣泛應用，此類設計軟件基3本結合了當今熱門的智能化、集成化等新關鍵詞進行開發(fā)軟件，進而發(fā)展為新的技術特點。進而 CAD 技術能夠具備更好地協(xié)同開發(fā)、簡化設計流程等優(yōu)點。CAM 行業(yè)一直處于并接軌于高精度機床編程、以更好地工藝進行工件的加工生產，盡可能的縮短工廠的生產效率，并通過軟件的編程基本減少了實際數(shù)控機床及加工中心的離線編程，使編程人員面對三維實際模型更好地更方便的編寫G 代碼程序 [6]。CAE 技術也在近幾年得到了廣泛的普及，對件及具結構進行有限元分析計算，進而得到鍛件在不同工作狀態(tài)下（溫度場）的位移和應力分布情況。最終是為模具的優(yōu)化設計和合理改進提供更有效的理論依據(jù) [6]。盡管說我國的 CAD/CAM/CAE 鉆研利用在近幾年來發(fā)展迅速，為此感到特別欣慰，然而相對于其他的工業(yè)比較發(fā)達的國家如日美韓德等國相比還有非常大的差距，此述的差距大體表現(xiàn)在這幾個方面：（1）我國的 CAD/CAM 的運用集成化程度相對較低，目前很多企業(yè)的運用仍然停留在畫圖、NC 編程等單項技能的利用上。（2）目前國內的 CAD/CAM 系統(tǒng)的軟、硬件均要依靠通過進口來獲得，而擁有自主版權的軟件相對比較少。（3）由于缺少設備運用和技術指導，很多公司盡管目前已經引進了 CAD/CAM 系統(tǒng)，但其使用功能卻沒能充分發(fā)揮出來。1.3 本課題研究內容此次設計是綜合了機械類常用的 CAD 設計軟件及 CAE 分析軟件進行的。SolidWorks 是位于美國馬薩諸塞州的達索公司（Dassault Systemes S.A）專門為了從事機械設計行業(yè)人員研發(fā)的視窗應用軟件，它擁有強大的非標設備設計功能及較為完善的模具分模一體化設計功能。本設計用該軟件進行鍛件的三維設計并且對其進行分模，以分出凸模具和凹模具，并用其他內嵌于 SolidWorks 的模具輔助外掛軟件設計模架、頂針、導向柱等模具必須零件。設計完長安汽車萬向節(jié)叉鍛件，將其導入 ANSYS Workbench 15.0 正確應用瞬態(tài)傳熱分析的初始條件進行溫度場及應力場分析。通過分析可以清晰看出鍛件在不同溫度下的應力分布及變化情況。為了方便工廠工人加工，用二維 CAD 軟件出模具總裝工程圖及凹模、凸模工程圖，方便實際組裝及加工。通過機械類多軟件綜合的設計分析充分發(fā)揮了CAD/CAE 在模具行業(yè)的應用。在設計過程中我走訪了某鍛件鍛造加工廠，親4臨了加工廠實際生產，跟工廠師傅交流了鍛造的工藝要求，也體驗了鍛造設備的使用，因而本設計充分貼近工廠生產之所需。由于我自己的學術水平有限，因此本論文難免存在學術方面的不妥之處，還請各位老師和同學們的批評指正。52 長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計2.1 零件結構分析先進行零件結構分析，所設計的零件為長安汽車萬向節(jié)叉如圖 2.1 所示，萬向節(jié)叉是叉形件。萬向節(jié)叉用在主動軸與從動軸中，用來控制兩者間的角度并進行動力傳遞。因其作為連接件，使被連接的零件間存在規(guī)定范圍內的角度變化，在整個汽車傳動結構中起著至關重要的作用，故萬向節(jié)叉需承受的扭轉矩較大剛度需求較高，同時其在實際工況中環(huán)境不同，有時需承受的載荷較大。主動軸將發(fā)動機傳來的轉矩通過萬向節(jié)叉?zhèn)鬟f給從動軸以輸出轉矩，在不平行情況下主要起連接主動軸和從動軸的作用。當然，萬向節(jié)叉這類零件應用范圍較為廣泛，不僅僅用在汽車傳動行業(yè)方向上，也用于機械行業(yè)非標件設計過程中，甚至民用傳動設備的生產制造過程中。大體上，可用于如下場所：兩軸不同心、兩軸間平行但不相交或空間平行且相交、兩軸的空間夾角在運動過程中經常變化等場所 [7]。分析長安汽車萬向節(jié)叉的整體形體尺寸及表面粗糙度等公差要求，容易看出：該零件整體體積較小，各種圓角較多，但圓角尺寸不大，形狀不是很復雜，因其是連接件，非傳動件，故其精度要求不高，但為了保證連接位置的精度配合要求，也需要通過鍛壓機如圖 2.2 所示，初鍛終鍛兩步鍛造成型。頂部頭端的設計較為麻煩，內孔需在終鍛后用加工中心繼續(xù)加工，并且在設計過程中需要考慮其脫膜的角度，防止不易脫膜及卡模等現(xiàn)象出現(xiàn)，包括初鍛及終鍛過程只能鍛造其大體形狀，末端的凹槽需要數(shù)控機床進行加工，在鍛造的過程中，因其材料內部分子聚集加強，使其組織更為緊密，碳化物分布及流線分布更為合理，故能夠提高鍛件整體熱處理性能及提高其強度及使用壽命。如果企業(yè)要求加工花鍵槽或者是滑槽，則按照實際工藝進行零件設計。按照工廠要求選取鍛件的材料為熱軋鋼 45 鋼，此材料擁有相對較好的金屬材料穩(wěn)定性，較高的強度，并方便后期機加工。具體該鍛件的工藝方案及材料相關屬性如下表及相關數(shù)據(jù)所述，零件預期設計的實物圖如圖 2.3 所示。6圖 2.1 長安汽車萬向節(jié)叉零件圖圖 2.2 鍛壓機實體圖7圖 2.3 萬向節(jié)叉的預期實物圖2.2 零件工藝分析2.2.1 零件材料選取 45 鋼，原因是 45 鋼的切削性能較好，幾乎沒有加工問題，所以加工中不需要采取特殊工藝措施。2.2.2 主要表面分析及技術要求外圓表面用于支撐該零件連接，兩個掛耳面和底面用于承受動力。技術要求是表面缺陷深度允許值為 0.5mm；熱處理是調質 HB230—260；表面清理是為了便于淬火裂紋的檢查,采用酸洗進行表面清理。2.2.3 零件特點盤類零件（ H≤ D ）在終鍛之前都要先進行預鍛，但包括預鍛和終鍛過程都在鍛壓機里完成。預鍛后沿原鍛料毛坯截面軸向剪裁制成模樣近乎鍛件的中間毛坯，從而保證鍛件進行最后的終鍛時使鍛件各處充分填充金屬并且有均勻毛邊，進而降低了模槽的磨損損耗，延長其使用壽命。82.3 計算坯料的質量與尺寸2.3.1 坯料質量的計算首先根據(jù)鍛件的形狀以及尺寸計算其鍛件質量，然后考慮到加熱時的表面氧化損失，切去熱邊還有去毛刺的質量，最后計算鍛件所用的坯料質量，其計算公式為：m毛切燒鍛坯 ??（燒損值 為 0.035）kg07.235.0?燒 ?98.13?v?鍛 kg.?切 160毛綜上，毛坯的質量為 2.377kg。2.3.2 坯料尺寸的計算計算毛坯在整個設計中起到了關鍵的作用，對于鍛件的結構特性，本文首先就選擇采用 45 熱軋鋼。所需毛坯具體參數(shù)選定如下：鍛件毛坯截面積： S 坯 = （1.02～1.05）S 均 =1.03×1841600=1841680mm2鍛件毛坯截面尺寸： A 坯 =60mm2 鍛件毛坯長度： L 坯 =V 坯 / S 坯 =147334400/1841680=80mm鍛件毛坯直徑： 根據(jù) A 坯 = (D/2 )2，得 D=75.3mm?2.4 模鍛壓力與切邊壓力的確定2.4.1 模鍛壓力確定 預鍛和終鍛的完成需要在熱模鍛壓力機內完成。其中對于終端成型壓力的確定可以有以下公式計算得出：鍛鍛鍛鍛 ）（）（ S?b2D01.0.-18P???（2.1）式中 P 鍛 為模鍛所需壓力,N；D 鍛 為平面圖為圓形的鍛件直徑,mm ；9σb 為金屬在終鍛溫度下的抗拉強度,N/mm 2 ；S 鍛 為分模面上鍛件的投影面積，mm 2；在本鍛件中，直徑 D 鍛 =124 mm；45 鋼的抗拉強度為 σb =600 N/mm2；S 鍛 =π D 鍛 /4=12070.16mm2?最終代入數(shù)據(jù)可以計算出所需要的鍛模壓力為 P 鍛 =11966.1KN最終選取的鍛模壓力機為 16000KN 規(guī)格的鍛模壓力機。2.4.2 切邊壓力的確定待終鍛完成后還需要對帶飛邊的鍛件進行切除，此過程需要在切邊壓力機上完成，選擇切板壓力機要根據(jù)相關切邊壓力選取的規(guī)則來選取，則切邊壓力計算的公式為：F 切 =1.7σbL(2.5t +B) （2.2）公式中: F 切 為切邊壓力,單位 N；σb 為在該溫度下材料抗拉強度，單位 N/ mm2 ；L 為鍛件分模線周長,單位 mm ； t 飛邊槽部厚度,單位 mm ；B 為零件高度方向的正偏差,單位 mm ；45 鋼的抗拉強度為 σb =600 N/mm2；鍛件的周長 L=423.34mm；飛邊槽部厚度 t=3.0 mm；B=1.0 mm。將以上數(shù)據(jù)帶入計算公式得到：切變壓力大小為 P 切 =1.7 600 423.34 （2.5 3+1）=3670.35KN，考慮到??實際情況選取切邊壓力機規(guī)格為 4500KN。2.5 鍛造工序的選擇其加工流程如下：下料→加熱→拔長→預鍛→終鍛→熱切邊→磨毛刺→熱處理→清除氧化皮→檢查鍛件質量。具體鍛造工藝流程如表 2.1 所示。表 2.1 長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝卡長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計材料代號 45GB－T699-1999工序號 工序和工步 工序（工步內容）與要求 設備名稱 工具名稱10相對于鍛模而言，其種類有很多，單純依據(jù)模膛數(shù)量分為單模膛模和多模膛模；根據(jù)鍛件的成形過程機理可分成閉式鍛模及開式鍛模；按照鍛件的加工工序又可分為制坯模、預鍛模、終鍛模、彎曲模等。按鍛件制造方式可分為團體模和組合模；很多企業(yè)中依照鍛造設備來區(qū)分鍛模種類，以此可分為胎模、錘鍛模、機鍛模、平鍛模、輥鍛模等。各種各樣的模鍛件滿足了機械行業(yè)非標準零件的需求，相應配套的模鍛件是完全處于凸凹模間進行鍛壓成型得到的。通過翻閱相關書籍、查閱相關互聯(lián)網資料，定義本設計的鍛件為普通鍛件，并且歸類于柱形鍛件。同時，萬向節(jié)叉鍛件一般是小規(guī)模同尺度批量生產，便于機械流程化、工藝流程化及自動生產化，本此畢業(yè)設計采用了開式單型槽熱模鍛，并且選用熱鍛模曲柄壓力機進行鍛模模鍛。通過上述圖紙分析及工藝流程的確定，我們可以進一步對其進行模具鍛模設計及后續(xù) CAE 分析并且可以進行圖紙設計。1 下料 冷剪切按“鍛件毛坯小料手 冊” 250t 剪床 切刀、卡 尺2 加熱 按 “鍛件毛坯加熱守則”爐溫 1250°C，料溫 1200°C 加熱爐3 拔長坯料的橫截面積逐漸縮小而長度逐漸增長的過程 3t 模鍛錘4 預鍛 先粗略鍛造，形成大體輪廓 3t 模鍛錘5 終鍛 自檢：表面缺陷、厚度尺 寸、錯差 3t 模鍛錘6 熱切邊 切邊溫度 T 500~1250℃?1.6t 壓力機 切邊模7 磨毛刺 要求殘留毛邊不大于 1mm 砂輪機 砂輪片8 熱處理 對模槽進行淬火、回火處 理 熱處理爐9 清除氧化皮 酸洗清理10 檢查鍛件質 量表面缺陷 尺寸200、100、16、61.8 錯差 殘留毛邊 重量卡尺、500 臺稱112.6 鍛前加熱、鍛后冷卻及熱處理要求的確定2.6.1 確定加熱方式，及鍛造溫度范圍本文前面已經確定了制造終鍛模的總體方案并且對鍛件進行了對應的有限元分析，得出了鍛件在不同溫度下的熱應力表現(xiàn)及溫度場分布。鍛造件在正式機加工之前都需要進行熱處理，以便利于機加工時切削，同時也是細化晶格消除內應力以延長鍛件的使用壽命。下面將對萬向節(jié)叉鍛件進行熱處理并依據(jù)要求進行設計。在整個鍛造的過程當中，鍛造毛坯料熱處理的目的是在鍛造時減小變形量、提高金屬塑性使液體金屬能更好的在模腔內流動成型，以使終鍛后的鍛件得到良好的金屬力學性能。金屬毛坯件的可以通過通電加熱或者燃料辦連續(xù)加熱爐加熱，本論文設計的鍛件是采用半連續(xù)加熱爐加熱。為了保證金屬在理論的鍛造溫度范圍里獲得更好的力學性能，查閱了相關熱處理資料，熱軋鋼 45#鋼是碳鋼且屬于含碳量在 0.42%—0.50%之間的中碳鋼，根據(jù)圖 4-1 可知設計選用鍛件的初始鍛造溫度為 1050℃，終鍛溫度為 850℃。其下表為常見金屬材質鍛造溫度：表 2.2 常見金屬材質鍛造溫度2.6.2 加熱時間及冷卻方式的確定這里所指的加熱時間是自毛坯進入加熱爐內加熱時到從加熱爐取出的整個過程所消耗的時間，它包含整個過程的升溫和保溫兩個過程。 加熱時間是整12個坯料裝爐后從最先加熱到出爐所需的時間，包括加熱整個階段的升溫時間和保溫時間。加熱時間可以按照 計算，其中 D 表示毛坯的直徑（cm ），???表示 45 鋼的金屬化學影響系數(shù)，一般取值為 0.11（h/cm ）。?模具熱疲勞會導致疲勞失效，這種失效現(xiàn)象尤其體現(xiàn)在凸凹模成型面上，甚至會順著裂紋逐漸擴大，模具經過反復的受熱受冷刺激后其內部多少會有些疲勞變形。為了盡量避免模具生產后的疲勞破壞等問題，這里需要必須保證其熱處理工藝，好比在壓鑄之前模具本身務必要進行充分的高溫加熱，并盡量做到保持一定的高溫；根據(jù)實際生產需要，常規(guī)的冷卻的方式有氣冷、水冷、爐內冷卻等方式，其中爐內冷卻因隔絕空氣使其冷卻速度最慢，這里我們選擇常規(guī)的在空氣中冷卻。2.7 小結本章主要內容是對零件結構分析、零件工藝分析、坯料的質量與尺寸計算、模鍛壓力與切邊壓力的確定、鍛造工藝的選擇、鍛前加熱、鍛后冷卻及熱處理要求的確定，通過對這些內容的學習，有利于后續(xù)鍛模的設計。133 長安汽車萬向節(jié)叉鍛模設計3.1 鍛件鍛?？傮w設計方案的確定了解了零件的屬性及材料，我們現(xiàn)在可以選擇合適的鍛模方式設計該鍛件的模具，鍛模設計的步驟如下：（1）用三維設計軟件 SolidWorks，根據(jù)所給二維圖紙的尺寸要求相應畫出終鍛件模型，將規(guī)定位置的圓角倒好，同時最重要的是注意選擇適合的拔模斜度，使其順利出模。（2）根據(jù)鍛件的精度、形狀及工廠的實際生產條件確定好模具分型面、分型線及加工余量公差，借助于軟件的評估功能，查看鍛件體積 V0 和鍛件質量m0，再查閱相關資料制定較為完善的鍛造參數(shù)，如分型面周邊長度 L0 等參數(shù)。（3）開始分模，插入切削分割，進而使模具生成型心和型腔塊（又稱凸模凹模）。根據(jù)之前生成的三個曲面實體： 一個型心曲面實體、一個型腔曲面實體、以及一個分型面實體。運用切削分割命令生成鍛件的模具及相同零件的多個實例，但本設計要求一模具一產品，因此生成了一個實例。（4）查閱鍛造設計手冊，考慮飛邊槽充滿參數(shù)、鍛壓力噸位、鍛件質量設計終鍛模膛，著重設計飛邊槽及鉗口（5）原材料規(guī)格按照制坯模膛的要求給出，下料毛坯形狀大小依據(jù)坯料總體積和加熱中的消耗及工藝余塊，料夾頭等方面確定。（6）本設計中的萬向節(jié)叉其結構不復雜，為了節(jié)約工時，因此只需在鍛模型槽中一次鍛壓成形即可，即不考慮預鍛制坯工序，只要求終鍛這一工步即可。（7）將鍛件導入 Workbench 15.0 進行分析鍛件的溫度場模擬，分析在不同的鍛造溫度下及環(huán)境外界溫度下，鍛件的溫度場的分布情況，以及鍛件的應力分布情況，進而用 SolidWorks 完善鍛模裝配總圖（8）繪制出二維 CAD 圖紙，制定相應的說明書。143.2 鍛模的設計3.2.1 確定鍛件的分型面及分型線終鍛件在凸凹模間的型槽中擠壓成型，且凸凹模具的接觸面（又稱成型面）將其稱為分型面（分模面）。人們通常把終鍛件與分型面的交線稱為分型線。分模的關鍵就是要首先確定此鍛件的分型面及分型線，確定好后才可以進行下一步，這是最為基礎的一步，且必須準確無誤判斷出相應位置。分型面的制定原則根據(jù)脫模過程是否容易脫模、成型面是否完好、平衡側的壓力情況、承受力的一面受壓情況及強度、盡量簡化鍛造工藝等條件進行確定 [8]。同樣分型線也有其自身的確定規(guī)則，分型線盡量平直并且與分型面盡可能在一個平面內。在折分型線確定時，用兩個或兩個以上不同平面的分型面與鍛件相交形成的分型線作為折分型線，將同時含直線及曲線的分型線稱為彎曲分型線。更為重要的是判斷分型線是否合適時，需要考慮鍛件的脫膜過程、制造成本及后續(xù)毛坯料利用率等方面考量。選擇合適的分型線的同時，還應滿足其分型線有利于鍛件外形美觀，即流線型外觀較好，對于高度較高的鍛件，應選擇盡量靠近中間部位，這樣能夠保證鍛件不發(fā)生錯模現(xiàn)象。此外還應該考慮鍛件的非加工面，對于加工面應該盡量減少孔洞及槽的機加工余量 [9]。鍛件分模線是否適合，關系到鍛件質量精度、鍛造時操作的復雜性、模具鍛造的合理程度和材料利用率高低等一系列問題。為了進一步確保鍛出的鍛件質量精度要求、保證生產過程的穩(wěn)定性和獲得最低的鍛造成本，在符合上述選取分模原則的基礎上，對開式模鍛確定分模線位置時還應考慮到以下幾個因素的影響：（1）在鍛件的高寬比大于 1 的方向上選擇分模位置時，應盡可能選取中間位置，作為分模線，這樣才能確保鍛件自由出模，對金屬沖填型槽也是有益的，同時還便于發(fā)現(xiàn)錯?，F(xiàn)象，及時修改，確保鍛件質量；（2）有利于鍛件取得良好的流線方向；（3）對圓筒類鍛件（H≤D），應取徑向分模的方法，而取軸向分模則不適宜；（4）應有利于鍛出零件的非加工表面且?guī)в休^少的毛邊余量，對加工表面15也應盡可能削減鍛件凹槽、孔以及圓角等的機械加工余量；根據(jù)本論文所涉及的鍛件來說，綜合上述分型理論及其鍛件形狀獨特性制定的分型線如圖 3-1 所示：圖 3.1 長安汽車萬向節(jié)叉終鍛件分型線3.2.2 制定鍛件的機加工余量及公差鍛件在終鍛過程中會因溫度高下成型使其自身表面氧化、粗糙不平，因此在需要鍛造后機加工的部位一定要流出足夠的加工余量，這對于連接件的后續(xù)應用極為重要 [10]。當然加工余量主要由機加工設備的加工精度及鍛件質量等屬性確定。為了得到零件的質量屬性，需要首先定義其材質，定義好后，再在SolidWorks 軟件中在建模模塊中點擊質量屬性按鍵，使軟件自動估算鍛件質量，得到該萬向節(jié)叉的質量屬性如圖 3-3 所示。圖 3.3 鍛件質量屬性依照工廠的實際加工條件及鍛件的用途，進行半精密級（用于普通模鍛或半精鍛工藝鍛壓）鍛造，制定主要工作表面粗糙度為 Ra=6.2 確定該零件的m?精度屬于一般級。鍛造過程鍛件會因根據(jù)鍛造溫度或模具損耗量產生誤差，故16要考慮鍛造的工藝及加熱方法等因素。選擇該鍛件類屬于低碳低合金含量鋼的45 熱軋鋼。外輪廓包容體質量為 1.1 千克。則按照鍛件形狀復雜系數(shù) S 是鍛件質量 Mf 與對應的鍛件外廓包容體質量 MN 之比，即：S=M f / MN=0.76（其中 Mf為 3.8kg，MN 為 5kg ），計算鍛件的形狀復雜系數(shù) S。 根據(jù) S 值的大小，鍛件形狀復雜系數(shù)分為 4 級：S1 級（簡單）： 0.63,doi.doi:10.1007/s11740 - 013 - 0478 - y.[14] Tofil A, Tomczak J, Pater Z (2013) Cross 楔橫軋與 up- setting.拱形金屬板牙.doi:10.2478 /一個 mm - 2013 - 0150[15] 巴特尼克 J, Pater Z, Gontarz A, Tomczak J(2014)創(chuàng)新金屬成型技術.J 馬赫Eng 14:5-16.[16] 邁耶姆、斯頓姆、貝倫斯巴(2015)楔橫軋和雙向鍛造曲軸預制。生產工程師- ing，研發(fā).施普林格- 柏林 9:61 - 71.[17] 李 L;王菲(2014)在封閉模鍛、材料研究創(chuàng)新中，利用分式設計與壁面之間的間隙設計，在柏林 18(1):81-83.[18] 朗格尼·J· 斯頓姆，巴倫斯·巴倫(2015)實驗研究: 在材料流動和觸發(fā)力、生產工程、研發(fā)、施普林格 Verlag 9(3): 289-297 的材料流動和影響方面的變化.[19] Langner J, Stonis M, Behrens BA(2016)在熱鍛件中可移動的閃光間隙的研究 .我的工作流程是技術的.[20] 阿坦·T, Vazquez V(1996)在批量金屬成形中的工具和工藝設計的數(shù)值過程模擬，CIRP 編年史-制造技術， Elsevier Ltd, 45(2): 599-615.[21] 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