转向摇臂轴的锻造工艺及模具设计

1、 河北工程大学 毕业设计说明书转向摇臂轴的锻造工艺及模具设计目录1. 锻件图的设计2. 确定锻锤吨位3. 确定毛边槽形式和尺寸4. 绘制计算毛坯图5. 制坯工步选择6. 确定坯料尺寸7. 制坯型槽尺寸8. 锻模型槽设计9、锻前加热、锻后冷却及热处理要求10、参考文献第一章 综述 锻造的根本目的是活的所欲形状和尺寸的锻件，同时其性能和组织要符合一定的技术要求。它是在一定的温度条件下，用工具或模具对坯料施加外力，是金属发生塑性流动，从而使坯料发生提及的转移和形状的变化，获得所需要的锻件。 锻件可分为自由锻，模锻和特殊成型方法三大类：自由锻是在锻锤或压力机上使用简单或通用的模具是坯料变形获得所需形状

2、和性能的锻件。它适用于单件或小批量生产。模锻事在锻锤压力机上使用专门的模具是坯料在模膛中成型获得所需形状和尺寸的锻件。它适用于成批或大批量生产，按照变形情况的不同，有区分为开式模锻，闭式模锻，挤压和体积精压等，特殊成形的方法通常用专用设备，使用专门的工具或模具使坯料成形，获得所需的形状和尺寸的锻件，它适用于产品的专业化生产。目前，生产中采用的特殊成型方法有电墩，辊轧，旋转锻造，摆动碾压，多向模锻和超塑性锻造等。 平锻机属于曲柄压力机类设备，所以它具有热模锻压力机模锻的一切特点，如行程固定，滑块工作速度与位移保持严格的运动学关系，锻件高度方向尺寸稳定性好；震动小，不需要庞大的设备基础；可用组合式

3、、镶块式锻模。平锻机上模锻的工艺特点1、平锻机上模锻的优缺点模锻锤的锤头、热模锻压力机的滑块都是上、下往复运动的，但它们的装模空间高度有限，因此，不能锻造很长的锻件。如果长锻件仅局部镦粗，而其较长的杆部不须变形，则可将棒料水平放置在平锻机上，以局部变形的方式锻出粗大部分。平锻机有两个工作部分，即主滑块和夹紧滑块。其中，主滑块作水平运动，而夹紧滑块的运动方向随平锻机种类而变。垂直分模平锻机的夹紧滑块作水平运动，水平分模平锻机的夹紧滑块作上、下运动。装于平锻机主滑块上的模具称为凸模（或冲头），装于夹紧滑块上的模具称为活动凹模，另一半凹模固定在机身上，因此称为固定凹模。所以，平锻模有两个分模面，一个

4、在冲头和凹模之间，另一个在两块凹模之间。平锻工艺的实质就是用可分的凹模将坯料的一部分夹紧，而用冲头将坯料的另一部分镦粗、成形和冲孔，最后锻出锻件。在平锻机上不仅能锻出局部粗大的长杆件，而且可以锻出带盲孔的短轴类锻件，还可以对坯料进行卡细、切断、弯曲与压扁等工序，同时还能用管坯模锻。因此，在平锻机上可以模锻形状复杂的锻件。（1）平锻机上模锻的优点在平锻机上模锻与其它设备上模锻相比具有以下优点：1）能锻造热模锻压力机和模锻锤所不能锻造的具有通孔或长杆类锻件。2）因为大部分采用闭式模锻没有飞边，在凹模中成形的锻件外壁不需要模锻斜度，并能直接锻出通孔，因此能节约大量金属，如图11.1所示。（a）锤模锻

5、件 （b）平锻件 平锻机模锻时节约金属的实例3）对于形状简单、重量不大的锻件，可用长棒料进行多件模锻，可以节省下料工时和减轻劳动量。4）平锻机结构刚性好，工作时振动小，滑块行程准确，行程不变，锻件精度高。5）便于采用电感应加热和机械传送装置，使坯料自动地在模槽内移动，容易实现机械化和自动化操作，改善劳动条件。6）平锻时冲击力小，设备基础小，厂房造价低；同时平锻时振动和噪音小，劳动条件较好。7）易于和模锻锤、热模锻压力机进行联合模锻。（2）平锻机上模锻的缺点平锻机上模锻存在以下缺点：1）平锻机造价高，设备投资较高。2）平锻时氧化皮不易清除，平锻前需清除氧化皮或采用少无氧化加热。3）要求棒料尺寸精

6、确，否则将产生难以清除的毛刺或不能夹紧棒料。4）对非回转体、中心不对称锻件，较难锻造，适应性较差。5）锻造同类大小的零件，平锻机生产效率比模锻锤要低。6）平锻孔类锻件时，剩余料头较多，应该考虑充分利用，否则会使材料消耗大。2、 垂直分模和水平分模平锻工艺的比较在水平分模平锻机上，两块凹模的分模面是水平的。由于水平分模平锻机在设备结构上的特点，反映在模锻工艺和操作上有如下特点：（1）垂直分模平锻机的夹紧力大约是主滑块镦锻力的2530%，而水平分模平锻机的夹紧力是镦锻力的1.01.3倍。由于夹紧力大，可以提高锻件精度，可利用夹紧滑块作为模锻变形机构，扩大了应用范围。（2）机床刚度大，有些水平分模平

7、锻机采用了夹紧连杆，夹紧时机身封闭，对提高锻件精度有利。（3）设有凹模夹紧度的调节装置，调整迅速方便。（4）模锻时，坯料沿水平方向传送，较易实现机械化和自动化。（5）不易清除落在凹模上的氧化皮，因此坯料加热质量要高。（6）安装和调整模具不如在垂直分模平锻机上方便。转向摇臂轴模锻 设计方案及参数： 大批量生产 其他参数见下图第二章模锻件图设计转向摇臂轴是复合类件，对零件的整体形状尺寸，表面粗糙度进行分析，此零件的材料为45钢，材料性能稳定。锻件的外形是锻件分类的依据。因为外形直接决定了模锻工艺的特点，为了便于平锻工艺和模具设计，将锻件分成四类，见表。表 锻件的分类分类平锻件实例局部镦粗类锻件 孔

8、类锻件 管类锻件联合锻造锻件 锤上模锻制坯 + 平锻机上模锻成形的锻件 平锻机上制坯 + 锤上模锻成形的锻件 平锻机上制坯 + 扩孔机上成形的锻件该零件在平锻机上模锻，该模锻件属于顶镦类锻件具有透孔的锻件，属于表42中第三类第1组，具有粗大部分的杆形锻件。粗大部分可以位于杆的端部或中间，其截面可为圆形或非圆形，对称或非对称。锻件杆部不变形，保留着原坯料截面形状与尺寸，故主要以局部镦粗方法使锻件成型。其在平锻机上的基本工步为：积聚 镦头 压扁 弯曲 终锻 切边2.1 绘制锻件图的过程 锻件图设计：平锻工艺和锤上模锻一样，锻件图设计是很重要的一个环节。但由于平锻机结构上的特点，平锻件设计主要解决分

9、模面位置、余量公差模锻斜度、圆角半径等四个问题。2.1.1 确定分模位置确定分模面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。使锻件容易从锻模型槽中取出，因此锻件的侧表面不得有内凹的形状，并且使模膛的宽度大而深度小。锻件分模位置应选在具有最大水平投影尺寸的位置上。应使飞边能切除干净，不至产生飞刺。对金属流线有要求的锻件，应保证锻件有最好的纤维分布。根据零件形状，该锻件其的凹模两半凹模间的分模面确定在该锻件纵轴剖面上；该锻件采用开式模锻。2.1.2 确定公差和加工余量 查得45钢的密度为：。估算锻件的体积为445.86cm³，则锻件质量约为。零件材料为45钢，即材质系数为。根据

10、零件外形尺寸和设备吨位按下表选取。使用此表时，应根据下列情况作适当修正。（1）零件加工表面粗糙度参数时，增加余量0.5mm；时，可减少余量0.5mm。（2）对局部镦粗类锻件，杆部采用粗（精）磨加工时，仅须留磨加工量0.50.75mm，这时可选用冷拔钢，且杆部台肩应增加余块。表11-2 锻件余量和公差 （mm） （a） （b）（c）设备规格（KN）3150450063008000125001600020000尺寸DHDHDHDH余量1.52.01.251.751.752.51.52.252.03.01.752.752.253.52.03.25公差正偏差1.01.51.01.51.01.751.0

11、2.01.02.01.52.51.52.51.53.0负偏差0.51.00.51.00.51.00.51.51.01.51.01.51.01.51.01.5注：1、表中所列值为单边余量； 2、孔和凹挡的尺寸，其公差取偏差相反的符号。2.1.3 模锻斜度 为了保证冲头在机器回程时，锻件内孔不被冲头“拉毛”，内孔中应有模锻斜度，其值按H/d选定，见表1：H/d11-55/mm1010-2020-30/15-30/1530-1º/301º30 /1º5º-7º7º-10º10º-12º由表计算该锻件的模锻斜度：

12、H/d=160/42 =3.8所以其/选择 30-1º/30； 取常用模锻斜度为1º。2.1.4 圆角半径 在凹模中成形的部分：外圆角半径 r=（+）/2+（mm） =7mm内圆角半径 R=0.2+0.1（mm） =0.2×58+0.1 =11.7mm在冲头中成形的部分：外圆角半径 r=0.1H+1.0（mm） =0.1×27.5+1.0 =3.75mm内圆角半径 R=0.2H+1.0（mm） =0.2×27.5+1.0 =6.5mm第三章平锻机吨位 首先计算锻件终锻时的锻造压力。查图表3图表3奥穆科平锻机镦锻力图表该略计算公式 P=57.5K

13、F =9500KNF-包括毛边在内的锻件最大投影面积（cm ²）；K-钢种系数，对于中碳钢和低合金钢，去K=1；对于高碳钢及中碳合金钢，取K=1.15；对高合金钢，取K=1.3。 凹模体的宽度 B=1060mm查阅参考资料选用12500KN水平分模平锻机。第四章确定毛边槽形式和尺寸选用图1毛边槽形式I，其尺寸按表确定；选定毛边槽尺寸为 =1.6mm,=4mm，b=8mm=25mm，=2mm， =100。 图1毛边槽形式 3、 制坯工步选择及计算平锻机上的基本工步为：积聚 镦头 压扁 弯曲 终锻 切边。 下图为工部图计算工步 镦粗长度的热尺寸l=1.015lB=1.015×1

14、80=182.7mm 锻锻热体积V锻=1.015³×242210mm³=253274mm³ 根据计算，该零件仅55两法兰之外的切面之间的体积需要聚集，而锻件其余成形部分的体积，坯料直径42本身就足够，不需要聚集。为此，该锻件采用聚集，压扁，弯曲，终锻，切边。 第一工部（聚集）：凸模内的锥形，聚集55两法兰之外切面之间的体积，凹模内的锥形是为了把在弯曲工布内层坯料压缩产生接缝挤入飞变。变形工布图表示没有设置锥形63×40时，弯曲工序在杆部和锥体剧烈过度产生金属流动的会合，该会合处在终锻时形成折纹。 设计计算： 取椎体小端面直径dK=44mm， 椎

15、体大端直径DK=Kdo=1.5×42mm=63mm式中 K-椎体大端直径允许增大系数，查下图锥形模膛聚集限制曲线，由镦粗比=4.3，得 K=1.5； Do-坯料直径，取do=42mm。 为了把弯曲时内层坯料压缩产生的接缝挤入飞边,经实验需设计后的椎体63×40,42.6(靠近杆端)。 由体积不变条件，计算前椎体的长度l1：V1=/4do2lo=/4×42.62×（59×40）=27067mm³V2=/12（do2+doDk+Dk2）l =/12×（42.62+42.6×63+632）×40 =88740m

16、m³V3=/12（dk2+dkDk+Dk2）l1=/12×（442+44×63+632）l1=2273l1 V1+V2+V3=VKo 27067+88740+2273l1=253274×1.08式中V-变形部分的镦锻热体积。V=253274mm³； K -模膛不充满系数，去K=1.08。l1=70mm。第二工部（镦头）：其形状要保证俩个55法兰能充满，又使产生的飞边体积为最小，经实验，其尺寸以80×35为宜。并且在头部和杆部之间有一个和第一工布相同的椎体（42.6，63×40）。第三工步（压扁）：压扁是为弯曲和终锻成形作好制

17、坯准备，否则，弯曲时不易定位和头部坯料分配不均，影响金属流动。 压扁后，法兰两侧厚度为42mm，中间为36mm，保证终锻时俩个法兰有足够的坯料，并且是镦粗成形。金属没有倒流，因而保证两个法兰充满良好，又使产生的飞边均匀且较小。 另外，为了不要在压扁后的坯料上留下压痕，压扁坯料呈2º的斜度，即压扁模最小开口为36mm，最大开口为44mm，为坯料直径为42.6，所以压扁后的坯料上无压痕。如有压痕就要在锻件上产生折纹。第四工布（弯曲）：用安装在夹紧上的活动凹模内的压弯凸模将坯料弯曲成100º（因锻件根部拐弯角度为100º）。压弯点要确保锻件杆长161mm，若压弯点小于1

18、61mm，终锻后，锻件杆长也小于161mm，锻件不合格。若压弯点大于161mm，终锻时，坯料往锻件杆部镦挤。在锻件拐弯部位要产生折纹。第五工步（终锻）：弯曲后将锻件放入终锻模膛，进行终锻，产生飞边厚度约为3.95.9。第六工步（切边）：切去横向飞边，获得所需要的锻件。 5、确定坯料尺寸坯料的体积V坯， V坯=（V锻+V飞）（1+） =（445860+22489）（1+0.015）=475374.235cm³ V锻-锻件体积 V飞-飞边体积 -坯料加热时的烧损率具有粗大部分的杆类锻件，尽量选取棒料直径do等于锻件杆部直径，以减少机械加工量。故do=42mm。镦粗长度：lB=180mm。

19、镦粗比： =4.3。下料长度： L=340mm。6、平锻机上模锻的模锻结构一、平锻模的固定及固定空间平锻机上的模具可分为三部分：冲头（凸模）、固定凹模、活动凹模。如下图：1-调节斜楔； 2，5-压板； 3-夹持器； 4-凹模； 6-键；7，8，9，10，11，12-螺钉。冲头通过夹持器3固定在主滑块的凹槽里，它的后面紧靠在调节斜楔1上。斜楔1通过螺钉11的转动上下升降，进行调节模具的前后闭合长度。夹持器的前后、垂直方向的固定，是通过压板和螺钉（2，9，10，12）紧固的，而左右方向则靠夹持器的侧面与凹槽侧面的配合使之受到限制，从而保证夹持器在三个方向上得以紧固。根据平锻工步数量的不同，冲头夹持

20、器分为三、四、五个型槽几种。根据冲头固定部分的形状，常用的冲头夹持器有两种形式：大中型平锻机广泛采用压盖-螺钉固定式；小型平锻机多用轴头式。在工厂，冲头夹持器列为通用标准件，按实际需要选用。如上图所示，凹模4分别安装在固定凹模座和活动凹模座上，前后方向由键6保证，左右、上下方向通过压板5和螺钉7，8压牢。当两半凹模处于夹紧状态和冲头施压时，由于凹模体在凹模座中有足够的支承面，凹模不会发生移动。当冲头回程时，由于有固定键6的作用，凹模体也不会出现被拖动的现象。至于活动凹模，在回程时因拔模力不大，仍牢固地固定在活动凹模座上，实践证明，这种方法简单而可靠。二、模具设计1、终锻模膛设计终锻模膛的形状和

21、尺寸取决于热锻件图，如图11.22所示。（a）闭式平锻（b）开式平锻（用前挡板定位）（c）开式平锻（用后挡板定位）图11.22 终锻模膛设计（1）凹模直径1）闭式平锻闭式平锻时，取： （mm）2）开式平锻开式平锻，用前挡板定位时，由于定料较准，飞边较小，取： （mm）式中： 为飞边宽度（mm），见表11-8。表11-8 飞边尺寸 （mm）20208080160160260260360588121216162020251.21.51.52.52.53.53.54.54.04.5开式平锻，用后挡板定位时，由于定料欠准，飞边可能较大，所以取： （mm）（2）凸模直径凸模直径，取： （mm）式中： 为

22、凸、凹模间的间隙（mm），见表11-9。表11-9 凸、凹模间隙 （mm）平锻机公称力（KN）225050004500315063008000900010000120001250016000200000.20.250.30.350.40.50.75（3）凸模长度按凸、凹模封闭长度计算确定。闭式平锻时，凸模长度保证锻件厚度；开式平锻时，凸模长度保证飞边厚度。2、预锻模膛设计预锻模膛的形状和尺寸按预锻工步图设计，设计方案可参考终锻模膛。3、积聚模膛设计积聚模膛设计应遵循以下原则：（1）设计依据是积聚工步图的锥体尺寸、，如图11.23所示。（a）顶锻锥体（b）工作前状态（c）工作完毕状态图11.23

23、 积聚工步凸、凹模结构（2）凸模在工作时不应撞击凹模，应该在模具封闭时二者保持一定的顶面间隙，见表11-10。表11-10 凸模与凹模的顶面间隙 平锻机公称力（KN）（mm）第一次积聚第一次积聚第一次积聚12000795638000574350003532225034.522（3）凸模外径应保证凸模强度，按下式计算： （mm）（4）凹模直径按下式计算： （mm）式中： 为凸、凹模之间的径向间隙（mm），见表11-11。表11-11 凸模与凹模的径向间隙平锻机公称力（KN）（mm）第一次积聚第一次积聚第一次积聚125000.70.60.4800090000.60.50.4450063000.60

24、.40.3225031500.50.40.3（5）积聚开始时，凸模进入凹模导程1525mm，可增加积聚的稳定性。（6）在凸模模膛底部开出气孔。（7）为储存平锻脱落的氧化皮，以免被压入锻件形成凹坑，在凹模模膛内开设有氧化皮槽，其尺寸为：4、夹紧模膛设计夹紧模膛有两种形式，一种为平滑式夹紧模膛，另一种为带筋条式夹紧模膛。（1）平滑式夹紧模膛平滑式夹紧模膛制造简单，因为在锻件杆部没有压痕，所以用于杆部质量要求高的锻件，锻造时一般使用后挡板。平滑式夹紧模膛的长度用下式计算： （mm）式中： 为系数，见表11-12；为坯料直径（mm）。表11-12 系数值坯料直径（mm）1019202830485065

25、70951001309553.83.83.33.32.82.82.52.72.4模膛的横截面呈椭圆形，是由两个偏心的圆弧组成的，值取决于坯料直径，见表11-13。（2）带筋条式夹紧模膛带筋条式夹紧模膛，如图11.24所示，适用于平锻孔类锻件或对杆部要求不高的杆类锻件。由于筋条的作用，模膛的夹紧长度可以缩短，减少料头损失。但是，模膛内不带筋条部分的截面仍然为椭圆形。表11-13 平滑式夹紧模膛其他尺寸 （mm）坯料直径1019202830384048505860657075808590950.20.30.40.50.60.70.80.91.033345668811.51.522.5333.53.

26、5 锻前加热锻后冷却及热处理要求的确定 （1）确定加热方式，及锻造温度范围 在锻造生产中，金属坯料锻前加热的目的：提高金属塑性，降低变形抗力，即增加金属的可塑性，从而使金属易于流动成型，并使锻件获得良好的组织和力学性能。金属坯料的加热方法，按所采用的加热源不同，可分为燃料加热和电加热两大类。根据锻件的形状，材质和体积，采用半连续炉加热。 金属的锻造温度范围是指开始锻造温度（始锻温度）和金属锻造温度（终端温度）之间的一段温度区间。确定锻造温度的原则是，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望的组织和性能。查有关资料确定锻件的始段锻温度为1180度，终

27、端温度为800度。 （2）确定加热时间 加热时间是坯料装炉后从开始加热到出炉所需的时间，包括加热个阶段的升温时间和保温时间。在半连续炉中加热，加热时间可按下式计算： t=aD=0.13×10=1.3(h) 式中 D坯料直径或厚度，10cm； a刚化学成分影响系数，取0.13（h/cm）（3）确定冷却方式及规模 按冷却速度的不用，锻件的冷却方法有三种：在空气中冷却，冷却速度快；在灰沙中冷却，冷却速度较慢；在炉内冷却，冷却速度最慢。根据锻件形状以及体积大小及锻造温度的影响，选择在空气中冷却。（4） 确定锻后热处理方式及要求 锻件在机加工前后均进行热处理，其目的是调整锻件的硬度，以利锻件进

28、行切削加工，消除锻件内应力，细化晶粒等。根据锻件的含碳量及锻件的形状大小，采用在连续热处理炉中，调制处理。可使锻件获得良好的综合力性能。 摇臂轴加工中易出现的质量问题解决措施8.1 磨削烧伤 摇臂轴轴颈部分采用成型砂轮切入式磨削，由于端面和过度圆角处散热条件差，易产生表面烧伤，其烧伤形式有回火烧伤，二次淬火烧伤及退火烧伤。 磨削时，磨削表面在高温作用下将会产生氧化膜，所形成的氧化膜是不稳定，不连续的，与集体结合不牢固，有空隙和裂纹且易脱落。使得外界腐蚀介质很容易进入基体，引起腐蚀和氧化，是材料的抗腐蚀性和抗疲劳性强度大大下降。 一般来说，我们采用如下措施来减少并消除磨削烧伤： 一、正确选择砂轮 再砂轮的选择上，采用不易粘付磨削，因为不易堵塞砂轮，磨刃锋利的磨料；在能保证表面质量的前提下，尽量选用粒度大的一些；采用组织较疏松的大气泡砂轮；砂轮 的硬度可稍微低些。这样可以减少摩擦、 所以正确的采用砂轮是减少磨削烧伤的有效措施。 2 合理的选择磨削用量 在条件允许的情况下，一般适当的减小进给量和磨削深度；增大工件的速度来减少烧伤。三。增强冷却效果 可以在冷却液中加入适当的活性添加剂，这样可以减少摩擦系数，减少热量的产生；另一个就是采用双向二次挡风板，可以阻挡住高速砂轮表层浮着的高速气流，并顺利导出，使切削区形成局部瞬时真空，喷住的冷却液被