材料成型基础20120401

1、材料成形基础宁波工程学院周志斌2012.04.01第五节 锻模结构的设计校正模设计校正模设计确确定定模模锻锻工工序序工工艺艺流流程程（一）模锻工艺方案的选择原原 则：则：技术可行性；技术可行性； 经济合理性。经济合理性。模锻工步模锻工步(工艺流程图工艺流程图) ： 先备先备 料、制料、制 坯，坯， 后预锻和终锻，后预锻和终锻， 最终热处理、最终热处理、 校正、清理和校正、清理和 检验。检验。备备 料料加加 热热制制 坯坯加热加热模模 锻锻切边切边 冲切孔内连皮冲切孔内连皮热处理热处理表面清理表面清理最终检验最终检验冷精压冷精压冷校正冷校正工工序序间间检检验验清除氧化皮清除氧化皮去毛刺去毛刺 热

2、校正热校正一、一、工艺过程的制定工艺过程的制定工艺流程图工艺流程图模锻工艺与锻模设计内容：模锻工艺与锻模设计内容： 1、产品工艺分析；、产品工艺分析； 2、绘制模锻件图、绘制模锻件图 (冷锻件图冷锻件图)； 3、确定模锻工序；、确定模锻工序； 4、编制工艺流程；、编制工艺流程； 5、填写工艺卡；、填写工艺卡； 6、锻模设计、锻模设计 （据热锻件图）。（据热锻件图）。二、 模锻方法单件模锻：单件模锻： 一个坯料一个坯料锻一件，一般用于锻一件，一般用于较大锻件的锻造较大锻件的锻造。调头模锻调头模锻 ：锻制锻制锻件重锻件重 23 kg ，长度长度 350mm 。一模多件一模多件 ：一锻模内一次一锻模

3、内一次23锻件，锻件，重量重量0.5 kg、长度、长度80mm 一一 模模 多多 件件调调 头头 模模 锻锻多多 件件 合合 锻锻（二 ） 模锻模膛设计 1、模膛尺寸计算模膛尺寸计算 热锻件图依据热锻件图依据冷锻件图绘制。冷锻件图绘制。 热锻件图上尺寸比冷锻热锻件图上尺寸比冷锻件图中尺寸加大一个收缩率，件图中尺寸加大一个收缩率，即即 %)1 ( lL 一、终锻模膛设计一、终锻模膛设计式中：式中：终锻温度下的终锻温度下的 合金收缩率。合金收缩率。 钢为钢为 1.21.5。 从分模面起始标注模膛从分模面起始标注模膛高度尺寸。高度尺寸。终锻终锻预锻模预锻模2、飞边槽设计 开式模锻中的终锻模膛开式模锻

4、中的终锻模膛由模膛本部和飞边槽两部由模膛本部和飞边槽两部分组成。分组成。 一般只有终锻模膛设计一般只有终锻模膛设计有飞边槽。有飞边槽。 但对于一些复杂锻件，但对于一些复杂锻件，预锻模膛也采用飞边槽。预锻模膛也采用飞边槽。 1） 飞边槽作用产生足够大的横向阻产生足够大的横向阻 力，促使模膛充满。力，促使模膛充满。 热模锻压力机上模膛热模锻压力机上模膛 内横向阻力不太大。内横向阻力不太大。 容纳坯料上的多余金容纳坯料上的多余金 属，起补偿与调节作属，起补偿与调节作 用。用。 对锤类设备还有缓冲对锤类设备还有缓冲 作用。作用。 模锻过程示意模锻过程示意 a）镦镦 粗粗 b）形成飞边形成飞边c）充满模

5、膛）充满模膛 d）打靠合模）打靠合模2）飞边槽结构形式与尺寸3 ）钳口设计）钳口设计 主要为终锻模膛和主要为终锻模膛和预锻模膛沿分模面上下预锻模膛沿分模面上下局部加工装配成的特制局部加工装配成的特制凹腔，作为钳夹操作空凹腔，作为钳夹操作空间。间。 三种：三种： 形式形式飞边在上模膛内聚集，飞边在上模膛内聚集，常用。常用。 形式形式桥部在下模膛内。桥部在下模膛内。 形式形式用于形状复杂件。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、 模膛的宽与高模膛的宽与高 预锻模膛的高度应比终锻模膛大预锻模膛的高度应比终锻模膛大25mm，宽度应小，宽度应小 12mm。一般不设飞边槽。一

6、般不设飞边槽。 2、 模锻斜度模锻斜度 预锻、终锻模膛的斜度相同。预锻、终锻模膛的斜度相同。 3、 圆角半径：圆角半径：比终锻模膛大一个系数比终锻模膛大一个系数 c （ C=25mm ; 模深大，取上模深大，取上限）限） 即cRR 例如对带工字形断面的锻件，如各种连杆锻件，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。如右图根据肋的相对高度来设计预锻模膛。如右图 ： 当当 h2b 时，时，B= B （23 ）mm ; 当当 h2b 时，时，B= B （12 ）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。制坯工步是从坯料到预锻或直

7、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。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、弯曲和扭转等包括镦粗、拔长、卡压、滚挤、弯曲和扭转等一、一、 圆饼类锻件圆饼类锻件 采用镦粗制坯或成形镦粗制坯。采用镦粗制坯或成形镦粗制坯。 轮毂较矮轮毂较矮毛坯尺寸满足：毛坯尺寸满足： D1D镦镦D2轮毂较高轮毂较高毛坯尺寸满足：毛坯尺寸满足：（D1D2）/2D镦镦D2轮毂高，凸缘大轮毂高，凸缘大有内孔，采用成形镦粗有内孔，采用成形镦粗毛坯尺寸满足：毛坯尺寸满足：H1 H1，D1D1，dd二、二、 长轴类锻件长轴类锻件1、长轴类锻件的制坯工步、长轴类锻件的制坯工步

8、主要采用拔长主要采用拔长(或辊锻或辊锻)、滚挤、滚挤、弯曲、卡压、局部成形等制坯工步。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。后再经过预锻和终锻等工步成形。 1) 直长轴线形直长轴线形 用拔长、滚挤、卡压用拔长、滚挤、卡压 或辊锻或辊锻工步工步等制成中间毛坯。等制成中间毛坯。 技术要点：技术要点： 中间毛坯长度中间毛坯长度=终锻模膛长度；终锻模膛长度； 沿轴线毛坯的每一横截面积沿轴线毛坯的每一横截面积 相应处锻件截面积相应处锻件截面积 飞边截面积。飞边截面积。辊辊 锻锻2）弯曲轴线形）弯曲轴线形 图中为汽车前梁，是一个弯曲图中为汽车前梁，是一个弯曲锻件。锻件。 除了辊锻

9、或拔长、滚挤、除了辊锻或拔长、滚挤、卡压等制坯工步外，还必须加一道卡压等制坯工步外，还必须加一道弯曲工步才能得到弯曲轴线。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。后再经过预锻和终锻等工步成形。辊辊锻锻弯弯曲曲预预锻锻终终锻锻这是一个弯曲手柄的制坯工步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) 叉形件叉形件 需增加预锻劈叉工步，需增加预锻劈叉工步，形成叉形部分。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） 计算毛坯图计算毛坯图 (1) 依据依据 假定假定长轴类锻件在长轴类锻件在模锻时模锻时为平面应变状态，计算

10、毛坯的为平面应变状态，计算毛坯的长度与锻件长度相等。长度与锻件长度相等。则：则： 轴向各横截面积轴向各横截面积 A计计 =相应处锻件横截面积相应处锻件横截面积 A锻锻 +飞边横截面积飞边横截面积 A飞飞 ，即：即：飞锻计AAA2 式中式中充满系数。充满系数。 对于形状简单的锻件取对于形状简单的锻件取 0.30.5； 对于形状简单的锻件对于形状简单的锻件复杂的取复杂的取 0.50.8。 （2）“计算毛坯计算毛坯”的作图的作图步骤：步骤： 绘制冷锻件图；绘制冷锻件图； 在锻件图上选取若干具在锻件图上选取若干具有代表性的截面，分别计算有代表性的截面，分别计算出出 A计计 ； 求出各相关截面的折算求出

11、各相关截面的折算高度高度 h计计 ，即用缩尺比即用缩尺比 M 除除 以以A计计 ，得：，得：（通常取（通常取M=35mm2/mm）MAh/计计 将将折算高度折算高度 h计计 等比例沿轴向画出等比例沿轴向画出锻件截面积分布图。锻件截面积分布图。 （3）计算毛坯直径图计算毛坯直径图计计计计Ad13. 1 计算毛坯图（中图）上每计算毛坯图（中图）上每一一折算高度折算高度 h计计 表示该轴类锻件表示该轴类锻件相关处的相关处的截面积。截面积。 可以将曲可以将曲线线下的整个面积下的整个面积看成是看成是计算毛坯的体积。计算毛坯的体积。 即即 V计计 = M A计计 由此，由此， 计算毛坯上任一处的计算毛坯上

12、任一处的直径直径 d计计为：为： 右图为完整的计算毛坯图右图为完整的计算毛坯图,包括锻件图、截面图和直径图。包括锻件图、截面图和直径图。(1) 平均截面积与平均直径平均截面积与平均直径 (2) 确定计算毛坯的头部和杆部确定计算毛坯的头部和杆部 2 ) 坯料规格尺寸计算坯料规格尺寸计算 长轴类锻件的平均截面积与平均直径，用如下公式计算：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：平均截面积：均均Ad13. 1平均直径（图中虚线所示）平均直径（图中虚线所示） ：MAh均均; 平均截面平均截面折算高度：折算高度： 均计dd 杆部：杆部：均计dd 头部：头部： (3) 几

13、项繁重系数的计算 金属流入头部的繁重系数金属流入头部的繁重系数 ： 金属沿轴向流动的繁重系数金属沿轴向流动的繁重系数： 杆部斜率杆部斜率 K ： 锻件重量锻件重量 G 。 均ddmax计拐LminddK=L件件 / d均均上列式中：上列式中： dmax 计算毛坯的最大直径；计算毛坯的最大直径； dmin 计算毛坯的最小直径；计算毛坯的最小直径； d拐拐 杆部与头部交接处的直径：杆部与头部交接处的直径：说明：说明： 值越大，流向头部的金属体积越多；值越大，流向头部的金属体积越多； 值越大，金属沿轴向流动的距离越长；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，小头和杆部值越大，

14、表明杆部锥度大，小头和杆部金属过剩；金属过剩； G 值越大，制坯难度加大。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长轴类锻件可根据计算出的繁重系数在右示经算出的繁重系数在右示经验图表中查出制坯工序的验图表中查出制坯工序的初步方案，再依据生产试初步方案，再依据生产试验修改确定。验修改确定。图中：图中：不不表示无需制坯工序；表示无需制坯工序；卡卡需卡压制坯；需卡压制坯；开开需开式滚挤制坯；需开式滚挤制坯；闭闭需开式滚挤制坯。需开式滚挤制坯。坯料截面积坯料截面积 ： A 坯坯 = k A均均 ； k = 1.021.2 由由 A坯坯 求

15、出坯料直径求出坯料直径 D 或方坯边长或方坯边长 a 或或 b 。 坯料长度：坯料长度： %1连飞件坯VVVV钳坯坯坯LSVL 坯料体积按下式计算：坯料体积按下式计算： 式中：式中：加热烧损率，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一、镦粗台与压扁台的设计 镦粗台适用于圆饼类锻件镦粗台适用于圆饼类锻件。 压扁台适用于近似矩形锻件压扁台适用于近似矩形锻件的设计。的设计。 镦粗台高度：镦粗台高度：h = V / （D2/4）式中式中 D 镦粗后毛坯直径，镦粗后毛坯直径，mm； 二、拔长模膛设计 有关模膛设有关模膛设计参数，依据计参数，依据计算毛

16、坯尺寸计算毛坯尺寸考虑。详见设考虑。详见设计参考资料。计参考资料。 拔长模膛用来减小坯料断面拔长模膛用来减小坯料断面积，增加其长度，兼有清除氧化积，增加其长度，兼有清除氧化皮的作用。皮的作用。拔拔长长模模膛膛开开 式式拔长模膛拔长模膛闭闭 式式拔长模膛拔长模膛三、滚挤模膛设计 滚挤模膛用于减小坯料局部断面积，滚挤模膛用于减小坯料局部断面积，增大另一部分断面积，兼有清除氧化皮增大另一部分断面积，兼有清除氧化皮和滚光作用。和滚光作用。 滚挤模膛有开式、闭式、滚挤模膛有开式、闭式、和非对称滚挤模膛三种结构和非对称滚挤模膛三种结构形式。常用后两种结构。形式。常用后两种结构。滚滚挤挤模模膛膛非对称滚挤模

17、膛非对称滚挤模膛闭式滚挤模膛闭式滚挤模膛 滚挤模膛设计主要是确定模膛滚挤模膛设计主要是确定模膛高度高度 h 、宽度、宽度B 等尺寸。等尺寸。 其结构尺寸其结构尺寸滚挤时金属流动情况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、镶块常用锻模有整体式、镶块式两种。模具块、镶块常用 5CrNiMo、4Cr5MoSiV（H11）、）、4Cr5MoSiV（H13）等热作模具钢加工成。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整体模具块、镶块一般用楔铁和燕尾槽安装在模架上。上。一、锻模合理结构的两个基本点1、锻模上无预锻模膛时，锻模上无预锻模膛时， 终锻

18、模膛中心应与锻模终锻模膛中心应与锻模 中心重合。中心重合。 锻模中心为锻模燕尾槽锻模中心为锻模燕尾槽 中心线与键槽中心线的中心线与键槽中心线的 交点。交点。2、有预锻模膛时，应把预、有预锻模膛时，应把预 锻模膛和终锻模膛分别锻模膛和终锻模膛分别 设置在锻模中心两旁。设置在锻模中心两旁。a/b1/2或或 a 1/3 L 二、热模锻压力机上锻模结构设计1、工步及工步图设计、工步及工步图设计 1）终锻工步设计）终锻工步设计 主要内容是绘制热锻件图和确定主要内容是绘制热锻件图和确定飞飞边槽形式与尺寸。边槽形式与尺寸。 飞边槽主要起排泄和容纳多余金属飞边槽主要起排泄和容纳多余金属作用。作用。 充填模膛的

19、阻力作用相对次要。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。模面间保留一定间隙，不发生碰撞。 间隙大小根据间隙大小根据飞边槽高度而定。2）预锻工步设计预锻工步设计 预锻工步图根据预锻工步图根据设计。总的原则是使预锻后的设计。总的原则是使预锻后的坯料尽可能以镦粗方式进行。坯料尽可能以镦粗方式进行。 1、预锻工步图高度比预锻工步图高度比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压板紧固式模板结构 1）多采用多采用结构。用压板紧固。结构。用压板紧固。 上下模上下模与模座间加与模座间加淬火垫板。淬火垫板。 用导柱、导

20、套导向用导柱、导套导向，立于模座一侧。立于模座一侧。 下模中心处有顶料装下模中心处有顶料装置。置。2）模具闭合高度 H H = 2（h1h2h3） hn 满足满足 ：H = A0.5 a 式中式中 H 压机最小压机最小闭合高度；闭合高度； a 压机工作台最大调节高度。压机工作台最大调节高度。3）模壁厚度）模壁厚度 t，s t =（11.5）h 40 mm。 s （0.35 0.65）h 式中式中 h 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）推杆、顶料装置顶飞边顶飞边顶锻件顶锻件顶冲孔连皮顶冲孔连皮正确正确不正确不正确杠杆、托板三顶料

21、装置杠杆、托板三顶料装置（六） 切边与冲孔模设计一、功能：一、功能：切除飞边与切除飞边与 冲孔连皮。冲孔连皮。二、结构：二、结构： 1、切边：凸模推压；、切边：凸模推压； 凹模刃口剪切。凹模刃口剪切。 2、冲孔：凹模支承；、冲孔：凹模支承； 凸模刃口剪切。凸模刃口剪切。三、间隙：三、间隙： 凸、凹模间保留一凸、凹模间保留一 定间隙。定间隙。（七） 锻模设计实例汽车连杆的锻模设计汽车连杆的锻模设计 技术条件技术条件 1、模锻斜度、模锻斜度7； 2、表面不应有未充满、表面不应有未充满、 分层、裂纹、毛刺、分层、裂纹、毛刺、 氧化皮及腐蚀现象；氧化皮及腐蚀现象； 3、硬度、硬度207241HBS；

22、4、流线方向与连杆外廓、流线方向与连杆外廓、 形状相符合；形状相符合； 5、金相组织应为均匀的、金相组织应为均匀的 细晶结构。细晶结构。 材材 料料 40 钢钢 零零 件件 连连 杆杆连杆零件图连杆零件图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。这是连杆零件的连杆零件的冷模锻件图。图中表示出： 1）分模面位置：分模面位置：取水平投影面积最大的中心平面为取水平投影面积最大的中心平面为分模面。分模面。 2）公差、加工余量的确定：公差、加工余量的确定： 锻件锻件重重 1.44 kg ； 材质系数材质系数 M1 （40钢）；钢）； 锻件形状复杂系数锻件形状复杂系数 S =

23、m锻锻/m 廓廓 = 0.19，定为定为 S3 级，级， 为比较复杂的为比较复杂的锻件锻件。 查表得查表得 ：h (+1.4，-1.6) ； L (+1.9，-0.9) ； B (+1.5，-0.7) 3）加工精度加工精度 为为F 2 级，取单边余量级，取单边余量 2mm。 4）圆角半径：圆角半径：叉内叉内3mm，其余，其余1.5mm。 5) 技术条件：技术条件：按零件图上要求保证。按零件图上要求保证。2、计算锻件主要参数、计算锻件主要参数 包括在分模面上的投影面积、周边长度、体积和重包括在分模面上的投影面积、周边长度、体积和重量，即：量，即： 1) 投影面积投影面积 8000 mm2 ； 2

24、) 周边长度周边长度 680 mm ； 3) 体体 积积 184000 mm3 ； 4) 重重 量量 1.44 kg 。 3、确定锻造设备的吨位、确定锻造设备的吨位 按经验公式计算并选用。按经验公式计算并选用。 按形状复杂系数按形状复杂系数 S3 级取级取k1=7.0， 按材质按材质 M1 级取级取k2=1.0 计算，计算， 有有 F=7.01.0A=7.01.0236000=1652Kg 。4、飞边槽的形式和尺寸、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。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、终锻模膛设计 根据锻件图增加根据锻件图增加 1.5 的收缩率绘制热锻件图。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。预锻模模膛。预锻模膛在叉部采用了劈料台。膛在叉部采用了劈料台。 7、绘制计算毛坯图、绘制计算毛坯图 选取选取13个截面个截面 ，计算计算 A锻锻，和边长，和边长 a计计 ( )或直径或直径d计计( )，绘出连杆截面图和绘出连杆截面图和计算毛坯图。计算毛坯图。 计计Sa计计Sd13. 18、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、确定坯料尺寸确定坯料尺寸 计算