小半壳件精锻成形分析及其模具设计

1、图书分类号：密 级：毕业设计(论文)小半壳件精锻成形分析及其模具设计DESIGN AND ANALYSIS OF PRECISION FORGING DIE HALF SHELL 学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习

2、期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日目 录摘要.Abstract.1 绪论.1 1.1 引言 .1 1.2 精锻的成型技术及应用.1 1.3 模具在生产中的地位.2 1.4 CAD/CAE技术的介绍及在模具生产中的发展.2 1.4.1 cad的介绍. .2 1.4.2 CAD技术的发

3、展历史.3 1.4.3 CAE技术的发展过程.3 1.4.4 CAD/CAE技术在模具设计中的发展和应用.4 2小半壳件的工艺分析.5 2.1 平面零件图.5 工艺分析.6 2.2.2 毛坯的选择.63 模具的设计.63.1 压力机的选择.63.2 小半壳件的三维造型.7 3.3.1 模具设计的总体要求.9 小半壳件模具总装配图.11 3.3.3 小半壳件模具装配三维图.124 小半壳件的精锻成形分析.13 4.1 引言. .13 4.2 有限元分析的优点.13 4.3 成形过程中发生的缺陷及拔模问题 .14 4.4 模具寿命问题.14 4.5 deform3D成形分析.15结论19致谢20参

4、考文献21摘要 传统的处理主要集中在加工和一般普通锻造，但零件使用需求的增加和金属加工行业的发展，现有技术的精度和效率,已逐渐不能满足零件加工的需要，本文结合实际生产，讨论了加工精密锻造零件的形式。精密锻造技术，一方面生产效率比原来提高了很多，另一方面生产出的产品质量也高了很多，并且毛坯的消耗也变小了。还都可以降低产品成本,提高产品的竞争力。模具设计和模具制造为基础,合理的设计是正确的模具制造的基本保证。精密模具制造技术改善模具的发展,质量,并缩短模具的制造周期具有重要的意义,模具的寿命、质量、制造精度和合格率在很大程度上取决于模具材料及热处理过程。 模具制造的精度取决于模具工作部分的精度；模

5、具的使用寿命和制造模具的材料和材料的热处理方法、模具自身的结构及加工材料等很多因素息息相关；模具的安装与使用直接关系到模具的使用性能和安全；然后模具标准化后模具设计的基础,是最重要的一个元素的大型、专业生产模具,模具标准化水平的高低是模具工业发展水平的标志外壳是机器的基本组成部分，它的质量对整个机器的性能影响非常明显。外壳精密冲压件,虽有相对规则的外部形状,但小精度要求相对较高,然而,地区分布结构紧凑,和内部组件之间的交互配合；外壳应该能够承受的力量,因此需要确保合理的工艺方案和模具结构 本课题研究的主要内容是通过对小半壳件进行工艺分析，并结合三维绘图软件UG进行模具的三维装配图及零件图的设计

6、，通过DEFORM-3D软件对对精锻成形过程进行CAE分析。关键词： 模具;精锻;工艺Abstract Traditional processing mainly on machining and the common forging in general， But with the increase of the using demand of the parts and the development of metalworking industry，Existing technology both from the precision and efficiency, has been g

7、radually cannot meet the needs of parts processing，In this paper combining with actual production , this paper discusses , in the form of precision forging processing parts .For precision forging , on the one hand , can greatly improve production efficiency，On the other hand , can produce high quali

8、ty product ，and reduces the consumption of blank . Both can reduce the productcost . Mold design is the foundation which the mold makes, the reasonable correct design is correctly makes the mold the guaran

9、tee; The mold manufacture technology development to improves the mold quality, the precision as well as reduces makes mold the cycle to have the vital significance; The&#

10、160;mold quality, the service life, the manufacture precision and the qualified rate are decided in the very great degree to makes the mold the material and the heat

11、 treatment craft;  The mold  work components precision decides the work-piece the precision; The mold life with the mold material and the heat treatment, the mold st

12、ructure as well as processes the manufacture material related and so on many factors; The mold installment and the use directly relates the mold the operational performan

13、ce and the security; But the mold standardization is the mold design and the manufacture foundation, to large-scale, the specialized production mold has the extremely vital

14、60;role, the mold standardization degree height is the mold industrial development level symbol 。The shell is an the basic component of machine, the impact of whose quality is very obvious to the performance of the entire earphone. Alt

15、hough generally having regular profile, the shell as a precision stamping part, has small dimensions and calls for high accuracy, the distribution of whose structure , is close. Because it should be fitted with the inner structure and bore some external forces, thus its very important to design a re

16、asonable process and die structure to ensure that.The main content of this topic research for through the small half shell parts for process analysis, Combined with 3 d drawing software UG mold design of 3 d assembly drawing and part drawing, By DEFORM 3 d software for precision forging forming proc

17、ess for CAE analysis Keywords: mold design；precision forging；Craft1 绪论1.1 引言 所谓的传统加工就是指机加工和普通锻造，但是随着对零件的使用要求的提高以及机加工行业的发展，现有的技术不论从精度还是效率上来讲都已渐渐不能满足零件加工的需求，在此本文结合生产实际，论述以精密锻造的方式来加工一种零件。对于精密锻造，一方面生产效率相对传统加工有了大幅度的提升，另一方面成型出的产品相比传统加工质量也提高了许多，并且降低了毛坯的消耗。两方面都能使产品成本降低，还提高了产品的竞争力。最近十年，锻压工艺突破了毛坯生产的范畴，许多

18、冷锻成形工件已经可以被工人轻松地制造出来，这些工件的表面质量相对于传统加工出来的好，可以减小加工余量，提高工件的尺寸精度。这样就可以很大程度上的提高材料的利用率，工件要切割的部分减少，使金属纤维沿产品轮廓分布，从而零件的承载能力得以增加。1.2精锻的成型技术及应用 精密锻造成形技术按照不同的特点可以分为不同的种类,按照成形所需的温度可以分为:高温锻造成形、介质温度锻造成形、室温锻造成形、超塑性等温精密锻造成形。根据金属的变形流动可分为:开放、封闭、半封闭精密锻造成形。根据应变率可分为:一般情况下,低速,高速精密锻造成型,等。但在生产实践中,人们习惯于把精密锻造成形工艺分为:冷精密锻造成形工艺、

19、热锻成型工艺,温暖的精密锻造成型工艺,复合成型工艺,双动的锻造(块锻造)等温锻造成形工艺和分流锻造成形工艺,等等。 不加热冷精密锻造成形的金属材料直接锻造叫做冷锻,主要包括冷挤压和冷镦精密冷锻过程在室温下是一个锻造的过程。 热精锻成形工艺源于20世纪50年代的德国，主要是指精锻成形时的结晶温度高于再结晶温度的精密锻造成形工艺，热精锻时由于温度太高致使材料发生变形抗力低、塑性好容易成形形状比较复杂的锻件。然而,由于强烈的高温氧化,导致锻造可怜的表面质量和尺寸精度低。 热锻精密成形技术是在1960年代到70年代开发精密锻造成形技术。在一个合适的温度低于再结晶温度的精密锻造成形技术。最好的锻造温度选

20、金属塑性变形显著增加。显著减少变形阻力,他们都有很强的氧化。温暖的精密锻造热锻和冷锻之间,它冲破了冷锻成形变形阻力大,形状的部分不能太复杂,需要增加中产一步热处理和表面处理行业的局限性,并克服由于强烈氧化的影响在热锻和较低的表面质量和尺寸精度的问题。把不同种类的锻造加工方法和其他金属成形的方法相结合起来,或者把铸造粉末冶金和锻造加工方法相结合的方法叫复合精密锻造成形，这种成形方法也叫复合塑性成形工艺。模具塑性流动和变形的金属在外力的作用下,以获得所需的形状尺寸和性能的零件加工方法等温锻造技术开始于1960年代由美国芝加哥ITT研究所主要指倾向于恒温的坯模锻成形的精密锻造成形技术。 在此，根据小

21、半壳件的零件特点，选择热锻成形。 是世界上最先进的一种精密锻造成形技术有一种叫闭塞锻造成形工艺，它是通过一个或两个穿孔封闭模单向或双向双动挤压金属成形,，获得无飞边的近净形精锻件的成形工艺。 分流锻造技术的关键就是在成形模具的某个部分中创建一个物料导流腔或分流河道,以确保材料充填效果良好的锻造成形过程 科学和技术的发展!制造业的进步,使锻造产品和精度的要求越来越高。此外,相对于其他进程!锻件锻造过程本身成本低,生产周期短,减少环境污染和新技术的开发和应用各种锻造,使越来越多的复杂的加工和生产精密产品锻造。不可或缺的钟表,例如,在小齿轮,螺旋伞齿轮的复杂形状等。 精密锻造技术是一种将毛坯精化，将

22、计算好的毛坯加工成需要的精密成品零件；也可以生产精密模锻零件，这样一来切削加工步骤就减少了，但是零件的某些部分的切削加工还是不可缺少的。1.3 模具在生产中的地位 什么叫模具？能够产生出需要的形状和尺寸要求的零件的一种模型工具叫模具。任何物品都可以用模具做出。模具怎么制造呢？首先通过模具设计人员根据产品零件的使用需求进行模具结构设计,绘制图纸再由技术熟练的工人,根据图纸要求通过各种机械加工,就是通过车床,刨床,铣床,磨床等使模具上的每个部件都能按照设计要求组装和调试,这样才能生产出想要的合格的产品，所以模具工人需要掌握很多很全面的知识和技能储备，模具合格，产品质量才能有保证，只有模具结构合理，

23、高这样工厂生产效率效益才会好。 模具在工业生产中的作用:首先,不得不说，制造业的基本组成部分就是模具产业,工业产品批量生产和新产品开发是分不开的模具,模具生产的四个高(模具生产复杂性高、模具生产一致性高、模具生产精度高、模具制造生产率高和耗材少、耗量低)，模具行业在制造业的地位越来越重要。第二,可以这么说，日常生活中见到的物品大部分都需要用模具成形。所以如果设计出来的模具精度达不到要求,那么产品质量就达不到标准,同时模具的寿命也就低了,产品制造的成本也就提高了。现代模具行业已经具有两个特点，技术密集和资本密集,所以高新技术和模具之间已经相互依赖,一方面模具已经是高新技术产业服务化不可缺少的工具

24、,另一方面模具行业本身就是一个高新技术行业,所以说模具制造技术已经是高新技术中的一个重要组成部分。快速成形模具零件,高品质、低消费、环保反映可持续发展的国家战略和科学发展观。最后,根据国外统计数据显示,模具工业的发展可以推动相关产业发展是1:10的比例,也就是说花1亿元在模具技术开发上,那么就可以推动模具相关产业100亿元的产出。在20世纪初期,我国模具产业的产量就有610亿元。所以说，发展模具工业就是发展我国的国名经济。 模具是现代工业,比如是在汽车行业、拖拉机行业、航空行业、广播和点机行业、电器、仪器、仪表、日常必需品等行业,如工业工艺设备必要的。锻造、冲压、压铸、粉末冶金零件和非金属部件

25、，模具制造技术的发展也有很大的影响,产品升级和产品竞争力。所以说模具行业对国民经济来说是非常重要的。过去几十年,美国、日本、德国等众多发达国家就十分重视模具产业。工业产品的生产和开发十分依赖于模具产业的发展。美国工业认为“模具制造美国工业的基石”,在日本,模具被誉为“富裕社会”的动力,在德意志联邦共和国,模具被称为“金属加工业的皇帝”;在罗马尼亚,“模具是金”。可见在模具行业在世界经济发展具有极其重要的地位。衡量国家的制造水平的高低，主要就是看模具产业的发展程度。 模具工业是国民经济的基础工业,是一个高技术产业。衡量一个国家制造行业水平的高低主要是看模具设计和制造技术水平是否已经达到一定高度。

26、模具设计与制造专业人才的短缺在制造业。1.4 CAD/CAE技术的介绍及在模具生产中的发展 cad的介绍 CAD是早期英语计算机辅助绘图(计算机辅助绘图),随着计算机硬件和软件技术的发展,人们发现简单使用计算机图形已经不能称之为计算机辅助设计技术,真正的设计是产品的设计,它包括了功能设计过程、产品设计过程、结构分析过程、加工和制造等过程。二维工程图设计只是模具设计中的一小部分,然后通过CAD计算机辅助绘图的、计算机辅助设计不再仅仅是原来计算机辅助绘图的意思,现在是整个产品的辅助设计的意思。 CAE、CAM的基础就是CAD。CAD可以为CAE中的单个零件或者整个工件的有限元分析或者某个机器的运动

27、分析进行造型和装配。在零件或者部件只要有一点点改变，CAE、CAM和PDM中的产品都会产生相应的反应。 CAE计算机辅助工程的简称，如今社会随着计算机行业飞速发展，关于产品的数字样机可以在两个不同的企业之间建立起来，与此同时，还需要对工件的加工工况同时进行检查，保证有良好的工况。还得开展产品的工程校验。有限元分析和软件仿真模拟等一系列步骤。但是，运用计算机上的各种软件的CAE功能对产品进行仿真模拟只有在工件设计阶段才可以进行，以此来确定产品的相关参数，这样的话产品设计过程中的缺陷就能暴露出来及时进行修改，可以优化产品设计，并且很大程度的降低成本价格。然后在产品的维护阶段，就能分析产品故障，质量

28、是否合格等问题。有限元分析功能是CAE中运用最多的功能，有限元分析的原理很简单，就是把一个整体拆分成很多个小部分的集合就是将产品（即连续的求解域）分成有限个的单元的组合，这些单元的集合加起来就等于原来的产品，从而就可以把一个整体的问题分解成若干个离散的小问题，我们对每一个小集合进行分析就能得出整个零件在加工中出现的问题，比较接近真实情况。 随着社会科学的发展，日常生活所用的产品的需求也要较为提高。其中，对工业产品和家用小家电的要求最高。所以说，对日常产品的模具设计也相对提高许多。因为模具就是一种典型的技术密集型产品的代表,为了在设计图上表达出设计的意图，模具设计师必须花大量的时间来设计三维的模

29、具,推杆的结构和滑块设计也需要大量时间。目前,CAD / CAE的发展,模具设计人员进行模具设计的时候会方便很多。特别是近些年来,模具的CAD / CAE技术进步的特别的快,扩大应用范围,经济效益也得到了显著的提高。 CAD技术的发展历史 （1）在1950年代末到70年代初,这一时间段被为cad发展的初级阶段,阶段线框建模技术。 （2）在1970年代初到80年代初,这一阶段被称为第一个CAD技术革命表面(表面)阶段的建模技术。  （3）在1980年代初到80年代,这个阶段称为CAD技术的第二次革命,坚实的建模。 （4）在1980年代中期到90年代初,这个时间段称为cad发展的第三次技

30、术革命,被称为参数化的CAD技术。参数化cad设计是使用几何上的 约束或者运用工程方程和定义产品模型的形状特征之间的关系,这是在各种功能不同的约束形式 ,设计一组相似的形状或功能设计。现在可以处理几何约束的几何实体类型基本上是由产品形式工程标称尺寸和大小之间的关系之间的关系,因此,技术参数也被称为驱动几何尺寸。 （5）自1990年代初以来,这一阶段被称为第四CAD技术革命,也就是变分技术的发展。变分设计就是通过求解一组约束方程,从而就能确定产品的尺寸和形状。改变约束,修改驱动约束方程的结果。变分参数化技术不仅保持原有的优势,（譬如工件特征、全部尺寸的约束,所有相关的数据、尺寸驱动设计的变化,等

31、等),并克服它的许多缺点,解决固体表面的问题等)。 CAE技术的发展过程 （1）在20世纪60 70年代CAE技术处于探索阶段,有限元结构分析技术主要是针对发展中CAE中存在的问题,为了解决航空航天技术的发展过程中遇到的各种各样的模拟实验和分析问题。  （2）20世纪70 80年代的繁荣时期大量的机械和软件出现了CAE技术,产品的设计和利用主要运用在硬件平台和速度匹配,计算精度,计算机内存和磁盘空间利用率的有效使用,和有限元分析技术领域的结构并且在现场分析获得了巨大的成功。  （3）CAE技术是在1990年代逐渐成熟,专业CAD开发的软件软件界面增强后处理能力之前和之后的有

32、了很大的提高。目前,将相关软件的CAE模块与CAD模块集成,运用CAD技术的特点完成装配和制造,有限元网格就会自动生成，产品的力学和运动学的相关计算也能完成,如果计算结果不满足设计要求那就重新从第一步开始进行分析计算,直到满足要求,设计水平得到了很大的提高。 1.4.4 CAD/CAE技术在模具设计中的发展和利用 传统模具设计是一个概念设计。目前，计算机技术飞速发转,随着相关软件的出现，CAD / CAE技术也就被应用在模具设计中。传统的模具设计理念和设计方法慢慢被完全取代,这种技术使在实际运用模具生产产品之前就已经通过计算机应用软件进行了精确的结构设计、分析和成形过程的模拟实验。 

33、CAD/CAE技术和模具结构设计  模具设计应用相应的CAD软件,根据要求实现的功能,外观和结构的要求,设计素描的第一步,然后生成相应的实体,然后进行子装配和大会,模腔的模拟过程,检查的干扰,进行真实的呈现。整个设计过程也可以从上到下进行修改,工艺参数根据要求随意改变,可以设置参 数之间的相关性。 （1）草图设计 草图重建技术在模具设计中有着不可替代的地位。目前，三维软件中的草图重建模块技术发展已经相当成熟,草图重建技术就是设计工人使用2 d或3 d软件设计草图，这就是模具设计的关键部分。就目前而言，草图的重建技术已经算相当成熟了。 （2）随着人们对产品质量和美观性要求不断

34、的提高,表面特征的设计的要求也随之提高了。表面特征设计合理了，那么产品就有很大的优势。在产品外观设计、表面特征设计成为模具设计的一个重要组成部分。当前CAD行业出现了一群喜欢EDS UG、Pro /工程师PTC和一系列优秀的CAD软件,和他们的3 d实体建模、参数化建模和复杂的建模技术、实体结合面建模方法和自由形式的特征技术为模具设计提供了一个强大的工具。  （3）变量装配设计技术 运用变量装配设计的技术来设计建造模具的方法主要有概念设计、自底向上和自顶向下的方法三种设计方法。自底向上的方法是设计一个详细的零件,然后组装产品。和自上而下的第一,产品外观和功能的想法一级一级来

35、区分的产品在整个形状零件,组件,是底层的部分。然而在模具中,由于一些模具结构非常复杂,所以只有当模具设计采用自顶向下的设计方法时,变量装配设计才可以支持自顶向下设计。变量装配设计的设计理念是设计变量和设计变量限制记录,表达,沟通和解决冲突,为了满足设计要求,使每个阶段的设计(主要部分设计)产品特性和设计意图的基础上,和所有的工作都是在的。   （4）真实感技术  现实技术是CAD软件的应用程序本身也呈现技术,设计,考虑到模型的颜色和材料属性,在不同的外部条件下(如。光),观察模型的外观是否达到最初设想的美观性。“呈现”等模块的AUTOCAD和UG重“VI

36、SUALIZATICN”命令,等等 2小半壳件的工艺分析2.1平面零件图 外壳是机器的一个重要组成部分,主要作用是支持机器内部结构,机器的内部结构的稳定性。金属外壳使机器不仅外形美观,有足够的刚度。结合使用的特性和材料的特点,只要分析流程和计算保证正确了,保证加工工艺和模具结构的合理性,这样就能保证需要的工件的质量,同时提高模具和机器的使用寿命,生产效率自然而然就提高了,降低生产成本,从而可以创建一个良好的生产效率。这个设计的主要任务是:研究壳成形过程,通过过程分析和计算,并结合数值模拟方法,确定合理的技术路线和模具结构,与2 维或3 维设计软件设计外壳，画出成型模具，本次设计就是对工件进行了

37、详细的工艺分析，运用锻造代替切削加工的工艺方法来成形需要的产品。模具的结构简单，生产效率高，成本低廉，产品质量稳定，操作简单。小半壳件的二维图如图3.1所示。图3.1 小半壳件的二维图2.2.1工艺分析 该零件为小半壳件，零件材料为45号钢，他的调质硬度大概在在HRC20HRC30之间；45钢淬火硬度要求大概在HRC5558左右,最大值可以达到HRC62左右；因为45号钢必须进行时效处理,才能使钢的性能稳定下来，所以在使用之前，必须先放置半个月左右的时间， 实际上最高硬度可以为HRC55（高频淬火HRC58）。45号钢是很好的碳素结构用钢，所以它的硬度不是很高，容易进行切削加工。由于45号钢的

38、这个特点，所以模具中常用来做模板，梢子，导柱等产品。但是，在使用之前须热处理。 在淬火后回火之前工序钱，材料的硬度就大于HRC55（最高时候可达HRC62），为合格的产品。实际应用的最高硬度为HRC55（高频淬火HRC58）。 45号钢的主要成分包括了C,Si,Mn,P,S,Cr,Ni,Cu等。碳的含量与零件的区服强度和拉伸强度成正比，降低零件塑性，使得零件的冲压性能更加恶化，特别是当特素体出现在临界的时候，对冲印压的影响更坏。 45号钢的热处理方法 45号钢各个热处理阶段的温度为：正火850摄氏度，淬火840摄氏度，回火600摄氏度。 渗碳处理一般重载零件要求表面必须耐磨、芯部必须耐冲击，重

39、型零件的耐磨性往往比调质+表面淬火过的工件还要高出许多。重型零件的表面含碳量约为0.8%到1.2左右，而芯部的含碳量一般在0.1%到0.25左右（特殊情况下采用0.35%）。但是对零件进行特殊热处理后，表面硬度可以达到HRC5862左右，芯部具有硬度低，耐冲击的特点。如果将进行45号钢渗碳处理，淬火后比原来的脆的马氏体将会出现在零件芯部，硬度降低，工件将失去可用性。采用渗碳工艺的材料，含碳量不算太高，到芯部0.30%的含碳量强度在现实中并不多见。0.35%这种比例现实中是不可能有的，除了在教科书中可以看见，现实生活中几乎找不到。可以采用调质+高频表面淬火的工艺，耐磨性较渗碳略差。 由UG上的零

40、件图可知，零件的体积为 V=2033402.2720MM3 该零件材料为45号钢，属于小半壳件，所以可以直接采用热精锻成形对其进行加工。2.2.2 毛坯的选择锻压成形过程就是材料的形态转变过程，毛坯体积应根据加工过程中体积恒定来进行设定。锻造成型后应该还要对锻件表面和端面精加工余量，所以毛坯体积还应该加上修边体积，下式： 公式（2.1）式中就是毛坯体积，为挤压件的体积，为修边量的体积其中=5160772.79186MM3，=2033402.2720MM结论 毕业论文是大学本科四年阶段一次非常难得的锻炼，能把我们学过的理论和实际联合起来，通过这次的精锻模具设计，让我摆脱了淡出的理论知识学习状态，增加了我解决问题的经验。此次小