長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設(shè)計(jì)說明書

長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設(shè)計(jì)說明書,長安,汽車,萬向節(jié),鍛造,鑄造,工藝,設(shè)計(jì),說明書,仿單 I長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設(shè)計(jì)摘要模具行業(yè)在我國現(xiàn)階段機(jī)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(jìn)的設(shè)計(jì)方案，為適應(yīng)社會(huì)之所需，結(jié)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(shè)計(jì)框架是千篇一律的。鍛模行業(yè)經(jīng)過了幾年的發(fā)展，在某些技術(shù)上已經(jīng)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(jī)械加工的詬病，比如說機(jī)加工精度達(dá)不到要求，粗糙度控制不好，模具設(shè)計(jì)時(shí)的種種不合理導(dǎo)致的脫膜不便。為此本論文意在解決當(dāng)前傳統(tǒng)機(jī)械加工方面的精度問題及模具設(shè)計(jì)問題，尤其為了后面的實(shí)際鍛造，做了有效的有限元分析，以保證模具鍛造精度達(dá)到要求，并且也綜合了 CAD/CAE 模具技術(shù)的應(yīng)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(shè)計(jì)方法，通過本專業(yè)所學(xué)的知識(shí)并運(yùn)用了 SolidWorks2016 軟件對(duì)鍛件零件進(jìn)行三維建模，創(chuàng)建模具的上下模及配套的零件、運(yùn)用 Auto-CAD2014 軟件進(jìn)行二維圖繪制，標(biāo)注好詳細(xì)的公差尺寸要求、運(yùn)用 Workbench 15.0 有限元軟件進(jìn)行鍛件溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力場(chǎng)分布分析，以至于通過在不同溫度范圍和不同的應(yīng)力范圍與其分別對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)云圖和應(yīng)力場(chǎng)云圖各自之間相互對(duì)比作出相應(yīng)的分析，為后續(xù)的鍛模設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。在設(shè)計(jì)的同時(shí)也考慮了外協(xié)加工工廠的實(shí)際加工設(shè)備，因此為該鍛件制定了配套加工的工藝路線。為了適用當(dāng)前社會(huì)的機(jī)械行業(yè)發(fā)展需要，在設(shè)計(jì)的同時(shí)也進(jìn)行了適應(yīng)于現(xiàn)代化工業(yè)加工生產(chǎn)設(shè)備的配套工藝方案。關(guān)鍵詞：CAD/CAE；模具；萬向節(jié)叉；熱應(yīng)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(nèi)外研究現(xiàn)狀 -----------------------------------------------------------------------------------------------21.3 本課題研究內(nèi)容 -----------------------------------------------------------------------------------------------32 長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設(shè)計(jì) -------------------------------------------------------------------------------52.1 零件結(jié)構(gòu)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(shù)要求 -----------------------------------------------------------------------------72.2.3 零件特點(diǎn) --------------------------------------------------------------------------------------------------72.3 計(jì)算坯料的質(zhì)量與尺寸 --------------------------------------------------------------------------------------82.3.1 坯料質(zhì)量的計(jì)算 -----------------------------------------------------------------------------------------82.3.2 坯料尺寸的計(jì)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(shí)間及冷卻方式的確定 -------------------------------------------------------------------------112.7 小結(jié) -------------------------------------------------------------------------------------------------------------123 長安汽車萬向節(jié)叉鍛模設(shè)計(jì) ------------------------------------------------------------------------------------133.1 鍛件鍛?？傮w設(shè)計(jì)方案的確定 ----------------------------------------------------------------------------133.2 鍛模的設(shè)計(jì) ----------------------------------------------------------------------------------------------------143.2.1 確定鍛件的分型面及分型線 -------------------------------------------------------------------------143.2.2 制定鍛件的機(jī)加工余量及公差 ----------------------------------------------------------------------153.2.3 鍛模生成及凸凹模分割 -------------------------------------------------------------------------------163.3 預(yù)鍛模具設(shè)計(jì)圖 ----------------------------------------------------------------------------------------------193.4 鍛模飛邊槽的設(shè)計(jì) -------------------------------------------------------------------------------------------203.5 模架總體設(shè)計(jì) -------------------------------------------------------------------------------------------------22IV3.6 鑲塊設(shè)計(jì) -------------------------------------------------------------------------------------------------------233.7 小結(jié) -------------------------------------------------------------------------------------------------------------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(shè)置 ----------------------------------------------------------------------------------254.3 鍛件溫度場(chǎng)及應(yīng)力分布分析 -------------------------------------------------------------------------------284.4 小結(jié) -------------------------------------------------------------------------------------------------------------30總結(jié) ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------31參考文獻(xiàn) ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------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(shù)在機(jī)械行業(yè)中出于領(lǐng)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(chǎn)流程得到了簡化，它同樣也是傳統(tǒng)模具制造的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)之一，它需要依靠計(jì)算機(jī)軟進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)及配合各種機(jī)械設(shè)備進(jìn)行加工生產(chǎn)。以便加工人員能進(jìn)行更方便的生產(chǎn)自己想要的產(chǎn)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(shè)計(jì)優(yōu)化、流程優(yōu)化生產(chǎn)優(yōu)化的理念進(jìn)行研發(fā)。鍛造生產(chǎn)能夠顯著地減少機(jī)械零件的生產(chǎn)加工周期 [1]。提高了產(chǎn)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(dòng)強(qiáng)度，減少了企業(yè)的生產(chǎn)成本。鍛造模具同塑料模具都是為用來進(jìn)行產(chǎn)品成型所制造的。它大體可以劃分為動(dòng)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(jìn)行產(chǎn)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(fù)雜。在產(chǎn)品成型的過程中，氣壓、沖頭等一系列外部構(gòu)件把外力傳遞給動(dòng)模和定模，上下模具框架為擠壓產(chǎn)生的力起了緩沖作用。因?yàn)殄懺炷＞咴趯?shí)際的加工生產(chǎn)中對(duì)生產(chǎn)效率有明顯的提高并且能夠節(jié)約生產(chǎn)原料，提高了生產(chǎn)效率，因此在全國眾多工廠中得到了廣泛的應(yīng)用。針對(duì)鍛造模具，本文以長安汽車萬向節(jié)叉零件為例進(jìn)行了模具設(shè)計(jì)、零件受熱應(yīng)力場(chǎng)及溫度場(chǎng)模擬分析，簡要描述了模具在實(shí)際生產(chǎn)過程中的應(yīng)用。1.1.2 模具 CAD/CAM 的研究意義隨著機(jī)械 CAD/CAM 行業(yè)蓬勃發(fā)展，現(xiàn)模具能夠?qū)崿F(xiàn)三維軟件自動(dòng)分?；蛴萌S設(shè)計(jì)軟件手動(dòng)輔助分模，大大縮短模具研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間?，F(xiàn)在甚至是未來模具行業(yè)的發(fā)展更趨向于設(shè)計(jì)與制造智能化、一體化、集成化。此次設(shè)計(jì)是針對(duì)長安汽車萬向節(jié)叉的鍛造中終鍛部分模具的設(shè)計(jì)，涉及三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具2分模設(shè)計(jì)、二維工程圖及 ANSYS 溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)分析仿真，總體涵蓋了鍛模的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，完全與工廠實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)需求接軌 [2]。 終鍛模是零件進(jìn)行模具鍛造時(shí)使毛坯料在型腔內(nèi)擠壓成型而獲得產(chǎn)品的模具。設(shè)計(jì)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(jìn)行加熱，以達(dá)到終鍛所需的溫度要求，接著將預(yù)熱的初鍛件放置在鍛造設(shè)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(nèi)部分子流動(dòng)，進(jìn)而成型獲得終鍛件 [3]。所設(shè)計(jì)的鍛造模具在實(shí)際運(yùn)用中既要承受鍛錘的高速?zèng)_擊作用及負(fù)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(duì)于模具的材料需要其滿足高耐磨及強(qiáng)度剛度。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀經(jīng)過了幾代機(jī)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(gè)行業(yè)起了不可替代的位置，基本上國內(nèi)大小公司都離不開這三方面聯(lián)合設(shè)計(jì)模具的應(yīng)用，并一直刷新行業(yè)應(yīng)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(xiàn)。尤其在近幾年模具行業(yè)借助 Ansys 等 CAE 軟件配合進(jìn)行實(shí)際工況產(chǎn)品應(yīng)力場(chǎng)及溫度場(chǎng)的模擬分析，可謂是模具行業(yè)質(zhì)的突破 [4]。同時(shí)更多的科研人員進(jìn)行在 SolidWorks 和UG 軟件平臺(tái)上針對(duì)模具設(shè)計(jì)的二次開發(fā)軟件，更加方便了設(shè)計(jì)人員開發(fā)模具，直接縮短了設(shè)計(jì)流程。升級(jí)傳統(tǒng)模具制造生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)方案是進(jìn)行模具CAD/CAM/CAE 聯(lián)合研究開發(fā)，它作為當(dāng)今機(jī)械行業(yè)高水平發(fā)展的方向一直被廣泛的應(yīng)用 [5]。此技術(shù)借助計(jì)算機(jī)軟件給設(shè)計(jì)者提供了很好地工作平臺(tái)，提高了模具設(shè)計(jì)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(jìn)行模具結(jié)構(gòu)的簡化、模具鍛造工藝的優(yōu)化、鍛件成型工藝的升級(jí)等。鍛造模具行業(yè)的 CAD/CAM/CAE 的發(fā)展?fàn)顩r符合總體機(jī)械類相關(guān)軟件的發(fā)展進(jìn)程，基本上設(shè)計(jì)軟件每升級(jí)一版本，模具行業(yè)的科研進(jìn)度也跟上一個(gè)版本。目前相關(guān)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(shè)計(jì)、三維實(shí)體模型模擬設(shè)計(jì)、自由曲面模型模擬設(shè)計(jì)、參數(shù)化模擬設(shè)計(jì)、特征模型模擬設(shè)計(jì)等等，到近些年來隨著互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，此類設(shè)計(jì)軟件基3本結(jié)合了當(dāng)今熱門的智能化、集成化等新關(guān)鍵詞進(jìn)行開發(fā)軟件，進(jìn)而發(fā)展為新的技術(shù)特點(diǎn)。進(jìn)而 CAD 技術(shù)能夠具備更好地協(xié)同開發(fā)、簡化設(shè)計(jì)流程等優(yōu)點(diǎn)。CAM 行業(yè)一直處于并接軌于高精度機(jī)床編程、以更好地工藝進(jìn)行工件的加工生產(chǎn)，盡可能的縮短工廠的生產(chǎn)效率，并通過軟件的編程基本減少了實(shí)際數(shù)控機(jī)床及加工中心的離線編程，使編程人員面對(duì)三維實(shí)際模型更好地更方便的編寫G 代碼程序 [6]。CAE 技術(shù)也在近幾年得到了廣泛的普及，對(duì)件及具結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，進(jìn)而得到鍛件在不同工作狀態(tài)下（溫度場(chǎng)）的位移和應(yīng)力分布情況。最終是為模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)和合理改進(jìn)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(duì)于其他的工業(yè)比較發(fā)達(dá)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(gè)方面：（1）我國的 CAD/CAM 的運(yùn)用集成化程度相對(duì)較低，目前很多企業(yè)的運(yùn)用仍然停留在畫圖、NC 編程等單項(xiàng)技能的利用上。（2）目前國內(nèi)的 CAD/CAM 系統(tǒng)的軟、硬件均要依靠通過進(jìn)口來獲得，而擁有自主版權(quán)的軟件相對(duì)比較少。（3）由于缺少設(shè)備運(yùn)用和技術(shù)指導(dǎo)，很多公司盡管目前已經(jīng)引進(jìn)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(nèi)容此次設(shè)計(jì)是綜合了機(jī)械類常用的 CAD 設(shè)計(jì)軟件及 CAE 分析軟件進(jìn)行的。SolidWorks 是位于美國馬薩諸塞州的達(dá)索公司（Dassault Systemes S.A）專門為了從事機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)人員研發(fā)的視窗應(yīng)用軟件，它擁有強(qiáng)大的非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)功能及較為完善的模具分模一體化設(shè)計(jì)功能。本設(shè)計(jì)用該軟件進(jìn)行鍛件的三維設(shè)計(jì)并且對(duì)其進(jìn)行分模，以分出凸模具和凹模具，并用其他內(nèi)嵌于 SolidWorks 的模具輔助外掛軟件設(shè)計(jì)模架、頂針、導(dǎo)向柱等模具必須零件。設(shè)計(jì)完長安汽車萬向節(jié)叉鍛件，將其導(dǎo)入 ANSYS Workbench 15.0 正確應(yīng)用瞬態(tài)傳熱分析的初始條件進(jìn)行溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分析。通過分析可以清晰看出鍛件在不同溫度下的應(yīng)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(shí)際組裝及加工。通過機(jī)械類多軟件綜合的設(shè)計(jì)分析充分發(fā)揮了CAD/CAE 在模具行業(yè)的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過程中我走訪了某鍛件鍛造加工廠，親4臨了加工廠實(shí)際生產(chǎn)，跟工廠師傅交流了鍛造的工藝要求，也體驗(yàn)了鍛造設(shè)備的使用，因而本設(shè)計(jì)充分貼近工廠生產(chǎn)之所需。由于我自己的學(xué)術(shù)水平有限，因此本論文難免存在學(xué)術(shù)方面的不妥之處，還請(qǐng)各位老師和同學(xué)們的批評(píng)指正。52 長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設(shè)計(jì)2.1 零件結(jié)構(gòu)分析先進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)分析，所設(shè)計(jì)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(dòng)軸與從動(dòng)軸中，用來控制兩者間的角度并進(jìn)行動(dòng)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(nèi)的角度變化，在整個(gè)汽車傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用，故萬向節(jié)叉需承受的扭轉(zhuǎn)矩較大剛度需求較高，同時(shí)其在實(shí)際工況中環(huán)境不同，有時(shí)需承受的載荷較大。主動(dòng)軸將發(fā)動(dòng)機(jī)傳來的轉(zhuǎn)矩通過萬向節(jié)叉?zhèn)鬟f給從動(dòng)軸以輸出轉(zhuǎn)矩，在不平行情況下主要起連接主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的作用。當(dāng)然，萬向節(jié)叉這類零件應(yīng)用范圍較為廣泛，不僅僅用在汽車傳動(dòng)行業(yè)方向上，也用于機(jī)械行業(yè)非標(biāo)件設(shè)計(jì)過程中，甚至民用傳動(dòng)設(shè)備的生產(chǎn)制造過程中。大體上，可用于如下場(chǎng)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(yùn)動(dòng)過程中經(jīng)常變化等場(chǎng)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(fù)雜，因其是連接件，非傳動(dòng)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(jī)如圖 2.2 所示，初鍛終鍛兩步鍛造成型。頂部頭端的設(shè)計(jì)較為麻煩，內(nèi)孔需在終鍛后用加工中心繼續(xù)加工，并且在設(shè)計(jì)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(jī)床進(jìn)行加工，在鍛造的過程中，因其材料內(nèi)部分子聚集加強(qiáng)，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(qiáng)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(shí)際工藝進(jìn)行零件設(shè)計(jì)。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(duì)較好的金屬材料穩(wěn)定性，較高的強(qiáng)度，并方便后期機(jī)加工。具體該鍛件的工藝方案及材料相關(guān)屬性如下表及相關(guān)數(shù)據(jù)所述，零件預(yù)期設(shè)計(jì)的實(shí)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(jī)實(shí)體圖7圖 2.3 萬向節(jié)叉的預(yù)期實(shí)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(shù)要求外圓表面用于支撐該零件連接，兩個(gè)掛耳面和底面用于承受動(dòng)力。技術(shù)要求是表面缺陷深度允許值為 0.5mm；熱處理是調(diào)質(zhì) HB230—260；表面清理是為了便于淬火裂紋的檢查,采用酸洗進(jìn)行表面清理。2.2.3 零件特點(diǎn)盤類零件（ H≤ D ）在終鍛之前都要先進(jìn)行預(yù)鍛，但包括預(yù)鍛和終鍛過程都在鍛壓機(jī)里完成。預(yù)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(jìn)行最后的終鍛時(shí)使鍛件各處充分填充金屬并且有均勻毛邊，進(jìn)而降低了模槽的磨損損耗，延長其使用壽命。82.3 計(jì)算坯料的質(zhì)量與尺寸2.3.1 坯料質(zhì)量的計(jì)算首先根據(jù)鍛件的形狀以及尺寸計(jì)算其鍛件質(zhì)量，然后考慮到加熱時(shí)的表面氧化損失，切去熱邊還有去毛刺的質(zhì)量，最后計(jì)算鍛件所用的坯料質(zhì)量，其計(jì)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(zhì)量為 2.377kg。2.3.2 坯料尺寸的計(jì)算計(jì)算毛坯在整個(gè)設(shè)計(jì)中起到了關(guān)鍵的作用，對(duì)于鍛件的結(jié)構(gòu)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(yù)鍛和終鍛的完成需要在熱模鍛壓力機(jī)內(nèi)完成。其中對(duì)于終端成型壓力的確定可以有以下公式計(jì)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(qiáng)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(qiáng)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(jì)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(jī)為 16000KN 規(guī)格的鍛模壓力機(jī)。2.4.2 切邊壓力的確定待終鍛完成后還需要對(duì)帶飛邊的鍛件進(jìn)行切除，此過程需要在切邊壓力機(jī)上完成，選擇切板壓力機(jī)要根據(jù)相關(guān)切邊壓力選取的規(guī)則來選取，則切邊壓力計(jì)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(qiáng)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(qiáng)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(jì)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(shí)際情況選取切邊壓力機(jī)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(yù)鍛→終鍛→熱切邊→磨毛刺→熱處理→清除氧化皮→檢查鍛件質(zhì)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(shè)計(jì)材料代號(hào) 45GB－T699-1999工序號(hào) 工序和工步 工序（工步內(nèi)容）與要求 設(shè)備名稱 工具名稱10相對(duì)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(jī)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(yù)鍛模、終鍛模、彎曲模等。按鍛件制造方式可分為團(tuán)體模和組合模；很多企業(yè)中依照鍛造設(shè)備來區(qū)分鍛模種類，以此可分為胎模、錘鍛模、機(jī)鍛模、平鍛模、輥鍛模等。各種各樣的模鍛件滿足了機(jī)械行業(yè)非標(biāo)準(zhǔn)零件的需求，相應(yīng)配套的模鍛件是完全處于凸凹模間進(jìn)行鍛壓成型得到的。通過翻閱相關(guān)書籍、查閱相關(guān)互聯(lián)網(wǎng)資料，定義本設(shè)計(jì)的鍛件為普通鍛件，并且歸類于柱形鍛件。同時(shí)，萬向節(jié)叉鍛件一般是小規(guī)模同尺度批量生產(chǎn)，便于機(jī)械流程化、工藝流程化及自動(dòng)生產(chǎn)化，本此畢業(yè)設(shè)計(jì)采用了開式單型槽熱模鍛，并且選用熱鍛模曲柄壓力機(jī)進(jìn)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(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行模具鍛模設(shè)計(jì)及后續(xù) CAE 分析并且可以進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。1 下料 冷剪切按“鍛件毛坯小料手 冊(cè)” 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(yù)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(cuò)差 3t 模鍛錘6 熱切邊 切邊溫度 T 500~1250℃?1.6t 壓力機(jī) 切邊模7 磨毛刺 要求殘留毛邊不大于 1mm 砂輪機(jī) 砂輪片8 熱處理 對(duì)模槽進(jìn)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(zhì) 量表面缺陷 尺寸200、100、16、61.8 錯(cuò)差 殘留毛邊 重量卡尺、500 臺(tái)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(jīng)確定了制造終鍛模的總體方案并且對(duì)鍛件進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的有限元分析，得出了鍛件在不同溫度下的熱應(yīng)力表現(xiàn)及溫度場(chǎng)分布。鍛造件在正式機(jī)加工之前都需要進(jìn)行熱處理，以便利于機(jī)加工時(shí)切削，同時(shí)也是細(xì)化晶格消除內(nèi)應(yīng)力以延長鍛件的使用壽命。下面將對(duì)萬向節(jié)叉鍛件進(jìn)行熱處理并依據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。在整個(gè)鍛造的過程當(dāng)中，鍛造毛坯料熱處理的目的是在鍛造時(shí)減小變形量、提高金屬塑性使液體金屬能更好的在模腔內(nèi)流動(dòng)成型，以使終鍛后的鍛件得到良好的金屬力學(xué)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(shè)計(jì)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(xué)性能，查閱了相關(guān)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(shè)計(jì)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(zhì)鍛造溫度：表 2.2 常見金屬材質(zhì)鍛造溫度2.6.2 加熱時(shí)間及冷卻方式的確定這里所指的加熱時(shí)間是自毛坯進(jìn)入加熱爐內(nèi)加熱時(shí)到從加熱爐取出的整個(gè)過程所消耗的時(shí)間，它包含整個(gè)過程的升溫和保溫兩個(gè)過程。 加熱時(shí)間是整12個(gè)坯料裝爐后從最先加熱到出爐所需的時(shí)間，包括加熱整個(gè)階段的升溫時(shí)間和保溫時(shí)間。加熱時(shí)間可以按照 計(jì)算，其中 D 表示毛坯的直徑（cm ），???表示 45 鋼的金屬化學(xué)影響系數(shù)，一般取值為 0.11（h/cm ）。?模具熱疲勞會(huì)導(dǎo)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?xí)樦鸭y逐漸擴(kuò)大，模具經(jīng)過反復(fù)的受熱受冷刺激后其內(nèi)部多少會(huì)有些疲勞變形。為了盡量避免模具生產(chǎn)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(wù)必要進(jìn)行充分的高溫加熱，并盡量做到保持一定的高溫；根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，常規(guī)的冷卻的方式有氣冷、水冷、爐內(nèi)冷卻等方式，其中爐內(nèi)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(jié)本章主要內(nèi)容是對(duì)零件結(jié)構(gòu)分析、零件工藝分析、坯料的質(zhì)量與尺寸計(jì)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(duì)這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)，有利于后續(xù)鍛模的設(shè)計(jì)。133 長安汽車萬向節(jié)叉鍛模設(shè)計(jì)3.1 鍛件鍛模總體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)該鍛件的模具，鍛模設(shè)計(jì)的步驟如下：（1）用三維設(shè)計(jì)軟件 SolidWorks，根據(jù)所給二維圖紙的尺寸要求相應(yīng)畫出終鍛件模型，將規(guī)定位置的圓角倒好，同時(shí)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(shí)際生產(chǎn)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(píng)估功能，查看鍛件體積 V0 和鍛件質(zhì)量m0，再查閱相關(guān)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(jìn)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(gè)曲面實(shí)體： 一個(gè)型心曲面實(shí)體、一個(gè)型腔曲面實(shí)體、以及一個(gè)分型面實(shí)體。運(yùn)用切削分割命令生成鍛件的模具及相同零件的多個(gè)實(shí)例，但本設(shè)計(jì)要求一模具一產(chǎn)品，因此生成了一個(gè)實(shí)例。（4）查閱鍛造設(shè)計(jì)手冊(cè)，考慮飛邊槽充滿參數(shù)、鍛壓力噸位、鍛件質(zhì)量設(shè)計(jì)終鍛模膛，著重設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中的萬向節(jié)叉其結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，為了節(jié)約工時(shí)，因此只需在鍛模型槽中一次鍛壓成形即可，即不考慮預(yù)鍛制坯工序，只要求終鍛這一工步即可。（7）將鍛件導(dǎo)入 Workbench 15.0 進(jìn)行分析鍛件的溫度場(chǎng)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(chǎng)的分布情況，以及鍛件的應(yīng)力分布情況，進(jìn)而用 SolidWorks 完善鍛模裝配總圖（8）繪制出二維 CAD 圖紙，制定相應(yīng)的說明書。143.2 鍛模的設(shè)計(jì)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(guān)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(jìn)行下一步，這是最為基礎(chǔ)的一步，且必須準(zhǔn)確無誤判斷出相應(yīng)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(cè)的壓力情況、承受力的一面受壓情況及強(qiáng)度、盡量簡化鍛造工藝等條件進(jìn)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(gè)平面內(nèi)。在折分型線確定時(shí)，用兩個(gè)或兩個(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)，還應(yīng)滿足其分型線有利于鍛件外形美觀，即流線型外觀較好，對(duì)于高度較高的鍛件，應(yīng)選擇盡量靠近中間部位，這樣能夠保證鍛件不發(fā)生錯(cuò)?，F(xiàn)象。此外還應(yīng)該考慮鍛件的非加工面，對(duì)于加工面應(yīng)該盡量減少孔洞及槽的機(jī)加工余量 [9]。鍛件分模線是否適合，關(guān)系到鍛件質(zhì)量精度、鍛造時(shí)操作的復(fù)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(jìn)一步確保鍛出的鍛件質(zhì)量精度要求、保證生產(chǎn)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(chǔ)上，對(duì)開式模鍛確定分模線位置時(shí)還應(yīng)考慮到以下幾個(gè)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(shí)，應(yīng)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(duì)金屬?zèng)_填型槽也是有益的，同時(shí)還便于發(fā)現(xiàn)錯(cuò)模現(xiàn)象，及時(shí)修改，確保鍛件質(zhì)量；（2）有利于鍛件取得良好的流線方向；（3）對(duì)圓筒類鍛件（H≤D），應(yīng)取徑向分模的方法，而取軸向分模則不適宜；（4）應(yīng)有利于鍛出零件的非加工表面且?guī)в休^少的毛邊余量，對(duì)加工表面15也應(yīng)盡可能削減鍛件凹槽、孔以及圓角等的機(jī)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(dú)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(jī)加工余量及公差鍛件在終鍛過程中會(huì)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(jī)加工的部位一定要流出足夠的加工余量，這對(duì)于連接件的后續(xù)應(yīng)用極為重要 [10]。當(dāng)然加工余量主要由機(jī)加工設(shè)備的加工精度及鍛件質(zhì)量等屬性確定。為了得到零件的質(zhì)量屬性，需要首先定義其材質(zhì)，定義好后，再在SolidWorks 軟件中在建模模塊中點(diǎn)擊質(zhì)量屬性按鍵，使軟件自動(dòng)估算鍛件質(zhì)量，得到該萬向節(jié)叉的質(zhì)量屬性如圖 3-3 所示。圖 3.3 鍛件質(zhì)量屬性依照工廠的實(shí)際加工條件及鍛件的用途，進(jìn)行半精密級(jí)（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(jí)。鍛造過程鍛件會(huì)因根據(jù)鍛造溫度或模具損耗量產(chǎn)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(zhì)量為 1.1 千克。則按照鍛件形狀復(fù)雜系數(shù) S 是鍛件質(zhì)量 Mf 與對(duì)應(yīng)的鍛件外廓包容體質(zhì)量 MN 之比，即：S=M f / MN=0.76（其中 Mf為 3.8kg，MN 為 5kg ），計(jì)算鍛件的形狀復(fù)雜系數(shù) S。 根據(jù) S 值的大小，鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)分為 4 級(jí)：S1 級(jí)（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(gè) 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(shù).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(yù)制。生產(chǎn)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(shè)計(jì)與壁面之間的間隙設(shè)計(jì)，在柏林 18(1):81-83.[18] 朗格尼·J· 斯頓姆，巴倫斯·巴倫(2015)實(shí)驗(yàn)研究: 在材料流動(dòng)和觸發(fā)力、生產(chǎn)工程、研發(fā)、施普林格 Verlag 9(3): 289-297 的材料流動(dòng)和影響方面的變化.[19] Langner J, Stonis M, Behrens BA(2016)在熱鍛件中可移動(dòng)的閃光間隙的研究 .我的工作流程是技術(shù)的.[20] 阿坦·T, Vazquez V(1996)在批量金屬成形中的工具和工藝設(shè)計(jì)的數(shù)值過程模擬，CIRP 編年史-制造技術(shù)， Elsevier Ltd, 45(2): 599-615.[21] 王文波，王洪波，等.大型金屬成形工藝的研究與應(yīng)用[J] .北京: 北京大學(xué)出版社，2000.