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说明书
锻造模具课程设计
姓名：
班级：
指导老师：
姚泽坤王敏赵张龙宁永权
日期：
2015年12月
一、绘制锻件图
锻件图如图1-1所示，该零件名称为变速叉，材料为45钢。
该零件为轴对称零件，但锻件高度方向不对称，且右侧头部尺寸较大，不宜直线分模，应以折线分模，使上下模型槽深度大致相等。
由于高度方向不对称，设计锻模时需考虑锁扣。
由图中尺寸可以看到，轴线方向长度大于170mm，宽度方向最大尺寸为106mm、高度方向尺寸32mm，属于长轴类锻件。
该类锻件的变形特点是模锻时，毛坯轴线方向与打击方向相垂直，金属主要沿高度和宽度方向流动，沿长度方向流动很小。
因此，当锻件沿长度方向其截面面积变化较大时，必须考虑采用有效的制坯工步，如拔长、滚挤工步等，以保证锻件饱满成形。
且该零件为轴对称分布，具有叉类特征，为防止产生折叠、锻不足等缺陷，因此应设置预锻工步。
图1-1变速叉冷锻件图
由锻件图可知，该零件所使用的材料为45钢，属优质碳素结构钢，具体的力学性能如表1-1所示，可见该材料的锻造性能较好。
表1-145钢的力学性能
牌号
热处理
力学性能
退火炉冷布氏硬度（HBS）不大于
淬火
回火
抗拉强度/MPa
屈服强度/MPa
温度
冷却剂
温度
冷却剂
不小于
45钢
840
油
600
水、油
600
355
197
模锻件的技术条件为：
1.未注模锻斜度7°；
2.未注凸圆角半径R2；
3.允许错移±0.5，允许翘曲量±0.5，允许残余毛边±1.0；
4.锻件喷砂去除氧化皮；
5.锻件级别4~5级；
6.零件重量0.6kg，锻件重量1.0kg。
二、计算锻件的主要参数
锻件在水平面上的投影面积为7573mm2；
锻件周边长度为577mm
锻件重量1.0kg
锻件体积0.1274m3
三、确定锻锤吨位
按锻件在分模面上的投影面积，锻件的复杂程度和变形抗力大小确定模锻锤吨位,查表4-12可得具体常数值：
所以使用1t模锻锤
四、确定毛边槽形式和尺寸
开式模锻的终锻型槽周边必须有飞边槽，其形式及尺寸大小是否合适对锻件成形影响很大。
由于锻件高度方向不对称，所以选择的毛边槽为形式Ⅱ（图3-1），因复杂部分设在上模，为简化切边冲头形状，通常将锻件翻转180°，故桥部设在下模，切边时锻件也易放平稳。
图3-1飞边槽形式
使用吨位法，根据表4-14可得毛边槽尺寸如表3-1所示
（单位：
mm）
h
h1
b
b1
r
A
1.3
4
8
24
1
113
表3-1飞边槽尺寸
所以锻件毛边体积
五、确定终锻形槽
模锻件的几何形状和尺寸是靠终锻模膛来保证的，任何锻件的模锻工艺过程必须有终锻。
终锻模膛是按照热锻件图来制造和检验的，模膛设计的主要内容是绘制热锻件图，确定飞边槽尺寸及钳口尺寸。
（1）热锻件图确定
热锻件图是在冷锻件图的基础上考虑1.5%冷缩率绘制而成。
热锻件图形状与冷锻件图形状是完全相同的。
如图所示为热锻件图
热锻件图
（2）飞边槽设计
飞边槽设计已在上一节中确定，在此不做陈述。
（3）钳口尺寸设计
钳口是指在锻模的模锻模膛前面所做的空腔，它是由夹钳口与钳口颈两部分组成。
此处模锻选用常用的钳口形式
钳口的尺寸，主要依据钳料头的直径及模膛壁厚等尺寸来确定。
查表4-16、17、18，确定钳口尺寸列于下表。
（单位：
mm）
钳夹头直径d
锻件质量（kg）
钳口尺寸
钳口颈尺寸
h
b
a
l
15
1
50
20
10
6
1.5
8
根据下图完成钳口设计。
六、设计预锻形槽
预锻型槽是以终锻型槽或热锻件图为基础进行设计的。
设计原则是经预锻型槽成型的坯料，在终锻型槽中最终成型时，金属均匀变形，填充性好，产生的毛边最小。
对于预锻后坯料在终锻型槽中发生镦粗变形的成型方式，预锻型槽的高度尺寸应比终锻型槽大2-5mm,宽度则比终锻型槽小1-2mm，横截面面积应比终锻型槽相应处截面积大1%-3%。
预锻型槽的模锻斜度与终锻型槽相同。
预锻型槽周边不设毛边槽，而是在型槽分模面转角处用较大的圆弧，型槽内的圆角半径比终锻型槽对应出稍大，以减小金属流动阻力，促进预锻件成型。
对于叉类零件，需要在预锻模膛中设置劈台。
选用如图所示的劈台结构。
抽取典型截面，是小锻件，所以R取10mm，由于预锻型槽的高度尺寸应比终锻型槽大2-5mm，此处取3mm，宽度则比终锻型槽小1-2mm，此处取2mm，得出H=18mm，又因为叉形较大，所以h=7.2mm；取B=63mm，所以A=15.75mm，综上得出，
七、绘制计算毛坯图
计算毛坯的依据是根据平面变形假设进行计算并经修正所得的具有圆形截面的中间坯料。
其长度与锻件相等，而横截面积应等于锻件上相应截面积与飞边截面积之和。
计算毛坯图的步骤如下：
（1）选择截面及计算截面面积
根据变速叉的形状特点，共选取15个截面。
横截面面积：
式中η——充满系数，位于端部的1处和15处截面因为材料在锻造时容易先产生飞边，因此取1，其余各处取0.7。
分别计算15个截面处的F锻和F计，结果列于表3-2。
（2）计算并绘制计算毛坯的截面图
以计算毛坯的长度l计为横坐标，以算得的F计为纵坐标，在坐标纸上绘制计算毛坯的截面图。
方法是：
通常用缩尺比M除F计，得到用直线段h计来表示的所取各截面的面积值：
此处为便于制图，缩尺比取M=20mm2/mm。
将计算出的h计绘制在坐标纸上，并连接各端点成光滑曲线，即得计算毛坯截面图。
（3）复杂形状的简化
由于锻件形状差异较大，应根据终锻时金属流动的情况，将初算时得到的计算毛坯截面图进行修正。
为使制坯模膛制造简便和有利于终锻成形，按体积不变条件将截面图和直径图简化为圆滑的形状，在计算毛坯截面图中用双点划线表示，并将修正后的截面数据列于表3-2中。
（4）计算并绘制计算毛坯直径图
分别计算毛坯上各截面的直径d计，由下式计算：
计算结果见表3-2。
然后在截面图的下方绘制计算毛坯直径图。
表3-2连杆计算毛坯的计算数据
截面
d计=
/mm
修正F计
/mm2
修正d计
/mm
1
0
226
226.00
16.99
-
-
2
149.17
158
307.17
19.80
335.20
20.69
3
459.96
158
617.96
28.09
580.00
27.21
4
441.52
158
599.52
27.67
590.80
27.47
5
259.74
158
417.74
23.10
595.00
27.56
6
336.21
158
494.21
25.12
597.00
27.61
7
617.83
158
775.83
31.47
603.40
27.76
8
500.62
158
658.62
29.00
585.00
27.33
9
378.45
158
536.45
26.17
-
-
10
274.97
158
432.97
23.51
-
-
11
844.75
158
1002.75
35.78
-
-
12
1066.85
158
1224.85
39.55
-
-
13
749.13
158
907.13
34.03
-
-
14
452.98
158
610.98
27.93
-
-
15
0.00
226
226.00
16.99
-
-
截面图所围面积即为计算毛坯体积，得计=107908mm3；平均截面积F均=107908/172=613.88mm2；平均截面直径d均=28.26mm。
将平均截面积和平均截面直径在计算毛坯图中用点画线绘出。
在计算毛坯直径图上，d计＞d均处，称为头部，反之称为杆部。
按体积不变修正后的最大截面积为1225mm2，则最大截面直径dmax=39.6mm。
八、制坯工步形槽设计
长轴类锻件终锻前，需要将等截面的原材料预制成计算毛坯的形状，因此需要采用合适的制坯工步，如拔长、滚挤，卡压等，以便将杆部多余的金属转移到头部，转移金属量的多少与繁重系数有关。
计算毛坯为一头一杆，其繁重系数计算如下。
由计算毛坯的截面图求出近似解，可根据下式计算：
所以，得出
锻件锻件质量为1kg，查图4-59得出，此锻件应采用拔长加闭式滚制工步，模锻工艺方案为：
拔长→闭滚→预锻→终锻。
九、确定坯料尺寸
1.坯料截面积计算
本工艺属于拔长加滚挤联合制坯，且最大截面积长度较小，系数取小值0.75：
实际取=35mm，所以
2.坯料长度
坯料体积按下式计算，由于是单件小坯，所以使用的是电阻炉，定烧损率为1.5％：
坯料长度按下式计算：
一十、制坯形槽设计
1.滚挤形槽设计
滚挤型槽可认为是由钳口、本体、毛刺槽三部分组成，钳口用来容纳夹钳并卡细坯料，毛刺槽是用来容纳滚挤时产生的端部毛刺，本体使坯料变形。
主要需要确定型槽高度h，宽度B及其他一些有关尺寸。
a）滚挤型槽高度
求解出各毛坯截面位置的所需滚挤型槽高度，并列表如下；
b）滚挤型槽宽度
杆部型槽宽度B杆应用以下公式进行计算：
由于头部与杆部型槽计算宽度相差很大，所以使用变宽度滚挤型槽。
检验：
c）滚挤型槽长度
L根据热锻件图尺寸确定，L=174.6mm
本零件为一般弯曲的轴类锻件，弯曲时无明显拉伸，所以锻件中心线处略长，型槽头部尺寸应往杆部方向增大。
d）钳口与毛刺槽尺寸
钳口处：
取定参数如下表：
型槽参数（mm）
B头
B杆
L
R
R3
R4
a
b
c
尺寸
49.55
40
174.6
9.5
6
6
6
30
25
考虑到毛坯直径小于80mm，杆部用圆弧形型槽
2.拔长形槽设计
拔长型槽尺寸设计：
a）坎高a
由于之后还要滚挤制坯，所以选择以下公式：
b）坎长c
由于所以取系数k3=1.5
c）型槽宽度B
为了方便设计，选择直排，有
d）其他尺寸
由于是一头一杆，无小头，所以仓部深e可表示为：
型槽尺寸/mm
a
c
R
R1
计算值
20.62
52.5
13.1
131.3
实际值
20
55
20
140
一十一、锻模结构设计
1.形槽布排
模膛布置是根据模膛数及各模膛的作用，以及操作方便安排的。
预锻型槽与终端型槽同时存在时，二者的布置要兼顾。
在模壁强度允许的条件下，两者尽可能靠近，并且终端模膛比预锻模膛要分家靠近锻模中心一些。
终锻模膛至模锻中心的距离与预锻模膛至模锻中心的距离之比一般为：
1/3L比2/3L。
与此同时，应当保证模膛中心不超过燕尾承击面。
2.形槽壁厚
形槽至模块边缘的距离，或者形槽之间的距离称为形槽壁厚，形槽壁厚应保证足够的强度和刚度，同时又要尽可能减小模块尺寸。
a）模膛至外壁或锁扣壁厚
当R=3mm，α=7°时，
则有：
查表3-2-19可得K1=2，又h=16.25，计算可得：
得S=32.5，取整数S=33mm。
b）终锻模膛与预锻模膛间壁厚
由模膛深度R=3mm，α=7°时
则有：
查表3-2-19可得
，计算可得：
得S=24.38，取整S=25mm。
c）制坯模膛壁厚
制坯模膛的受力较小，外壁厚度也较小，此处取
。
3.燕尾和键槽尺寸确定
燕尾及键槽通过装模零件与锤头及砧座相联接，查表3-2-27[1]，将其具体尺寸列于下表：
表4-5锤锻模燕尾和键槽尺寸（单位：
mm）
锻锤吨位
/t
燕尾
键槽
B
h
h1
L
A
1
200
50.5
75
60
50
4.锁扣尺寸
由于分模面落差H较大，需设置平衡锁扣来对抗水平错移力，如图3-2-125[1]，
b≥2H，H=9.7mm，取b=20mm。
α取5°。
锁扣间隙δ取0.3mm。
分模面的斜面上应留出1至3mm的间隙，但不应超过飞边桥厚度，取间隙为2mm。
锁扣两个侧边应留出3至5mm的间隙，以免上下模发生干涉。
取间隙为4mm。
纵向锁扣：
对于长轴类锻件多采用纵向锁扣，如图4-4所示：
锻锤吨位/t
h
b
b1
α
b3
R1
R2
1
25
50
≥35
5°
40
3
5
5.模块尺寸
模块尺寸应根据模膛布置、模壁厚度、锁扣等有关因素确定，同时应对承击面积、模块长度、锻模中心与模块中心偏移量、模块宽度、模块高度、上模最大重量、模块规格等进行校核。
根据前面计算结果，分别确定模块宽度、长度和高度。
a）模块宽度
根据型槽的长度、飞边槽尺寸及壁厚等选择模块宽度，本次课设中，取475mm;
b）模块长度
根据型槽的排布、壁厚等因素选择模块长度，取340mm;
c）模块高度
根据型槽深度及燕尾高度等要求设计，取500mm.
6.锻模材料设计
锻模需要具有耐热，不易淬裂,重要的是需要具有红硬性，因反复锻造条件的是反复加热、冷却。
查表4-39，决定采用5CrNiMo热作模具钢。
一十二、连杆件模锻工艺流程
（1）备料工序
此锻件使用材料为45钢，坯料直径为35mm。
下料采用普遍使用的剪切下料，其特点是效率高，操作简单，端口无金属损耗，模具费用低。
剪切力计算：
式中，
—考虑到刃口磨钝和间隙Δ变化的系数，此处取
=1.1；
—材料剪切抗力，剪切强度比同温度下的强度极限小一些，一般
，此处取系数0.8，则：
因此选择350kN的棒料剪切机。
（2）加热工序
锻前加热时，应尽快达到所规定的始锻温度。
此锻件采用室式煤气炉加热方法，查表1-3-5[1]得45钢材料的锻造温度范围为，始锻温度1200℃，终锻温度800℃。
（3）切边冲孔工序
此锻件模锻后有飞边和冲孔连皮，因此，模锻后安排切变冲孔工序。
切变冲孔力：
，易得
此处选择1000kN的切边压力机。
（4）锻件热处理工序
如前所述，此锻件材料为45钢，为了保证HB=255～285要求，查“优质碳素钢锻件热处理规范”，确定模锻后进行回火处理热处理规范如表3-3，。
表3-3锻件热处理规范
回火
温度/℃
冷却剂
520-560
空冷
（5）清理工序
模锻件在生产过程中形成的氧化皮需要去除，以提高锻件表面质量，改善锻件的后续切削条件；为检查锻件表面质量也需要采用酸洗方式进行表面清理。
此锻件模锻后需采用磨毛刺、抛丸等清理工序。
使用设备为砂轮机和抛丸机。
（6）检验工序
此锻件采用磁粉探伤检验锻件的表面裂纹等缺陷。
参考文献
[1]、中国机械工程学会塑形工程学会.锻压手册[M].北京:
机械工业出版社,1998年.
[2]、李尚键.锻造工艺及模具设计资料[M].北京:
机械工业出版社,1991年.
[3]、郝海滨.锻造模具简明手册[M].北京:
化学工业出版社,1983年.
[4]、吕炎.锻造工艺学[M].北京:
机械工业出版社,1995年.
[5]、王以华.锻模设计技术及实例[M].北京:
机械工业出版社,2009年.
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