摇臂锤模锻工艺及模具设计课程设计报告.docx

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摇臂锤模锻工艺及模具设计课程设计报告

目录

课程设计任务书·····················································1

前言·······························································2

1零件分析及基本工艺方案确定零件分析·······························3

1.1零件分析·······················································3

1.2零件材料特性分析···············································3

1.3零件尺寸精度及表面粗糙度分析···································4

1.4零件基本工艺方案确定···········································4

2锤上模锻锻件设计·················································5

2.1确定分模位置···················································5

2.2确定锻件公差及加工余量·········································5

2.2.1确定材质系数、复杂系数、零件的机械加工精度···················5

2.2.2确定锻件公差和余量···········································6

2.2.3确定模锻斜度·················································6

2.2.4确定圆角半径·················································7

2.2.5确定冲孔连皮·················································7

2.3确定模锻件的技术条件···········································7

3锤上模锻锻件工艺设计·············································9

3.1计算锻件的主要参数·············································9

3.2确定锻锤设备吨位···············································9

3.3确定飞边槽形式和尺寸···········································9

3.4绘制计算毛坯图················································10

3.5计算繁重系数并确定制坯工步····································12

3.6确定坯料尺寸··················································12

3.6.1坯料截面积及直径计算········································12

3.6.2坯料长度计算················································13

3.7模锻前期工序方法选择··········································13

3.8模锻后期工序方法选择··········································14

3.9锻件工艺卡····················································14

4锤上模锻锻模设计················································16

4.1终锻模膛设计··················································16

4.2滚挤模膛设计··················································16

4.2.1滚挤模膛的高度··············································17

I

“摇臂”锤模锻工艺及模具设计

4.2.2滚挤模膛宽度················································18

4.2.3钳口、毛刺槽等尺寸··········································18

4.3模膛结构设计··················································18

4.3.1模膛布置····················································18

4.3.2锁扣尺寸····················································19

4.3.3模壁厚度确定················································19

4.4模具结构设计··················································20

4.4.1检验角、燕尾和键槽尺寸确定··································20

4.4.2模块尺寸····················································20

4.5模具参数校核··················································21

5总结····························································23

参考文献··························································24

II

“摇臂”锤模锻工艺及模具设计

前言

大学四年的学习生活，转眼间只剩下最后的一学期。

经过三年半的学习，我

们对所学专业从陌生到了解，再到熟悉。

经过生产实习，对实际生产中专业的运

用得到了解，知道未来毕业后的工作。

同时，很多同学已经找到工作或准备读研

究生，这样需要我们对本专业的整体设计工作进行锻炼。

锻造课程设计，是专业计划学习的重要部分，有助于巩固和加深锻造工艺的

学习，训练综合运用所学知识的能力，结合锻压的生产特点及质量要求，初步掌

握锻件、锻造工艺过程及配用模具的设计方法。

为期四周的课程设计，首先要阅读零件图，根据零件特点和技术要求对零件

进行分析，初步确定模锻方案。

然后根据产品图和技术条件，确定锻件的余量、

公差、余块、拔模斜度、圆角半径等工艺要求，制定锻件技术条件，绘制以零件

图为依据的锻件图。

第三，按平面变形特征，计算毛坯图和截面图，确定制坯工

步选择毛坯尺寸。

最后，考虑收缩率绘制热锻件图，确定终锻模膛和制坯模膛形

状，并对锻模结构进行设计，并绘制锻模图。

课程设计需要我们积极、严谨和刻苦钻研的态度，只有在独自、研究、发现、

解决的过程中才能学到真正的东西，才能起到课程设计的真正目的。

2

“摇臂”锤模锻工艺及模具设计

1零件分析及基本工艺方案确定零件分析

由零件图（图1-1）可以得到，该零件名称为摇臂，材料为40MnB，热处理

要求为HB277～311，为大批量生产。

图1-1摇臂零件图

1.1零件分析

摇臂使用时一端装在单立柱上，可绕立柱轴线回转，并可沿其轴线上下移动

且具有水平的导轨。

由图中尺寸可以看到，轴线方向长度大于160mm，宽度、高度方向尺寸分

别为63mm、29mm，因此该锻件具有轴线较长，即锻件的长度与宽度或高度的

尺寸比例较大的特点，且锻件的主轴线和分模面为直线状，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，如卡压、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，没有支芽和叉类特征，不易产生折叠、锻不足等缺

陷，因此不用设置预锻工步。

但零件中∅20的孔，因为直径较小，考虑模具寿命，

锻造时不锻出。

1.2零件材料特性分析

由零件图可知，该零件所使用的材料为40MnB，属合金结构钢。

所含合金

成分如表1-1所示：

3

“摇臂”锤模锻工艺及模具设计

表1-140MnB的化学成分（GB3077-88）[1]

该材料具有较高的强度、硬度、耐磨性及良好的韧性，是一种取代40Cr钢

较成功的新钢种。

该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的

韧性、塑性和耐磨性。

主要用作汽车上的转向臂、转向节、转向轴、半轴、蜗杆、

花键轴、刹车调整臂等，也可代替40Cr钢制造较大截面的零件。

具体的力学性

能如表1-2所示，可见该材料的锻造性能较好。

表1-240MnB的力学性能（GB3077-88）

[2]

1.3零件尺寸精度及表面粗糙度分析

由零件图可以看出，该零件右侧圆柱的上表面、左侧圆柱上下两表面和两内

孔需要进行机械加工，尺寸精度、表面粗糙度要求高。

其中左侧圆柱上下两表面

的表面粗糙度要求达到Ra0.8μm。

其余表面均为净锻表面，无需进行机械加工，尺寸精度和表面粗糙度要求低，

尺寸精度按IT13级确定，表面粗糙度为原锻件表面粗糙度。

1.4零件基本工艺方案确定

根据该零件特点、材料特性、尺寸精度与表面粗糙度和生产批量的要求，此

零件使用锤模锻，基本工艺流程设计为：

备料、下料、加热、制坯、开式模锻、

切边冲孔、热处理、表面清理、检验、机械加工等。

[1]周大隽主编：

《锻压技术数据手册》，机械工业出版社1998年版，第3页表1-3。

[2]周大隽主编：

《锻压技术数据手册》，机械工业出版社1998年版，第26页表1-22。

4

牌号

热处理

力学性能

退火或

高温绘

出供应

转头布

氏硬度

（HBS）

不大于

淬火

回火

抗拉强

度

σ/MPa

屈服点

σ/MP

a

伸长率

δ（%）

断面

收缩

率ψ

（%）

温度

/℃

冷却

剂

温度

/℃

冷却

剂

不小于

40MnB

850

油

500

水，油

980

785

10

45

207

牌号

化学成分（质量分数）%

C

Si

Mn

B

40MnB

0.37～0.44

0.17～0.37

1.10～1.40

0.0005～0.0035

“摇臂”锤模锻工艺及模具设计

2锤上模锻锻件设计

2.1确定分模位置

由零件图可以看到，左右两侧圆柱的锻件分模面均位于圆柱的中间，但并不

位于同一直线上，因此使用具有落差的不对称弯曲分模线。

且零件中间的连接杆

的剖视图可以看出分模面通过杆部中间通过。

阶梯部位位于右侧圆柱与连接杆的

接触部位。

分模面形状如图2-1所示。

2.2确定锻件公差及加工余量

2.2.1确定材质系数、复杂系数、零件的机械加工精度

（1）材质系数

锻件的材质系数分为二级：

M1和M2。

由表1-1得，40MnB中含碳量为0.37～

0.44%，合金元素总含量小于3.0%，符合材质系数M1：

钢的最高含碳量小于0.65%

的碳钢或合金元素最高总含量小于3.0%的合金钢的标准。

因此40MnB的材质系

数为M1。

（2）复杂系数

锻件形状复杂系数（S）是锻件重量（W锻件）与相应的锻件外廓包容体的重

量（W外廓包容体）的比值，即：

S=

W锻件

W外廓包容体

=

V锻件

V外廓包容体

该零件的外廓包容体（图2-1）长L总=166mm，高H总=29mm，宽B总=66mm。

则

V外廓包容体=L总·H总·B总=166×29×66mm3=317724mm3

通过计算，锻件的体积计算可简化为三部分：

V锻件=V右头+V杆+V左头=π·r右·h右+·l上+l下·h杆+π·r左·h左=

30×25π+×（15+50）×12+20×20π=119219mm

因此S=

锻件

=

=0.3752。

外廓包容体

查得该锻件为一般复杂，即复杂系数为S。

同时由此可以估算锻件质量为

0.93kg。

（3）零件的机械加工精度

零件加工精度是确定锻件加工余量的重要依据。

零件表面粗糙度大于或等于

Ra3.2μm的为一般加工精度F1；零件表面精度小于Ra3.2μm时需采用精加工F2，

余量要适当放大。

由零件图可以得到，右侧圆柱上下两端面表面粗糙度为Ra0.8μm，属于精加

5

“摇臂”锤模锻工艺及模具设计

工；右侧圆柱上端面和两内孔表面粗糙度均为Ra3.2μm，属于一般加工精度。

（4）加热条件

该锻件在煤气加热炉中加热。

2.2.2确定锻件公差和余量

在零件的加工表面上增加供切削加工用的余量，称之为锻件加工余量。

锻件

加工余量的大小与零件的材料、形状、尺寸、批量大小、生产实际条件等因素有

关。

此零件为简单的摇臂，查表[3]得，∅33内孔直径方向的单边加工余量为1.5～

2.0mm，此处取2.0mm；高度方向，左侧圆柱单边加工余量为1.5～2.0mm，此

处取2.0mm，右侧圆柱需磨削加工，即加工精度为F2，查表得单边加工余量为

1.6～2.1mm，此处取2.1mm。

零件尺寸加上加工余量即为锻件名义尺寸，由锻件名义尺寸可确定锻件格尺

寸的公差，其值的大小以锻件形状、尺寸有关，并受到生产具体情况的影响。

查表[4]得各尺寸公差列于表2-1中。

表2-1摇臂锻件尺寸加工余量及公差[5]

2.2.3确定模锻斜度

为使锻件成形后顺利地由模膛中取出，锻件侧表面上必须带有斜度，称为模

锻斜度。

模膛上的斜度是用指状标准铣刀加工而成，所以模锻斜度应选用标准度

数，以便与铣刀规格相一致。

此处，外模锻斜度与零件图上一致，取α=7°，内模锻斜度取β=10°。

[3]李尚键主编：

《锻造工艺及模具设计资料》，机械工业出版社1991年版，第128页表5-5。

[4]李尚键主编：

《锻造工艺及模具设计资料》，机械工业出版社1991年版，第124页表5-5、第126

页表5-6。

[5]表中根据一栏均来自：

李尚键主编《锻造工艺及模具设计资料》，机械工业出版社1991年版。

6

锻件重量

锻件体积

包容体体积

复杂系数

材质系数

0.93kg

119219

317724

S2

40MnB

M1

零件尺寸

锻件尺寸

公差/mm

根据

精度等级

直径

∅33

∅29

+1.0

-0.4

表5-5、表5-1

一般加工精度

厚度

20

24.2

+1.1

-0.4

表5-5、表5-3

精加工

25

27

+1.1

-0.4

表5-5、表5-3

一般加工精度

长度

110

110

+1.2

-0.6

表5-1

一般加工精度

允许错差

≤0.6mm

表5-3

允许横向残留飞边

≤0.7mm

表5-3

“摇臂”锤模锻工艺及模具设计

2.2.4确定圆角半径

锻件上的圆角半径对于保证金属流动、提高锻模寿命、提高锻件质量和便于

出模等十分重要。

因此在锻件上各相交表面处必须做出圆角，不允许呈尖角状。

为便于制造模具所用刀具标准化，圆角半径应按标准数值选取。

同时为保证

锻件凸角处的最小余量，有倒角时，取r1=余量+零件的倒角值；无倒角时，取r2=

余量。

此处，零件图上有圆角标注的为加工面，按原图中圆角加工。

∅60外圆角处

圆角半径r=（2+1）mm=3mm；∅29处圆角r=（2+1）mm=3mm；∅40外圆

角出圆角半径r=2mm。

具体数值见图2-2。

2.2.5确定冲孔连皮

此零件中有∅29内孔需要锻出，锤上模锻不能直接锻出透孔，必须在孔内保

留一层连皮，形成盲孔，然后在切边压力机上冲除。

此处，内孔直径d=29mm，使用平底连皮。

内孔高度h=

孔

=

mm=

13.5mm，按公式计算厚度：

t=0.45d-0.25h-5+0.6h=0.45⨯29-0.25⨯27-5+0.6⨯27=4.25mm。

连皮圆角半径应大于内圆角半径，取为r=3mm。

图2-1摇臂冷锻件图

2.3确定模锻件的技术条件

参考“钢质模锻件机械加工余量与公差标准”（GB12632—90）和“钢质模

锻件通用技术条件”（GB12361—90）的有关规定制定：

（1）图上未注明模锻斜度为7°；

7

“摇臂”锤模锻工艺及模具设计

（2）图上未注明圆角半径为R2；

（3）允许错差量≤0.6mm；

（4）允许横向残留飞边≤0.7mm；

（5）允许的表面缺陷深度≤1.0mm；

（6）锻件热处理：

调质；

（7）锻件表面清理：

抛丸。

根据上述各项参数，绘制冷锻件图，如图2-1所示。

8

“摇臂”锤模锻工艺及模具设计

3锤上模锻锻件工艺设计

通过确定机械加工余量、公差、分模面、拔模斜度、圆角半径等，绘制出冷

锻件图，根据冷锻件图和技术要求，对零件的锤上模锻进行工艺分析，确定模锻

设备及吨位、飞边槽，并绘制计算毛坯图，确定制坯工步、坯料尺寸和模锻前后

期工序的选择及参数的确定。

3.1计算锻件的主要参数

（1）锻件在水平面上的投影面积为8510mm2；

（2）锻件周边长度为420mm；

（3）锻件体积为115000mm3；

（4）锻件重量为0.902kg。

3.2确定锻锤设备吨位

总变形面积为锻件在水平面上的投影面积与飞边水平投影面积之和，参考飞

边槽尺寸，按1～2t锤飞边槽尺寸考虑，假定飞边均匀宽度为20mm，总的变形

面积S=（5800+420×20）mm=14200mm。

按双作用模锻锤吨位确定的经

验公式M=3.5～6.3KS。

式中K为材料系数，查表[6]得K=1.15；因为此零件为

大批量生产，要求高生产率，因此取系数6.3

M=6.3×1.15×142kg=1028.8kg

选用1t模锻锤。

3.3确定飞边槽形式和尺寸

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。

此处选用最

广泛使用的一种飞边槽（图3-1），其

优点是桥部设在上模块，因而受热小，

图3-1飞边槽型式

不易磨损或压塌。

查表[7]选定飞边槽的尺寸如表3-1所示：

表3-1飞边槽尺寸（单位：

mm）

计算得S飞=110mm2；

飞边槽充满率取η=0.7，则锻件飞边平均断面积F飞=ηS飞=77mm2；

飞边体积V飞=0.7×420×110mm3=32340mm3。

[6]李尚键主编：

《锻造工艺及模具设计资料》，机械工业出版社1991年版，第136页表5-19。

[7]吕炎主编：

《锻造工艺学》，机械工业出版社1995年版，第172页表8-1。

9

锻锤吨位/t

h飞

h1

B

b1

R

1

1.5

4

8

25

2

“摇臂”锤模锻工艺及模具设计

3.4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。

计算毛坯图是

制坯工步选择的依据，

按金属流动的效率，制

坯工步的优先次序是：

拔长、滚挤、卡压工步。

计算毛坯图的步骤

如下：

（1）选择截面及计

算截面面积

根据摇臂的形状特

点，供选取15个截面（如

图3-2所示）。

横截面面

积

F计=F锻+2η∙F飞

式中

η——充满

图3-2计算毛坯图

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、F计，结果列于表3-2。

（2）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：

h计=

计

。

此处为便于制图，缩尺比区M=10mm2/mm。

10

“摇臂”锤模锻工艺及模具设计

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（如图3-2所示）。

（3）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：

d计=1.13F计

计算结果见表3-2。

然后以L计为横坐标，以d计为纵坐标，在截面图的下方绘制计算毛坯直径图

（如图3-2所示）。

（4）复杂形状的简化

对头部带内孔的长轴类锻件（左侧头部），计算坯料的截面图和直径图在头

部具有突变的轮廓线（如图3-3所示），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，如图3-3中虚线所示，

并将修正后的截面数据列于表3-2中。

表3-2计算毛坯的计算数据

截面图所围面积即为计算毛坯体积，得V计=148310mm；平均截面面积

11

断面号

2

F（mm）

锻

2

S（mm）

飞总

2

F（mm）

计

d（mm）

计

2

修正F（mm）

计

修正d

计

（mm）

1

0

110

110

11.85

—

—

2

194

154

348

21.08

—

—

3

871

154

1025

36.2

—

—

4

1004

154

1158

38.45

—

—

5

690

154

844

32.83

—

—

6

300

154

454

24.08

—

—

7

384

154

538

26.21

—

—

8

456

154

610

27.91

—

—

9

988

154

1142

38.2

—

—

10

1458

154

1612

45.37