二轴突元锻模设计.docx
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二轴突元锻模设计
1.1零件分析
1.1.1零件材料的特性分析
45号优质碳素钢：
抗拉强度≥600（MPa）；屈服强度≥355（MPa）；延长率≥16%；断面收缩率≥40%；布氏硬度≤197特性及应用；未热处理时：
HB≤229；热处理：
正火；冲击功：
Aku≥39J强度较高，塑性和韧性尚好，用于制作承受负荷较大的小截面调质件和应力较小的大型正火零件；以及对心部强度要求不高的表面淬火零件，如曲轴、传动轴、齿轮、蜗杆、键、销等。
水淬时有形成裂纹的倾向，形状复杂的零件应在热水或油中淬火，焊接性差。
1.1.2锻件的加工要求
（1）拔模斜度7°，毛坯淬火，粗加工后调质处理，喷沙清理。
（2）公差按普通级精度制造。
（3）零件尖角处倒圆。
（4）零件要去除毛刺。
1.2工艺方案确定
根据零件的形状以及要求大批量生产，因此选用锤上模锻，由于该零件为圆饼类零件，应对下料后的毛坯件进行镦粗，使其发生镦粗成形。
然后终锻成形。
故应采用的变形工步为：
镦粗—终锻。
2锤上模锻件设计
2.1选择分模面
分模面是指模锻件在可分的模腔中成型时，组成模具型腔的各模块的分合面。
锻件分模位置合适与否，关系到锻件成形、锻件出模、材料利用率等一系列问题。
为了提高锻件质量合生产过程的稳定性，并使锻模结构尽量简单，防止上下模错移，分模面尽可能采用直线状。
本图选择在最大半径的中间作为分型面。
2.2确定模锻件加工余量及公差
2.2.1锻件的形状复杂系数
锻件的形状复杂系数S时锻件质量或体积（Gd，Vd）与其外廓包容体的质量或体积（Gb，Vb）的比值，即：
S=Gd/Gb=Vd/Vb（2.1）
其中Vd——锻件体积；
Vb——外廓包容体的体积；
Gd——锻件质量；
Gb——外廓包容体的体积。
经估算：
查锻件形状复杂程度等级手册【1】得该锻件形状复杂程度级别为
级，形状复杂程度为教复杂件。
2.2.2锻件的质量
锻件的质量可以根据锻件图的名义尺寸进行计算，即：
（2.2）
其中ρ——材料密度，取7.85g/cm3
V——锻件体积，取366879mm3
经计算，
2.2.3锻件的材质系数
材质系数按锻压的难易程度划分四个等级，材质系数不同，公差不同。
该锻件的材料为45#钢，属于M1。
2.2.4模锻件的精度等级
模锻件的公差一般为三级，普通级、半精度级和精度级，此锻件采用普通级。
2.2.5确定锻件公差和余量
根据锻件的名义尺寸、质量、精度等级、形状复杂系数以及锻件材质诸因素查找锻压手册确定长、宽和高度方向的尺寸公差。
查手册【1】得高度公差2.2
，长度公差2.5
，宽度公差2.5
。
查手册【1】得高度和水平方向单边余量1.7～2.2mm，取2mm。
2.2.6模锻斜度
便于模锻件从型槽中取出，必须将型槽壁部做成一定的斜度，即模锻斜度。
它可以是锻件侧壁附加的斜度，也可以是侧壁的自然斜度。
模锻斜度有内斜度β和外斜度α。
当锻件冷缩时，锻件外侧趋向离开模壁，而内侧抱住模具型槽中凸出部分不易取出。
本设计中内外均采用7°的斜度。
2.2.7锻件技术要求
（1）图上未标注的模锻斜度7°；
（2）图上未标注的圆角半径R=1mm；
（3）允许的错移量0.8mm；
（4）残留的毛边量0.8mm；
（5）允许的表面缺陷深度0.5mm；
（6）锻件热处理：
调质；
（7）锻件表面清理：
喷沙清理。
2.3计算锻件基本数据
（1）锻件在平面上的投影面积14519.36mm2；
（2）锻件的周边长度427.04mm；
（3）锻件体积366879mm3；
（4）锻件质量2.88kg。
3锤上模锻工艺设计
3.1确定锻锤的吨位
模锻锤吨位选择恰当，既能获得优质锻件，又能节省能量，保证正常生产，并能保证模具有一定的寿命。
模锻过程是一个短暂的动态变化过程，受到诸多因素的制约，要获得准确的理论解是很困难的。
因此，生产中，为方便起见，多用经验公式或近似解的理论公式确定设备吨位。
有时，甚至采用更为简易的办法，即参照类似锻件的生产经验，通过类似来选择设备吨位。
按锻件在分模面上的投影面积和材料性质确定模锻锤吨位：
双动模锻锤G=（3.5~6.3）kF（3.1）
式中G,G1——锻落下部分质量（kg）；
F——锻件本体和毛边（按仓部的50%计算）在水平面上的投影面积（mm2）；按毛边槽尺寸考虑，假定毛边桥宽度为25mm。
总面积=14519.36+25×427.04=24314.28mm2，因大批量生产，取系数为6.3，k=1.0。
G=6.3×1×24314.28=1533.42kg
故选用2吨锤。
3.2选择飞边槽
毛边槽的形式和尺寸对锻件质量影响很大，有六种形式。
3.2.1飞边槽的作用：
（1）增加金属流出模膛的阻力，迫使金属充满模膛。
（2）容纳多余金属。
（3）锻造时飞边起缓冲作用，减弱上下模的直接撞击，防止模具的压塌与开裂。
3.2.2飞边槽尺寸的确定：
（1）吨位法毛边槽具体尺寸根据锻锤吨位大小来选定。
吨位法是从实际生产中总结出来的，应用简便，但未考虑锻件形状复杂程度，因而准确性差。
（2）计算法计算法是采用经验公式计算毛边槽桥部高度，即
（a）
（3.2）
式中F件——锻件在分模面上的投影面积（mm2）
然后根据计算得到的h值确定毛边槽其他尺寸。
（b）
（3.3）
式中Q——锻件质量（kg）
飞边槽最主要的尺寸是桥部高度h及宽度b。
h增大，阻力减小；h减小，阻力增大。
桥部宽度b增加时阻力增大。
锻件的尺寸（准确的说是锻件在分模面上的投影面积）既是选定飞边槽尺寸，也是选定吨位的主要依据，故生产中通常按锻锤吨位来选定飞边槽的尺寸。
依据设备的吨位，选择飞边槽形式为Ⅰ型各部分尺寸如表3.1所示。
表3-1按锻锤吨位确定的毛边槽尺寸
h/mm
h1/mm
b/mm
b1/mm
R1/mm
F/mm2
1.0～1.6
4
8
22～25
1
100～126
飞边槽形状如图3.1。
图3.1飞边槽的形状
3.3确定坯料尺寸
模锻用原材料的体积应包括锻件本体、毛边、连皮、夹钳料头和加热引起的氧化皮之总和。
原材料的横截面尺寸及长度是以计算毛坯为基础，再根据热锻件特点及所选定的制坯工步、模锻方法（单件锻、调头锻、逐件连续锻）确定。
不同类别的短见，变形特点不同，所需坯料的计算方法亦不同。
该锻件为圆饼类锻件用镦粗制坯，所以毛坯尺寸应以镦粗变形为依据进行计算。
（3.4）
式中
--锻件体积；
--宽裕系数，考虑到锻件复杂程度影响毛边体积，并计及火耗量。
对圆形锻件，k=0.12～0.25；对非圆形锻件，k=0.2～0.35.现取0.25。
则
mm3
mm
取毛坯直径为70mm。
毛坯下料长度为
mm
根据计算出的坯料体积
确定坯料直径
或方坯料的边长
。
考虑到坯料在墩粗时不产生弯曲，备料方便，以及节省材料，应使坯料长度
与直径
（或
）之比
值～
。
以上计算结果符合要求。
所以下料毛坯尺寸为Ø70×122mm。
4锻前加热,锻后冷却及热处理要求
4.1确定加热方式及锻造温度范围
4.1.1确定加热方式
在锻造生产中，为提高金属塑性，降低变形抗力，即增加金属的可锻性，从而使金属易于流动成形，并使锻件获得良好的锻后组织和力学性能，因此在金属坯料锻前进行加热处理。
金属坯料的加热方法，按所采用的热源不同，可分为燃料加热和电加热两大类。
由于该锻件的材料为45#钢，电加热具有加热速度快、炉温控制准确、工件氧化少、加热质量好、劳动条件好、易于实现自动化操作等优点，因此采用电加热。
4.1.2锻造温度范围
金属的锻造温度范围是指开始锻造温度（始锻温度）和结束锻造温度（终锻温度）之间的一段温度区间。
锻造温度范围的确定原则是：
应能保证金属在锻造温度范围内具有较高的塑性和较小的变形抗力，并能使制出的锻件获得所希望的组织和性能。
通过长期生产实践和大量试验研究，现有金属材料的锻造温度范围已经确定，可从有关手册中查得。
45#钢,经文献查表[1]知始锻温度为1200℃，终锻温度为800℃。
表4.1常用金属材料围的锻造温度范
金属种类
牌号举例
始锻温度（℃）
终锻温度（℃）
普通碳素钢
A3，A4，A5
1280
700
优质碳素钢
40，45，60
1200
800
碳素工具钢
T7，T8，T9，T10
1100
770
4.2确定加热时间
加热时间是指坯料坯料装炉后从开始加热到出炉所需要的时间，包括加热各阶段的升温时间和保温时间。
加热时间可按传热学理论计算，但因计算复杂，与实际差距大，生产中很少采用。
该锻件为中小钢坯，在半连续中加热时，加热时间可按公式：
（4.1）
式中D——坯料直径或宽度（mm）
a——碳素结构钢:
a=0.1~0.15
经计算，
4.3确定冷却方式
锻件的冷却是指锻件从终锻温度出模冷却到室温。
如果冷却方法选择不当，锻件可能因产生裂纹或白点而报废，也可能延长生产周期而影响生产率。
制定锻件冷却规范的关键是冷却速度。
根据锻件材料的化学成分、组织特点、锻件的端面尺寸和锻造变形情况等因素来确定合适的冷却速度。
空冷冷却速度较快,所以采用在空气中冷却。
4.4确定热处理方式及要求
锻件在机械加工前后，均须进行热处理。
锻件常用的热处理方法有：
退火、正火、调质、淬火与低温回火、淬火与时效等。
为调整锻件的硬度,以利于锻件进行后续加工；同时消除锻件内应力,以免在机械加工时变形；改善锻件内部组织,细化晶粒,为最终热处理作好组织准备。
该锻件材料为45#钢，为了改善钢的性能，因此采用的热处理方式为调质。
5锤用模锻设计
5.1终锻型槽设计
终锻型槽是各种型槽中最重要的型槽，用来完成锻件最终成成形。
终锻型槽是按热锻件图加工和检验的。
该锻件所用材料为45#钢,其收缩率为1.5%。
根据生产经验总结,考虑到锻模使用后承击面下陷,型槽深度减小。
因此作了修改:
辐板处增厚0.5mm。
5.2型槽的布排
锤锻模结构设计的优劣对锻件质量、生产效率、劳动强度、锻模和锻锤的使用寿命以及锻模加工制造都有直接的影响。
锤锻模结构设计是指锻件所采用的各个工步型槽在模块地上的合理布排，型槽之间和型槽至模块边缘的壁厚，模块尺寸、质量、纤维方向要求，以及平衡错移力的锁扣。
锻模分模平面上的型槽布置要根据型槽数、各型槽的作用及操作是否方便来确定。
原则上应使型槽中心与理论上的打击中心重合，以使锤击力与锻件的反作用力处于同一垂直线上，从而减小锤杆承受的偏心力矩，有利于延长锤杆使用寿命，减小导轨的磨损和模块燕尾的偏心载荷，在保证应有的打击能量和锻模具有足够强度的前提下，应尽量减小模块尺寸，这样，模具寿命长，锻件精度高。
由于此锻件具有对称性，锻件的错移力由锻件本身平衡，故不需设计平衡块。
对于有落差的小锻件可将两个模膛相对布排以抵消错移力。
本设计只有终锻型槽，应尽量使型槽中心与打击中心重合。
这时打击力与反作用力的合力处在同一铅垂线上，不产生偏心力矩。
根据零件形状可知，首先应进行镦粗，其作用是使毛坯高度尺寸减小，水平尺寸增大，以利于充满型槽，防止产生折叠，兼有去除氧化皮的作用。
在模块上除制坯型槽外，还有终锻型槽，应将燕尾中心偏离模块中心线，偏移的距离应小于模块宽度的10%。
否则，由于模块自身的质量在捶头运动中会因重力产生偏心力矩，导致锤杆弯曲，加速导
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