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精密鍛造模具尺寸精度及模具應(yīng)力的
集成計(jì)算機(jī)輔助決策支持系統(tǒng)
摘要：在精密鍛造中，我們可以廣泛而有效地應(yīng)用決策支持系統(tǒng)。決策支持系統(tǒng)是基于早期有經(jīng)驗(yàn)的鍛造模具設(shè)計(jì)工程師的總結(jié)和經(jīng)驗(yàn)而產(chǎn)生的。在降低成本、提高元件可靠性的過(guò)程中，精密零配件正扮演著越來(lái)越重要的角色。因此，在許多應(yīng)用領(lǐng)域中,業(yè)務(wù)規(guī)范本身也已經(jīng)成為固有的部分或工藝流程。在鍛造模具設(shè)計(jì)中，高尺寸精度更是主要目標(biāo)之一。任何鍛件的承載力和使用壽命在很大程度上都受尺寸精度影響。為了預(yù)測(cè)部件的尺寸，并確定精鍛模具的尺寸，我們有必要分析一下影響尺寸精度的因素。并且在鍛造的每個(gè)階段中都對(duì)模具和產(chǎn)品的空間演變進(jìn)行分析。在這項(xiàng)研究中，自圓柱形工件投入使用以來(lái)，徑向和切向應(yīng)力都將作為模具應(yīng)力被測(cè)定。為確保鍛模尺寸和產(chǎn)品尺寸相吻合，應(yīng)盡量避免鑲件與鍛模間的彈性擴(kuò)張和收縮。
關(guān)鍵詞：精密鍛造 模具應(yīng)力 決策支持系統(tǒng)
1引言
精密成型工藝與鍛件尺寸精度在模具鍛造中地位特殊。由于其經(jīng)濟(jì)效益的原因，精密成形已經(jīng)成為金屬成形技術(shù)所要實(shí)現(xiàn)最重要的目標(biāo)之一。在鍛造行業(yè)中，為了獲得較高的鍛造精度和較長(zhǎng)的模具壽命，我們已經(jīng)開(kāi)始著眼于如何提高的鍛件尺寸精度。由于模具和工件的彈性和熱特性的不同影響，鍛件的尺寸很有可能有別于模具型腔。在這些特性中，刀具和工件材料彈性運(yùn)動(dòng)對(duì)尺寸精度的影響較大。
模具和毛坯的彈性特性受零件不同形狀的影響，即使是相同的材料。因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到消除誤測(cè)模具和毛坯彈性變形的重要性。許多研究人員在優(yōu)化模具、延長(zhǎng)模具壽命和優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)的研究中，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)的方法研究了型腔補(bǔ)償。在數(shù)字分析方面，Takshashi和Brebbia 用邊界元法分析了鍛造模具應(yīng)力。 Sadeghi和Dean則研究了關(guān)于尺寸精度的精密鍛造軸對(duì)稱(chēng)組件。 Eyercioglu 和Dean也研究了精密齒輪的設(shè)計(jì)和加工。此外，一些研究還提到了尺寸精度和有限元，上限元素技術(shù)（UBET）等一些數(shù)學(xué)研究方法，而平板法也在鍛造工具的彈性特性的過(guò)程中被提出。
Gerhard 和 Altan聲明他們的模具結(jié)構(gòu)分析和應(yīng)力及彈性偏差預(yù)測(cè)都是基于模具壽命預(yù)測(cè)的。尤其在熱鍛，模具應(yīng)力，機(jī)械連接的構(gòu)型及熱應(yīng)力，修復(fù)模具疲勞，表面裂紋，裂紋擴(kuò)展，等影響模具壽命和效益方面頗具成效。
大多數(shù)成形操作中，形變模式的控制是非常復(fù)雜的，因此我們不可能給予定量的描述。毛坯在成形區(qū)的材料形變模式受很多因素的影響，如摩擦，潤(rùn)滑，溫度，流速，邊界條件，材料性能，刀具和毛坯幾何形狀等。該金屬成形工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)不但需要了解這些參數(shù)的影響而且要對(duì)過(guò)程中機(jī)械參數(shù)的相互作用有所研究，以便了解特定金屬的成型工藝。為了獲得所需的幾何和力學(xué)性能，工藝參數(shù)必須準(zhǔn)確，優(yōu)化，并得到適當(dāng)?shù)目刂啤?
對(duì)于鍛造模具的設(shè)計(jì)要求及負(fù)荷的預(yù)測(cè), 經(jīng)驗(yàn)豐富的工具設(shè)計(jì)師運(yùn)用所積累的知識(shí)一般通過(guò)正確處理尺寸精度來(lái)實(shí)現(xiàn)。而這些知識(shí)，經(jīng)驗(yàn)都是基于工業(yè)試驗(yàn)的。除了有關(guān)模具應(yīng)力和鍛造負(fù)荷的數(shù)學(xué)計(jì)算外，必要的過(guò)程計(jì)劃及源于行業(yè)業(yè)務(wù)規(guī)范的準(zhǔn)則和知識(shí)也為鍛模設(shè)計(jì)提供了一個(gè)理想的實(shí)施方案 。
2模具設(shè)計(jì)的通用假設(shè)
模具設(shè)計(jì)一般受多個(gè)因素的影響，并且各個(gè)因素之間又相互關(guān)聯(lián)。如：產(chǎn)品的類(lèi)型、形狀及個(gè)別特殊情況等,但主要受強(qiáng)度要求的影響。我們應(yīng)該意識(shí)到,由于鍛模中復(fù)雜的應(yīng)力分布，在設(shè)計(jì)要求方面不是特別精確。這一情況的出現(xiàn)也是有原因的,如產(chǎn)品材料的分布和徑向壓力的大小就無(wú)法確定。此外,產(chǎn)品的材料在鍛造過(guò)程中也會(huì)不斷的變化，這是由于壓力分布的不斷變化造成的，因而就無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但通常，我們會(huì)假定存在這樣一個(gè)穩(wěn)態(tài)，在模具煅燒的過(guò)程中內(nèi)部壓力始終不變。有了這些假設(shè)，就可以對(duì)理論空心氣瓶進(jìn)行計(jì)算。與其他方法相比，邊界元法（UBET）融入了上限定理和有限元素法的優(yōu)點(diǎn)，以便對(duì)變形速率、模具負(fù)載和型腔充填等重要參數(shù)進(jìn)行更為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。作為初始階段的最優(yōu)化的算法，UBET無(wú)可挑剔，但仍需盡快達(dá)成近乎完美的解決方案。
模具內(nèi)部不斷上升的應(yīng)力主要來(lái)源于煅燒時(shí)模具內(nèi)部較高的壓力。然而，壓力并非一直不變。由于壓力主要集中在模具與形變工件相接觸的部分，所以壓力在鍛造過(guò)程中會(huì)有所變化，而壓區(qū)的長(zhǎng)度也將發(fā)生變化。該鍛件在尺寸上會(huì)與模具有所不同，這主要是由以下幾個(gè)因素造成的：
-鑲件會(huì)收縮至模具外環(huán)的大小以方便工件從模具腔體內(nèi)抽出（Ue）。
-在熱鍛造中，模具可能會(huì)被預(yù)加熱，然后在鋼坯加熱過(guò)程中會(huì)被進(jìn)一步加熱。這將造成模具形腔擴(kuò)展（UT）。
-工件從鍛造溫度冷卻至室溫時(shí)會(huì)發(fā)生收縮現(xiàn)象（Uc）。
-在模具零件的電火花加工時(shí)，電極與工件之間會(huì)發(fā)生火花間隙。這降低了模腔尺寸（克）。
如圖1所示，假設(shè)工件的初始半徑為R0，則模具的最終半徑R4的將是：
R4 =R0 +Ue+Ut-Uc-G
3.公式計(jì)算
3.1擴(kuò)展的彈性模計(jì)算（Ue）
為了計(jì)算由模具的彈性形變?cè)斐傻墓ぜ叽绲淖兓?，我們必須考慮工件的彈塑性形變。假設(shè)工件受模具的應(yīng)力是不變的，并且鍛件在最大負(fù)荷時(shí)始終保持圓柱形，
同時(shí)模具形變是又是彈性的，沿其軸線(xiàn)不變。忽略工件與鍛模接口的摩擦，工件的尺寸在沖頭負(fù)荷產(chǎn)生和消失時(shí)發(fā)生變化。此外，工件尺寸的變化發(fā)生在脫模階段。
為了計(jì)算出的模具在徑向壓力的擴(kuò)張總量，我們必須考慮無(wú)壓力雙汽缸的膨脹量。工件上存在的沖頭負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致兩種形式的形變。首先，工件將發(fā)生彈性形變，當(dāng)沖頭應(yīng)力等于工件的屈服應(yīng)力時(shí)，工件開(kāi)始發(fā)生塑性形變，壓縮一直持續(xù)到工件接觸到模具內(nèi)壁。為了保證工件表面的連續(xù)性，箍張力（切向）工件和收縮環(huán)必須在這一點(diǎn)上是相等的，即:εθ1=εθ2.下標(biāo)1和2分別為鑲件和收縮環(huán)。當(dāng)工件所施加的負(fù)荷達(dá)到最大時(shí)，徑向應(yīng)力將大于其屈服應(yīng)力。在這種情況下，如果沖頭負(fù)荷消失，工件將受到模具的塑性壓力直到工件上的徑向應(yīng)力降低到剪切屈服應(yīng)力的兩倍（Sy）。通過(guò)使用特雷斯卡的屈服準(zhǔn)則，在本階段結(jié)束時(shí)，
工件的徑向膨脹的總值可以通過(guò)以下公式計(jì)算出：
在鍛造過(guò)程結(jié)束時(shí)，沖壓力為零，徑向應(yīng)力（2Sy）仍然作用在工件上。在工件抽出時(shí)，它的半徑將彈性擴(kuò)大而回收量（S）可以通過(guò)假設(shè)壓力（簡(jiǎn)1 / 4平方米）呈圓柱形分布并且取σz= 0：
、
Ev Ew分別是工件材料的楊氏模量和泊松比 。
彈性模膨脹造成的工件的尺寸變化為：
3.2熱模拓展的計(jì)算(Ut)
在熱鍛造中為防止鍛模組件開(kāi)裂、降低工件冷卻率,通常會(huì)對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱。煅燒過(guò)程中工件上的部分熱量會(huì)進(jìn)一步加熱模具，這兩部分熱量會(huì)導(dǎo)致模具膨脹。模具的徑向溫度分布預(yù)熱溫度為T(mén)p，圖2給出了鈦合金的孔徑大小。我們假定模具的溫度始終不變，但是工件上產(chǎn)生的熱量會(huì)隨徑向溫度梯度形成外熱力流。假設(shè)預(yù)熱均勻，則模壁會(huì)自由膨脹所有徑向膨脹量計(jì)算如下：
這里，Tr為室溫，Tp是預(yù)熱溫度，αd為模具材料的熱膨脹系數(shù)。模具內(nèi)表面溫度不斷上升，圖3為壓力分布示意圖。
因此，由熱壓力造成的任一半徑的徑向位移量可以由計(jì)算而得：
高溫造成的模具總膨脹量為：
3.3產(chǎn)品熱收縮的計(jì)算（Uc）
熱成型加工后的收縮量受加工溫度和鍛造材料熱膨脹的共同影響。假設(shè)收縮徑向發(fā)生,鍛造完成時(shí)的溫度是均勻的,則任何半徑的徑向收縮量為:
其中，Tf是鍛造溫度，αw工件的熱膨脹系數(shù)，r是工件收縮前的半徑。為了實(shí)現(xiàn)高精度的模具尺寸公差范圍、模具尺寸會(huì)被嚴(yán)格控制。正如上文所述，在調(diào)整模具和確定毛坯尺寸之前很明顯要對(duì)上述因素給予充分的考慮。在上述的分析中, 要先計(jì)算出影響鍛造尺寸的參數(shù)，而對(duì)于一個(gè)給定的條件，模具的輪廓是確定的。并且已經(jīng)有用于計(jì)算這些數(shù)據(jù)和修正模具的產(chǎn)品鍛造尺寸的程序。鑲件和收縮環(huán)的尺寸（見(jiàn)圖4）可以通過(guò)等式10-17計(jì)算得出。
其中a是模具內(nèi)半徑、b是鑲件外半徑、c是收縮環(huán)的外半徑、z是干擾參量,Pi是內(nèi)壓力。
4總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
現(xiàn)在我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)為決策支持系統(tǒng)建立了推理和控制能力，同時(shí)找到了正確處理模具應(yīng)力和產(chǎn)品尺寸精度的方法。
我們也開(kāi)始考慮運(yùn)用一種智能的面向?qū)ο笙到y(tǒng)生產(chǎn)出高精度的產(chǎn)品。我們?cè)噲D用母系框架(幾何、鍛造負(fù)荷、模具幾何、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架來(lái)描述這項(xiàng)工作的知識(shí)表征。模具裝配、材料)與面框相連接。每個(gè)母系框架又設(shè)有有子框架。圖5為整體框架。
母系框架通常用來(lái)描述一般的對(duì)象。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)定義詳細(xì)說(shuō)明了數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)方式,以方便數(shù)據(jù)的搜索和整理。為了將文本數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)我們需要調(diào)整子框架和例證以使其能代指特定的對(duì)象。鍛造負(fù)荷的預(yù)測(cè)對(duì)尺寸精度和模具壽命至關(guān)重要。
下面的這個(gè)框架有六個(gè)子框架,它是開(kāi)發(fā)系統(tǒng)主要框架之一(見(jiàn)圖6)。
輪廓框架：這個(gè)框架從它的幾何母系框架獲取知識(shí)表達(dá)。為了確定煅燒負(fù)荷,輪廓將首先被加熱。為了找到斜行和弧線(xiàn)，要對(duì)實(shí)體進(jìn)行搜索。在這個(gè)過(guò)程中, 為了找到斜行或弧,相關(guān)的支架都要被刪除。
移除框架：在這個(gè)框架中,移除的實(shí)體將被儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。這里有兩個(gè)實(shí)例：其中一種包含斜行的信息而另一個(gè)包含了弧域框架：這個(gè)框架也是鍛造負(fù)荷母系框架的子框架。幾何分解就是源于這個(gè)框架的。垂直和水平線(xiàn)都引自同行的角點(diǎn)。通過(guò)這種方式,矩形區(qū)域得以劃分。域的有關(guān)知識(shí)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。
摩擦框架：域的一側(cè)與材料、模具或沖床的一側(cè)相連。因此,兩側(cè)都會(huì)被檢查，而摩擦系數(shù)也是確定的。該框架用于測(cè)定域的兩側(cè)是否與材料、模具或沖床的一側(cè)相連。
潤(rùn)滑框架：潤(rùn)滑框架從摩擦框架獲取信息。這一框架有四層標(biāo)準(zhǔn):良潤(rùn)滑，潤(rùn)滑、差及零潤(rùn)滑(干)。這些標(biāo)準(zhǔn)必須由用戶(hù)認(rèn)定。輸入值通常用于域各邊及所有產(chǎn)品摩擦系數(shù)的確定。
流動(dòng)應(yīng)力框架：不同材料的形變特性各有迥異。一旦發(fā)生形變流動(dòng)應(yīng)力值就會(huì)隨之變化。因此, 材料的這一屬性必須隨時(shí)掌握。
5實(shí)驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)中用到一個(gè)600kN的液壓力，同時(shí)，石墨水也將被用作潤(rùn)滑劑。最后，必須確保所有的工作表面都被完全潤(rùn)滑。AISI空氣硬化中度偏冷合金被作為一種鑲件材料被使用。工具箱中有容器、沖床、噴射器及墊板。
同時(shí)要鍛造U形、T形及錐形的鋁制產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。并且用到了三種不同大小的圓柱形鋁質(zhì)坯料。外徑40毫米、高度20毫米的產(chǎn)品都由工料桿和空心桿獲得。
5.1閥瓣鍛造
為確定鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，我們進(jìn)行了閥瓣鍛造壓縮試驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們又進(jìn)行了增量壓縮測(cè)試，并在每一次加載之后對(duì)面積減少量及相應(yīng)的載荷進(jìn)行計(jì)算與記錄。高度的降低量與載荷關(guān)系如圖7所示。圖8為應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。為了確定摩擦系數(shù)(m),我們對(duì)模環(huán)進(jìn)行了抗壓測(cè)試。扁環(huán)樣本在兩個(gè)擋板間發(fā)生可塑性壓縮。增加摩擦?xí)a(chǎn)生材料的內(nèi)向流，相反，減少摩擦則會(huì)造成材料的外向流。對(duì)于抗壓測(cè)試中給定的高縮比,相應(yīng)的試件內(nèi)徑尺寸為我們提供了工件與模具間現(xiàn)行摩擦系數(shù)的數(shù)量級(jí) 。
從這個(gè)角度看,鋁的模環(huán)抗壓測(cè)試的數(shù)據(jù)見(jiàn)表格1。ΔH和%ΔD的值可由下面的方程式計(jì)算得出。摩擦系數(shù)m可以從圖9看出。
5.2 u型鍛造
在產(chǎn)品的精密鍛造中，模具填充完全被認(rèn)為是提高鑄造部分尺寸精度最重要的標(biāo)準(zhǔn)。我們應(yīng)該嚴(yán)格控制毛坯的體積,否則就有可能發(fā)生填模不滿(mǎn)或填模過(guò)滿(mǎn)的問(wèn)題。通常認(rèn)為液態(tài)金屬在棱角處不易流動(dòng)。這一問(wèn)題可以通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整毛坯的幾何構(gòu)型來(lái)解決。
圖10給出了三種不同大小的毛坯。這些毛坯在煅燒過(guò)程中都維持其體積不變。第一個(gè)毛坯由圓柱形固態(tài)材料在26噸載荷下鍛造而出。第二個(gè)毛坯則在55噸載荷下鍛造出來(lái)的，但試件內(nèi)側(cè)明顯出現(xiàn)填模不滿(mǎn)的情況。而第三個(gè)毛坯更是同時(shí)出現(xiàn)了填模不滿(mǎn)和填模過(guò)滿(mǎn)的情況。它的載荷是40噸。
5.3 t型鍛造
t型鍛造如圖11所示。同樣，這里給出了三種不同大小的毛坯。這些毛坯在煅燒過(guò)程中都維持其體積不變。雖然這里用了55噸的載荷，圖11a表明,t型產(chǎn)品的模腔仍未填滿(mǎn)。而第二個(gè)試件的載荷量是40噸，此時(shí)模腔基本上被填滿(mǎn)了。第三個(gè)試件形狀較小，直徑不變，在26噸的載荷下獲得了這種產(chǎn)品。
5.4 錐型鍛造
圖12為錐形鍛造。這種產(chǎn)品同樣是用不同尺寸且保持尺寸不變的試件。圖12給出了三種不同尺寸的錐型毛坯。圖12a表明錐型鍛造的產(chǎn)品是不能夠在55噸載荷下得到的，由于毛坯變形出現(xiàn)了填模過(guò)滿(mǎn)的情況。實(shí)驗(yàn)二采用了30毫米毛坯直徑和35噸毛坯負(fù)載(圖12b)。在這種情況下，錐形頂部不能完全成型。第三個(gè)試件直徑為25毫米,負(fù)荷為24噸。幾乎達(dá)到了尺寸要求。
這些實(shí)驗(yàn)表明,能否鍛造出合格的產(chǎn)品取決于毛坯的幾何形狀，而毛坯的幾何形狀又受翅成型、形變縮鍛與擠壓以及摩擦的影響。
5.5尺寸精度分析
因?yàn)榫苠懺斓哪＞咴阱懺爝^(guò)程中會(huì)受到非常大的徑向壓力，所以模具會(huì)發(fā)生較為明顯的徑向形變。模具的這種徑向形變是影響產(chǎn)品尺寸精度的重要因素。要想獲得高精度尺寸的產(chǎn)品，就要對(duì)模具和產(chǎn)品的彈性形變進(jìn)行（Ue）估算。
通過(guò)上述的分析，影響鍛造尺寸的參數(shù)，也就是模具擴(kuò)張（Ue），可以通過(guò)等式5并結(jié)合模具尺寸計(jì)算得出。U型鍛造的模具修正尺寸和壓力計(jì)算的截屏見(jiàn)圖13a、圖13b。圖14Excel表格截圖也給出了計(jì)算結(jié)果。
表2.模具修正幾何尺寸（mm）
U型 T型 錐型
Ue -0.03563 -0.03563 -0.04667
工件最終半徑 19.96437 19.96437 19.95333
模具最終半徑 20.03563 20.03563 20.04667
b 28.78528 28.78528 27.66765
c 41.42962 41.42962 38.27494
z 0.02978 0.02978 0.02642
w1 9.98815 10.0456 7.51274
w2 10.0456 9.98815 7.5110
表2分別給出了U型鍛造、T型鍛造和錐形鍛造根據(jù)模具應(yīng)力和尺寸精度的計(jì)算結(jié)果推算出的模腔尺寸。圖15給出了合成鍛造的剖面圖。圖16給出了錐型鍛造產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)要素。沖床最為獨(dú)立的單元，沒(méi)有列出詳細(xì)數(shù)據(jù)。沖床充當(dāng)了腔體頂部，與隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的鍛機(jī)相接觸。噴射器通常用于去除模具內(nèi)尚未形變的產(chǎn)品。也用于產(chǎn)品底部成型。鑲件則促成了模具（模具內(nèi)壁）的成型。
由于鑲件受到鍛造負(fù)荷、摩擦負(fù)荷和溫度的影響，同時(shí)它的強(qiáng)度又必須能夠應(yīng)對(duì)所有情況, 所以它的選材必須非常慎重。為了增強(qiáng)鑲件對(duì)內(nèi)部壓力的抵抗力，通常是在一個(gè)或多個(gè)收縮環(huán)內(nèi)插入嵌件，使其達(dá)到熱力配合。因此，可以大大減少由鍛造部件傳遞的鍛造壓力與鍛孔上的張應(yīng)力合力。
6結(jié)論
計(jì)算機(jī)輔助鍛造設(shè)計(jì)對(duì)于逐漸沒(méi)落的鍛造產(chǎn)業(yè)意義非凡。由于鍛造的形狀在整個(gè)產(chǎn)業(yè)中地位突出，所以，發(fā)達(dá)的決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。通常假設(shè)移除外加負(fù)載后，只發(fā)生徑向尺寸變化。為了研究精密鍛造過(guò)程中尺寸變化的力學(xué)參數(shù)，也會(huì)考慮在室溫下由圓柱形模具鍛造缸體。雖然鍛造過(guò)程中會(huì)忽略加工硬化和溫度變化的影響，但理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是非常吻合的。
機(jī)
機(jī)
械
英
文
翻
譯
譯
文
姓 名: 林 超
班 級(jí):07機(jī)制2班
指導(dǎo)老師:楊志波
機(jī)
械
英
文
翻
譯
原
文
姓 名: 林 超
班 級(jí):07機(jī)制2班
指導(dǎo)老師:楊志波
學(xué)科門(mén)類(lèi)： 單位代碼 ：
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）
汽車(chē)連桿零件的鍛模設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
所學(xué)專(zhuān)業(yè)
班 級(jí)
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)教師
XXXXXXXXX系
二○**年XX月
10
目錄
中文摘要 …………………………………………………………1
英文摘要 …………………………………………………………1
1 緒論………………………………………………………………3
1.1 問(wèn)題的提出及研究意義 ……………………………………3
1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況 ……………………………………………3
2 模鍛工藝簡(jiǎn)述……………………………………………………4
2.1模具對(duì)金屬變形的影響 ………………………………………4
2.2模鍛的分類(lèi)及各自的特點(diǎn) ……………………………………5
2.2.1 開(kāi)式模鍛………………………………………………………5
2.2.2 閉式模鍛………………………………………………………5
2.2.3 擠壓……………………………………………………………6
2.2.4 頂鐓……………………………………………………………6
3 工藝性分析及工藝方案的選擇……………………………………6
3.1汽車(chē)連桿工藝性分析……………………………………………6
3.2汽車(chē)連桿工藝方案選擇…………………………………………7
4 汽車(chē)連桿的工藝參數(shù)及設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………8
4.1 鍛件圖設(shè)計(jì)………………………………………………………8
4.2 計(jì)算鍛件主要參數(shù) ……………………………………………10
4.3鍛錘噸位的確定…………………………………………………10
4.4確定飛邊槽的形式和尺寸………………………………………10
4.1.1分模位置…………………………………………………………10
4.1.2確定公差和余量……………………………………………………10
4.5終鍛模膛設(shè)計(jì)……………………………………………………11
4.6鉗口的設(shè)計(jì)………………………………………………………12
4.7 預(yù)鍛模膛設(shè)計(jì)……………………………………………………12
4.8繪制計(jì)算毛坯圖…………………………………………………13
4.9確定坯料尺寸……………………………………………………14
5 鍛造模具的設(shè)計(jì)……………………………………………………14
5.1模具設(shè)計(jì)的基本作用……………………………………………14
5.2降低模具生產(chǎn)成本的措施………………………………………15
5.3模具的重要作用……………………………………………………17
5.4模具的設(shè)計(jì)要求……………………………………………………17
5.5模具的設(shè)計(jì)內(nèi)容……………………………………………………17
5.6模具材料的選取……………………………………………………18
5.7鍛造模塊的確定……………………………………………………18
5.8、燕尾及鍵槽的選…………………………………………………18
6 汽車(chē)連桿成形工藝過(guò)程分析 ………………………………………18
6.1 毛坯的制備………………………………………………………18
6.2潤(rùn)滑劑的選用………………………………………………………19
6.3模具的預(yù)熱…………………………………………………………20
6.4鍛造溫度范圍的確定………………………………………………20
7 結(jié)論與展望………………………………………………………21
7.1主要結(jié)論………………………………………………………21
7.2后續(xù)研究工作的展望…………………………………………21
8 心得與體會(huì)………………………………………………………22
致謝…………………………………………………………………23
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………23
摘 要
連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中的高精度的精密零件，對(duì)強(qiáng)度有較高的要求，是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中重要的部件之一，被稱(chēng)為“保安件”，其質(zhì)量直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整輛汽車(chē)的安全使用和行駛。連桿的品質(zhì)直接關(guān)系到其力體部分的截面多為圓形或工字形，兩端有孔，孔內(nèi)裝有青銅襯套或滾針軸承，供裝入軸銷(xiāo)而學(xué)性能及使用壽命，鍛造連桿具有力學(xué)性能優(yōu)良、易于加工、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，而且生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定。
連桿機(jī)構(gòu)中兩端分別與主動(dòng)和從動(dòng)構(gòu)件鉸接以傳遞運(yùn)動(dòng)和力的桿件。例如在往復(fù)活塞式動(dòng)力機(jī)械和壓縮機(jī)中，用連桿來(lái)連接活塞與曲柄。連桿多為鋼件，其主構(gòu)成鉸接。連桿是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件，它連接著活塞和曲軸，其作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并把作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工作中，除承受燃燒室燃?xì)猱a(chǎn)生的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力。因此，連桿在一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下工作。它既受、交變的拉壓應(yīng)力、又受彎曲應(yīng)力。?連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過(guò)量變形。通常疲勞斷裂的部位是在連桿上的三個(gè)高應(yīng)力區(qū)域。連桿的工作條件要求連桿具有較高的強(qiáng)度和抗疲勞性能；又要求具有足夠的鋼性和韌性。連桿材料一般采用45鋼、40Ｃr或40MnB等調(diào)質(zhì)鋼。合金鋼雖具有很高強(qiáng)度，擔(dān)對(duì)應(yīng)力集中很敏感。所以，在連桿外形、過(guò)度圓角等方面需嚴(yán)格要求，還應(yīng)注意表面加工質(zhì)量以提高疲勞強(qiáng)度，否則高強(qiáng)度合金鋼的應(yīng)用并不能達(dá)到預(yù)期果。
連桿的生產(chǎn)方式多種多樣，常見(jiàn)的為一模一件。而對(duì)于一模兩件多為采用對(duì)排。本文較為系統(tǒng)地闡述了汽車(chē)連桿鍛模的設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)模具進(jìn)行了造型。
關(guān)鍵字：模具 開(kāi)式模鍛 閉式模鍛 飛邊槽
Abstract
Linkage is the engine of high-precision precision components, the strength of higher demand, a car engine in one of the important parts, known as the "security case", its direct impact on the quality of motor vehicles and the security of the whole Use and traffic. Link directly related to the quality of its cross-section of part of the round or more for the shape, at both ends of a hole, the hole with bronze bushings or needle roller bearings for axle load and sales of property and life, forging Linkage with good mechanical properties and easy processing, the advantages of good quality surface, and the short production cycle, the production process stability.
Linkage with the two ends of the active and passive components hinged to convey movement and of the bar. For example, in Reciprocating power machinery and compressors, with link to connect the Pistons and crank. Link for more steel parts, which constitute the main hinged. Linkage is important in the automobile engine parts, it connects with the Pistons and the crankshaft, the Pistons will play the role of the reciprocating movement into the rotating crankshaft, and the role of the Detroit Pistons passed on the crank to power output. Link in their work, in addition to the gas chamber under pressure, we must also bear the vertical and horizontal inertial force. Therefore, the link in a complex work under stress. It subject, alternating the tension and compression stress, the bending stress. Linkage is the main form of damage and excessive fatigue fracture deformation. Fatigue fracture is usually the site of the linkage of the three high stress on the region. Linkage of the terms and conditions of the link with high intensity and anti-fatigue properties and require adequate steel and toughness. Linkage of the general use of 45 steel, 40 Cr or 40 MnB, such as quenched and tempered steel. Although the strength of high-alloy steel, Tam is very sensitive to stress concentration. Therefore, the link shape, fillet over the areas to be strict requirements, attention should be paid to the surface processing to enhance the quality of fatigue, or the application of high-strength alloy steel and can not achieve the desired fruit.
Linkage of production varied, the common mode for a one. For more than two-one for the introduction of the row. This article is more systematically on the car side-by-side double-linkage of the forging process and die design process, a mold and shape
第一章 緒論
1.1 問(wèn)題的提出及研究意義
隨著機(jī)械工業(yè)，尤其是汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的加劇，產(chǎn)品零部件設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程的高精度、高性能、低成本、低能耗已成為提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的唯一途徑。
常規(guī)的連桿制造工藝難以滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)的要求，也難以適應(yīng)這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的社會(huì)。因此，生產(chǎn)出盡可能的強(qiáng)度高、力學(xué)性能好，表面質(zhì)量好，易于加工、生產(chǎn)周期短、成本低的連桿已經(jīng)成為我們的迫切需求。
我國(guó)汽車(chē)連桿以前基本采用一模一件的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)成本高，周期長(zhǎng)、難于滿(mǎn)足日益，是汽車(chē)行業(yè)中需要進(jìn)行工藝改革的重要零件之一。采用了并排式連桿制造供以后，不僅提高了生產(chǎn)效率、材料利用率，而且適應(yīng)了社會(huì)的需求。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況
東風(fēng)汽車(chē)公司工藝研究所的張先國(guó)、汪維新，以某 491 發(fā)動(dòng)機(jī)球鐵連桿為例，通過(guò)分析 LY12 用于設(shè)計(jì)輕型車(chē)和轎車(chē)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿時(shí)，連桿在 150℃ 高溫條件下使用的安全系數(shù)，以及顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與其基體材料的性能對(duì)比可知，就疲勞性能而言，采用常規(guī)鋁合金或以其為基體的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造輕型車(chē)和轎車(chē)用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)連桿是可行的。
武漢理工大學(xué)的胡建華、吳芳以鋁合金連桿為研究對(duì)象，探討了擠壓鑄造鋁合金連桿的工藝和擠壓鑄造模具結(jié)構(gòu)，分析了各種工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品最終質(zhì)量的作用和影響，確定了合適的擠壓鑄造工藝參數(shù)，比較了不同擠壓鑄造方式的特點(diǎn)。并且得出結(jié)論，鋁連桿的擠壓鑄造生產(chǎn)成本較鍛造鋼質(zhì)連桿有較大幅度的降低，靜壓擠壓鑄造和間接擠壓鑄造都可以生產(chǎn)出合格的鋁合金連桿，靜壓擠壓鑄造連桿的性能高于間接擠壓鑄造連桿。綜合其他因素考慮，批量生產(chǎn)宜采用間接擠壓鑄造工藝，應(yīng)根據(jù)連桿的實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能要求等方面設(shè)計(jì)出合理的模具結(jié)構(gòu)，并結(jié)合適當(dāng)?shù)臏囟?、壓力、速度、時(shí)間等擠壓鑄造工藝參數(shù)才能保證連續(xù)和穩(wěn)定地生產(chǎn)出合格的鋁合金連桿。
濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)的王強(qiáng)開(kāi)發(fā)了連桿精密鍛造工藝及生產(chǎn)線(xiàn),研制了楔橫軋機(jī)自動(dòng)制坯,楔橫軋模具三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),感應(yīng)加熱爐自動(dòng)上料,毛坯料溫自動(dòng)分選,切邊、沖連皮、熱校復(fù)合模具等多項(xiàng)新技術(shù)。
吉林大學(xué)輥鍛工藝研究所寇淑清，楊慎華，趙勇，趙慶華等分析了斷裂的剖分機(jī)理和發(fā)生條件，并對(duì)裂解連桿材料、預(yù)制初始裂紋槽、定向裂解、定扭矩裝配螺栓等連桿裂解加工的關(guān)鍵技術(shù)與核心工藝進(jìn)行了探討。研究開(kāi)發(fā)了具有“背壓”裂解功能的定向裂解機(jī)床，并對(duì)轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解加工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析與試驗(yàn)探索。其結(jié)果表明：合理設(shè)計(jì)裂紋槽位置與幾何參數(shù)并保證加工精度，可有效降低裂解加工載荷。背壓裂解加工方法有利于提高裂解加工質(zhì)量，在瞬時(shí)加載條件下，合理調(diào)節(jié)背壓力與裂解力比值可獲得性能優(yōu)良的斷裂面。
20 世紀(jì) 70 年代中期，德國(guó)保時(shí)捷公司率先在其生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)系列汽車(chē)上使用粉末鍛造連桿，日本豐田汽車(chē)公司則于 20 世紀(jì) 80 年代初開(kāi)始采用，至 1992 年其產(chǎn)量已達(dá) 250 萬(wàn)根。美國(guó)福特汽車(chē)公司從 1987 年開(kāi)始大量采用粉末鍛造連桿，1992 年的產(chǎn)量已達(dá) 400 萬(wàn)根。德國(guó)寶馬公司于1991 年開(kāi)始在其新設(shè)計(jì)的 8 缸發(fā)動(dòng)機(jī)上采用粉末鍛造連桿，當(dāng)年的產(chǎn)量即達(dá)到 65 萬(wàn)根。
德國(guó)有一所大學(xué)幾年前曾采用碳纖維增強(qiáng)工程塑料制造發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，其質(zhì)量?jī)H為鍛鋼連桿的48% ，但價(jià)格是鍛鋼連桿的 6.7 倍。因生產(chǎn)成本居高不下，這種連桿在汽車(chē)行業(yè)大批量應(yīng)用的前景還十分遙遠(yuǎn)。由于鋁具有密度小、強(qiáng)度高的特性，故采用鋁基材料制造車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)連桿能得到顯著的輕量化效果。日本豐田汽車(chē)公司采用體積率為 40% 的氧化鋁長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，質(zhì)量比鍛鋼連桿減輕了 35% 。日本本田公司采用不銹鋼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料生產(chǎn)其轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，據(jù)報(bào)道至少已有 5 萬(wàn)件這種連桿被采用。
第二章 模鍛工藝簡(jiǎn)述
利用模具使坯料變形而獲得鍛件的鍛造方法稱(chēng)為模鍛。模具裝在某種鍛壓設(shè)備上，當(dāng)設(shè)備受到驅(qū)動(dòng)并且?guī)е＞唛]合時(shí)，模具迫使坯料進(jìn)行塑性變形，最終充滿(mǎn)整個(gè)模膛，形成形狀與模具型腔輪廓一致的鍛件。
2.1模具對(duì)金屬變形的影響
（1） 控制鍛件的形狀和尺寸
模鍛分為單模膛鍛造和多模膛鍛造。單模膛鍛造使用的模具僅有一個(gè)模膛，該模膛決定鍛件的形狀及尺寸，稱(chēng)為終鍛模膛。
為了保證鍛件的形狀和尺寸精度，設(shè)計(jì)熱段模具時(shí)候應(yīng)該考慮鍛件和模具的熱收縮率，設(shè)計(jì)精密模鍛件時(shí)候還要考慮模具的彈性變形。
（2） 控制金屬的變形方向
根據(jù)金屬塑性成形理論，塑性變形時(shí)候金屬主要朝著最大主應(yīng)力方向流動(dòng)。在三向壓應(yīng)力的情況下，金屬主要朝著最小主應(yīng)力方向流動(dòng)。因此，對(duì)一個(gè)待加工的模鍛件，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的制坯工步如拔長(zhǎng)、滾擠、彎曲、預(yù)鍛等，就可控制金屬的變形方向，完成對(duì)毛坯的塑性加工。
（3）改變變形區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)
變形體的應(yīng)力場(chǎng)是在外力的作用下產(chǎn)生的，一般外力通過(guò)模具施加在坯料上，坯料變形的反作用也由模具承受。合理的模具設(shè)計(jì)還應(yīng)該使鍛件變形時(shí)候的流動(dòng)主力盡量的小，使模具的載荷分布均勻，降低模具的峰值應(yīng)力。
（4）提高金屬的塑性
金屬的塑性與應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系密切，壓應(yīng)力的個(gè)數(shù)越多，靜水壓應(yīng)力數(shù)值越大，材料的塑性越好。封閉的模膛使金屬在終鍛的最后階段處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，材料的塑性好。
（5）控制坯料失去穩(wěn)定性，提高成型極限
細(xì)長(zhǎng)桿在受壓的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生塑性失穩(wěn)而彎曲，并可能發(fā)展成折疊。為控制頂墩時(shí)桿件失去穩(wěn)定性，要求模具孔直徑D=（1.251.50）D0 。（D0為毛坯直徑）。這樣可依靠模膛內(nèi)壁限制彎曲的發(fā)展，避免折疊的產(chǎn)生。
2.2模鍛的分類(lèi)及各自的特點(diǎn)
按照模鍛中最后成形工步的成形方法，可分為開(kāi)式模鍛、閉式模鍛、擠壓和頂墩四類(lèi)。
2.2.2 開(kāi)式模鍛
開(kāi)式模鍛在鍛造過(guò)程中，上模和下模間的間隙不斷變化，到變形結(jié)束時(shí)，上下模完全打靠。
（1） 開(kāi)式模鍛的成形過(guò)程三階段
A:鍛粗階段
B:充滿(mǎn)模膛階段
C:打靠階段
（2） 開(kāi)式模鍛時(shí)影響金屬成形的主要因素
A:模膛尺寸和形狀的影響
B:飛邊槽的影響
C:設(shè)備工作速度的影響
2.2.2 閉式模鍛
閉式模鍛就是沒(méi)有飛邊槽的模鍛。一般在鍛造過(guò)程中，上模和下模的間歇不變，坯料在四周封閉的模膛中成形，不產(chǎn)生橫向飛邊，少量的多余材料將形成縱向飛刺，飛刺在后序中除去。
（1）采用閉式模鍛工藝過(guò)程的必要條件
A:坯料體積準(zhǔn)確
B:坯料形狀合理并且能夠在模膛內(nèi)準(zhǔn)確定位
C:設(shè)備的打擊能量或打擊力可以控制
D:設(shè)備上有頂出裝置
（2）閉式模鍛的變形三階段
A:初成形階段
B：充添階段
C：形成縱向飛刺階段
（3） 影響金屬成形的主要因素
A:坯料體積和模膛體積間的偏差對(duì)鍛件尺寸的影響
B:打擊能量和模鍛力對(duì)金屬成形的影響
2.2.3 擠壓
擠壓是金屬在三個(gè)方向不同壓應(yīng)力作用下，從模孔中擠出或流入模腔內(nèi)以獲得所需要的尺寸、形狀的制品或零件的鍛造工藝。
（1） 擠壓長(zhǎng)見(jiàn)缺陷
A:擠壓縮孔
B:裂紋
（2） 解決擠壓品質(zhì)問(wèn)題的措施
A:減少摩擦阻力
B:在鍛件圖允許的范圍內(nèi)，在凹模模膛孔口處作出適當(dāng)?shù)腻F角或圓角。
C:用加反向力的方法進(jìn)行擠壓
2.2.4 頂鐓
頂鐓指桿件的局部鐓粗工藝過(guò)程。
（1） 鐓粗的兩條基本規(guī)則
A:在凹模中聚料時(shí)，當(dāng)聚料直徑D凹=1.50D0,棒料伸到模具外面的長(zhǎng)度A
10的情況。當(dāng)坯料的長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，需要多次鐓鍛。
第三章 工藝性分析及工藝方案的選擇
3.1汽車(chē)連桿工藝性分析
圖3.1為本課題設(shè)計(jì)的汽車(chē)連桿零件圖，材料為40Cr。
連桿機(jī)構(gòu)中兩端分別與主動(dòng)和從動(dòng)構(gòu)件鉸接以傳遞運(yùn)動(dòng)和力的桿件。例如在往復(fù)活塞式動(dòng)力機(jī)械和壓縮機(jī)中，用連桿來(lái)連接活塞與曲柄。連桿其主體部分的截面多為工字形，兩端有孔，孔內(nèi)裝有青銅襯套，供裝入軸銷(xiāo)而構(gòu)成鉸接。連桿是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件，它連接著活塞和曲軸，其作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并把作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工作中，除承受燃燒室燃?xì)猱a(chǎn)生的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力。
該零件其特點(diǎn)是形狀復(fù)雜，無(wú)法一次成形，要先進(jìn)行制坯。而對(duì)于并排式連桿其難度系數(shù)又得到了加大。因此，本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是采用一定的工藝措施，得到符合要求的零件。
經(jīng)分析可知：
①要求鍛件尺寸精度好；
②要求公差等級(jí)為IT6-IT7級(jí)左右；
③要求鍛件表面粗糙度為Ra0.8－1.6；
④無(wú)充不滿(mǎn)的現(xiàn)象。
圖 3.1
3 3.2汽車(chē)連桿工藝方案選擇
經(jīng)過(guò)對(duì)汽車(chē)半軸零件的工藝分析可知，汽車(chē)并排式連桿的制造方案可以有以下幾種：
（1）先輥鍛制坯，再預(yù)鍛，最后終鍛，終鍛時(shí)候采用閉式模鍛。
（2）.先輥鍛制坯，再模鍛制坯，再預(yù)鍛，最后終鍛，終鍛時(shí)候采用閉式模鍛。
（3）先輥鍛制坯，再預(yù)鍛，最后終鍛，終鍛時(shí)候采用開(kāi)式模鍛
（4）.先輥鍛制坯，再模鍛制坯，再預(yù)鍛，最后終鍛，終鍛時(shí)候采用閉式模鍛
整體方案的對(duì)比：
1） 終鍛的時(shí)候采用閉式模鍛
我們知道，采用閉式模鍛工藝過(guò)程有以下必要條件
A:坯料體積準(zhǔn)確
B:坯料形狀合理并且能夠在模膛內(nèi)準(zhǔn)確定位
C:設(shè)備的打擊能量或打擊力可以控制
D:設(shè)備上有頂出裝置
而在此設(shè)計(jì)中，如要的出準(zhǔn)確的坯料體積很具有難度，因此在終鍛的時(shí)候采用閉式模鍛的工藝不太合適。
2） 終鍛的時(shí)候采用開(kāi)式模鍛
正如我們所知道的，開(kāi)式模鍛設(shè)有飛邊槽。坯料多余的體積可以讓它流入飛邊槽內(nèi)。也就是說(shuō)，即使坯料體積與實(shí)際工作中所需要的體積有一定的偏差，我們一樣的可以得到合理的零件尺寸。因此，在本設(shè)計(jì)中，在終鍛的時(shí)候采用開(kāi)式模鍛符合我們的需求。
3)制坯時(shí)只使用輥鍛
對(duì)于一模一件的連桿零件，和一模兩件的對(duì)排式零件，采用輥鍛制坯，是我們常用的選擇。而我們?nèi)缃褚芯坎⑴胚B桿的制造工藝及模具設(shè)計(jì)，單單采用輥鍛制坯的方式不太合理，因?yàn)槠湫螤畈灰装盐铡?
4） 先輥鍛制坯，再模鍛制坯
通過(guò)和第三種方案的比較我們可以看出，先輥鍛制坯，再模鍛制坯可以更好地把握好成形的形狀，達(dá)到我們理想的要求。
通過(guò)以上的比較，采用第四種方案為較合理的選擇。
第四章 汽車(chē)連桿的工藝參數(shù)及設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 鍛件圖設(shè)計(jì)
4.1.1分模位置
分模面設(shè)置在鍛件的最大輪廓處，在本設(shè)計(jì)中如圖4.1所示A-A截面為最大截面，所以A-A截面為分模面。
圖4.1
4.1.2確定公差和余量
由于選用的鍛件材料為40Cr,其密度為7.82g/cm,故鍛件的重量為0.886kg。連桿材料為40Cr，即材質(zhì)系數(shù)為M1。鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)：S=Gd/Gb=0.2,為3級(jí)復(fù)雜系數(shù)S3。
由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12362-2003 叉的：長(zhǎng)度公差為2.2；高度公差mm。寬度公差為mm。
該零件的表面粗糙度為R=3.2m，即加工精度為F1，由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GH/T 12363——2003的鍛件內(nèi)外表面加工余量表查得：高度及水平尺寸的單邊余量均為1.5—2.0mm,取2毫米。
在大批量生產(chǎn)條件下，鍛件在熱處理、清理后要對(duì)連桿鍛件的圓柱端上下端面和叉的頭部上下斷面進(jìn)行平面冷精壓。鍛件精壓后，機(jī)械加工余量可大大減小，取0.75mm,冷精壓后的鍛件高度公差取0.2mm。
由于精壓需要余量，如鍛件高度公差為負(fù)值（-0.6）時(shí)，則實(shí)際單邊精壓余量?jī)H0.1mm,為了保證適當(dāng)?shù)木珘河嗔?，鍛件高度公差可調(diào)整為：。由于精壓后，鍛件水平尺寸稍微有點(diǎn)增大，故水平方向的余量可適當(dāng)減小。
1）零件圖上的技術(shù)條件中已經(jīng)給出模鍛斜度為7。
2）技術(shù)條件
A:模鍛斜度7。
B:圓角半徑4mm。
C:允許錯(cuò)差量0.6mm
D:允許殘留飛邊量0.7mm
E:允許的表面缺陷深度為0.5mm
F: 鍛件調(diào)制熱處理
鍛件圖如圖所示：
4.2 計(jì)算鍛件主要參數(shù)
利用UG測(cè)量出不帶飛邊的鍛件圖的體積，得113 379mm;
分模面的周長(zhǎng)為569.4；鍛件在水平面的投影面積為10881.7mm；
鍛件長(zhǎng)度為212mm;
由于選用的鍛件材料為40Cr,其密度為7.82g/cm,鍛件的重量為0.886kg。。
計(jì)算毛坯體積V=113 379+569.4*0.7*176=183 529mm
平均截面積S均=183 529/212=865.7mm
平均直徑d均=1.13=33.2mm
4.3鍛錘噸位的確定
坯料的確定： 總變形面積為鍛件在水平面上的投影面積與飛邊水平投影面積之和。按1到2噸錘飛邊槽尺寸（見(jiàn)鍛造工藝過(guò)程及模具設(shè)計(jì) 胡亞明主編 表8-1）考慮，假定 飛邊平均寬度為23mm?？偟淖冃蚊娣eS=（10881.7+569.423）mm=23 977.9 mm
按照確定雙作用模鍛噸位的經(jīng)驗(yàn)公式 G=6.3KA的計(jì)算值選擇鍛錘。由于40Cr的含碳量為0.37到0.44之間 ，為高合金鋼 。參照（鍛造工藝過(guò)程及模具設(shè)計(jì) 胡亞明主編 表7-8）取K值為1.25。G=6.3KA=6.31.2523 977.9=188 826 ;選用2t作用的模具鍛錘。
4.4確定飛邊槽的形式和尺寸
錘上模鍛為開(kāi)式模鍛時(shí)，一般終鍛模膛周邊必須有飛邊槽，其主要作用是增加金屬流出模膛的阻力，迫使金屬充滿(mǎn)模膛。飛邊還可以容納多余的金屬。
設(shè)計(jì)飛邊槽尺寸有兩種方法：
1） 噸位法。鍛件的尺寸即是選擇設(shè)備噸位的依據(jù)，也是選擇飛邊槽尺寸的主要依據(jù)。
2） 計(jì)算法。根據(jù)鍛件在分模面上的投影面積，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算求出橋口高度h飛，然后根據(jù)h飛查表得出相關(guān)尺寸。
在此我們采用第二種方法計(jì)算飛邊槽的相關(guān)尺寸。
用圖8.5（見(jiàn)鍛造工藝過(guò)程及模具設(shè)計(jì) 胡亞明主編）中I形飛邊槽，其尺寸按表8-1確定（見(jiàn)鍛造工藝過(guò)程及模具設(shè)計(jì) 胡亞明主編）。由經(jīng)驗(yàn)公式h飛=0.015=0.015*=1.56mm 。
所以選定飛邊槽的尺寸為：h飛=1.6mm ，h1=4mm, b =8mm, b1=25mm, r=1.5mm, F飛=126mm。
由以上分析計(jì)算可知飛邊槽的形狀及尺寸如下圖所示：
飛邊槽的形狀及尺寸
4.5終鍛模膛設(shè)計(jì)
終鍛模膛是用來(lái)完成鍛件最終成形的模膛，因此鍛造模具的設(shè)計(jì)應(yīng)該從設(shè)計(jì)終鍛模膛開(kāi)始。而該模膛的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)要依據(jù)熱鍛件圖，因此要首先設(shè)計(jì)熱鍛件圖。
4.4.1熱鍛件圖的確定
繪制熱鍛件圖依據(jù)是冷鍛件圖。
（1） 在繪制熱鍛件圖的全部尺寸上都應(yīng)該計(jì)入收縮率。對(duì)于一般的結(jié)構(gòu)鋼，收縮率按照1.5%計(jì)算。
L=L(L+1.5%)
式中：L 鍛件熱尺寸
L 鍛件冷尺寸
終鍛模膛是鍛模中各種模膛的最主要模膛，它用來(lái)完成鍛件最終成形的終鍛工步。通過(guò)終鍛模膛可以獲得帶飛邊的鍛件。
為了保證能鍛造出合格的鍛件，一般情況下，熱鍛件圖形狀與鍛件圖形狀完全相同。但在有一些情況下，需要將熱鍛件圖尺寸作適當(dāng)?shù)母淖円赃m應(yīng)鍛件工藝過(guò)程要求。
1） 終鍛模膛易磨損處，應(yīng)在鍛件負(fù)公差范圍內(nèi)預(yù)留磨損量，以保證鍛件合格率的情況下延長(zhǎng)模具壽命。
2） 鍛件上形狀復(fù)雜且較高的部位應(yīng)盡量放在上模。在特殊情況下要將復(fù)雜且較高的部位放在下模時(shí)，鍛件在該處表面易出現(xiàn)缺肉。
3） 當(dāng)設(shè)備噸位偏小，上下模具有可能不能大靠時(shí)候，應(yīng)該使熱鍛件圖上相應(yīng)高度減小，抵消模鍛不足的影響。相反，當(dāng)設(shè)備噸位偏大或鍛模承擊面偏小時(shí)候，應(yīng)當(dāng)增加熱鍛件高度尺寸，其值應(yīng)該接近正公差，保證在承擊面下陷時(shí)還可以鍛出合格鍛件。
4） 鍛件的一些部位在切邊或沖孔時(shí)候易產(chǎn)生變形而影響加工余量，應(yīng)該在熱鍛件圖的相應(yīng)部位增加一定的彌補(bǔ)量，提高鍛件合格率。
而對(duì)于本零件的設(shè)計(jì)，模膛使根據(jù)鍛件圖來(lái)制造和檢驗(yàn)的，熱鍛件圖尺寸一般示冷鍛件圖尺寸的基礎(chǔ)上考慮1.5%的收縮率。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)該考慮鍛模使用后承擊面下陷，模膛深度減小及精壓時(shí)候的變形不均勻、橫向尺寸增大等因素，可適當(dāng)調(diào)整尺寸。而對(duì)于本設(shè)計(jì)，終鍛模膛的尺寸直接根據(jù)熱鍛件圖繪制即可。
4.6鉗口的設(shè)計(jì)
鉗口是指在鍛造模具的模膛前面加工空腔，它一般由夾鉗口與鉗口進(jìn)兩部分組成。
4.4.1 鉗口的作用
（1）在鍛造的時(shí)候放置鉗子夾頭和鉗子。
（2）在不用鉗子夾頭情況下，可以利用鉗子挑出鉗口處溢出的飛邊，幫助起模。
（3）在模具制造中鉗口被用作澆灌口，通過(guò)它灌入收縮量較小的鹽來(lái)復(fù)制模膛形狀，用此澆出件來(lái)檢查模膛的形狀和尺寸2、鉗口尺寸的選擇
查《鍛壓技術(shù)手冊(cè)》圖9-2-35采用普通鉗口。根據(jù)鉗夾料頭直徑選擇鉗口尺寸，查《鍛壓技術(shù)手冊(cè)》表9-2-14得 B=50mm H=20mm R=10mm 。根據(jù)鍛件質(zhì)量0.886kg，查《鍛壓技術(shù)手冊(cè)》表9-2-15選擇鉗口頸尺寸：b=6mm a=1.5mm l=0.5S=0.534=17mm。
4.7 預(yù)鍛模膛設(shè)計(jì)
由于鍛件形狀復(fù)雜，需要設(shè)置預(yù)鍛模膛。
預(yù)鍛模膛是用來(lái)對(duì)制坯后的坯料進(jìn)一步變形，合理地分配坯料各部位的金屬體積，使其接近鍛件外形，改善金屬在終鍛模膛內(nèi)的流動(dòng)條件，保證終鍛時(shí)候成形飽滿(mǎn)；避免折疊、裂紋或其他缺陷，減少終鍛模膛的磨損，提高模具壽命。
在設(shè)計(jì)預(yù)鍛模膛的時(shí)候，要注意以下幾點(diǎn)：
1） 預(yù)鍛模膛的形狀和終鍛模膛的形狀基本一樣，都是根據(jù)熱鍛件圖加工出來(lái)的。
2） 預(yù)鍛模膛的寬和高 預(yù)鍛模膛與終鍛模膛的差別不大，為了盡可能做到預(yù)鍛后的坯料容易地放入終鍛模膛，其寬度閉終鍛模膛小2mm左右。預(yù)鍛模膛比終鍛模膛高4mm 左右，
3） 鍛模斜度 為了鍛造方便，預(yù)鍛模膛的斜度一般應(yīng)該與終鍛模膛相同。但也可以根據(jù)具體情況，一可以采用斜度增大，寬度不變的方法來(lái)解決成形男的問(wèn)題。
4） 圓角半徑 預(yù)鍛模膛的圓角半徑一般比終鍛模膛大，這樣可以減輕金屬流動(dòng)阻力，防止產(chǎn)生折疊。
計(jì)算公式為 R1=R+C
R1表示終鍛模膛相應(yīng)位置的圓角半徑值
C與模膛深度有關(guān)的常數(shù) 一般為2到5mm.
根據(jù)以上分析，我們將終鍛模膛的寬度減小2mm,高度增加4mm,圓角半徑增大3mm,拔模斜度不變，其圖形根據(jù)終鍛圖形繪制。
4.8繪制計(jì)算毛坯圖
根據(jù)連桿的形狀特點(diǎn)，共選取24個(gè)截面積，分別計(jì)算S鍛、S計(jì)、d計(jì)，計(jì)算結(jié)果列入下表。
斷面號(hào)
S鍛/mm2
1.4S飛
/mm2
S計(jì)= S鍛+1.4S飛
/mm2
d計(jì)=1.13
/mm2
1
0
176
176
15
2
217
176
393
22.4
3
988
176
1164
39
4
933
176
1109
37.6
5
650
176
826
32.5
6
933
176
1109
37.6
7
736
176
912
34.1
8
667
176
843
32.8
9
698
176
874
33.4
10
650
176
826
32.5
11
288
176
464
24.3
12
222
176
398
22.5
圖1
利用UG測(cè)量出不帶飛邊的鍛件圖的體積，得113 379mm;分模面的周長(zhǎng)為569.4；鍛件在水平面的投影面積為10881.7mm；鍛件長(zhǎng)度為212mm;由于選用的鍛件材料為40Cr,其密度為7.82g/cm,鍛件的重量為0.886kg。。
計(jì)算毛坯體積V=113 379+569.4*0.7*176=183 529mm
平均截面積S均=183 529/212=865.7mm
平均直徑d均=1.13=33.2mm
4.9確定坯料尺寸
由于此鍛件采用模鍛成型制批工步，所以根據(jù)公式S坯=（1.05）S均 確定坯料的截面尺寸，取系數(shù)為1.1則
S坯=1.1S均=1.1865.7=952.3mm
d坯=1.1=33.9mm
體積：V坯=V計(jì)（1+）=183 529（1+3%）=188 757mm d坯=34mm
坯料長(zhǎng)度 L坯=V坯/S坯=188 757/（34/4）=207.5mm
考慮到具體情況，坯料的長(zhǎng)度可加長(zhǎng)到210mm ，直徑為34mm。
試鍛后再根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況適當(dāng)調(diào)整。
第五章 鍛造模具的設(shè)計(jì)
5.1模具設(shè)計(jì)的基本作用
在現(xiàn)代化的大生產(chǎn)中，模具對(duì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)鍛造過(guò)程有著十分重要的意義。模具壽命是評(píng)價(jià)某一沖鍛造方法經(jīng)濟(jì)可行的決定因素，模具的設(shè)計(jì)與制造質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)沖壓生產(chǎn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗的最重要的保證之一。
模具作為生產(chǎn)用精密、高效的工藝裝備，本身也是一種精密的機(jī)械產(chǎn)品。該機(jī)械產(chǎn)品能否滿(mǎn)足對(duì)其使用性能和成形精度的要求,必須解決好模具設(shè)計(jì)與制造、精度與壽命等各方面與模具相關(guān)的問(wèn)題。
同時(shí)模具作為中心議題，可以細(xì)分成模具設(shè)計(jì)、制造、材料、成本、精度、壽命、安裝、使用，以及標(biāo)準(zhǔn)化等各方面問(wèn)題。
1）模具設(shè)計(jì)是模具制造的基礎(chǔ)，合理正確的設(shè)計(jì)是正確制造模具的保證；
2）模具制造技術(shù)的發(fā)展對(duì)提高模具質(zhì)量、精度以及縮短制造模具的周期具有重要意義；
3）模具的質(zhì)量、使用壽命、制造精度及合格率在很大程度上取決于制造模具的材料及熱處理工藝；
4）模具成本直接關(guān)系到制件的成本以及模具生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；
5）模具工作零件的精度決定制件的精度；
6）模具的壽命又與模具材料及熱處理、模具結(jié)構(gòu)以及所加工制作材料等諸多因素有關(guān)；
7）模具的安裝與使用直接關(guān)系到模具的使用性能及安全；
而模具的標(biāo)準(zhǔn)化是模具設(shè)計(jì)與制造的基礎(chǔ)，對(duì)大規(guī)模、專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)模具具有重要的作用，模具標(biāo)準(zhǔn)化程度的高低是模具工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志。
5．2降低模具生產(chǎn)成本施的措施
（1）.提高生產(chǎn)效率
a．模具及時(shí)維護(hù)。模具應(yīng)及時(shí)維護(hù)，杜絕模具“帶病作業(yè)” 在實(shí)際生產(chǎn)中，往往是在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)模具出了問(wèn)題。一般都會(huì)等完成生產(chǎn)任務(wù)后再進(jìn)行模具維護(hù)。這種做法是不可取的，模具及時(shí)維護(hù)，不僅是“磨刀不誤砍柴工”．而且保證質(zhì)量，還會(huì)提高生產(chǎn)率。
b．優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)。建議在新模具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，盡量采考慮到多方面的因素。盡量達(dá)到減少操作者、移工、設(shè)備占用、能耗，提高生產(chǎn)效率等。
C．優(yōu)化工藝。
（2）.提高材料利用率
a．制定合理材料消耗定額。
b．原材料的臺(tái)理采購(gòu)。供應(yīng)部門(mén)嚴(yán)格按照工藝部門(mén)提供的規(guī)格進(jìn)行采購(gòu)，工藝部門(mén)根據(jù)板材規(guī)格變化考慮制定臨時(shí)下料工藝，對(duì)鍛壓工藝進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。制定合理的套裁工藝邊角余料的利用 產(chǎn)生大量邊角余料的原因，主要是板幅不規(guī)范．其次是鍛壓件品種繁多，要想充分利用邊角料?？刹捎脙?yōu)化鍛壓工藝。合理回收鍛壓件等方法。
c．改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)。對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)邊角余料的充分利用。。
d．采用定額下料法。成立下料班組。下料班組要對(duì)材料消耗的實(shí)際數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)鍛壓班組要對(duì)每種鍛壓件的廢品率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。并要對(duì)廢品產(chǎn)生的原因進(jìn)行調(diào)查核實(shí)，以便于制定合理的工藝措施來(lái)降低廢品率。
（3）.加強(qiáng)模具管理。影響模具使用壽命的因素很多，它取決于合理的模具結(jié)構(gòu)、較高的制造精度、良好的材料、合理的熱處理工藝、正確選用壓力機(jī)，以及對(duì)模具的正確使用、保養(yǎng)和維護(hù)等。
（4）.廢品率及次品率的控制。廢品率的高低，對(duì)制造成本也影響較大，廢品率每升高1個(gè)百分點(diǎn)，就會(huì)使成本增加1.1個(gè)百分點(diǎn)。為此，應(yīng)嚴(yán)格控制廢品率。次品率的高低，對(duì)制造成本的影響也不容忽視，因?yàn)榇纹沸枰倒し敌?，需要耗費(fèi)大量人力物力，所以降低次品率也是降低產(chǎn)品成本的一條重要途徑。降低廢品率及次品率的措施：A:生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)廢品，要多方面查找原因，以便于制定合理的工藝措施。B:供應(yīng)部門(mén)要對(duì)板材及時(shí)供應(yīng)，以便車(chē)間能夠在生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)對(duì)新進(jìn)板材試用，避免大量廢品產(chǎn)生。
本次設(shè)計(jì)主要應(yīng)用了AutoCAD2004和UG軟件。Unigraphics(UG)是一套優(yōu)秀的CAD／CAE／CAM集成化軟件，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、通用機(jī)械及模具等設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域。UG的CAD模塊是一個(gè)功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模塊，它提供了一種交互式的三維建模方法，通過(guò)該模塊用戶(hù)可以建立產(chǎn)品的三維模型，進(jìn)行裝配、干涉檢查和分析。UG的CAM 模塊能對(duì)三維模型實(shí)施虛擬加工，從而得到所需要的刀位文件，最終的刀位文件經(jīng)過(guò)后置處理即可被數(shù)控機(jī)床接受用于加工。準(zhǔn)確的造型是正確加工的前提，因而建立合適而準(zhǔn)確的三維模型就顯得非常重要了。
UG軟件具有如下主要特點(diǎn)：
(1)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，各模塊無(wú)縫集成，數(shù)據(jù)自由切換，實(shí)現(xiàn)CAD／CAE／CAM一體化。
(2)在CAD方面，采用復(fù)合建模技術(shù)將參數(shù)化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有機(jī)結(jié)合起來(lái)，實(shí)體造型以Parasoild為建模核心，曲面設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)上基于非均勻有理B樣條；可用多種方法生成復(fù)雜曲面并進(jìn)行曲面修剪與拼合，適于復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)?？捎扇S實(shí)體模型直接生成二維圖形，裝配模塊支持自下而上和自上而下的設(shè)計(jì)方式，部件和裝配完全相關(guān)。
(3)UG起源于CAM，其N(xiāo)C加工能力適于機(jī)械行業(yè)，覆蓋了從鉆孔到5軸加工的生產(chǎn)過(guò)程，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可直接控制大部分NC機(jī)床，并能自動(dòng)檢查碰刀，可進(jìn)行加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真和模擬校核。
(4)在CAE方面，其內(nèi)部結(jié)算器可進(jìn)行有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析、穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)分析，基本能滿(mǎn)足常用的分析計(jì)算要求。同時(shí)提供與世界優(yōu)秀分析
軟件的接口。
(5)能提供界面友好的二次開(kāi)發(fā)工具GRIP和UNFUN，并可通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言接口使uG圖形功能與高級(jí)語(yǔ)言的計(jì)算功能結(jié)合起來(lái)，有利于進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。
(6)提供與其他主流CAD軟件系統(tǒng)的接口，便于不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞。模具在制造業(yè)中的應(yīng)用是非常廣泛的。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，商品的品種越來(lái)越多，形狀越來(lái)越復(fù)雜，表面質(zhì)量要求越來(lái)越高，更新?lián)Q代也越來(lái)越快，因此對(duì)模具的加工提出了越來(lái)越高的要求。在一些機(jī)械制造行業(yè)，特別是航空航天工業(yè)，其產(chǎn)品零件模具由多個(gè)型面復(fù)雜地組合在一起，不論是二維制圖表達(dá)還是實(shí)際手工加工均十分困難，而采用數(shù)控機(jī)床通過(guò)數(shù)控編程就能有效解決復(fù)雜型面的加工問(wèn)題。
模具作為生產(chǎn)用精密、高效的工藝裝備，本身也是一種精密的機(jī)械產(chǎn)品。該機(jī)械產(chǎn)品能否滿(mǎn)足對(duì)其使用性能和成形精度的要求、必須解決好模具設(shè)計(jì)與制造、精度與壽命等各方面與模具相關(guān)的問(wèn)題。
同時(shí)模具作為中心議題，可以細(xì)分成模具設(shè)計(jì)、制造、材料、成本、精度、壽命、安裝、使用，以及標(biāo)準(zhǔn)化等各方面問(wèn)題。
1）.模具設(shè)計(jì)是模具制造的基礎(chǔ)，合理正確的設(shè)計(jì)是正確制造模具的保證；
2）.模具制造技術(shù)的發(fā)展對(duì)提高模具質(zhì)量、精度以及縮短制造模具的周期具有重要意義；
3）.模具的質(zhì)量、使用壽命、制造精度及合格率在很大程度上取決于制造模具的材料及熱處理工藝；
4）.模具成本直接關(guān)系到制件的成本以及模具生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；
5）.模具工作零件的精度決定制件的精度；
6）.模具的壽命又與模具材料及熱處理、模具結(jié)構(gòu)以及所加工制作材料等諸多因素有關(guān)；
7）.模具的安裝與使用直接關(guān)系到模具的使用性能及安全；
而模具的標(biāo)準(zhǔn)化是模具設(shè)計(jì)與制造的基礎(chǔ)，對(duì)大規(guī)模、專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)模具具有重要的作用，模具標(biāo)準(zhǔn)化程度的高低是模具工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志。
5.3模具的重要作用
模具是最重要的成形工具，在現(xiàn)代化的大生產(chǎn)中，模具對(duì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)成形過(guò)程有著十分重要的意義。模具壽命是評(píng)價(jià)某一擠壓方法經(jīng)濟(jì)可行的決定因素，模具的設(shè)計(jì)與制造質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)同步環(huán)生產(chǎn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗的最重要的保證之一。
（1）合理的模具結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)任何一種成形工藝過(guò)程的基礎(chǔ)，因?yàn)樗鞘菇饘佼a(chǎn)生變形和傳遞力的關(guān)鍵部件。模具是使金屬最后完成塑性變形獲得所需形狀的工具。它即可以獲得高的生產(chǎn)效率，又可以得到高質(zhì)量的產(chǎn)品。
（2）模具是保證產(chǎn)品形狀、尺寸和精度的基本工具。只有結(jié)構(gòu)合理、精度和硬度合格的模具，才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的成形并具有精確的內(nèi)外廓形狀和斷面尺寸。同時(shí)，合理的模具設(shè)計(jì)能保證產(chǎn)品具有最小的翹曲和扭曲，最小的縱向彎曲和橫向波浪度。
（3）模具是保證產(chǎn)品內(nèi)外表面質(zhì)量最重要的因素之一。模具本身的表面光潔度、表面硬度對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)外表面光潔度有著決定性的影響。
（4）合理的模具結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸，在一定程度上可控制產(chǎn)品的內(nèi)部組織和力學(xué)性能。
5.4模具的設(shè)計(jì)要求
零件質(zhì)量的好壞與模具的結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系，合理的模具結(jié)構(gòu)是制造合格零件的關(guān)鍵。因此，必須正確地設(shè)計(jì)模具的結(jié)構(gòu)。在擠壓模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了滿(mǎn)足普通鍛造模具的設(shè)計(jì)要求外，還必須滿(mǎn)足以下要求：
（1）模具工作零件材料，要選取合適的材料以適應(yīng)工作溫度。
（2）設(shè)計(jì)組合凹模要考慮由于溫度關(guān)系而發(fā)生的尺寸變化對(duì)預(yù)應(yīng)力效果的影響。
（4）為確保鍛件的尺寸精度，必須使模具溫度穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行工作，為此，必須考慮預(yù)熱和冷卻裝置。
（5）為了提高鍛件質(zhì)量和模具壽命，應(yīng)經(jīng)常消除沉積在模具模腔上的潤(rùn)滑劑殘?jiān)?
（6）必須滿(mǎn)足精鍛件的質(zhì)量特征與要求。
（7）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維修方便。
5.5模具的設(shè)計(jì)內(nèi)容
鍛造模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括：
（1） 分析零件的結(jié)構(gòu)工藝性及材料。
（2） 選擇鍛壓的工藝方案和制定鍛件圖。
（3） 確定坯料的尺寸、重量及備料方法。
（4） 計(jì)算鍛壓的各項(xiàng)工藝參數(shù)。
（5） 進(jìn)行模具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
5.6模具材料的選取
常用的熱鍛模材料有5CrMnMo、3Cr2W8V和5CrNiMo。前者具有良好的強(qiáng)度、耐磨性和韌性。適用于中小型熱鍛模（最小邊長(zhǎng)300~400mm）。3Cr2W8V鋼的主要特點(diǎn)是有高的熱穩(wěn)定性和耐磨性，較好的抗氧化性和抗熱疲勞性。有較高的淬透性。用于制造大型熱鍛模和尺寸較小但在動(dòng)載荷下工作的熱鍛模時(shí)，淬火溫度應(yīng)選擇1050~1100℃；用于制造承受動(dòng)載荷較小的熱鍛模時(shí)，淬火溫度提高到1140~1150℃是合適的。5CrNiMo具有良好的綜合力學(xué)性能。加熱至500℃時(shí)，仍能保持高的強(qiáng)度極限和屈服強(qiáng)度。有很高的淬透性。適合于制造大型熱鍛模。
因此，該設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)材料選用5CrNiMo。
5.7鍛造模塊的確定
型槽壁厚的確定：型槽深度h=12.5mm; 查《鍛壓技術(shù)手冊(cè)》圖9-2-56，型槽最小壁厚為：34mm。
模塊的最小寬度：B=(b+b1)2+b2=(8+25) 2+103+234=237mm b表示飛邊槽橋口寬度 b1表示飛邊槽倉(cāng)部寬度 b2表示連桿最大寬度
模塊的最小長(zhǎng)度：L=l1+(b+b1)2=225+(8+25)2+234=359mm.
鍛造塊的最小高度，查《鍛壓技術(shù)手冊(cè)》圖9-2-59得 ,模塊最小高度為：110mm。
根據(jù)以上模塊選用模塊：查《鍛壓技術(shù)手冊(cè)》表9-2-26得
L=400mm B=250mm H=100mm
5.8、燕尾及鍵槽的選擇
查《鍛壓技術(shù)手冊(cè)》表9-2-23，根據(jù)鍛錘噸位選擇燕尾和鍵槽的尺寸。其尺寸為b=200mm h=50.5mm b1=50mm 。
第六章 汽車(chē)連桿成形工藝過(guò)程分析
6.1 毛坯的制備
由于汽車(chē)連桿毛坯的形狀為棒形毛坯，因此毛坯采用擠制和冷拉成型棒材，然后根據(jù)毛坯尺寸進(jìn)行下料。常用的下料方法有剪切和鋸切。
剪切是應(yīng)用最廣的一種下料方法，通常是在專(zhuān)用的剪切模上進(jìn)行，有全封閉式和半封閉式兩種。這種下料方法的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率高，材料利用率高；缺點(diǎn)是毛坯形狀欠規(guī)則。
鋸切采用往復(fù)鋸或圓盤(pán)下料，毛坯端面平整，尺寸精度高，形狀規(guī)則，但生產(chǎn)率較低，并有鋸屑損失。采用高速帶鋸下料可以提高生產(chǎn)率，且毛坯形狀規(guī)則，是一種先進(jìn)的備料方法。但帶鋸條使用壽命較短，影響了這種方法的推廣應(yīng)用。
綜上所述，在這里我們采用高速帶鋸下料。
6.2潤(rùn)滑劑的選用
在鍛造過(guò)程中，坯料與模具之間由于接觸而產(chǎn)生摩擦，摩擦使模具磨損，工件表面劃傷，甚至發(fā)生粘模，既縮短了模具壽命，又影響了精鍛件質(zhì)量．同時(shí)增加了變形力和變形功。摩擦還會(huì)引起金屬變形不均勻，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生裂紋。為減少摩擦的不良影響．在坯料與模具之間加潤(rùn)滑劑是一種有效的方法。隨著塑性成形向精密、高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、清潔和柔性方向發(fā)展以及新材料、新工藝的出現(xiàn)，迫切需要研究新的潤(rùn)滑劑及潤(rùn)滑方式。
對(duì)潤(rùn)滑劑，大體上有以下的性能要求：
（1） 摩擦表面具有最大的活性和足夠的粘度；
（2） 有良好的潤(rùn)滑性；
（3） 有合適的密度（容量）；
（4） 有良好的懸浮分散性和可噴射性；
（5） 具有良好的脫模性能；
（6） 有良好的浸潤(rùn)性；
（7） 有較高的化學(xué)穩(wěn)定性；
（8） 有良好的熱穩(wěn)定性、耐熱性、絕熱性和冷卻性；
（9） 潤(rùn)滑劑的熱膨脹系數(shù)、軟化起始溫度和使用要求。
在室溫下冷精鍛時(shí)，一般的潤(rùn)滑方法是先將毛坯表面進(jìn)行磷酸鹽處理（不銹鋼為草酸鹽處理），而后進(jìn)行硬脂酸鈉皂化處理或涂(不銹鋼是用氯化石蠟和組成的潤(rùn)滑劑)。這種潤(rùn)滑方法對(duì)鋼具有滿(mǎn)意的效果。但當(dāng)溫度在250～300℃以上時(shí)，由于磷化層與皂化層被燒壞，使?jié)櫥瑮l件惡化，所以在250～300℃以上熱精鍛時(shí)，這種潤(rùn)滑方法便不適用，必須采用其他潤(rùn)滑方法。
目前，國(guó)內(nèi)熱塑性成形用的潤(rùn)滑劑主要是以石墨粉為主要原料配制成的。此外，還有用玻璃粉作為潤(rùn)滑成分的潤(rùn)滑劑，但玻璃粉制作復(fù)雜，價(jià)格較高，因而應(yīng)用不廣。
石墨粉是一種具有良好的潤(rùn)滑效果的原料，已被廣泛應(yīng)用于各種成形的潤(rùn)滑中。由于石墨具有層狀結(jié)構(gòu)，擠壓時(shí)易隨著復(fù)雜毛坯的變形而滑動(dòng)，具有熱穩(wěn)定性、絕熱性，因而具有良好的潤(rùn)滑性、脫模性。其短處為：惡化環(huán)境，由于能導(dǎo)電，因而有漏電問(wèn)題；對(duì)配管有腐蝕作用；不易回收利用。石墨與各種水劑、油劑等配制的不同潤(rùn)滑劑，其滑效果和使用方法存在較大的差異。最近幾年，已在科研和生產(chǎn)中應(yīng)用的幾種水劑石墨潤(rùn)滑劑除了在高溫下具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能外，還有良好的脫模、冷卻和絕熱等性能。機(jī)1、機(jī)2、機(jī)4和機(jī)5四種潤(rùn)滑劑都能應(yīng)用與溫、熱精鍛中。試驗(yàn)研究證明，機(jī)2和機(jī)6能降低約25%的鍛造負(fù)荷。各種水劑石墨的高潤(rùn)滑性能遠(yuǎn)比乳化油、機(jī)油和二硫化鉬優(yōu)良。機(jī)1、機(jī)2和機(jī)5在試樣溫度高于900℃后，它的潤(rùn)滑性能優(yōu)于西德Acheson公司的Delta144及美國(guó)的Dug31。機(jī)6在高溫時(shí)有很小的摩擦系數(shù)。以上這些水劑石墨潤(rùn)滑劑已在科研和生產(chǎn)了很大作用。例如機(jī)1、機(jī)2、機(jī)4用于熱鍛生產(chǎn)，模具壽命都有了較大的提高（與機(jī)油、二硫化鉬和機(jī)油+石墨相比，一般可提高50%～100%）。由于在高溫時(shí)其潤(rùn)滑性能比二硫化鉬好，從而提高了鍛件的充填性及精度，減少了廢品率；并且它們不產(chǎn)生煙味，從而改善了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的勞動(dòng)條件。
綜上所述，汽車(chē)連桿鍛造時(shí)采用水劑石墨潤(rùn)滑劑。
6.3模具的預(yù)熱
鍛造前還應(yīng)對(duì)上下模具進(jìn)行預(yù)熱。一般預(yù)熱到200—300℃再進(jìn)行生產(chǎn)。模具預(yù)熱有兩個(gè)目的：一是使鍛造毛坯放入模具時(shí)毛坯降溫不致過(guò)快，以免使塑性降低，變形抗力增加，同時(shí)可避免毛坯表面與中心層溫差過(guò)大，致使變形不均勻增加，以致造成擠壓件和模具損壞；二是可減小模具與毛坯接觸時(shí)的溫差。若模具在鍛造前預(yù)熱，模具與毛坯溫差太大，會(huì)使模具表面溫度迅速上升，造成模具表面層和中心層溫差過(guò)大，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，再加上擠壓變形對(duì)模具造成的應(yīng)力也很大，會(huì)使模具很快斷裂和破壞。
模具預(yù)熱的方法有在模具上安裝專(zhuān)門(mén)的電阻預(yù)熱器，而本課題采用的方法是在模具上放置燒紅的鋼塊進(jìn)行預(yù)熱。
6.4鍛造溫度范圍的確定
鍛造溫度范圍是指坯料開(kāi)始鍛造時(shí)的溫度和結(jié)束鍛造時(shí)的溫度之間的溫度區(qū)間。
鍛造溫度是鍛造工藝成敗的關(guān)鍵。對(duì)各種不同材料都存在一個(gè)最佳溫度，在這個(gè)最佳溫度下進(jìn)行成形，可使變形抗力最低，毛坯不發(fā)生氧化、脫碳，模具磨損最小，擺輾件