長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計說明書

長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計說明書,長安,汽車,萬向節(jié),鍛造,鑄造,工藝,設計,說明書,仿單 任務書題 目 長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計題目來源 教師自擬學生姓名 學 號 專業(yè)班級指導教師 職 稱 教 研 室畢業(yè)論文（設計）任務與要求模鍛件一種非常常用的零件成形方式，其由于成形精度較高，性能好而被廣泛應用在汽車等行業(yè)。本課題要求完成長安汽車萬向節(jié)叉的鍛造工藝的設計，包括各種鍛造參數(shù)的確定，并完成終鍛模膛設計。最后采用有限元分析軟件完成該鍛件的溫度場的模擬，分析不同鍛造溫度以及不同外界環(huán)境溫度下鍛件的溫度場分布情況，以及鍛件的應力分布情況。最終完成畢業(yè)論文撰寫，畫出終鍛模膛模具設計裝配圖（包括三維圖）及相關零件圖，圖紙量至少 1張 A0 圖紙。畢業(yè)論文（設計）工作進程2017.12.27-2018.01.31 查（借）閱資料，了解本課題設計重點，注意事項，撰寫開題報告。2018.02.01-2018.02.28 繼續(xù)閱讀文獻，鍛造工藝設計。2018.03.01-2018.03.31 有限元分析軟件學習，鍛模設計。2018.04.01-2018.05.10 分析試驗數(shù)據(jù)，并撰寫畢業(yè)設計。2018.05.10-2018.05.17 指導老師、評閱老師評閱，整理資料準備答辯。2018.05.25 答辯。指導教師（簽字） 畢業(yè)論文工作組組長（簽字） 學生（簽字） 畢業(yè)論文（設計）起止時間： 20XX 年 12 月 27 日 至 20XX 年 05 月 25 日 注：本表由指導教師填寫，于每學年第 1 學期 18 周，經(jīng)畢業(yè)論文工作組審批，隨畢業(yè)論文裝訂由學院存檔。開題報告論文（設計）題目 長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計學生姓名 學號 指導教師一、課題研究的背景制造是人類最主要的生產(chǎn)活動之一。它是指人類按照所需要目的，運用主管掌握的知識和技能，應用可利用的設備和工具，采取有效的方法，將原材料轉化為有利用價值的物資產(chǎn)品并投放到市場的全過程。鍛造生產(chǎn)是機械零件毛坯的主要加工方法之一。通過鍛造，不僅可以得到機械零件的形狀，而且能改善金屬內部組織，提高金屬的機械性能。一般對受力，要求高的重要機械零件，大多才用鍛造生產(chǎn)方法制造。如汽輪發(fā)電機軸、轉子、葉輪、葉片、護環(huán)、大型水壓機立柱、高壓缸、軋鋼機軋輥、內燃機曲軸、連桿、齒輪、軸承、以及國防工業(yè)方面的火炮等重要零件，均采用鍛造生產(chǎn)。因此鍛造生產(chǎn)廣泛應用于冶金、礦山、汽車、拖拉機、收獲機械、石油、化工、航空、航天、兵器等工業(yè)部門，就是在日常生活中，鍛造生產(chǎn)亦具有重要位置。從某種意義上說，鍛件的年生產(chǎn)量，模鍛件在鍛件總產(chǎn)量中所占的比例，以及鍛造設備大小和擁有量等指標，在一定程度上反映了一個國家的工業(yè)水平。鍛造是一種利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機械性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法，鍛壓（鍛造沖壓）的兩大組成部分之一。通過鍛造能消除金屬在冶煉過程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，優(yōu)化微觀組織結構，同時由于保存了完整的金屬流線，鍛件的機械性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。相關機械中負載高、工作條件嚴峻的重要零件，除形狀較簡單的可用軋制的板材、型材或焊件外，多采用鍛件。二、國內外研究概況及發(fā)展趨勢汽車工業(yè)的發(fā)展對高品質、低成本鍛件的需求不斷上升。轉向萬向節(jié)滑動叉是一個重要的汽車零件，其形狀復雜，尺寸精度和形位公差要求高，鍛造結構工藝性差。目前，采用鍛模工藝進行生產(chǎn)，鍛件成形質量差，材料利用率低；因此需要一種新的加工工藝，以提高成形質量，減少材料浪費，降低成本滑動叉?zhèn)鹘y(tǒng)上采用的開式模鍛工藝生產(chǎn)，飛邊大，材料浪費嚴重且尺寸精度差；為了降低鍛件成本，針對滑動叉的形狀特征，又提出了一些先進的工藝方案，比如一種少無飛邊模鍛的新工藝，使預制毛坯在封閉的模膛內成形，實現(xiàn)鍛件進凈成形。而其國外美國用 315MN 水壓機模鍛 F-102 殲 272 個零件和 3200 個螺釘，使飛機質量減輕了擊機上對的整體大梁，取代了 45.5 至 54.5kg，使其結構和性能大大提高。而本課題研究的是長安汽車萬向節(jié)叉是一個叉形零件，一般采用中碳鋼或中碳合金鋼的鍛造件，也有采用中碳鋼的精密鑄造件；滑動叉形狀復雜，而且叉桿部截面呈圓形，傳統(tǒng)的整體閉式模鍛工藝難以實現(xiàn)無飛邊鍛造。國內主要鍛造廠例如馬鞍山新江機械有限公司、東風汽車鋼鍛件有限公司在研究傳統(tǒng)無飛邊鍛造工藝和擠壓工藝的基礎上，開發(fā)了滑動叉無飛邊閉式模鍛新工藝，以滿足滑動叉的無飛邊鍛造的要求。無飛邊鍛造工藝是一種先進的鍛造工藝，通常用于高品質鍛件的生產(chǎn)。與有飛邊 鍛造工藝相比，無飛邊鍛造工藝中鍛件在封閉的模腔內成形，不產(chǎn)生飛邊，節(jié)省材料，成形精度高，可實現(xiàn)鍛件的近凈成形或凈成形。有限元模擬研究表明，與開式模鍛工藝相比，無飛邊和小飛邊閉式模鍛新工藝具有鍛件精度高、成形質量好、材料利用率高、所需設備噸位小等優(yōu)點，具有很好的工業(yè)應用前景。我國的鍛造生產(chǎn)與世界先進國家的水平相比還有一定的差距。工業(yè)發(fā)達國家的模鍛件已占全部鍛件的 70%，而我國尚不足 30%。國外有成千上萬條鍛造生產(chǎn)自動生產(chǎn)線，大型自由鍛造水壓機普遍配備了鍛造操作機等，而我國在這些方面還是處于薄弱狀態(tài)。精鍛技術和大型段鍛件的生產(chǎn)水平與一些工業(yè)發(fā)展中國家相比較低，一些航空產(chǎn)品上的精鍛件和重要的大型自由鍛件還常常需要從國外進口。在 CAD/CAM 一些發(fā)達國家已進入實用階段，在這些方面，我國還是剛剛起步。三、課題研究的目的意義 鍛造是一種利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機械性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法，鍛壓（鍛造沖壓）的兩大組成部分之一。通過鍛造能消除金屬在冶煉過程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，優(yōu)化微觀組織結構，同時由于保存了完整的金屬流線，鍛件的機械性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。相關機械中負載高、工作條件嚴峻的重要零件，除形狀較簡單的可用軋制的板材、型材或焊件外，多采用鍛件；鍛造是壓力加工的一種，通過機械施壓使高溫可塑金屬變形以達到規(guī)定的外形和尺寸。鍛造的目的是坯料成形及控制其內部組織性能達到所需幾何形狀、尺寸以及品質的鍛件，其并不包括改變物理性質。這個靠后續(xù)熱處理和表面處理解決。常見的是模鍛，是把金屬壓入模具成形。一般鑄件的內部組織和力學性能不如鍛件，比較重要的零件都選用鍛造工藝過程；另外鍛造生產(chǎn)還具有節(jié)約金屬、生產(chǎn)效率高，靈活性大等有點。通過鍛造能使鑄造組織中的疏松、氣孔壓實，把粗大的鑄造組織（樹枝狀晶粒）擊碎成細小的晶粒，并形成纖維組織。當纖維組織沿著零件輪廓合理地分布時，能提高零件的機械性能。因而，鍛制成零件強度高，可承受更大的沖擊載荷。在承受同樣大小沖擊載荷的情況下鍛制零件尺寸可以減小，即節(jié)省了金屬。四、研究內容本課題研究的內容是長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計，其中包括以下內容：1. 各種鍛造參數(shù)的確定，完成模具設計及完成終鍛模膛設計。2. 采用有限元分析軟件完成該鍛件的溫度場的模擬。3. 分析不同鍛造溫度以及不同外界環(huán)境溫度下鍛件的溫度場分布。4. 分析不同鍛造溫度以及不同外界環(huán)境溫度下鍛件的應力分布情況。五、研究方案及內容 經(jīng)分析、估量，該設計劃分為以下四個階段：第一階段：1）認真閱讀設計任務要求，明確設計目的；2）查閱相關資料，整理出所需的大致信息；3）規(guī)劃初期的方案。第二階段：1）制定并分析萬向節(jié)叉鍛造設計方案；2）進行相關的計算、校核； 第三階段：1）完成相關鍛件的二維及三維建模圖；2）完成終鍛模膛模具設計裝配圖；第四階段：1）整理資料、書寫報告；2）完成答辯 PPT，準備答辯。六、論文提綱第一章緒論1.1 課題研究目的及意義1.2 論文主要研究內容第二章零件分析及工藝方案的確定2.1 零件分析2.2 工藝方案的確定第三章錘上模鍛件的設計3.1 確定分模位置3.3 模鍛斜度3.3 圓角半徑 3.4 技術條件 3.5 計算鍛件的主要參數(shù)第四章 模鍛變形工步的確定4.1 繪制計算毛坯圖4.2 制坯工步選擇 4.3 確定坯料的尺寸 4.4 確定鍛錘噸位第五章 錘鍛模型槽設計5.1 確定毛邊槽形式和尺寸5.2 確定鉗口5.3 確定終鍛型槽5.4 設計預鍛型槽5.5 滾擠形型槽的設計第六章 鍛模結構設計及包括鍛前加熱，鍛后冷卻及熱處理要求的確定6.1 確定加熱方式及鍛造溫度范圍6.2 確定加熱時間6.3 確定冷卻方式及規(guī)范6.4 確定鍛后熱處理方式及要求七、工作量的估計、工作條件（一）工作量的估計1、設計、計算、校核相應的參數(shù)；2、零部件的二維圖紙、三維建模、鍛件圖；3、撰寫論文設計說明書；4、制作畢業(yè)答辯 PPT；5、翻譯一篇英文資料。（二）工作條件1、圖書館，圖書期刊資料和電子文獻資料；2、裝有制圖、建模軟件的電腦。八、工作進程2017.12.27-2017.01.31 查（借）閱資料，了解本課題設計重點，注意事項，撰寫開題報告。2018.02.01-2018.02.28 繼續(xù)閱讀文獻，鍛造工藝設計。2018.03.01-2018.03.31 有限元分析軟件學習，鍛模設計。2018.04.01-2018.05.10 分析實驗數(shù)據(jù)，并撰寫畢業(yè)設計。2018.05.10-2018.05.17 指導老師、評閱老師評閱，整理資料準備答辯。2018.05.25 答辯。九、存在的問題及擬解決采取的措施（1）模型的溫度場發(fā)生改變時，模型會發(fā)生變形，其應力應變場也會發(fā)生相應的改變。（2）熱應力分析涉及到多種物理場綜合作用的結果，如溫度場和應力場的耦合、電磁場和溫度場的耦合、流體場和溫度場的耦合等，這些多物理場耦合分析中需要同時考慮各個物理場的作用小效果及相互之間的影響。 （3）鍛造參數(shù)確定是的人為計算誤差、系統(tǒng)誤差。上述問題將通過查閱文獻，借鑒相關設計經(jīng)驗，請教老師和與周圍同學探討等途徑進行解決。參考文獻[1] .王先逵主編 機械制造工藝學，北京，機械工業(yè)出版社，1997.10[2].孟少農(nóng)主編 機械加工工藝手冊，北京，機械工業(yè)出版社，1991 [3].陳宏鈞，方向明，馬素敏主編 典型零件機械加工生產(chǎn)實例，北京，機械工業(yè)出版社，2005.1 [4].劉友才，肖繼德主編 機床夾具設計，北京,機械工業(yè)出版社，1991.5 [5].Boyes W E·Jigs and Fixtures·America，SME，1982[6].趙志修 機械制造工藝學，北京：機械工業(yè)出版社，1985. [7].張世昌 機械制造技術基礎，天津：天津大學出版社，2002. [8].宋昭翔 機械制造基礎，北京：機械工業(yè)出版社，1998.[9].王先逵 機械制造基礎，北京：機械工業(yè)出版社，2002.指導教師意見及建議（從選題、理論與實證準備、研究（設計）方法、工作安排等方面給出評價，并提出指導意見）：該生查閱了大量資料，對模鍛有了一定的了解，模鍛在機械零件毛坯加工中具有不可替代的作用，根據(jù)課題要求，制訂了合理的工作計劃，同意開題。指導教師簽名： 年 月 日畢業(yè)論文工作組意見及建議準予開題畢業(yè)論文工作組組長簽字： 年 月 日注：1.此表由學生填寫后，交指導教師簽署意見，經(jīng)畢業(yè)論文（設計）工作組審批后，才能開題。2.此表隨畢業(yè)論文裝訂并由學院存檔。中期檢查表論文（設計）題目 長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計學生姓名 學號 指導教師計劃完成時間 20XX 年 5 月 25 日按照進度安排應完成的任務2017.12.27-2018.01.31 查（借）閱資料，了解本課題設計重點，注意事項，撰寫開題報告2017.02.01-2018.02.28 繼續(xù)閱讀文獻，制定初步的設計方案。2018.03.01-2018.03.31 開始預選設計方案，進行材料準備、鍛件的三維建模圖的繪制及終鍛造模具裝配圖的完成。實際完成情況查閱資料后了解到本課題的設計重點和注意事項，按時完成了開題報告以及文獻翻譯。通過深入了解資料，制定了設計方案，材料準備已完成，并進行模具以及終鍛模膛的設計。目前有哪些問題和困難，擬采取的解決方法分型面的選取存在問題，模具的倒角太大以及鍛件上的孔不應做成通孔，應該是盲孔，在模具設計過程中應多加注意，及時與老師溝通。檢查中發(fā)現(xiàn)的問題與建議通過前期的工作，該生對模鍛認識還存在交大的問題，對模鍛中一些結構的功能還不清楚，導致在設計過程中不知所云，建議進一步加強模鍛鍛模的認識和設計。畢業(yè)論文工作組組長簽名： 年 月 日注：1.最后一欄由指導教師填寫。2. 此表隨畢業(yè)論文裝訂并由學院存檔。指導教師評分表學院：XXXX 專業(yè)班級：XXX 學生姓名：XXX 學號：XXX畢業(yè)論文題目 長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計評 價 項 目（參考） 分值 打分01 工作態(tài)度，工作作風工作態(tài)度 02 畢業(yè)論文完成情況 20 12.003 查閱文獻資料能力04 綜合運用知識能力05 研究方案的設計能力06 研究方法和手段的運用能力能力水平07 外文應用能力40 28.008 文題相符程度09 寫作水平10 寫作規(guī)范程度11 篇幅，論文工作量論文質量12 論文的理論或實際價值40 28.0綜合評定成績 68.0評價意見該生以長安汽車萬向節(jié)叉零件為例，完成了該零件的鍛造工藝設計及零件終鍛模膛設計，從整個過程來看，該生僅對基本方法有了了解，未做深入研究，學習過程中主動性稍顯不足，對于知識的理解較慢，但整體上來說，基本滿足了本科畢業(yè)設計要求。是否同意答辯 同意指導教師（簽名）： 年 月 日注：此表隨畢業(yè)論文裝訂并由學院存檔。I評閱教師評分表學院：XXX 專業(yè)班級：XXX 學生姓名：XXX 學號：XXX畢業(yè)論文題目 長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計評 價 項 目（參考） 分值 打分01 查閱文獻資料能力02 綜合運用知識能力03 研究方案的設計能力04 研究方法和手段的運用能力能力水平05 外文應用能力50 40.006 文題相符程度07 寫作水平08 寫作規(guī)范程度09 篇幅，論文工作量論文質量10 論文的理論或實際價值50 20.0綜合評定成績 60.0評價意見論文對汽車萬向節(jié)的鍛造工藝進行了設計。首先分析了零件結構，確定坯料質量和尺寸，模鍛壓力和切邊壓力，然后進行了鍛模總體設計，最后進行了有限元分析，得到鍛件溫度場及應力分布。建議將第 4 章提前，先進行有限元分析，才能得到不溫度和熱應力。論文觀點正確，論據(jù)充分，對實際有指導意義，建議將論文結構進行調速整，P9 頁，2.6 這部分應該在有限元分析及終鍛模商品體方案之后，論文總結（P28 頁）需進一步凝練，建議修改后答辯。是否同意答辯 同意評閱教師（簽名）： 年 月 日注：此表隨畢業(yè)論文裝訂并由學院存檔。II答辯及成績評定表學生姓名 學號 專業(yè)名稱答辯時間 答辯地點 指導教師題 目 長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計 記錄人 吳神麗姓 名 職 稱 姓 名 職 稱答辯小組成員提問及回答情況記錄（3~4 個主要問題）：1.鍛造工藝選擇中熱切邊的溫度為多少?答：熱切邊的溫度為 800℃。2.鍛造工藝設計中的熱處理鍛造工序還是指機加工？答：指的是后續(xù)的機加工。3.飛邊槽的作用是什么？答：（1）阻流作用即封閉住模膛，鍛造時阻止金屬外流，以保證充滿模膛。（2）容納多余金屬。（3）具有緩沖作用。記錄人簽字：年 月 日答辯小組評語及成績：該生能在規(guī)定時間敘述論文的主要內容，對提出的問題一般能回答，無原則錯誤。答辯小組經(jīng)過充分討論，根據(jù)該生論文質量和答辯中的表現(xiàn)，同意評定論文成績?yōu)橹械取４疝q小組組長簽字： 年 月 日指導教師成績 68.0×40% =27.2評閱教師成績 60.0×20% =12答辯成績 72.0×40% =28.8畢業(yè)論文總評成績 68.0論文 等 級及格III畢業(yè)論文工作組意見：畢業(yè)論文工作組組長簽名： 年 月 日注：1、總評成績=指導教師成績×40%＋評閱教師成績×20%＋答辯成績×40%。2、論文等級分優(yōu)秀（≥90 分）、良好（80-89 分）、中等（70-79 分）、及格（60-69 分）、不及格（＜60 分）。3、此表隨畢業(yè)論文裝訂并由學院存檔。 IV摘要本論文以長安汽車萬向節(jié)叉為例完成了該鍛件鍛造工藝設計，并完成了終鍛模膛的設計。對零件結構分析、零件工藝分析、坯料的質量與尺寸計算、模鍛壓力與切邊壓力的確定、鍛造工藝的選擇以及鍛前加熱、鍛后冷卻及熱處理要求的確定。通過本專業(yè)所學的知識并運用了 SolidWorks2016 軟件對鍛件零件進行三維建模，創(chuàng)建模具的上下模、終鍛模膛的飛邊槽設計、模架總體設計，運用 Auto-CAD2014 軟件進行二維圖繪制，標注好詳細的公差尺寸要求、運用 Workbench 15.0 有限元軟件進行鍛件溫度場及熱應力場分布分析，得出了在不同的溫度、不同的應力條件下鍛件的不同位置會出現(xiàn)不同的顏色變化，根據(jù)顏色變化確定鍛件變形與開裂程度。根據(jù)模擬結果，終鍛溫度為 700℃時由于溫度太低，對變形不利，而當終鍛溫度為 900℃時，殘余應力太大，560MPa ，所以確定終鍛溫度為800℃，產(chǎn)生的熱應力大概為 460MPa。關鍵詞：CAD/CAE；模具；萬向節(jié)叉；熱應力VAbstractIn the study, the forging process and the finishing impression of an automobile universal joint fork were designed. The structural analysis, industrial analysis, mass and dimensioning, die forging pressure and the trimming stress and some other parameters such as heating before forging, post-forge cooling and heat treatment requirements were all determined. SolidWork2016 software was used in three-dimensional modeling of forging parts, upper and lower molds, the design of the flash die groove of the final forging die, the overall design of the mold frame, and so all. Auto-CAD2014 software was used to the two-dimensional drawings, includes the tolerance dimension of the molds. Workbench 15.0 software was introduced in the temperature and thermal stress field calculation. And the simulation results could help people to determine the deformation and cracked degree according to the color bar. The results show that it’s hard to deform during the forging on 700℃, and the thermal stress is about 560MPa during the forging on 900℃, so it’s the best temperature for the forging process 800℃, and the thermal stress is about 460MPa.Keywords: CAD/CAE，mould universal ，joint fork，thermal stressVI目錄摘要 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------IABSTRACT--------------------------------------------------------------------------------------------------------II第 1 章 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 國內外研究現(xiàn)狀 -----------------------------------------------------------------------------------------21.3 本課題研究內容 -----------------------------------------------------------------------------------------3第 2 章 長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計 ------------------------------------------------------------------42.1 零件結構分析 --------------------------------------------------------------------------------------------42.1.1 零件材料 --------------------------------------------------------------------------------------------62.1.2 主要表面分析及技術要求 -----------------------------------------------------------------------62.1.3 零件特點 --------------------------------------------------------------------------------------------62.2 計算坯料的質量與尺寸 --------------------------------------------------------------------------------62.2.1 坯料質量的計算 -----------------------------------------------------------------------------------62.2.2 坯料尺寸的計算 -----------------------------------------------------------------------------------72.3 模鍛壓力與切邊壓力的確定 --------------------------------------------------------------------------72.3.1 模鍛壓力確定 ----------------------------------------------------------------------------------------72.3.2 切邊壓力的確定 --------------------------------------------------------------------------------------72.4 鍛造工序的選擇 -----------------------------------------------------------------------------------------82.5 鍛前加熱、鍛后冷卻及熱處理要求的確定 ----------------------------------------------------------92.5.1 確定加熱方式，及鍛造溫度范圍 --------------------------------------------------------------92.5.2 加熱時間及冷卻方式的確定 -------------------------------------------------------------------102.6 小結 -------------------------------------------------------------------------------------------------------10第 3 章 長安汽車萬向節(jié)叉鍛模設計 ----------------------------------------------------------------------113.1 鍛件鍛?？傮w設計方案的確定 ----------------------------------------------------------------------113.2 鍛模的設計 ----------------------------------------------------------------------------------------------113.2.1 確定鍛件的分型面及分型線 -------------------------------------------------------------------113.2.2 制定鍛件的機加工余量及公差 ----------------------------------------------------------------13VII3.2.3 鍛模生成及凸凹模分割 -------------------------------------------------------------------------143.3 預鍛模具設計圖 ----------------------------------------------------------------------------------------173.4 鍛模飛邊槽的設計 -------------------------------------------------------------------------------------173.5 模架總體設計 -------------------------------------------------------------------------------------------193.6 鑲塊設計 -------------------------------------------------------------------------------------------------203.7 小結 -------------------------------------------------------------------------------------------------------20第 4 章 萬向節(jié)叉有限元分析 -------------------------------------------------------------------------------214.1 不同溫度下 45 鋼的性能變化 -----------------------------------------------------------------------214.2 有限元分析前置參數(shù)設置 ----------------------------------------------------------------------------224.3 鍛件溫度場及應力分布分析 -------------------------------------------------------------------------254.4 小結 -------------------------------------------------------------------------------------------------------27總結 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------28參考文獻 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------29致謝 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------30附錄 A -------------------------------------------------------------------------------------------------------------311第 1 章 緒論1.1 課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 技術在機械行業(yè)中出于領軍地位，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)模具制造的關鍵生產(chǎn)技術之一，它需要依靠計算機軟進行輔助設計及配合各種機械設備進行加工生產(chǎn)。以便加工人員能進行更方便的生產(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)逐漸偏向于設計優(yōu)化、流程優(yōu)化生產(chǎn)優(yōu)化的理念進行研發(fā)。鍛造生產(chǎn)能夠顯著地減少機械零件的生產(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強度，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行產(chǎn)品成型所制造的。它大體可以劃分為動模和定模兩部分，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雜。在產(chǎn)品成型的過程中，氣壓、沖頭等一系列外部構件把外力傳遞給動模和定模，上下模具框架為擠壓產(chǎn)生的力起了緩沖作用。因為鍛造模具在實際的加工生產(chǎn)中對生產(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用。針對鍛造模具，本文以長安汽車萬向節(jié)叉零件為例進行了模具設計、零件受熱應力場及溫度場模擬分析，簡要描述了模具在實際生產(chǎn)過程中的應用。1.1.2 模具 CAD/CAM 的研究意義隨著機械 CAD/CAM 行業(yè)蓬勃發(fā)展，現(xiàn)模具能夠實現(xiàn)三維軟件自動分?；蛴萌S設計軟件手動輔助分模，大大縮短模具研發(fā)設計時間?，F(xiàn)在甚至是未來模具行業(yè)的發(fā)展更趨向于設計與制造智能化、一體化、集成化。此次設計是針對長安汽車萬向節(jié)叉的鍛造中終鍛部分模具的設計，涉及三維產(chǎn)品設計、模具分模設計、二維工程圖及 ANSYS 溫度場應力場分析仿真，總體涵蓋了鍛模的設計及應用，完全與工廠實際設計生產(chǎn)需求接軌 [2]。 終鍛模是零件進行模具鍛造時使毛坯料在型腔內擠壓成型而獲得產(chǎn)品的模具。設計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 452鋼。終鍛之前需先將鍛件進行加熱，以達到終鍛所需的溫度要求，接著將預熱的初鍛件放置在鍛造設備上，按照要求施加壓力，迫使鍛件因其自身的塑性變形發(fā)生內部分子流動，進而成型獲得終鍛件 [3]。所設計的鍛造模具在實際運用中既要承受鍛錘的高速沖擊作用及負載壓力，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)，對于模具的材料需要其滿足高耐磨及強度剛度。1.2 國內外研究現(xiàn)狀經(jīng)過了幾代機械行業(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 在整個行業(yè)起了不可替代的位置，基本上國內大小公司都離不開這三方面聯(lián)合設計模具的應用，并一直刷新行業(yè)應用記錄，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。尤其在近幾年模具行業(yè)借助 Ansys 等 CAE 軟件配合進行實際工況產(chǎn)品應力場及溫度場的模擬分析，可謂是模具行業(yè)質的突破 [4]。同時更多的科研人員進行在 SolidWorks 和UG 軟件平臺上針對模具設計的二次開發(fā)軟件，更加方便了設計人員開發(fā)模具，直接縮短了設計流程。升級傳統(tǒng)模具制造生產(chǎn)的關鍵技術方案是進行模具CAD/CAM/CAE 聯(lián)合研究開發(fā)，它作為當今機械行業(yè)高水平發(fā)展的方向一直被廣泛的應用 [5]。此技術借助計算機軟件給設計者提供了很好地工作平臺，提高了模具設計效率，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行模具結構的簡化、模具鍛造工藝的優(yōu)化、鍛件成型工藝的升級等。鍛造模具行業(yè)的 CAD/CAM/CAE 的發(fā)展狀況符合總體機械類相關軟件的發(fā)展進程，基本上設計軟件每升級一版本，模具行業(yè)的科研進度也跟上一個版本。目前相關的軟件發(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計、三維實體模型模擬設計、自由曲面模型模擬設計、參數(shù)化模擬設計、特征模型模擬設計等等，到近些年來隨著互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應用，此類設計軟件基本結合了當今熱門的智能化、集成化等新關鍵詞進行開發(fā)軟件，進而發(fā)展為新的技術特點。進而 CAD 技術能夠具備更好地協(xié)同開發(fā)、簡化設計流程等優(yōu)點。CAM 行業(yè)一直處于并接軌于高精度機床編程、以更好地工藝進行工件的加工生產(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際數(shù)控機床及加工中心的離線編程，使編程人員面對三維實際模型更好地更方便的編寫G 代碼程序 [6]。CAE 技術也在近幾年得到了廣泛的普及，對件及具結構進行有限元分析計算，進而得到鍛件在不同工作狀態(tài)下（溫度場）的位移和應力分布3情況。最終為模具的優(yōu)化設計和合理改進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，然而相對于其他的工業(yè)比較發(fā)達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)在這幾個方面：（1）我國的 CAD/CAM 的運用集成化程度相對較低，目前很多企業(yè)的運用仍然停留在畫圖、NC 編程等單項技能的利用上。（2）目前國內的 CAD/CAM 系統(tǒng)的軟、硬件均要依靠通過進口來獲得，而擁有自主版權的軟件相對比較少。（3）由于缺少設備運用和技術指導，很多公司盡管目前已經(jīng)引進了 CAD/CAM 系統(tǒng)，但其使用功能卻沒能充分發(fā)揮出來。1.3 本課題研究內容此次設計是綜合了機械類常用的 CAD 設計軟件及 CAE 分析軟件進行的。SolidWorks 是位于美國馬薩諸塞州的達索公司（Dassault Systemes S.A）專門為了從事機械設計行業(yè)人員研發(fā)的視窗應用軟件，它擁有強大的非標設備設計功能及較為完善的模具分模一體化設計功能。本設計用該軟件進行鍛件的三維設計并且對其進行分模，以分出凸模具和凹模具，并用其他內嵌于 SolidWorks 的模具輔助外掛軟件設計模架、頂針、導向柱等模具必須零件。設計完長安汽車萬向節(jié)叉鍛件，將其導入 ANSYS Workbench 15.0 正確應用瞬態(tài)傳熱分析的初始條件進行溫度場及應力場分析。通過分析可以清晰看出鍛件在不同溫度下的應力分布及變化情況。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，方便實際組裝及加工。通過機械類多軟件綜合的設計分析充分發(fā)揮了CAD/CAE 在模具行業(yè)的應用。在設計過程中我走訪了某鍛件鍛造加工廠，親臨了加工廠實際生產(chǎn)，跟工廠師傅交流了鍛造的工藝要求，也體驗了鍛造設備的使用，因而本設計充分貼近工廠生產(chǎn)之所需。由于我自己的學術水平有限，因此本論文難免存在學術方面的不妥之處，還請各位老師和同學們的批評指正。4第 2 章 長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計2.1 零件結構分析先進行零件結構分析，所設計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)叉用在主動軸與從動軸中，用來控制兩者間的角度并進行動力傳遞。因其作為連接件，使被連接的零件間存在規(guī)定范圍內的角度變化，在整個汽車傳動結構中起著至關重要的作用，故萬向節(jié)叉需承受的扭轉矩較大剛度需求較高，同時其在實際工況中環(huán)境不同，有時需承受的載荷較大。主動軸將發(fā)動機傳來的轉矩通過萬向節(jié)叉?zhèn)鬟f給從動軸以輸出轉矩，在不平行情況下主要起連接主動軸和從動軸的作用。當然，萬向節(jié)叉這類零件應用范圍較為廣泛，不僅僅用在汽車傳動行業(yè)方向上，也用于機械行業(yè)非標件設計過程中，甚至民用傳動設備的生產(chǎn)制造過程中。大體上，可用于如下場所：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動過程中經(jīng)常變化等場所 [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，形狀不是很復雜，因其是連接件，非傳動件，故其精度要求不高，但為了保證連接位置的精度配合要求，也需要通過鍛壓機如圖 2.2 所示，初鍛終鍛兩步鍛造成型。頂部頭端的設計較為麻煩，內孔需在終鍛后用加工中心繼續(xù)加工，并且在設計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)控機床進行加工，在鍛造的過程中，因其材料內部分子聚集加強，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，則按照實際工藝進行零件設計。按照工廠要求選取鍛件的材料為熱軋鋼 45 鋼，此材料擁有相對較好的金屬材料穩(wěn)定性，較高的強度，并方便后期機加工。具體該鍛件的工藝方案及材料相關屬性如下表及相關數(shù)據(jù)所述，零件預期設計的實物圖如圖 2.3 所示。5圖 2.1 長安汽車萬向節(jié)叉零件圖圖 2.2 鍛壓機實體圖圖 2.3 萬向節(jié)叉的預期實物圖62.1.1 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。2.1.2 主要表面分析及技術要求外圓表面用于支撐該零件連接，兩個掛耳面和底面用于承受動力。技術要求是表面缺陷深度允許值為 0.5mm；熱處理是調質 HB230—260；表面清理是為了便于淬火裂紋的檢查,采用酸洗進行表面清理。2.1.3 零件特點盤類零件（ H≤ D ）在終鍛之前都要先進行預鍛，但包括預鍛和終鍛過程都在鍛壓機里完成。預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，從而保證鍛件進行最后的終鍛時使鍛件各處充分填充金屬并且有均勻毛邊，進而降低了模槽的磨損損耗，延長其使用壽命。2.2 計算坯料的質量與尺寸2.2.1 坯料質量的計算首先根據(jù)鍛件的形狀以及尺寸計算其鍛件質量，然后考慮到加熱時的表面氧化損失，切去熱邊還有去毛刺的質量，最后計算鍛件所用的坯料質量，其計算式為：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，毛坯的質量為 2.377kg。72.2.2 坯料尺寸的計算計算毛坯在整個設計中起到了關鍵的作用，對于鍛件的結構特性，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?2.3 模鍛壓力與切邊壓力的確定2.3.1 模鍛壓力確定 預鍛和終鍛的完成需要在熱模鍛壓力機內完成。其中對于終端成型壓力的確定可以有以下公式計算得出：公式鍛鍛鍛鍛 ）（）（ 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 ；b 為金屬在終鍛溫度下的抗拉強度,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 鋼的抗拉強度為 b=600 N/mm2；?S 鍛 =π D 鍛 /4=12070.16mm2?最終代入數(shù)據(jù)可以計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為 16000KN 規(guī)格的鍛模壓力機。2.3.2 切邊壓力的確定待終鍛完成后還需要對帶飛邊的鍛件進行切除，此過程需要在切邊壓力機上完成，選擇切板壓力機要根據(jù)相關切邊壓力選取的規(guī)則來選取，則切邊壓力計算的公式為：F 切 =1.7 bL(2.5t +B) 公式?（2.2）公式中: F 切 為切邊壓力 ,單位 N；b 為在該溫度下材料抗拉強度，單位 N/ mm2 ；8L 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 鋼的抗拉強度為 b =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??實際情況選取切邊壓力機規(guī)格為 4500KN。2.4 鍛造工序的選擇其加工流程如下：下料→加熱→拔長→預鍛→終鍛→熱切邊→磨毛刺→清除氧化皮。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)叉鍛造工藝設計材料代號 45GB－T699-1999工序號工序和工步 工序（工步內容）與要求 設備名稱 工具名稱1 下料 冷剪切按“鍛件毛坯小料手冊” 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 預鍛 先粗略鍛造，形成大體輪廓 3t 模鍛錘5 終鍛預鍛的基礎上進行細節(jié)的修補，這樣鍛件能夠最終成型，從而提高鍛造效率。 3t 模鍛錘6 熱切邊 切邊溫度 T 為 800℃ 1.6t 壓力機 切邊壓力機9相對于鍛模而言，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、預鍛模、終鍛模、彎曲模等。按鍛件制造方式可分為團體模和組合模；很多企業(yè)中依照鍛造設備來區(qū)分鍛模種類，以此可分為胎模、錘鍛模、機鍛模、平鍛模、輥鍛模等。各種各樣的模鍛件滿足了機械行業(yè)非標準零件的需求，相應配套的模鍛件是完全處于凸凹模間進行鍛壓成型得到的。通過翻閱相關書籍、查閱相關互聯(lián)網(wǎng)資料，定義本設計的鍛件為普通鍛件，并且歸類于柱形鍛件。同時，萬向節(jié)叉鍛件一般是小規(guī)模同尺度批量生產(chǎn)，便于機械流程化、工藝流程化及自動生產(chǎn)化，本此畢業(yè)設計采用了開式單型槽熱模鍛，并且選用熱鍛模曲柄壓力機進行鍛模模鍛。通過上述圖紙分析及工藝流程的確定，我們可以進一步對其進行模具鍛模設計及后續(xù) CAE 分析并且可以進行圖紙設計。2.5 鍛前加熱、鍛后冷卻及熱處理要求的確定2.5.1 確定加熱方式，及鍛造溫度范圍鍛造件在正式機加工之前都需要進行熱處理，以便利于機加工時切削，同時也是細化晶格消除內應力以延長鍛件的使用壽命。下面將對萬向節(jié)叉鍛件進行熱處理并依據(jù)要求進行設計。在整個鍛造的過程當中，鍛造毛坯料熱處理的目的是在鍛造時減小變形量、提高金屬塑性使液體金屬能更好的在模腔內流動成型，以使終鍛后的鍛件得到良好的金屬力學性能。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，本論文設計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性能，查閱了相關熱處理資料，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，因此選用鍛件的初始鍛造溫度為 1200℃，終鍛溫度為 800℃。其下表為常見金屬材質鍛造溫度：7 磨毛刺 要求殘留毛邊不大于 1mm 砂輪機 砂輪片8 清除氧化皮 酸洗清理10表 2.2 常見金屬材質鍛造溫度2.5.2 加熱時間及冷卻方式的確定這里所指的加熱時間是自毛坯進入加熱爐內加熱時到從加熱爐取出的整個過程所消耗的時間，它包含整個過程的升溫和保溫兩個過程。 加熱時間是整個坯料裝爐后從最先加熱到出爐所需的時間，包括加熱整個階段的升溫時間和保溫時間。加熱時間可以按照 計算，其中 D 表示毛坯的直徑（cm ），???表示 45 鋼的金屬化學影響系數(shù)，一般取值為 0.11（h/cm ）。?模具熱疲勞會導致疲勞失效，這種失效現(xiàn)象尤其體現(xiàn)在凸凹模成型面上，甚至會順著裂紋逐漸擴大，模具經(jīng)過反復的受熱受冷刺激后其內部多少會有些疲勞變形。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必要進行充分的高溫加熱，并盡量做到保持一定的高溫；根據(jù)實際生產(chǎn)需要，常規(guī)的冷卻的方式有氣冷、水冷、爐內冷卻等方式，其中爐內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。2.6 小結本章主要內容是對零件結構分析、零件工藝分析、坯料的質量與尺寸計算、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11要求的確定，通過對這些內容的學習，有利于后續(xù)鍛模的設計。12第 3 章 長安汽車萬向節(jié)叉鍛模設計3.1 鍛件鍛?？傮w設計方案的確定了解了零件的屬性及材