【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ?年，印度為 /人?年。我國(guó)最具代表性的汽車鍛造公司的全員勞動(dòng)生產(chǎn)率為 50噸 /人?年，浙江溫州地區(qū)的統(tǒng)計(jì)約為 /年?人。 3) 能源消耗與環(huán)保 我國(guó)能源總量為世界第三位，能源消費(fèi)是世界第二位，占世界總消費(fèi)量 10%。能源利用率只達(dá) 32%，日本為 57%，而每百萬(wàn)美元 GDP的二氧化碳排量卻是 ，是日 本的 倍，印度的 。 4) 模具壽命 我國(guó)熱鍛模壽命一般在 40006000件，主要受工藝設(shè)計(jì)、鍛造設(shè)備、加熱、潤(rùn)滑等因素河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 影響，國(guó)外模具壽命在 1000015000件， 是我國(guó)的 ，模具壽命是影響鍛件成本的主要因素，提高鍛模的壽命是鍛造企業(yè)共同的使命。 我國(guó)已有 8MN以上液壓機(jī) 140余臺(tái)，其中 60MN125MN壓機(jī) 9臺(tái)，具備了 600MW亞臨界火電機(jī)組， 700MN水電機(jī)全部大鍛件的生產(chǎn)能力， 150MN液壓機(jī)的投入使用，相應(yīng)配套裝備及工藝水平就位后將能制造 550600噸鋼 錠，生產(chǎn) 300噸級(jí)優(yōu)質(zhì)鍛件，逐步滿足現(xiàn)全部靠進(jìn)口的 700MW水電， 1000MW核電及超臨界火電機(jī)組的大鍛件。 我國(guó)模鍛件生產(chǎn)企業(yè)，部分骨干企業(yè)采用了熱模鍛壓力機(jī)，并相應(yīng)配以操作機(jī)械手和多工位熱成形壓力機(jī)外，大多數(shù)企業(yè)仍采用雙盤摩擦壓力機(jī)上配以空氣錘備培德人工操作生產(chǎn)工藝，使鍛件精度，模具壽命，鍛件質(zhì)量穩(wěn)定性均受影響。因而鍛造也面臨一個(gè)國(guó)內(nèi)由于汽車業(yè)的發(fā)展，國(guó)際上全球采購(gòu)的良好發(fā)展機(jī)遇，因此鍛造企業(yè)應(yīng)加大企業(yè)的技改，大力采用打擊能量可控的離合式螺旋壓力機(jī)和熱模鍛壓力機(jī)，并配以楔橫軋，輥鍛制坯工藝，工件傳送逐步 向手工操作向自動(dòng)化操作過(guò)渡。從新材料（非調(diào)質(zhì)鋼）應(yīng)用、剪切、加熱、模具預(yù)熱、潤(rùn)滑，此鍛造工藝過(guò)程控制，鍛件熱處理及清理，不斷地加以改造。使我國(guó)的鍛造業(yè)在已具備相當(dāng)產(chǎn)能規(guī)模的基礎(chǔ)上，提升整體競(jìng)爭(zhēng)能力。 目前，我國(guó)大型 資 由鍛件的生產(chǎn)處于 “過(guò)剩 ”與 “短缺 ”的雙重壓力之下，一般性大鍛件供大于求，而對(duì)于技術(shù)含量和質(zhì)量要求都很高的大型自由鍛件則生產(chǎn)能力低或沒(méi)有生產(chǎn)能力。在汽車鍛件方面，盡管卡車用模鍛件已全部由我國(guó)自己生產(chǎn)，但轎車模鍛件由于多數(shù)車型的知識(shí)產(chǎn)權(quán)不在我們手中，大部分仍然需要進(jìn)口。 國(guó)內(nèi)外對(duì)鋁合金鍛 造技術(shù)的研究現(xiàn)狀 鋁合金鍛造成形有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，汽車生產(chǎn)大國(guó)如美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家是鋁合金鍛造技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的領(lǐng)先者。例如，在歐美，已在載重車上應(yīng)用了鋁合金鍛件，如搖臂、支架等。正在研發(fā)高強(qiáng)鋁合金 7075代替?zhèn)鹘y(tǒng)的合金結(jié)構(gòu)鋼鍛造重型卡車主軸等大型鍛件的工藝。在國(guó)外鋁合金鍛件應(yīng)用的發(fā)展呈現(xiàn)如下幾個(gè)特征 :1)應(yīng)用由價(jià)格昂貴的、對(duì)性能要 求高的跑車向普通性能車擴(kuò)展 。2)由載客用車向載貨用車擴(kuò)展 。3)由一般件向承載件擴(kuò)展。在鍛造技術(shù)上，也呈現(xiàn)明顯的特征 :1)即由簡(jiǎn)單的單工位墩粗和擠壓成形，向多工步、多 種成形方法復(fù)合方向發(fā)展 。2)鍛件也由簡(jiǎn)單向復(fù)雜方向發(fā)展。 在國(guó)內(nèi)，我國(guó)鋁合金的整體鍛造水平較發(fā)達(dá)國(guó)家落后 1020年，目前仍處于單工位的簡(jiǎn)單墩粗和擠壓方式生產(chǎn)形狀相對(duì)較簡(jiǎn)單的鍛件的階段。對(duì)于生產(chǎn)復(fù)雜的鋁合金鍛件時(shí)，由于沒(méi)有合適的體積分配方式相配合，因此，飛邊量大，使昂貴的鋁合金材料浪費(fèi)嚴(yán)重，大河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 大增加了鋁合金的生產(chǎn)成本。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)復(fù)雜鋁合金鍛件的生產(chǎn)發(fā)展緩慢，生產(chǎn)成本大、費(fèi)用高，無(wú)法滿足需求。 鋁合金鍛造模具 CAD技術(shù)研究的意義 鋁合金的塑性成形中，鍛造工藝技術(shù)相對(duì)己經(jīng)成熟，但是，多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)仍然 落后于鍛造模具生產(chǎn)的發(fā)展。目前，鍛造模的形狀越來(lái)越復(fù)雜，而且要求鍛造模具有更高的強(qiáng)度和更高表面質(zhì)量的產(chǎn)品。雖然，在設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)中有的已經(jīng)合理的改進(jìn)為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，但大多數(shù)的模具設(shè)計(jì)仍然依靠個(gè)人的判斷力、直覺和經(jīng)驗(yàn)。鍛造模設(shè)計(jì)要通過(guò)試生產(chǎn)來(lái)驗(yàn)證，然后又要通過(guò)對(duì)模具修正以達(dá)到所需要控制的斷面尺寸、平直度和表面質(zhì)量的要求。 用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)可以節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間、縮短制模時(shí)間、減少試模修模次數(shù)、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、以及標(biāo)準(zhǔn)化、連續(xù)化和自動(dòng)化程度的提高，從而可使工模具成本大幅度降低。計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)了綜合性的各種專業(yè)技術(shù)知識(shí) 和數(shù)據(jù)資料，加上人機(jī)對(duì)話，可實(shí)現(xiàn)工模具設(shè)計(jì)制造的質(zhì)量、效率和經(jīng)濟(jì)性。另外，由于從設(shè)計(jì)開始采用統(tǒng)一的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，使工模具制造具有一致性、重復(fù)性和精確性，從而保證工模具有良好的穩(wěn)定的質(zhì)量。鍛造模具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)也是模具優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。 本課題的主要研究?jī)?nèi)容與意義 本文研究的主要內(nèi)容可分為兩大部分 ,一是通過(guò)零件的塑性成形工藝分析，用三維軟件 (PRO/E)設(shè)計(jì)該零件的鍛造模具；二是用金屬材料塑性成形模擬軟件 Deform 行有限元分析 。 本文的主要意義是通過(guò)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)快速設(shè)計(jì) 鋁合金零件的鍛造模具，用等溫鍛造的方法代替原來(lái)的機(jī)械加工，從而減少機(jī)械加工浪費(fèi)材料的現(xiàn)象，降低成本。 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第 2 章 摩托車鋁合金消聲器尾蓋鍛造工藝分析 鋁合金 6061的一般特性 鋁合金簡(jiǎn)介 鋁是地殼中分布最 多 的元素之一，約 占 %。僅次于氧和硅。近幾十年來(lái)，鋁的材料工藝技術(shù)突飛猛進(jìn)，如果想提高性能必然要考慮采用輕金屬及復(fù)合材料。比如活塞，如果摩托車采用鋼制的活塞，其性能只能達(dá)到鋁合金的一半。 鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、塑性好、易于成形、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，在非民用的領(lǐng) 域，廣泛用于制作飛機(jī)構(gòu)件（蒙皮、框架、翼梁等）。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量中，鋁合金約占 50%~80%，成為宇航、航空工業(yè)的主要材料。在民用工業(yè)中，鋁合金應(yīng)用的領(lǐng)域主要是：建筑和結(jié)構(gòu)，容器和包裝，交通運(yùn)輸以及電導(dǎo)體。在兩輪摩托車上，近年來(lái)推出的車型不斷向高馬力重量比發(fā)展，國(guó)外已經(jīng)有大量使用此原料的習(xí)慣。至于改裝零件、賽車零件市場(chǎng)，鋁合金制的產(chǎn)更是比比皆是，很多諸如升高腳踏、車把、發(fā)動(dòng)機(jī)零件等，都是以一些高性能的鋁合金作為原材料制作而成的。 在傳統(tǒng)鋁合金中，一般分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類，前者又有熱處理強(qiáng)化的鋁合金 （如硬鋁與超硬鋁合金）和熱處理不能強(qiáng)化的鋁合鋁合金金（如防銹）。 80年代以來(lái)，又掀起了開發(fā)快速凝固新型鋁合金以及 AlLi 系合金、 AlSc合金 新一代鋁合金的新高潮，使鋁合金在高科技領(lǐng)域中占據(jù)著極為重要的地位。 鋁合金 6061的化學(xué)成份和一般特性 鋁合金按其加工方法分為變形鋁合金、鑄造鋁合金、粉末鋁合金三大類；變形鋁合金還可按其能否通過(guò)熱處理來(lái)進(jìn)行沉淀強(qiáng)化，而分成可熱處理強(qiáng)化鋁合金和不可熱處理強(qiáng)化鋁合金兩類。 根據(jù)我國(guó)頒布的標(biāo)準(zhǔn) (GB/T 31901996)，變形鋁合金按其使用和工藝性 能分為 :防銹鋁、硬鋁、超硬鋁、鍛鋁等四類。用 LF 表示防銹鋁、 LY 表示硬鋁、 LC 表示超硬鋁， LD表示鍛鋁。以數(shù)字編號(hào)表示各組不同化學(xué)成分的鋁合金。例如， LD30（美國(guó) ASTM 牌號(hào)6061）表示 30 號(hào)鍛鋁。鍛鋁基本是 A1CuMgSi 系合金和 AICuMgFeNi 系合金，主要用于生產(chǎn)鍛件。 6061 合金中的主要合金元素為鎂與硅 （ AlMgSi） ， 并形成 Mg2Si。 具有中等強(qiáng)度 (6061T6 的強(qiáng)度達(dá) 245MPa)、 有良好的塑性和優(yōu)良的可焊性 、 抗蝕性、河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 可機(jī)加工性，適合作建筑裝飾型材及各種需要良好 耐蝕性要求的結(jié)構(gòu)件。 6061 合金產(chǎn)品大多在固溶處理與時(shí)效后應(yīng)用，即在 T6 狀態(tài)下應(yīng)用，時(shí)效溫度 155165C? ，保溫 18h。6061 鋁合金的鍛造溫度范圍為 500C? ~380C? 。 6061 合金的熱學(xué)性能和化學(xué)成分如表 21和表 22。 表 21 6061的熱學(xué)性能 鋁合金 密度 / kg/m^3 液相 線 溫度 /℃ 固相 線 溫度 /℃ 線膨脹系數(shù) 比熱容 / J/(kgK) 熱導(dǎo)率（ T6） / W/(mK) 6061 2700 652 582 896（ 20℃ ） 167（ 25℃ ） 表 22 6061 合金的化學(xué)成分 鋁合金在鍛造時(shí)通常具有以下一些特點(diǎn) 純鋁塑性很高 ,易于成形；但是在鋁中加入合金元素后，其成形性也隨之降低，而且合金化程度愈高，其塑性愈低，給鍛造帶來(lái)一定的困難；此外，鋁合金的其他特性，給鍛造帶來(lái)更多的困難。 幾乎所有鍛造用的鋁合金都有較好的塑性。低碳鋼可以鍛出的各種形狀的鍛件，用鋁合金 都可鍛出來(lái)。但是，一般說(shuō)來(lái)，由于鋁合金的流動(dòng)性差，在金屬流動(dòng)量相同情況，要河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 比低碳鋼需多消耗約 30%的能量。 鋁合金由于導(dǎo)熱性好，加熱時(shí)內(nèi)應(yīng)力小，且易于均勻熱透，所以坯料可以直接裝入接近始鍛溫度的高溫爐膛內(nèi)進(jìn)行快速加熱。擠壓坯料在不產(chǎn)生鍛造裂紋的條件下，不必進(jìn)行保溫，但鑄造坯料加熱時(shí)需要保溫。 變形速度對(duì)鋁合金工藝塑性的影響主要取決于合金加工硬化和再結(jié)品軟化速度之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，大多數(shù)鋁合金隨著變形速度的增大，在鍛造溫度范圍內(nèi)的工藝塑性并不發(fā)生顯著降低。這是因?yàn)樽冃?速度增大所引起的加工硬化速度的增加，沒(méi)有使它超過(guò)該合金的再結(jié)品速度。但是，一些化學(xué)成分比較復(fù)雜的鋁合金，隨著從動(dòng)載變形 (錘上 )改為靜載變形 (壓力機(jī) )，工藝塑性便要下降。一般在低溫范圍內(nèi)變形抗力對(duì)變形速度的變化不敏感，而在高溫下 (鍛造溫度范圍 )則比較敏感，變形速度增大，變形抗力增大。根據(jù)變形速度對(duì)各類鋁合金變形抗力影響的研究表明，當(dāng)鋁合金由壓力機(jī)鍛造改為錘上鍛造時(shí)，變形抗力隨著合金化程度的不同，大約增大了 。以上說(shuō)明，鋁合金可以在壓力機(jī)上鍛造，也可以在錘上進(jìn)行鍛造 :但是為了增大合金在鍛造時(shí)的允許變形 程度，提高生產(chǎn)率，減少變形抗力，改善金屬充填型槽的流動(dòng)性，選用壓力機(jī)來(lái)鍛造鋁合金比錘要好些。各種鍛壓設(shè)備上的工具運(yùn)動(dòng)速度及金屬變形速度的大致范圍，見表 23所示。 表 23 各種鍛壓設(shè)備上的變形速度 鋁合金的鍛造溫度范圍一般都在 150℃ 以內(nèi)，少數(shù)高強(qiáng)度鋁合金的鍛造溫度范圍甚至小到 100℃ ，相關(guān)資料表明，其變形溫度基本上在 350℃ ~500℃ 之間。由于鋁合金的鍛造溫度范圍很窄，所以一般都采用能精確控制加熱溫度的帶強(qiáng)制循環(huán)空氣的箱式電阻爐或普通箱式電阻爐進(jìn)行加熱，溫差控制在 177。10℃ 以內(nèi)。同 時(shí)，為了保證適當(dāng)?shù)腻懺鞙囟?，提高合金的塑性和流?dòng)性，改善合金的成形條件，用于鍛造和模鍛的工具或模具需要預(yù)熱。表 24列出常用的變形鋁合金的鍛造溫度范圍。 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 表 24 鋁合金鍛造溫度范圍 所謂流動(dòng)性是指合金在外力作用下充填鍛模型腔的能力，它主要取決于合金的變形抗力和外摩擦系數(shù)。鋁合金質(zhì)地很軟，外摩擦系數(shù)較大，所以流動(dòng)性較差，模鍛時(shí)難于成形。 : 折疊是造成鋁合金模鍛件廢品的一個(gè)主要缺陷，鍛件因折疊造成的廢品率約占整個(gè)廢品率的 70%~80%以 上。它是由于模鍛時(shí)金屬對(duì)流，形成某些金屬的重疊，最后壓合而成為折疊。產(chǎn)生折疊的原因有 :鍛件各斷面形狀和大小變化太劇烈，難以制坯，使金屬流動(dòng)復(fù)雜；形狀復(fù)雜的鍛件，沒(méi)有預(yù)制坯和預(yù)鍛，或者預(yù)制坯和預(yù)鍛模膛設(shè)計(jì)不合理，與終鍛模膛配合不當(dāng)，局部金屬過(guò)多或過(guò)少；操作失誤，潤(rùn)滑不均，加壓速度太快等。 由于鋁合金的鍛造溫度范圍窄，其鍛造加熱溫度，尤其是淬火加熱溫度很接近合金的共晶熔化溫度，容易發(fā)生過(guò)燒。所以在鍛件和模具加熱以及鍛件淬火加熱時(shí)，必須十分注意溫度上限，嚴(yán)格遵守工藝操作規(guī)程否則會(huì)引起鍛件過(guò)燒。鍛件過(guò)燒后 ，表而發(fā)暗，有氣泡，一鍛就裂。 鍛鋁和硬鋁很容易產(chǎn)生大晶粒，它們主要分布在鍛件變形程度小而尺寸較大的部位、變形程度大和變形激烈的區(qū)域以及飛邊區(qū)附一近。另外，在鍛件的表面也常常有一層粗晶，其產(chǎn)生原因有兩種情況 :其一，是擠壓坯料表層粗晶環(huán)被帶入鍛件 :其二，是模鍛時(shí)模膛表河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 而太粗糙，模具溫度太低，潤(rùn)滑不良，使表面接觸層激烈剪切變形，因而產(chǎn)生粗晶。 由于鋁合金的塑性和流動(dòng)性較差，很容易產(chǎn)生表面和內(nèi)部裂紋。坯料加熱不足，保溫時(shí)間不夠、鍛造溫度過(guò)高或過(guò)低，變形程度太大，變形速度太高、鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的 彎曲、折疊沒(méi)有及時(shí)消除，再次進(jìn)行鍛造，都很可能產(chǎn)生表面裂紋。鋁合金鍛件的內(nèi)部裂紋主要是由于坯料內(nèi)部存在有粗大的氧化物夾渣和低熔點(diǎn)脆性化合物，變形時(shí)在拉應(yīng)力和切應(yīng)力的作用下產(chǎn)生開裂，不斷擴(kuò)大。此外，由于鋁合金的鍛造溫度范圍很窄，如果模具和鍛造工具沒(méi)有預(yù)熱，或預(yù)熱溫度不夠也很有可能會(huì)引起鍛件產(chǎn)生裂紋。 、渦流和穿流 其形成原因與折疊基木相同，也是由于金屬對(duì)流或流向紊亂而造成，只不過(guò)有的部位盡管存在有流線不順和渦流現(xiàn)象，但未能發(fā)展成折疊那樣嚴(yán)重的程度。穿流和渦流能明顯的降低塑性指標(biāo)、疲勞性能和抗腐蝕性 能。 、起皮和表面粗糙 鋁合金因質(zhì)地很軟，外摩擦系數(shù)大，最容易粘模，這不僅會(huì)引起鍛件起皮，使鍛件表而粗糙，有時(shí)甚至因不能脫模而中斷生產(chǎn)。起皮，即在鍛件表面呈薄片狀起或脫落，主要原因是由于模膛表面粗糙、變形過(guò)于激烈、變形速度太快、變形溫度太高、變形量太大，模鍛時(shí)沒(méi)有潤(rùn)滑或潤(rùn)滑不良造成的。鍛件表面粗糙產(chǎn)生主要原因是由于模鍛表面不光滑，潤(rùn)滑劑不干凈或燃點(diǎn)太高，涂抹過(guò)多，模