【導(dǎo)讀】6061鋁合金中的主要合金元素為鎂與硅，具有中等強(qiáng)度、良好的可成型性、用等溫模鍛方法制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。數(shù)，確定鍛件毛坯的加熱方法，鍛造模具的預(yù)熱方法。方案之后，用三維軟件設(shè)計(jì)該零件的鍛造模具。有限元數(shù)值模擬己經(jīng)逐漸發(fā)展成為研究鍛造過(guò)程的有效工具。本文使用大型鍛造專用

　　

【正文】 液體桶裝散體袋裝 保存期 (3186。C 以上 )2年 (1186。C 以上 )2年 (1186。C 以上 )2年 (1186。C 以上 )2年 使用說(shuō)明 使用前應(yīng)攪拌均勻 液體和散體混合均勻后，使其反應(yīng)后 512 小時(shí)后使用 注意事項(xiàng) 施工完畢后，自然干燥慢時(shí)，可采用烘烤硬化 模具溫度的測(cè)量 選擇來(lái)測(cè)量模具溫度，測(cè)量溫度范圍為 0～ 800℃ ，其簡(jiǎn)圖如圖 36。熱電偶用螺紋固定在上下模板上，安裝尺寸為： M8長(zhǎng)度 L=15mm。 圖 36 STTTS系列熱電偶溫度傳感器 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 第 4 章 鍛造模具設(shè)計(jì) 模鍛的分類和成形特點(diǎn) 模鍛是指在外力作用下，利用模具迫使金屬坯料產(chǎn)生塑性變形并充滿鍛模型腔的一種塑性加工方法。根據(jù)鍛模結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模鍛可分為開(kāi)式模鍛和閉式模鍛兩種。 開(kāi)式模鍛的成形原理 圖 41是一圓盤類鍛件的成形過(guò)程示意圖。鍛模由上模和下模兩部分組成，上下模之間的分界面稱為分模面。上下模閉合后所形成的空腔 A稱為模膛或者型腔，其形狀與熱態(tài)鍛件相同。在型腔外圍沿分模面有一圈淺槽，稱為飛邊槽。飛邊槽由兩部分組成，較淺的 部分 B稱為飛邊槽的橋部，部分 C為飛邊槽的倉(cāng)部。飛邊槽的作用是用來(lái)保證鍛件充滿模膛和容納多余金屬。在模鍛過(guò)程小，隨著上下模的逐漸閉合，金屬在充滿模膛的同時(shí)，多余金屬流入飛邊槽形成飛邊。飛邊在后續(xù)的切邊工序中切除。 圖 41 開(kāi)式模鍛成形過(guò)程 開(kāi)式模鍛一般可分為三個(gè)階段。第一階段是鍛粗階段，坯科放入下模膛，上模壓下對(duì)坯料進(jìn)行鍛粗，高度減小而直徑增大，如圖 41(b)所示。第二階段為充滿模膛階段，金屬被擠入型腔，在分模面上的直徑繼續(xù)擴(kuò)大，并流入飛邊槽。由于流入飛邊槽的金屬較薄，冷卻較快，使其繼續(xù)流向飛邊的阻 力增加，從而迫使金屬流向尚未充滿的型腔部位。直至整個(gè)型腔全部充滿，如圖 41(c)所示。第三階段為上下模閉合 (俗稱打靠 )階段。當(dāng)金屬充滿模膛以后，此時(shí)鍛件的高度仍比所要求的要高，輪廓也不清晰。為了最終獲得清晰的輪廓及要求的高度；上模必須繼續(xù)壓下，迫使分模面附近的金屬繼續(xù)流向飛邊槽形成飛邊，直至上下模完全閉合，如圖 41(d)所示。在型腔沒(méi)有充滿之前，只有流向型腔的阻力小于流入飛邊阻力時(shí)，才能迫使金屬把型腔充滿。所以說(shuō)，飛邊的阻力對(duì)金屬充滿模膛有重要河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 作用。阻力小，模膛充不滿；阻力過(guò)大，能量消耗大，并加快模 具磨損。飛邊的阻力取決于橋部尺寸。因此，合理確定飛邊槽尺寸對(duì)鍛件的成形極為重要。 閉式模鍛的成形原理 閉式模鍛亦稱無(wú)飛邊模鍛，模時(shí)時(shí)坯料金屬在封閉的模膛中成形．因此，閉式模鍛可以使得鍛件的幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量最大限度地接近于產(chǎn)品零件的幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量。同開(kāi)式模鍛相比，閉式模鍛可大大投高金屬材料的利用率和鍛件精度。 同其他體積成形工藝一樣，閉式模鍛可以在冷態(tài)、溫態(tài)或熱態(tài)下進(jìn)行。 在冷態(tài)閉式模鍛時(shí)，金屬充滿模膛困難，模膛中的單位流動(dòng)壓力很大，對(duì)鍛模壽命有消極的影響；在熱態(tài)下閉式模 鍛，當(dāng)存在氧化皮時(shí)，增大了工件與模具接觸面上的摩擦，對(duì)金屬充滿模膛和模具壽命也不利；在溫態(tài)下閉式模鍛，既可降低金屬材料的變形抗力，又不會(huì)產(chǎn)生明顯的氧化皮，因此，對(duì)于一些形狀簡(jiǎn)單的小型鍛件，比較適合于采用溫態(tài)閉式模鍛。然而，對(duì)于形狀復(fù)雜的鍛件，采用溫態(tài)閉式模鍛時(shí)金屑流動(dòng)仍很困難。 閉式模鍛按變形金屬充滿模膛的方式可分為鍛粗式和擠壓式兩類。 鐓粗式閉式模鍛也稱閉式鐓粗，其變形過(guò)程可以分為三個(gè)階段 (如圖 42所示 )：開(kāi)式鐓粗階段；充滿角隙階段，擠出端部飛邊階段 。 圖 42 閉式 鐓粗時(shí)充滿模膛的三個(gè)階段 擠壓式閉式模鍛即閉式擠壓，如圖 43所示，其中圖 (a)為正向擠壓成形；圖 (b)為側(cè)向擠壓成形；而反向擠壓成形與閉式鐓粗形成縱向飛邊階段相同。這類閉式模鍛的成形情況與普通擠壓沒(méi)有多大區(qū)別，只是在于前者是金屬最后充滿模膛，而后者金屬擠出端是處于自由狀態(tài)。因此，普通擠壓變形的金屬流動(dòng)規(guī)律也適用于對(duì)應(yīng)的閉式擠壓模鍛。 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 圖 43 擠壓式閉式模鍛 精密模鍛 精密模鍛工藝能獲得表面質(zhì)量好、機(jī)械加工余量少且尺寸精度較高的鍛件。與普通模鍛相比，精密模鍛 具有提高鍛件的尺寸精度和表面質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)。一般精密模鍛件只需要少量后續(xù)機(jī)械加工，大大減少了機(jī)加工工作量；節(jié)省原材料；提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；降低零件生產(chǎn)成本。用精密模鍛生產(chǎn)的直齒圓錐齒輪齒形不需再進(jìn)行機(jī)械加工，齒輪精度可達(dá)到 7級(jí)。精鍛葉片輪廓尺寸精度可達(dá) 177。，厚度尺寸精度可達(dá) 177。，表面粗糙度可達(dá)～ 。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每 100萬(wàn)噸鋼材由切削加工改為精密模鍛，可節(jié)約鋼材 15萬(wàn)噸（即15%），可減少機(jī)床 15000臺(tái)。目前，精密模鍛主要應(yīng)用于如 下兩個(gè)方面。 生產(chǎn)精度較高的零件時(shí) 利用精鍛工藝取代粗切削加工，即將精鍛件直接進(jìn)行精加工而得到成品零件。 用于生產(chǎn)精密模鍛能達(dá)到其精度要求的零件。其中多數(shù)情況是用精密模鍛制成零件的主要部分以省去切削加工，而零件的某些部分仍需進(jìn)行少量切削加工。有時(shí)也可以完全采用精密模鍛方法生產(chǎn)成品零件。 精密模鍛也分為開(kāi)式精密模鍛和閉式精密模鍛，其成形原理跟普通的模鍛原理一樣。 由于鋁合金摩托車只要是向外銷售，摩托車上的零件要求一般都比較高，不能太差；又由以上零件的工程圖分析可知，精密模鍛完全可以達(dá)到尺寸和表面要求。所以決定用精密模鍛來(lái)生產(chǎn)該零 件，精密模鍛也可用于部分尺寸，不一定零件的所有部分都采用精密模鍛。 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 尾蓋鍛件圖的繪制 模鍛鍛件圖是根據(jù)零件圖及模鍛工藝特點(diǎn)制定的 ,它是確定變形工序、設(shè)計(jì)和制造鍛模、計(jì)算坯料和檢驗(yàn)鍛件的依據(jù)。在確定模鍛鍛件圖時(shí)需預(yù)先考慮鍛件的分模面、加工余量、鍛造公差、工藝余塊、模鍛斜度、及圓角半徑等因素。 分 模 面選擇時(shí)應(yīng)考慮下列原則： 1） 保證鍛件能從模膛順利取出 ，一般選在模鍛件具有最大水平投影尺寸的位置上； 2） 保證金屬容易充滿模膛 ， 為此，最好把分模面選在使模膛具有最淺的深度 ； 3） 分模面應(yīng)做成使沿分模面的上下 模的模膛外形一致，以便在生產(chǎn)中容易發(fā)現(xiàn)錯(cuò)移等欠缺 ； 4） 應(yīng)力求分模面是一個(gè)平面，上下模膛的深淺相當(dāng)，以便于鍛模加工制造 ； 根據(jù)本零件的形狀特點(diǎn)和精密閉式模鍛的特點(diǎn)，模鍛的分模面選擇 如 圖 44所示。 圖 44 分型面選擇為圖中被紅色標(biāo)記的曲面 模鍛件的加工余量和公差比自由鍛小得多，其數(shù)值根據(jù)鍛件大小、形狀和精度等級(jí)朋所不同。由以上的分析可知，精密模鍛尺寸公差可達(dá) 177。，表面粗糙度可達(dá) ～。 公差余量根據(jù) JB383485標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的原則，應(yīng)考慮下列因素：公差等級(jí)、 鍛件質(zhì)量、鍛件形狀復(fù)雜系數(shù) 。 鍛件形狀復(fù)雜系數(shù) S 鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)是鍛件重量 mf 與相應(yīng)的鍛件外廓包容體重量 mN 之比，見(jiàn)(4—1) 式 ： S=mf/mN (41) 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 鍛件外廓包容體 重量 mN，為以包容鍛件最大輪廓的圓柱體或長(zhǎng)方體作為實(shí)體的計(jì)算重量，按 (42)或 (43)式計(jì)算： 圓形鍛件 ： mN=π/4d2hρ (42) 式中 ρ— 為材料 的密度（鋁合金 6061 的 密度 )； 非圓形鍛件 ： mN=Lbhρ (43) 根據(jù) S 值的大小，鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)分為 4 級(jí)： S1 級(jí)（簡(jiǎn)單）： S1 S2 級(jí)（一般）： S S3 級(jí)（較復(fù)雜）： S S4 級(jí)（復(fù)雜）： 0S 體積 1 = 1 04 mm3 體積 2 = 105 mm3 V1/V2= 所以 S=mf/mN=ρv1/ρv2≈ 鍛件的形狀較復(fù)雜，為 S3 級(jí)。 鍛件的質(zhì)量為： m=ρv1=1 04 cm3≈≈ 公差等級(jí)為精密級(jí)。標(biāo)準(zhǔn) JB383485 的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表 41。 表 41 模鍛件內(nèi)外表面加工余量 （ JB383485） 查表 41得該零件的加工表面的加工余量為 ~，這里定為 2mm。零件的非配合表面無(wú)留機(jī)械加工余量，其尺寸精度和表面質(zhì)量完全可以由閉式模鍛來(lái)保證。有機(jī)械加工河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 余量的部分如圖 45，圖 46。 圖 45 黃色線框標(biāo)記的部分為 2mm 機(jī)加工余量 圖 46 去除機(jī)加工余量后的鍛件圖 根據(jù)精密模鍛件公差可達(dá)到 IT4級(jí)，而尾蓋除了有機(jī)械加工的表面外，其他尺寸公差一般為 IT13級(jí)，所以根據(jù) GB/T 1804—2020來(lái)制定鍛件公差，完全符合要求。鍛件部分公差如圖 47。 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 圖 47 模鍛公差圖 、圓角半徑 為了便于脫模，鍛件表面上需有模鍛斜度，模鍛斜度可分為外加模鍛斜度和自然模鍛斜度。若鍛造設(shè)備沒(méi)有頂出機(jī)構(gòu)，所以必須留出模鍛斜度，精密模鍛時(shí)鋁合金鍛件的模鍛斜度為 1176?！?3176。，本鍛件取為 1176。 。如模具中有頂出機(jī)構(gòu)，可以不留斜度。 對(duì)于直徑小于 25mm的內(nèi)孔 ,鍛件一般不鍛出 ,采用壓凹使成形飽滿。對(duì)內(nèi)孔等于或大于 25mm的鍛件時(shí)不能直接獲得透孔，在該部位留有一層較薄的金屬稱為連皮。常用連皮有四種形式：平底連皮、斜底連皮、帶倉(cāng)連皮、拱底連皮。 其中最常用的是平底連皮，如圖 48所示，連皮的厚度 s通常在 4mm～ 8mm范圍內(nèi)，可按式 （ 44） 計(jì)算： S=√（ ） +√h(mm) （ 44） 連皮上的圓角半徑 R1，可按式 （ 45） 確定： R1=R++2(mm) （ 45） 式中 d： 鍛件內(nèi)孔直徑，單位為 mm； H： 鍛件內(nèi)孔深度，單位為 mm； 河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 R： 鍛件內(nèi)圓角半徑。 代入數(shù)值有： S=√（ ） +√h =6mm R1=R++2= 為了模具好加工，在本模具設(shè)計(jì)中 s 取 5mm,R1 取 6mm。 以上各參數(shù)確定后，就可以繪制鍛件圖。 圖 48 模鍛件常用沖孔連皮 為了確定坯料的尺寸規(guī) 格，先要計(jì)算出坯料的總體積。坯料的總體積包括鍛件、飛邊、連皮、鉗口料頭以及氧化皮等，即 V坯 =（ V件 +V毛 +V連皮 ）（ 1+δ%） （ 46） 式中 δ：坯料火耗。 由于鋁合金抗氧性較好，火耗較少，可以不考慮，又由于閉式模鍛的飛邊較少，也可以不考慮，所以上式可簡(jiǎn)化為： V坯 =（ V件 +V連皮 ） （ 47） 用 PRO/E可以算出鍛件的體積為： V鍛 =104mm3，根據(jù)體積成形體積不變?cè)?，?V坯 =V件 +V連皮 =104mm3，坯料的形狀為 17mm3，其中公差為 IT13級(jí)。由于體積成形時(shí)鋁合金內(nèi)部的缺陷（如縮松、縮孔）會(huì)被壓實(shí)，體積會(huì)變小一點(diǎn)，所以毛坯體積取得相對(duì)大一點(diǎn)。 模具零件的設(shè)計(jì) 凹模的設(shè)計(jì) 1． 凹?？煞譃檎w凹模和組合凹模 1)整體凹模 當(dāng)模膛工作壓力小于 1000MPa時(shí)可采用整體凹模。整體凹模易于加工，選定凹模材料后，可按彈性力學(xué)方法根據(jù)模腔直徑 d和工作壓力 P來(lái)決定凹模外徑 D，并核算其強(qiáng)度。對(duì)河北工程大學(xué)科信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 于圓形的凹模，可按受內(nèi)壓的厚壁圓筒計(jì)算公式近似計(jì)算。 2)組合凹模 組合凹 模用于以下兩種情況。 情況一，當(dāng)凹模承受很大壓力，整體凹模強(qiáng)度不夠時(shí)，采用預(yù)應(yīng)力圈對(duì)凹模施加預(yù)應(yīng)力，以提高凹模的承載能力。 情況二，模腔壓力雖沒(méi)有達(dá)到 1000MPa，但為了節(jié)約模具鋼，仍可采用雙層或三層組合凹模。 該模具采用雙層組合凹模，主要是為了節(jié)省模具鋼，結(jié)構(gòu)如圖 49。 圖 49 凹模結(jié)構(gòu) 凹模的結(jié)構(gòu)根據(jù)零件的形狀選擇圓形結(jié)構(gòu)，尺寸設(shè)計(jì)包括外形尺寸和內(nèi)形尺寸。 外形尺寸只要是考慮凹模的強(qiáng)度，由于具體的計(jì)算較復(fù)雜，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)按經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定 。 根據(jù)《金屬材料精密壓力成形技術(shù)》圖 311（雙層組合凹模各圈尺 寸的決定），選擇凹模的尺寸 d2=160mm，外圈尺寸 d3=350mm，為了導(dǎo)柱、導(dǎo)套安裝的方便，外圈選擇方形，高度尺寸 H=120mm，按圖 311決定的尺寸，強(qiáng)度一般都可以達(dá)到要求 。 熱模鍛和等溫鍛造是對(duì)高溫的坯料進(jìn)行打擊，變形金屬流動(dòng)劇烈，鍛件與模具接觸時(shí)間較長(zhǎng)。因此要求模具材料具有高的熱穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度和硬度、沖擊韌性、耐熱疲勞性和耐磨性且便于加工。較輕工作負(fù)荷的熱模鍛可用低合金鋼來(lái)制造如 4SiCrV,8Cr3等。一般負(fù)荷的熱精鍛模采用 5CrMnMo， 5CrMnMo， 3Cr2W8V等鍛模鋼來(lái)制造。該凹模 選擇5CrNiMo合金鋼來(lái)制造。 為了使模具型腔有高的耐磨性，近年來(lái)比較注意采用表面處理（氮化、軟氮化、滲硼和滲鉻等）方法提高耐磨性 。 內(nèi)