【導(dǎo)讀】至于改裝零件、賽車(chē)零件市場(chǎng)，鋁合金制的產(chǎn)品更是比比皆是，原材料制作而成的。產(chǎn)品性能的重要材料之一。6061鋁合金中的主要合金元素為鎂與硅，具有。鍛造熱力學(xué)參數(shù)，確定鍛件毛坯的加熱方法，鍛造模具的預(yù)熱方法。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。計(jì)過(guò)程提供有參價(jià)值的數(shù)據(jù)，從而可以減少試模時(shí)模具破裂的機(jī)率。

　　

【正文】 （ 4— 5） 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； R—— 鍛件內(nèi)圓角半徑。 代入數(shù)值有： 5 5 5 d h 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。 42 圖 48 模鍛件常用沖孔連皮 (5)確定毛坯的形狀和尺寸 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 ?毛坯 件 連 皮=( V +V +V )( 1+ %) （ 4— 6） 式中 ? —— 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 件 連 皮=( V +V ) （ 4— 7） 用 PRO/E可以算出鍛件的體積為： 438. 9 10V m m??鍛 ，根據(jù)體積成形體積不變?cè)?，?V m m? 4坯 件 連 皮=(V +V )=8. 9 10， 坯料的形狀為 m m m??? ，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) 鍛造模具主要零部件包括上下模座、上下模墊板、 凸凹 模、 應(yīng)力預(yù)緊圈、 43 導(dǎo)柱、導(dǎo)套、頂出機(jī)構(gòu)。模具的組裝圖如圖 4— 8。 1— 上模座； 2— 上模墊板； 3— 螺釘； 4— 凸模固定板； 5— 凸模； 6— 鍛件； 7— 凹模；8— 應(yīng)力預(yù)緊圈； 9— 彈簧； 10— 推桿； 11— 下模墊板； 12— 下模座； 13— 頂桿 圖 4— 8 44 圖 4— 9 模具的三維圖 凹 模的設(shè)計(jì) 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)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。 a ) 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。 b ) 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，只要是為了節(jié)省模具鋼，結(jié)構(gòu)如圖 4— 10。 45 圖 4— 10 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 3— 11（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 3— 11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 4 ,8 3SiCrV Cr 等。一般 負(fù)荷的 熱精鍛 模采用5 , 5 , 3 2 8C rN iM o C rM nM o C r W V等鍛模鋼來(lái)制造。 該凹模選擇 5CrNiMo 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)形尺寸是由鍛件的零件圖尺寸和鋁合金的熱膨脹 系數(shù) 來(lái)決定的 。 終鍛型槽制造的依據(jù)是熱鍛件圖，而熱鍛件圖是由冷鍛件圖加放收縮率得到的。當(dāng)鍛件出模后冷卻到室溫，鍛件必須符合冷鍛件圖的尺寸要求。因此，掌握鍛件的收縮規(guī)律對(duì)保證鍛件的尺寸非常重要。 收縮率的大小，不僅與材料有關(guān)，而且與鍛模的工作溫度有關(guān)。鍛模的工作溫度低，則加放的收縮率要大一些。對(duì)于鋁合金鍛件用鍛模，若其預(yù)熱溫度和工作溫度保持在 300～ 500℃ ，則收縮率為 %。 46 尾蓋最大的尺寸為 89mm，考慮熱膨脹后凹模型腔的 尺寸為：89 ( 1 ) ? ? ?；尾蓋的高度為 55mm，考慮熱膨脹后凹模型腔的尺寸為： 55 (1 ) mm? ? ? ；熱膨脹對(duì)其他尺寸的影響不大或者不影響零件的功能，不給予考慮。 零件 寬度和直徑方向的尺寸隨著模具 型腔 的磨損逐漸變大，高度方向的尺寸隨著模具的磨損逐漸變小，為了在模具磨損不太嚴(yán)重時(shí)還能生產(chǎn)出合格的零件， 盡量提高模具的壽命， 型腔寬度和直徑方向尺寸取最小值，高度 方向的尺寸取最大值。 零件直徑尺寸為 89 ?? ，同時(shí)考慮熱膨脹 時(shí)直徑尺寸為： 90 mm? ? ? ?；高度尺寸為 55 ? ，同時(shí)考慮熱膨脹時(shí)高度尺寸為： mm?? 。 其他尺寸及要求見(jiàn) 零件圖。 凸模的設(shè)計(jì) 凸模的結(jié)構(gòu)如圖 4— 11，通過(guò) 10? 的錐度固定在凸模固定板上。 圖 4— 11 零件直徑方向的尺寸隨著凸模的磨損逐漸變小，高度尺寸隨著模具的磨損逐漸變 大 ，凸模成形部分直徑 尺寸取最大值，高度尺寸取最 大 值。直徑尺寸為： 75 mm? ? ? ? ；高度尺寸為： 10+=。 4． 3． 3 頂出機(jī)構(gòu) 為了能迅速地從模膛中頂出鍛件并使模具可靠地工作，在設(shè)計(jì)和制造中，對(duì)模具的頂出裝置應(yīng)給予足夠的重視。由于公司所用的液壓機(jī)沒(méi)有頂出 47 液壓缸，之前是用鉗子直接拉出鍛件。該零件高度較大，模膛也較深，如果像以前那樣直接用鉗子拉出，可能會(huì)使尾蓋變形，為保證零件不變形和便于拉出，設(shè)計(jì)一個(gè)相當(dāng)于 楔塊工作模式的頂出機(jī)構(gòu) 。零件的生產(chǎn)批量不大，生產(chǎn)率并不要求很高，人工通 過(guò)推桿先把鍛件頂松后，再用專(zhuān)用的鉗子鉗出鍛件。 結(jié)構(gòu)如圖 4— 12。 1— 頂桿； 2— 推桿； 3— 彈簧 圖 4— 12 4． 3． 4 模具的潤(rùn)滑 (1)潤(rùn)滑劑應(yīng)具有的性能 ①塑性變形過(guò)程中，在高溫、高壓作用下，模具與毛坯之間需要形成連續(xù)的潤(rùn)滑膜．既有較好的潤(rùn)滑性能，而且應(yīng)保證最小的摩擦系數(shù)。 ②潤(rùn)滑劑應(yīng)為塑性變形加工中的保護(hù)層。因此，它對(duì)毛坯表面和模具型腔表面起保護(hù)作用，防止金屬氧化，吸收氣體和貧化表面層金屬元素和有害雜質(zhì)滲 ^表面層中去。故應(yīng)有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和絕熱性能。 ③兼有脫模劑作用，具有懸浮性和可噴射性 易于覆蓋和去 除 。 ④易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，應(yīng)是無(wú)毒、無(wú)污染、非易燃、非稀缺物。 (2)潤(rùn)滑 劑的 應(yīng)有作用 塑性成形加工時(shí)，模具的工作條件比較惡劣，在高負(fù)荷、高溫和劇烈的摩擦下，進(jìn)行塑性變形加工。塑料與模具型腔工作面相對(duì)滑動(dòng)速度高，冷變形壓力大，局部整變形溫度高。在這種情況下，模 48 具失效相當(dāng)突出，有無(wú)潤(rùn)滑對(duì)模具壽命關(guān)系極大。潤(rùn)滑可減少材料 (制作 )與模具表面之問(wèn)的摩擦，使摩擦剪力可減少幾十倍．摩擦系數(shù)可由 110? 減少 310? 數(shù)量級(jí)；潤(rùn)滑可節(jié)約變形能量，提高材料變形限制。潤(rùn)滑還可以起到冷卻和隔熱作用．又能使制作容易脫模，保證模具光滑與安全 。 與此同時(shí)．模具表面膜在上述惡劣條件下，則粘附傾向小，抗粘結(jié)性好；當(dāng)潤(rùn)滑劑中加入極壓添加劑后．增加潤(rùn)滑膜吸附能力和潤(rùn)滑膜強(qiáng)度，避免潤(rùn)滑膜易破裂。大量試驗(yàn)證明：潤(rùn)滑劑的種類(lèi)特性對(duì)模具與 2]2 件間粘結(jié)都有很大影響。一般潤(rùn)滑劑中加入一定量比例極壓添加荊或一定固體潤(rùn)滑材料均能取得良好的效果。 用于模鍛的潤(rùn)滑劑種類(lèi)很多，該鍛造選擇氧化鋁 \氧化硼基玻璃粉 (在480 ~ 610CC?? 范圍內(nèi)有良好的潤(rùn)滑性 )，摩擦系數(shù)在 ~ 之間， 在模擬中取 。 鍛壓設(shè)備的選擇 鍛造所需的鍛壓力可按經(jīng)驗(yàn)公式 4— 8計(jì)算。 ,0 1 2 sF K K A?? (4— 8) 式中 1K — 應(yīng)變速度系數(shù) ； 2K — 變形方式和摩擦系數(shù)影響系數(shù) ； ,s? — 終鍛溫度下坯料真實(shí)屈服強(qiáng)度（ MPa）； A— 鍛件在與鍛壓力方向垂直的方向上的投影面積（ 2mm ）； 根據(jù)《 壓鑄模鍛模及其他模具》表 4—表 4—表 4—8可查得該鍛造中以上各參數(shù)為： 1 ? ， 2 6K? ， , 16s?? 。 A= 2mm 代 入 以 上 各 參 數(shù) 可 得 鍛 造 力 為 ：,0 1 2 1. 3 6 16 62 21 .1 4 77 63 98 .2 72 N 77 7K NsF K K A?? ? ? ? ? ? ? 為了安全 ,選用的鍛造設(shè)備的額定噸位 F 比 0F 大 20%~25%,F 的值可按 （ 4— 9） 計(jì)算 49 0( ~ 5)FF? （ 4— 9） 所以 1. 2 77 7 93 2F K N K N? ? ? 根據(jù)公司的情況， 鍛造尾蓋所選擇的設(shè)備是液壓機(jī)，其主要參數(shù)如表4— 1。 表 4— 1 四柱單動(dòng)液壓機(jī) 型號(hào) Y32200 公稱(chēng)力 2021KN 最大工作壓力 20MPa 最大行程 700mm 最大閉合高度 1150mm 最小閉合高度 450mm 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) GB171201997 4． 4 本章小結(jié) 本章介紹了模鍛的分類(lèi)及各種模鍛的成形原理和特點(diǎn)，根據(jù)尾蓋的形狀特點(diǎn)選擇閉式模鍛， 尾蓋鍛件圖各參數(shù)的確定和鍛件圖的繪制，根據(jù)鍛件 圖，設(shè)計(jì)模鍛的各成形零件，確定了模鍛中所采用的潤(rùn)滑劑。 50 第 5 章 尾蓋塑性成形的有限元分析 引言 在熱變形過(guò)程中，鋁合金要經(jīng)受溫度和應(yīng)力雙重影響，其內(nèi)部組織變化非常復(fù)雜，是一種不穩(wěn)定的非可逆過(guò)程 ,也是一種大變形的非線(xiàn)性變形過(guò)程。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)在熱變形過(guò)程數(shù)值模擬中的廣泛應(yīng)用，借助數(shù)值模擬技術(shù)，可預(yù)測(cè)熱變形過(guò)程中可能出現(xiàn)的工藝問(wèn)題，進(jìn)而調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)，優(yōu)化工藝，指導(dǎo)設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量等。在數(shù)值模擬技術(shù)中，有限元法是最適用于熱變形過(guò)程中的 數(shù)值模擬方法，不僅能夠處理熱變形過(guò)程中的熱傳遞這一復(fù)雜的問(wèn)題，而且能夠很好地描述金屬的變形情況。 本文采用 DEFORM3D有限元分析軟件，對(duì) 6061 鋁合金等溫變形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)載荷的大小，分析模具的應(yīng)力，并預(yù)測(cè)變形過(guò)程中坯料的溫度變化情況。 其目的是，揭示等溫鍛造過(guò)程中材料的流動(dòng)規(guī)律和坯料的填充規(guī)律，并確定最佳的坯料形狀尺寸，為該結(jié)構(gòu)件等溫鍛造過(guò)程的 順利實(shí)施提供理論指導(dǎo)。 5． 2 金屬塑性成形有限元模擬軟件 DEFORM3D簡(jiǎn)介 非線(xiàn)性有限元分析軟件一般的都可應(yīng)用于塑性成形過(guò)程的模擬。但由于塑性 成形工藝的特殊性，一般非線(xiàn)性有限元軟件在分析時(shí)，對(duì)一些邊界條 51 件、載荷和相關(guān)的工藝結(jié)構(gòu)（如拉伸筋）等的處理非常困難，使用極為不便。因此，國(guó)內(nèi)外都先后開(kāi)發(fā)了用于塑性成形工藝分析的專(zhuān)用有限元軟件，專(zhuān)用有限元軟件根據(jù)相關(guān)工藝對(duì)分析過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化處理，讓用戶(hù)能更方便的運(yùn)用，同時(shí)提供了適合于成形工藝的后置處理。 DEFORM (Design Environment for FORMing)軟件是山美國(guó) Battele Columbus 實(shí)驗(yàn)室和俄亥俄州立大學(xué)精密成形工程中心共同開(kāi)發(fā)的一套有限元分析軟件。早期的 DEFORM2D軟件只能局限于分析等溫變形的平而問(wèn)題或者軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題。隨著有限元技術(shù)的日益成熟， DEFORM 軟件也在不斷發(fā)展完善。目前， DEFORM 軟件已經(jīng)能夠成功用于分析考慮熱力耦和的非等溫變形問(wèn)題和三維變形 (DEFORM3D)。此外， DEFORM 軟件可視化的操作界而以及強(qiáng)大而完善的網(wǎng)格自動(dòng)再劃分技術(shù)，都使 DEFORM 這一商業(yè)化軟件在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中變得愈來(lái)愈實(shí)用而可靠，目前已在美國(guó)和其他一些國(guó)家的研究所機(jī)構(gòu)和公司中應(yīng)用，它現(xiàn)已成為國(guó)際上最著名的 2D/3D 體積成形加工和熱處理工藝模擬分析軟件，是專(zhuān)為生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用而設(shè)計(jì)開(kāi) 發(fā)的，使用起來(lái)比較簡(jiǎn)便。能使用戶(hù)縮短設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期，優(yōu)化土藝，提高生產(chǎn)率。 通過(guò) DEFORM3 D的模擬可得到成形載荷、應(yīng)力應(yīng)變、溫度場(chǎng)變化、材料流動(dòng)等多種物理場(chǎng)分布等情況，為塑性加工領(lǐng)域的工程技術(shù)人員提供方便可靠的模具設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化平臺(tái)。 DEFORM3D 提供了豐富、適應(yīng)性強(qiáng)的分析設(shè)計(jì)環(huán)境，主要包括 三 大模塊 : 有限元模擬器 有限元模擬器是整個(gè)分析系統(tǒng)的