大行星架精鍛成形分析及模具設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文).3本設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容及解決方法根據(jù)大行星架的特點(diǎn)，分析精鍛成形的工藝特點(diǎn)，擬訂模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；利用DEFORM-3D軟件對(duì)鍛造成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，預(yù)測(cè)成形過程中可能出現(xiàn)的問題，從而優(yōu)化成形工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)；繪制精鍛模具二維裝配圖，依據(jù)裝配圖完成模具主要零件的設(shè)計(jì)和圖樣繪制。需要解決的主要問題:（1）如何保證在精鍛成形過程中，因施加過高的載荷壓力而導(dǎo)致模具彈性變化大、壽命低以及齒形充填不滿的現(xiàn)象；（2）如何確定大行星架精鍛成形過程中，最適宜的壓力、溫度等條件因素，從而保證齒輪的加工精度，延長(zhǎng)使用壽命；（3）如何確定模具在不同的加工溫度及長(zhǎng)時(shí)間的使用磨損中，依然能夠保證對(duì)鍛件的精度要求。（4）以大行星架為研究對(duì)象，分析主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)大行星架變形的影響，進(jìn)一步提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

第2章產(chǎn)品零件的分析2.1鍛件結(jié)構(gòu)分析鍛件圖如圖2-1所示；圖2-1大行星架零件圖由大行星架產(chǎn)品零件圖可知，該零件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，如果考慮鍛造加工，它是一個(gè)較簡(jiǎn)單圓形類鍛件的鍛造，對(duì)于該產(chǎn)品的鍛造主要是從制坯上合理的選擇工藝，產(chǎn)品能否成型的關(guān)鍵因素就是制坯工藝。產(chǎn)品柄部有異形部位，是一個(gè)扁方，這一點(diǎn)需要注意，由于柄部較長(zhǎng)，因此制坯時(shí)需要設(shè)計(jì)制坯模具保證柄部有充足的材料，這樣鍛造工藝才可能實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)品圖可以看出，粗線部位為加工面，其余細(xì)線為非加工面，鍛造時(shí)加強(qiáng)產(chǎn)品同軸度的控制，需要從設(shè)備精度和模具精度上控制。要控制好產(chǎn)品的同軸度，認(rèn)真做好首件產(chǎn)品的檢測(cè)工作。所以產(chǎn)品制坯中考慮用棒料先將頭部預(yù)鍛出來，也是制坯的關(guān)鍵所在，否則鍛造過程中流動(dòng)性不好，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品不能更好的填充。產(chǎn)品成品圖可知，產(chǎn)品車加工大外圓和錐孔，其余部位不加工，外圓和錐孔采用車加工完成。因此設(shè)計(jì)模具時(shí)，只需要外圓和錐孔留余量加工就是，其余尺寸按產(chǎn)品圖設(shè)計(jì)模具鍛造加工。2.2鍛件工藝分析由鍛件圖可知，產(chǎn)品采用的工藝是先鍛造后機(jī)加工達(dá)到圖紙要求。鍛造，采用精鍛設(shè)備進(jìn)行，因?yàn)槌善穲D只加工大外圓和內(nèi)錐孔，其余部位為非加工面，表面質(zhì)量要求一定要好，具體要求無凹坑，無碰傷，無氧化皮和折疊。車加工，采用車床加工大外圓和內(nèi)錐孔，工藝簡(jiǎn)單，若大批量生產(chǎn)，需要用數(shù)控車床進(jìn)行，并保證產(chǎn)品加工過程中質(zhì)量的穩(wěn)定性。鍛造分類分為自由鍛造和模鍛，其中兩者的本質(zhì)區(qū)別是，自由鍛造模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)重量較大的鍛件適合，產(chǎn)品的尺寸精度不高；而模鍛的主要特點(diǎn)產(chǎn)品尺寸精度高，成型較復(fù)雜，模具成型的生產(chǎn)率高，質(zhì)量好，降低鍛造成本。鍛造成型的鍛造方法是使用可移動(dòng)的胎模在自由鍛設(shè)備上生產(chǎn)鍛件。自由鍛錘上是不固定胎膜的，與自由成形相比，模具成型是生產(chǎn)率高，質(zhì)量好，節(jié)約材料，降低成本的鍛造。分析該鍛件可知，該大行星架產(chǎn)品只有模鍛保證產(chǎn)品的精度。自由鍛造產(chǎn)品所留的余量很高，這樣也會(huì)大大增加產(chǎn)品的下料重量，材料費(fèi)用會(huì)相應(yīng)增加。模鍛也有一些輔助工序，前面的制坯，后序加工中有熱沖孔，熱切邊，冷切邊，熱校型和冷校型等等；經(jīng)過對(duì)該產(chǎn)品的分析，產(chǎn)品頂端堆積材料很多，考慮鍛造過程中材料流動(dòng)性的原因，考慮工藝上先將產(chǎn)品預(yù)成型，即考慮做一副模具保證產(chǎn)品頂不堆料，保證終鍛過程中材料可以順利的流動(dòng)填充。金屬流動(dòng)性的液體和固體的金屬流動(dòng)。液態(tài)金屬流動(dòng)本身就具有流動(dòng)性。它與金屬的溫度、成分、雜質(zhì)含量以及它的物理性質(zhì)相關(guān)。但是現(xiàn)在是鍛造金屬也需要保證良好的流動(dòng)性，因此在加熱的情況下，保證模具設(shè)計(jì)合理，使得材料沿著模具順利流動(dòng)，保證充分的填充性。產(chǎn)品工藝分析可知，工藝大致如下:1.原材料檢測(cè)，只有材料合格后才可以生產(chǎn)；2.下料，核算好產(chǎn)品的實(shí)際下料重量然后采用剪切下料機(jī)下料；3.需要加熱，采用中頻加熱爐加熱；4.制坯，因產(chǎn)品頭部堆料較多，必須先制坯，然后才可以保證很好的填充；5.成型，采用熱鍛的設(shè)備成型；6.校型，增加校型工序防止產(chǎn)品翹曲變形；7.熱沖孔，成型后立即在沖床上沖孔；8.熱切邊，沖床切邊；產(chǎn)品鍛造后采用熱切邊；9.成型檢驗(yàn)，產(chǎn)品尺寸全部合格方可進(jìn)行后面的工序；否則需要修改模具，直到產(chǎn)品合格為止；10.拋丸，為保證產(chǎn)品的表面質(zhì)量良好，一般的鍛件都需要拋丸處理；11.車加工，按產(chǎn)品的圖紙要求進(jìn)行車加工，主要是車外圓和內(nèi)錐孔；12.選件，防銹；合格產(chǎn)品采用防銹后包裝13.產(chǎn)品合格的按要求入庫(kù)。2.3鍛模設(shè)計(jì)方案的確定鍛造模具的設(shè)計(jì)方案的確定，前面對(duì)基本工藝進(jìn)行了分析，要合理設(shè)計(jì)出模具，就先搞懂工藝成型過程，對(duì)每一步工藝完成結(jié)果做詳細(xì)分析。確定好每一個(gè)工序需要用什么設(shè)備，搞懂設(shè)備的參數(shù)和使用方式，從而合理設(shè)計(jì)鍛模。鍛模是熱態(tài)或冷態(tài)下的金屬形成體積時(shí)所用模具的總稱。由于各種鍛壓設(shè)備的特點(diǎn)是不同的，在模具結(jié)構(gòu)的巨大差異，模具設(shè)計(jì)也略有不同。因此，以下是錘鍛模為主進(jìn)行介紹。一個(gè)完善的模具設(shè)計(jì)過程中，首先考慮的應(yīng)該是：能滿足精度要求，鍛造性能好，適應(yīng)生產(chǎn)力的要求；其次，還應(yīng)該考慮到模具有足夠的強(qiáng)度和高壽命，具有制造簡(jiǎn)單，維修方便的優(yōu)點(diǎn)，安裝和調(diào)整的要求等。在鍛造過程中常用的有鍛造，預(yù)鍛，拉伸，彎曲，滾動(dòng)，鐓粗等。最重要的當(dāng)然是終鍛成形鍛造。為了保證模鍛件的幾何形狀和尺寸，所有鍛件的鍛造過程都必須有終鍛。通過分析該大行星架鍛件，我們可以得到鍛模設(shè)計(jì)方案：（1）確定好制坯模具，可以考慮該件通過熱鍛的方式進(jìn)行制坯，由于柄部較長(zhǎng)的緣故，制坯時(shí)需要預(yù)鍛出柄部材料；（2）成型模具設(shè)計(jì)，考慮產(chǎn)品通過摩擦壓力機(jī)完成熱鍛成型，合理設(shè)計(jì)上模、下模，頂出機(jī)構(gòu)，并分析好飛邊位置，保證產(chǎn)品經(jīng)過制坯后可以順利完成終鍛成型。（3）設(shè)計(jì)校型模具，其實(shí)校型模具和成型模具基本一致，不同點(diǎn)主要是注重產(chǎn)品所校型的部位，不需要校型的地方尺寸可以放大起到銷開的作用，只保證校型后尺寸，就能確定校型模具尺寸了。（4）確定熱沖孔和切邊的模具，設(shè)計(jì)時(shí)要保證操作方便，凸凹模尺寸合理，控制好凸凹模的間隙。

第3章鍛坯圖的設(shè)計(jì)和繪制鍛坯圖的設(shè)計(jì)原理來源于成品圖和產(chǎn)品機(jī)加工分析的結(jié)果，另外采用的鍛造工藝選擇也是十分重要的。一般情況下，按成品的尺寸留1.5-2mm余量即是鍛件圖，這些都是經(jīng)過查國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)得來的數(shù)據(jù)。如果鍛造部位有難度的地方，需要將材料覆起來，然后后序的車加工車掉，保證鍛造能順利進(jìn)行。一般情況下，熱鍛件圖中要注明分模面的所有位置和尺寸、圓角半徑、模鍛斜度、收縮率等，而鍛件公差、技術(shù)條件和零件的輪廓線則可以省略。經(jīng)分析成品圖，產(chǎn)品外形只有外圓和內(nèi)錐孔需要車加工完成，因此鍛造時(shí)該處余量應(yīng)保證充分，另外加工部位標(biāo)有粗糙度Ra1.6和Ra3.2等外形面都是需要留余量，還有同軸度0.1要求，保證鍛件經(jīng)加工后能達(dá)到成品圖的要求。該產(chǎn)品柄部不加工并作為裝夾時(shí)用的裝夾面，所以鍛造時(shí)控制好非加工面的表面質(zhì)量和平面度，控制好鍛造缺陷，最容易出現(xiàn)的是凹坑，其余尺寸按成品圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.1確定分模面分模面如何確定，其最基本原則就是要盡可能保證鍛件形狀與零件形狀相同，并且要使鍛件便于從模膛中取出。確定分模面時(shí)，一般主要考慮鐓粗成形，這樣可以使模鍛件成形更加容易。此外，提高材料的利用率也是要考慮的點(diǎn)。模鍛方法與分模面的位置息息相關(guān)，分模面的位置決定了鍛件內(nèi)部金屬纖維的流線方向，而鍛件性能取決于金屬纖維的流線方向。最大載荷方向與金屬纖維流線方向相同才是鍛件設(shè)計(jì)的最佳方法。鍛件的工作應(yīng)力一般都是多向的，所以要使其變成與其相對(duì)應(yīng)的多向金屬纖維。因此，我們需要考慮鍛造材料的各向異性和形狀，然后確定分模面，同時(shí)保證鍛件金屬纖維方向和主要工作應(yīng)力線一直。在確保上述原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況確定其分模面位置如圖。圖3-1分模面設(shè)計(jì)圖形如圖所示，分模面設(shè)計(jì)在端部的上方位置，其目的是保證產(chǎn)品更好的填充，因此飛邊槽全部存在于上模中，可以查看成型和校型模具設(shè)計(jì)方案圖可知。保證多余的料往飛邊槽處流動(dòng)，這樣產(chǎn)品外形就更好的填充起來，不至于產(chǎn)品出現(xiàn)塌角，使得產(chǎn)品報(bào)廢。下模就是保證產(chǎn)品下端柄部的成型，是一個(gè)圓柱凸臺(tái)，結(jié)構(gòu)就很簡(jiǎn)單。這樣一來，成型時(shí)，上模和下模之間存在飛邊，靠打擊能量下降到0時(shí)成型過程結(jié)束，立刻校型，不能溫度降低很多了才校型，保證校型模具壽命、沖孔和切邊模具壽命，并控制好每個(gè)工序的產(chǎn)品質(zhì)量。3.2確定機(jī)械加工余量及鍛件的公差機(jī)械加工余量通常是指車加工達(dá)到成品圖的余量。通常在保證能車加工出來的情況下，留最少的余量，這樣可以節(jié)約成本。余量的理論計(jì)算可以查詢下表：I:圓棒類鍛件:(1)工件的最大外徑無公差要求，表面粗糙度在Ra3.2以下，例：不磨外圓的凹模帶臺(tái)肩的凸模、凹模、凸凹模和推桿、推銷、限制器、托桿、螺釘、螺栓、螺塞、螺帽外徑必須滾花者。表3-1圓棒類鍛件加工余量查詢表（單位：毫米）工件直徑（D）工件長(zhǎng)度L車刃的割刀量和車削二端面的余量(每件)＜7071-120121-200201-300301-450直徑上加工余量≤32122345-1033-60233454-661-100344454-6101-200455564-6當(dāng)D小于36，不適合在一個(gè)單一的夾掉頭，加工處理的工件，應(yīng)在L上加夾頭量10-15。(2)工件的最大外徑有公差配合要求，表面粗糙度在Ra3.2以上，例如：外圓須磨加工的凹模，擋料銷、肩臺(tái)須磨加工的凸?；蛲拱寄５?。表3-2圓棒類鍛件加工余量查詢表（單位：毫米）工件直徑（D）工件長(zhǎng)度L車刃的割刀量和車削二端面的余量(每件)＜5051-8081-150151-250251-420直徑上加工余量≤15334455-1016-32344565-1033-60445665-861-100555675-8101-200666775-8當(dāng)D＜36時(shí)，不適合調(diào)頭加工，在加工單個(gè)零件時(shí)，應(yīng)加夾頭量10-15。Ⅱ：圓形鍛件類（不需鍛件圖）(1)表面粗糙度在Ra1.6以下的不淬火鋼則無公差配合要求，例如：固定板、退料板等。表3-3圓形類鍛件加工余量查詢表（單位：毫米）工件直徑（D）工件長(zhǎng)度L＜1011-2021-4546-100101-250直徑上加工余量長(zhǎng)度方向上余量150-2005555555657201-3005656565768301-4005757576889401-50078586879910501-6007868687101011注：表中的加工余量為最小余量，其最大余量不得超過廠規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。Ⅲ：矩形鍛件類：表內(nèi)的加工余量為最小余量，其最大余量不得超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)件廠。表3-4矩形類鍛件加工余量查詢表工件直徑（D）工件長(zhǎng)度L≤100101-250251-320321-450451-600601-800長(zhǎng)度上加工余量2e5667810工件截面上加工余量部份（2a=2b）≤1044556611-2544556626-5045567751-100556777101-200557788201-300677889301-450778899451-60088991010所以參考以上表，圓形類鍛件產(chǎn)品留余量大致1-2mm就是比較理想的，該產(chǎn)品尺寸按1.25mm單邊留余量。該鍛件產(chǎn)品為未注拔模斜度為0.5°，因產(chǎn)品本身重量不大，高度也不大，所以拔模斜度不需要設(shè)計(jì)很大就可以拔模，這樣更能體現(xiàn)鍛件的精鍛技術(shù)實(shí)力。為了方便鍛造過程中容易填充，易于成型。另外在成型后鍛件在適當(dāng)?shù)捻敵隽ψ笥蚁?，可以保證產(chǎn)品順利的頂出。上模部分留余量就更加簡(jiǎn)單了，只要是體現(xiàn)在上模芯部位，剛好反應(yīng)的是內(nèi)錐孔位置，保證直徑方向有1.25mm的余量就可以，這樣可以保證產(chǎn)品車加工時(shí)能夠加工出來，整個(gè)周身部位車見光。鍛造公差的確定，根據(jù)gb12362-90-國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鋼模鍛件公差和加工公差，可以查詢到公差值，但一般公差在實(shí)際生產(chǎn)中，技術(shù)要求將高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。本次設(shè)計(jì)原則是，鍛件的尺寸公差按產(chǎn)品的成品圖紙確定執(zhí)行，大多數(shù)面都是非加工面，所以不用去查不加工面處鍛件尺寸公差，外圓的尺寸公差可以按照?qǐng)D紙非加工外圓的公差要求，取+1.0/-0.5，盡量保證產(chǎn)品走上偏差，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。內(nèi)孔的尺寸公差取+0.3/-0.8，盡量去下差可以保證加工余量較大，更能保證產(chǎn)品生產(chǎn)過程中質(zhì)量穩(wěn)定性。3.3確定模鍛斜度鍛造的拔模斜度是很重要的，常常拔模斜度設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品無法正常完成鍛壓。如拔模斜度偏大，常常會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品浪費(fèi)材料；偏小產(chǎn)品則無法取出，這樣成本也無法滿足。下表是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB12362-90-鋼質(zhì)模鍛件的拔模斜度查詢表。表3-5鍛件的模斜度查詢表一般情況下，鍛造的普通鍛造和精密鍛造，拔模斜度是不同的，普通鍛造，拔模斜度就比較大，這樣才能脫模；對(duì)于精密鍛造，拔模斜度相對(duì)小一些，這樣會(huì)更節(jié)省材料，而且產(chǎn)品的尺寸一致性更好。該大行星架鍛件零件按普通的等級(jí)取拔模斜度，就會(huì)大大浪費(fèi)材料了，而且工藝不能滿足，由于柄部尺寸是不加工的，后序的車加工還需要裝夾該外圓，因此選取未注拔模斜度0.5°最大。在能夠拔模的情況下盡量減小拔模斜度，這樣可以產(chǎn)品材料費(fèi)用，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。柄部按拔模斜度0.5°max執(zhí)行，其目的是保證產(chǎn)品鍛造后可以順利從模具中頂出來。3.4確定內(nèi)外圓角半徑公差查詢國(guó)標(biāo)，下表是國(guó)標(biāo)GB12362-90-鋼質(zhì)模鍛件的圓角公差查詢表：表3-6鍛件的內(nèi)外圓角半徑公差鍛造圓角的確定是針對(duì)產(chǎn)品填充性考慮的，圓角設(shè)計(jì)合理能保證產(chǎn)品很好的流動(dòng)，要是不設(shè)計(jì)圓角或圓角過小，則會(huì)對(duì)金屬流線產(chǎn)生不良影響，也會(huì)導(dǎo)致模具損壞，影響模具的壽命。在設(shè)計(jì)過程中，需確保產(chǎn)品可以車加工出來，最大程度的節(jié)省材料，也需要保證模具鍛造的壽命。通過查表可得該大行星架鍛件設(shè)計(jì)圓角應(yīng)為R3-5。3.5繪制鍛坯圖的技術(shù)條件鍛造的技術(shù)要求常常會(huì)有熱處理要求，力學(xué)性能要求，鍛件的表面質(zhì)量要求，未注尺寸的要求等等；這里針對(duì)該大行星架類鍛件的技術(shù)要求需要包括的內(nèi)容有未注圓角，產(chǎn)品外觀缺陷的描述，流線要求，材料要求和未注拔模斜度等。這是為了滿足現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)控制，未注拔模斜度等要求?？偨Y(jié)出來，該大行星架鍛件的技術(shù)要求有：技術(shù)要求：1、未注圓角R2MAX;2、拔模斜度30'(包含拔模斜度);3、翹曲0.5(JISB0415);4、應(yīng)確認(rèn)纖維流線;5、脫碳層深度0.5MAX;6、應(yīng)進(jìn)行磁粉探傷、無裂紋、裂縫；7、材質(zhì)45鋼（S45C相當(dāng)材料）。因此在鍛造和其他工序加工中，都需要按該技術(shù)要求控制質(zhì)量。3.6確定制坯工步毛坯的尺寸確定是在成品基礎(chǔ)之上的，通過對(duì)成品的測(cè)繪去求解毛坯的尺寸，這里涉及的是機(jī)加余量的取值。車加工單邊需要有1.25mm左右留余量，易于成型可以少留，難以成型可以考慮多留。從而為合格產(chǎn)品打下基礎(chǔ)。分析成品圖，產(chǎn)品內(nèi)孔錐度和大外圓需要車加工完成，因此鍛造時(shí)該處余量應(yīng)保證充分，另外加工部位標(biāo)有粗糙度Ra1.6和Ra3.2等外形面都是需要留余量，保證鍛件經(jīng)加工后能達(dá)到成品圖的要求。該產(chǎn)品其他地方不機(jī)加工，因此不留余量，但需要保證產(chǎn)品的表面質(zhì)量和尺寸精度滿足圖紙技術(shù)要求。制坯是鍛造成型中非常重要的步驟，而制坯如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，往往會(huì)對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)大大不利，甚至?xí)a(chǎn)生充填飽滿、折疊的缺陷。對(duì)于該大行星架產(chǎn)品制坯工步的確定是這樣的，由于該產(chǎn)品柄部較長(zhǎng)，大外圓直徑達(dá)，可以考慮制坯是通過將原材料棒料將產(chǎn)品柄部先預(yù)鍛出來，導(dǎo)致柄部堆料，然后熱鍛鍛打出來，保證產(chǎn)品達(dá)到鍛件圖紙尺寸和表面質(zhì)量等要求。3.7確定毛坯尺寸毛坯尺寸的確定，基于工藝分析清楚后確定如何鍛毛坯，因此就可以確定毛坯尺寸。毛坯尺寸按要求留余量后，主要是考慮鍛造圓角和拔模斜度