变速叉的锻造工艺及模具设计毕业设计

摘要

热锻模设计是模具技术的一个重要组成部分，作为国民经济基础的模具工业，它的发展水平已经成为一个国家工业发展水平和产品开发能力的重要标志。CAD技术是改变传统模具设计的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程，它不仅缩短了产品的设计周期，而且还提高了产品的设计质量.

变速叉是汽车换档变速的一个重要零件，本文详细介绍了变速叉的锻模设计，包括分模面的选取，工步的拟订，锻件基本参数的确定，锻件毛坯尺寸的计算以及终锻型槽、预锻型槽、制坯型槽、局部结构、模块总体结构的设计，全面阐述了变速叉锻模设计的一般流程和设计过程中的一些注意问题。

由于锻造模具是模锻生产的主要工艺设备，所以其设计是否合理，对模锻件的表面质量、尺寸精度、生产率以及经济效益等影响很大，为了提高锻造模具的精度指标，本设计也应用了CAD。

关键词变速叉；热锻模；锻模设计；CAD

Abstract

Forging Die Mold Design technology is a major component of the national economy as a basis for the tooling industry. the level of development it has become a national industrial development and the ability to develop products an important indicator. CAD technology is changing the traditional mold design of key technologies, which is a high-tech, high-efficiency project.It will not only shorten the product design cycle, but also to improve the quality of product design Transmission Shift Fork vehicle speed is an important component This paper describes a variable speed Fork of the die design, including sub-surface mode selection, the further elaboration, the basic parameters of forging identification. Forging rough calculation of the size of the final training-groove, Preform-groove, Blank - groove system, local structure, the overall structure of the module design, comprehensively expounded on the speed fork die design processes and the general design process some attention to the issue.

Since forging die forging production is the main process equipment, its design is reasonable to forging the surface quality, dimensional accuracy, productivity and economic impact of such large, in order to enhance the precision forging die indicators. The design of the CAD application.

Key words Transmission Shift Fork; Hot forging die; Forging die design; CAD

目录

摘要 ............................................................................................................................ I Abstract ..................................................................................................................... II 第一章绪论 (1)

1.1锻造技术的介绍 (1)

1.2锻件的优势 (1)

1.3锻造的应用范围 (1)

1.4锻造的发展趋势 (2)

第二章模锻及锤上模锻的介绍 (3)

2.1 锻模概述 (3)

2.2 锤上模锻的介绍 (3)

2.3锤上模锻的工艺特点 (4)

2.4锤上模锻的工艺路线 (4)

第三章变速叉锤锻的设计 (5)

3.1设计任务 (5)

3.2 分模面的选取 (5)

3.3确定锻件的机械加工余量和公差 (6)

3.4确定锻件的收缩率 (7)

3.5锻模斜度和圆角的确定 (7)

3.5.1锻模斜度的确定 (7)

3.5.2圆角半径的确定 (8)

第四章锻造模具的设计......................................................... 错误！未定义书签。

4.1 飞边槽的设计.................................................................................... 错误！未定义书签。

4.1.1飞边槽的结构形式................................................................... 错误！未定义书签。

4.2终缎模膛设计..................................................................................... 错误！未定义书签。

4.3 钳口设计............................................................................................ 错误！未定义书签。

4.4 锻件基本参数的确定........................................................................ 错误！未定义书签。

4.5 锤锻吨位的选择................................................................................ 错误！未定义书签。

4.6 锻件毛坯尺寸的确定........................................................................ 错误！未定义书签。

4.7 毛坯尺寸的确定................................................................................ 错误！未定义书签。

4.8 模锻工步的选择................................................................................ 错误！未定义书签。

4.8.1锻件工步的步骤....................................................................... 错误！未定义书签。第五章制坯型槽的设计......................................................... 错误！未定义书签。

5.1拔长模膛的设计................................................................................. 错误！未定义书签。

5.2开式滚压模膛的设计......................................................................... 错误！未定义书签。

5.3弯曲模膛的设计................................................................................. 错误！未定义书签。

5.4锁扣的设计......................................................................................... 错误！未定义书签。

5.5切断模膛的设计................................................................................. 错误！未定义书签。

5.5.1 切断模膛的作用与型式.......................................................... 错误！未定义书签。第六章锻模结构设计............................................................. 错误！未定义书签。

6.1模块结构设计..................................................................................... 错误！未定义书签。

6.1.1模膛的布排............................................................................... 错误！未定义书签。

6.1.2燕尾、锤楔、键块、垫块与中间模座设计........................... 错误！未定义书签。

6.1.3确定锤楔尺寸........................................................................... 错误！未定义书签。

6.1.4锤模垫片的确定....................................................................... 错误！未定义书签。

6.1.5中间模座尺寸的确定............................................................... 错误！未定义书签。第七章锻模结构图及零件成形工艺分析............................. 错误！未定义书签。

7.1毛坯的制备......................................................................................... 错误！未定义书签。

7.2润滑剂的选用..................................................................................... 错误！未定义书签。

7.3模具的预热......................................................................................... 错误！未定义书签。

7.4锻造温度范围的确定......................................................................... 错误！未定义书签。参考文献 ................................................................................... 错误！未定义书签。致谢 ..................................................................................... 错误！未定义书签。

第一章绪论

1.1锻造技术的介绍

现代工业的迅猛发展使模锻技术得到越来越广泛的应用，对锻造模具的设计与制造的要求越来越高。由于锻造模具是模锻生产的主要工艺装备，所以其设计是否合理，对模锻件的表面质量、尺寸精度、生产率以及经济效益等影响很大。因此提高锻造模具的设计水平和锻造模具的各项技术指标，对现代模锻工业的发展是十分必要的。

锻造是一种借助工具或模具在冲击或压力作用下加工金属机械零件或零件毛坯的方法。与其它加工方法相比，锻造加工生产率最高；锻件的形状、尺寸稳定性好，并有最佳的力学性能。锻件的最大优势是韧性高、纤维组织合理，件与件之间性能变化小；锻件的内部质量与加工历史有关，不会被任何一种金属加工工艺超过。

1.2锻件的优势

锻件的优势是由于金属材料通过塑性变形后，消除了内部缺陷，如锻（焊）合空洞，压实疏松，打碎碳化物、非金属夹杂并使之沿变形方向分布，改善或消除成分偏析等，得到了均匀、细小的低倍和高倍组织。而铸造工艺得到的铸件，尽管能获得较准确的尺寸和比锻件更为复杂的形状，但难以消除疏松、空洞、成分偏析、非金属夹杂等缺陷；铸件的抗压强度随高，但韧性不足，难以在受拉应力较大的条件下使用。机械加工方法获得的零件，尺寸精度最高，表面光洁，但金属内部流线往往被切断，容易造成应力腐蚀，承载拉压交变应力的能力较差。

1.3锻造的应用范围

锻造应用的范围很广。几乎所有运动的重大受力构件都由锻造成形，不过推动锻造（特别是模锻）技术发展的最大动力是来自交通工具制造业——汽车制造业和后来的飞机制造业。锻件尺寸、质量越来越大，形状越来越复杂、精细，锻造的材料日益广泛，锻造的难度更大。这是由于现代重型工业、交通运输业对产品追求的目标是长的使用寿命，高度的可靠性。如航空发动机，推重比越来越大。一些重要的受力构件，如涡轮盘、轴、压气机叶片、盘等，使用温度范围变得更宽，工作环境更苛刻，受力状态更复杂而且受力急剧增大。

1.4锻造的发展趋势

随着科技的进步，工业化程度的日益提高，要求锻件的数量逐年增长。据国外预测，到本世纪末，飞机上采用的锻压（包括板料成形）零件将占85%，汽车将占60%-70%，农机、拖拉机将占70%。目前全世界仅钢模锻的年产量就在1000万吨以上。

锻造在机器制造业中有着不可代替的作用，正如前面所论述的，由锻造方法生产出来的锻件，其性能是其是它加工方法难以与之匹敌的。锻造（主要是模锻）的生产效率是相当高的，一个国家的锻造水平，反映了这个国家机器制造业的水平。

锻压经过100多年的发展，今天已成为一门综合性学科。它以塑性成形原理、金属学、摩擦学为理论基础，同时涉及传热学、物理化学、机械运动学等相关学科，以各种工艺学，如锻造工艺学、冲压工艺学等为技术，与其它学科一起支撑着机器制造业。锻压这门较老学科至今仍朝气蓬勃，在众多的金属材料和成形加工的国际、国内学术交流会议上仍十分活跃。

我国的经济体制发生了根本的变化，有过去的计划经济过渡到现在的市场经济。锻压生产虽然效率高，锻件综合性能高，节约原材料和机械加工工时；但生产周期较长，成本较高，处于不利的竞争地位。铸造、焊接、机械加工都加入了竞争。锻造生产要跟上当代科学技术的发展，需要不断改进技术，采用新工艺、新技术，进一步提高锻件的性能指标；同时要缩短生产周期，降低成本，使之在竞争中处于优势地位。

锻造业既面临着发展机遇也面临着挑战，要想有较大的发展，锻造工艺技术必须要先行发展，不断完善和提高，这也是摆在从事锻压技术的每一位工程技术人员、管理人员和科研人员面前的共同任务。

第二章模锻及锤上模锻的介绍

2.1 锻模概述

锻压加工是机械制造工业的一个重要加工方式，它的加工特点是坯料经过加热，在锤锻或压力机等锻压设备及模具的动力作用下，坯料内部的应力状态达到一定的条件后，引起形状改变为最终形状的锻件。由于锻件的内部组织与机械性能较好，因此一般承载力件多选用锻压方法进行生产。而锻模是金属在热态和冷态下进行体积成形（锻压）时所用模具的统称。根据不同的情况，锻模的分类也有多种：

1）按锻造设备不同，锻模可以分为锤用锻模、螺旋压力机用锻模、热模锻压力机用锻模、平锻机用锻模、水压机用锻模、辊锻机用锻模、高速锤用锻模、摆輾机用锻模等等，这种分类方法主要考虑了各种锻压设备的工作特点、结构特点和工艺特点，因此决定了锻模的结构和使用条件有所不同。

2）按工艺用途不同，锻模可以分为锻造模具、挤压模具、辊锻模具、冷镦模具、校正模具、压印模具、精整模具、精锻模具、切边模具、冲孔模具等等。这种方法主要考虑不同变形工序的规律，因此各类锻模的模膛设计和模锻结构也有所不同。

3）其它的分类方法，如按锻模的结构不同分为整体模和组合镶块锻模;按终锻模膛结构不同可分为开式锻模和闭式锻模；按分模面的数量不同分为单个分模面锻模和多向分模面锻模等。

目前由于国内连杆生产企业在规模和技术先进程度存在着差异，因此连杆生产所采用的锻造工艺也就有所不同。锤用锻模主要用于锻件的大量生产，是锻造生产中最基本的锻造方法。由于模锻锤具有通用性较强，生产效率高等优点，因此锤用锻模也是锻造生产中应用最广的锻造方法之一。本课题也是就锤用锻模作为研究对象，来设计连杆的锤用锻模。

2.2 锤上模锻的介绍

锤上模锻是自由段、胎模锻基础上最早发展起来的一种模锻生产方法，适合成批或大批量锻件锻制。它是将上、下模块分别固紧锤头与砧座上，将加热透的金属坯料放入下模型腔中，借助于上模向下的冲击作用，迫使金属在锻模型槽中塑性流动和填充，从而获得与型腔形状一致的锻件。

2.3锤上模锻的工艺特点

1）工艺灵活，适应性广，可生产各类形状复杂的锻件，如盘形件、轴类件等；可单型槽模锻，也可以多型槽锻模；可单件锻模，还可以多件锻模或一料多件连续模锻。

2）锤头的行程、打击速度或打击能量均可调节，能够实现轻重缓急不同的打击，因而可以实现镦粗、拔长、滚挤、弯曲、卡压、成形、预锻和终锻等各类工步。

3）锤上模锻是靠锤头多次冲击坯料使之变形，因锤头运动速度快，金属流动惯性，所以充填型槽能力强。

4）模锻件的纤维组织是按锻件轮廓分布的，机械加工后仍基本保持完整，从而提高锻制零件的使用寿命。

5）单位时间内的打击次数多，对1～10t模锻锤约为40～100次/分，故生产效率高。

6）模锻件机械加工余量小，材料利用率高，锻件生产成本低。

但是，锤上模锻也有一些缺点。例如，模锻锤工作时振动、噪音大，劳动条件差，对车间设备和厂房带来有害的影响；另外，模锻锤需要较重的砧座（约为落下部分质量的20倍），尤其对大吨位的模锻锤，制造、运输和安装都很困难。因此，近几十年来，20t以上的模锻锤逐渐地被其他锻压设备所代替。

2.4锤上模锻的工艺路线

为了得到合格的锻件所进行的全套工艺，一般情况下包括下列工序：

1）下料将原材料切割成所需尺寸的坯料；

2）加热为了提高金属的塑性、降低变形抗力，便于模锻成形；

3）模锻得到锻件的形状和尺寸；

4）切边或冲孔切去飞边或者冲孔连皮；

5）热校正或热精压使锻件形状和尺寸准确；

6）在砂轮上磨毛刺（切边所剩的毛刺）；

7）热处理保证合适的硬度和合格的机械性能，常用的方法是正火和调质；

8）清除氧化皮得到表面光洁的锻件。常用的方法有喷砂、喷丸、滚筒抛光、酸洗；

9）冷校正或冷精压进一步提高锻件的精度，减小表面粗糙度；

10）检验锻件质量。

第三章变速叉锤锻的设计

3.1设计任务

零件为汽车变速叉，如图。变速叉是汽车换挡变速的主要零件之一，主要作用是拨动变速箱中的齿轮,使汽车达到变速的目的.由于零件经常拨动齿轮承受变载荷和冲击性载荷,宜采用锻造,以使金属纤维尽量不被切断,保证零件工作可靠.因为为大批量生产,且零件的轮廓尺寸不大,故采用锤上模锻成型。热锻件图已给出,如图1所示：

图3-1 变速叉的热锻件图

变速叉零件在机械产品中是广泛使用的。该零件使用的材料是45 钢，未注出模斜度为7°，圆角半径R1.5，热处理正火，允许的残余毛边量0.7mm，允许的表面缺陷深度1.0mm，材料硬度为HBS 160～220。

3.2 分模面的选取

选择分模面的基本要求是保证锻件锻件能从模膛中取出来，因此锻件的侧表面不得有内凹的形状。此外还要考虑以下原则：

1)在锻件高度一半处分模，使锻件的余块，机械加工余量最小；

2）使模膛的宽度大而深度小，这样金属容易充满模膛，锻件容易出模；

3）为了使模具制造方便，尽量采用平面分模，凸出部分也尽量不高于分模面；

4）分模面应设在容易看出锻件错差的位置；

5）应使飞边能切除干净，不致产生飞刺；

6）对金属流线方向有要求的锻件，应保证锻件有最好的纤维分布.

锻件分模位置合适与否, 关系到锻件成形、锻件出模、材料利用等一系列问题。对于长轴对称类锻件和形状较简单可采用直平面分模，圆饼类锻件, 其锻件分模面应为通过具有最大水平投影面积位置的直平面, 当锻件不含通孔时, 最大水平投影面积位置就是锻件在水平面垂直方向上最大截面的位置。该设计属于长轴对称类且形状较复杂，但具有较大弯曲，分模位置选择如下图

分模面

图3-2 分模面位置

3.3确定锻件的机械加工余量和公差

1）材料为45号钢，材质系数为M1。

2）估计锻件的质量为1.4kg，锻件的复杂系数：

S=V锻/V外轮廓=0.14

锻件形状复杂系数S分级见表3-3。由表可得知锻件的形状复杂系数为S4。

表3-3 锻件形状复杂系数S分级表

根据工件的长、宽、高及上述条件，由有关手册查得：

1）高度方向上偏差为+1.2，下偏差为-0.6；长度方向上偏差为+1.9，下偏差为-0.9；宽度方向上偏差为+1.5，下偏差为-0.7。

2）由加工精度可查得，高度及水平尺寸的单边加工余量约为1.5～2.0mm，因此取2.0mm。

3.4确定锻件的收缩率

锻件的收缩率按锻件的厚度确定，由该锻件的厚度可以由表4 – 13（《锻造工艺学与模具设计》）查的δ=0.8％和δ=1.5％；分别是截面壁厚小于5mm和壁厚大于15mm的时候。

3.5锻模斜度和圆角的确定

3.5.1锻模斜度的确定

为了便于将成形后的锻件从模膛中取出，在锻件上与分模面相互垂直的平面上必要加上一定斜度的余料，这个斜度就是模锻斜度。锻件外壁的斜度成为外模锻斜度α如图4-4，锻件内壁的斜度称为内模锻斜度β，如图4.7。锻件成形后，随着温度的下降，外膜锻斜度上的金属由于收缩而有助于锻件出模，内模锻斜度的金属由于收缩反而将模膛的突起部分夹得更紧。所以同一锻件上内模锻斜度比外模锻斜度大。

图3-4 锻件的内外模斜度和圆角

很明显，加上模锻斜度后会增加金属耗材和机加工工时。因此应尽量选用较小的锻模斜度，同时要注意充分利用锻件的固有斜度。模锻斜度与模膛内壁斜度相对应。模膛内壁斜度系用指状标准铣刀加工而成，所以模锻斜度应该选用03，05错误！未找到引用源。，07,010，012标准度数，以便与铣刀规格一致。为了减少铣削加工的换刀次数，可选用内外模锻斜度为同一数值。同时和零件图的模锻斜度保持一致，故选模锻斜度为07。

3.5.2圆角半径的确定

锻件上凸起和凹下的部分均应带有圆角，不允许出现锐角。

凸圆角的作用是避免锻模在热处理时和模锻过程中因为应力集中导致开裂，也使金属易于充满相应的部位。凹圆角的作用是使金属易于流动，防止模锻件产生折叠，防止模膛过早磨损和被压塌。为保证锻件外圆角处的最小机加工量:

α+=余量1r

式中 错误！未找到引用源。—零件相应处的圆角半径或倒角值；

如无倒角：余量=2r

为了适应制造模具所用刀具的标准化，可按下列序列值设计圆角半径（mm ）：1.0，1.5，

2.5，

3.0，

4.0，

5.0，

6.0，8.0，10.0，12.0，15.0。当圆角半径大于15mm 后，按以5mm 为递增值生成序列选取。在同一锻件上选定的圆角半径规格应该尽量一致，不宜过多。