连杆的模锻工艺及模具设计

连杆的模锻工艺及模具设计

任务书

1．课题意义及目标

意义:通过本课题的研究,培养学生综合运用所学知识的能力及用基本知识和专业知识解决生产中实际问题的能力,培养学生探索未知开拓创新的科学精神以及从事工程实践的基本能力。

目的:根据开式模锻成形理论和连杆零件图的要求,结合连杆锻造的技术和特点，对连杆锻造工艺进行具体分析,确定合理的连杆模锻工艺。以所学专业为基础,以实用为目的,通过对连杆锻造工艺的分析及相关参数计算,进行模具设计。

2．主要任务

1）、完成开题报告

2）、零件图和模具装配图

3）、设计说明书一本

4）、电子资料一份

3．主要参考资料

[1]崔柏伟.发动机连杆模锻工艺及模具[J].机械工程师,2007,12:87-88 .

[2]张昌明.铝合金连杆模锻工艺研究[J].机械设计与制造,2008,11:105-106.

[3]刘昱虹.大型连杆锻造成形工艺分析[J].锻压机械,2000,35,04:25-26

[4]陈晓华.典型零件模具图册[M].机械工业出版社,2006.

审核人：年月日

连杆的模锻工艺及模具设计

摘要：本次毕业设计主要是对给定的连杆进行分析，然后进行锻件图的设计，确定锻锤吨位，然后选择模锻工步，再计算毛坯，确定坯料的尺寸，设计拔长模膛和滚压模膛，设计终锻模膛和预锻模膛，还需要设计锁扣、燕尾、键槽等。本设计还涉及PROE、CAD软件，还有绘制表格，生成曲线图。最后绘制了零件图和模具装配图。通过这次设计，让我巩固了我大学所学的知识，受益良多。

关键词：连杆，模膛

Abstract:The graduation project is mainly on a given link is analyzed and then design forging figure, and then select the forging step, and then calculate the blank determine the blank size, design stretching grooves and rolling grooves,determine the tonnage hammer,design the final forging die bore and blockers bore, also I need to design lock, dovetail, keyway and so on. This design also involves PROE, CAD software, and draw tables, generate graphs. Finally, draw spares and mold assembly drawing. Through this design, let me consolidate my knowledge of the university,and I benefited a lot. Keywords: link, bore

1 前言 (3)

2 锻件图的设计 (4)

2.1 分模位置 (4)

2.2 估算零件质量 (4)

2.3 锻件形状复杂系数S (4)

2.4 确定加工余量 (5)

2.5 锻模斜度 (5)

2.6 确定锻件公差 (5)

2.7 锻件圆角半径 (5)

2.8 冲孔连皮 (6)

2.9 冷锻件图 (6)

3 确定锻锤吨位 (8)

4 飞边槽的确定 (9)

5.1 计算毛坯图 (10)

5.2 计算毛坯图的分析利用 (13)

6 坯料的尺寸确定 (14)

6.1 坯料体积和重量 (14)

6.2 坯料规格的确定 (15)

7 模锻工步选择 (16)

8 拔长模膛 (17)

8.1 作用 (17)

8.2 型式 (17)

9 滚压模膛设计 (19)

9.1 作用 (19)

9.2 型式 (19)

9.3 纵向截面形状设计 (19)

9.4 宽度B (21)

9.5 尾部及钳口 (21)

10 终锻模膛 (23)

10.1 热锻件图设计 (23)

10.2 钳口设计 (24)

11 普通锁扣设计 (25)

12 模锻锤的锻锤参数 (26)

13 燕尾 (27)

14 锻模结构设计 (28)

14.1 模膛的布置 (28)

14.2 模膛中心的确定 (28)

14.3 模膛壁厚确定 (28)

14.4 模块尺寸的确定 (29)

14.5 模锻材料的选择 (29)

14.6 连杆模锻工艺流程的最终确定 (29)

参考文献 (30)

致谢 (31)

1前言

连杆指的是在机构中的两端分别和主动、从动构件连接，用来传递运动的杆件。连杆工作时需要较高的工作条件，需要比较好的韧性，而且还需要高的强度和高的抗疲劳性能。需要采用模锻制坯。模锻是将坯料放在上下模块的型槽的中间，利用压力机滑块、锻锤锤头或者液压机活动横梁向下的压力或因为冲击成形为锻件的方法。模锻的内部组织很均匀，生产效率也比较高，受人操作的影响相对较小，而且它的尺寸和形状可以靠模具保证。模锻最常见的设备有好几种，分别是模锻锤、模锻液压机、机械压力机及螺旋锤等。模锻前必须对零件图进行锻件图的绘制，锻件图分为冷锻件图和热锻件图，冷锻件图的作用是用于锻件最后检验，同时也是热锻件图的设计依据，热锻件图的作用是用在锻模的设计过程中，还有在实际加工制造过程也需要。

2锻件图的设计

2.1 分模位置

在本设计中，因为为此锻件为对称的结构，连杆的最大截面在对称线上，如下图，所以A-A截面就是分模面。

2.2 估算零件质量

将零件分为三部分，大头处为V1，中间为V2，小头处为V3。

V=V1+V2+V3

V1=3.14×552×50－330÷360×3.14×(77÷2)2×50－(10×37+20×8.5)×50=380cm3

V2=[(48+110)×200×0.5－0.5(3.14(110÷2)2+3.14(48÷2)2)]×14=142cm3

V3=[3.14×242－3.14×(25÷2)2]×29=38cm3

V=560cm3 锻件材料为40Cr，所以密度为7.82g/cm3，所以估算零件质量为

m=560×7.2=4379g 所以质量为4.4kg

2.3 锻件形状复杂系数S

锻件形状复杂系数相关的有两点，分别是锻件重量G1和相应的锻件外廓包容体重量G2。其值为这两个相除所得的商。即S=G1/G2

通过计算S=560÷1534=0.365

锻件的形状复杂系数根据规定被分为了四级，

简单的：S 1>0.63~1 一般的：S 2>0.32~0.63 较复杂的：S 3>0.16~0.32 复杂的：S 4≦0.16 所以本设计的锻件形状复杂系数为一般。

2.4 确定加工余量

确定加工余量时，需要根据前面锻件估算出的质量，零件的加工精度还有零件的形状复杂系数的要求。 查《锻模设计手册》表4-3得 长宽高的加工余量均为2.0mm

直径为Φ77的孔的机械加工余量为2.5mm 直径为Φ25的孔的机械加工余量为2.0mm

2.5 锻模斜度

锻件侧面需要设有模锻斜度，设置的目的是为了便于模锻以后方便脱模。模锻斜度分为两种，分别是外斜度和内斜度。

锤上模锻的锻件的外斜度值需要两个比值获得，分别是根据锻件各部分的高度和宽度之比值H/B ，还有长度和宽度之比值L/B ，根据这两个比值查表获得。内斜度需要按外斜度增大2°~3°即可。

根据《锻模设计手册》根据表4—10，由H/B=25÷110<1 及 L/B=1得外模斜度为5°内模斜度为7°。

2.6 确定锻件公差

查《锻模设计手册》表4-5得

高度公差为 1.21.150+- 9.19.029+-

宽度公差为 4.22.1110+- 4.22.184+- 1.21.148+- 长度公差为 1.21.177+- 9.19.025+- 中心距尺寸公差为 0.10.1200+-

2.7 锻件圆角半径

外圆角半径指的是在锻件上的凸角圆角半径r ，内圆角半径是在凹圆上的圆角半

径R 。内圆角的作用是使金属变得很容易流动从而充满模膛，从而防止模膛压塌变形，因此避免产生折叠。简述下外圆角的作用，它是避免了锻模的很多相应的部分因为产生应力集中的现象而造成开裂这种情况。

r等于单面余量加零件圆角半径或倒角，得r=3mm R=(2~3)r,取R=8mm

2.8冲孔连皮

孔径分为三种，分别是中等孔径（30mm60mm）小孔径(d<25mm)

中等孔径常采用平底连皮，

s=2.5mm＋(5~7.5)d/100 得s=6.35~8.275mm

因为当锻件的孔径较大时，如果还是用平底连皮的话，内孔金属会不容易转移，凸台也容易被压塌或磨损，还会容易产生折叠。所以应该将平底的面积相对减小，周边做成顶角为γ的锥形，由此可以得到斜底连皮。

S大=1.35S S小=0.65S d1=(0.25~0.35)d

式中S—采用平底连皮的厚度

根据《锻压手册》图3-1-15取S=7mm

d=77mm S大=9.45mm S小=4.55mm

d1=19.25~26.95mm 取d1=22mm

2.9 冷锻件图

上述参数确定后，便可绘制锻件图，如下图所示

3 确定锻锤吨位

模锻锤吨位是指模锻锤落下的部分的公称重量。以吨为单位。

确定锻锤吨位应考虑下列一些方面：

1）使锻锤要保持正常的工作状态

2）有足够获得合格锻件的打击能量

3）应使锻模有足够的工作寿命

4）要有足够容纳锻模的装模空间的大小

5）锻锤吨位不能过大，使操作更方便

6）需要获得正常的生产效率

坯料的确定：总变形面积有两部分，分别指的是锻件飞边的水平投影面积与锻件在水平面上的投影面积两部分相加的和。

G=k.F(t)/1000 F=16500+6650=22750mm2

因为材料为40Cr，所以k=6粗略估算得G=1.365所以取2t。

4飞边槽的确定

因为终锻模膛的周边必须有飞边槽才可以，合适的飞边槽必须同时具备三个作用，一是作为工艺补偿的环节，则需要容纳多出来的金属，使得锻件的体积在很大的程度上基本一致；二是当终端后期时，温度比较高的飞边很软，则能够达到缓解上下模硬碰硬的现象，从而达到保护承击面的作用；三是飞边槽能造成很足够大的压力，从而可以迫使金属流动达到充满模膛的作用。

飞边槽是由两部分组成，分别是桥部和仓部。仓部的作用是用于容纳多余的金属，而桥部比较薄的金属因为冷却得很快，从而使模膛四周会产生出了阻力，进而迫使金属充满模膛，达到目的。

常用飞边槽有四种型式，查阅资料得型式1的飞边桥部设计在了上模，这个作用是导致与热金属接触的时间变得短一些，受热时间就会变少，从来不易磨损和受热，所以是最常用的型式。综合选用型式1飞边槽，如图所示

查《锻模设计手册》表4-18得2t模锻锤

h3=2 h1=4 b=10 b1=30~35

5 计算毛坯

5.1 计算毛坯图

因为连杆是长轴类锻件，制坯目的是使坯料在锻前的体积的分布更接近热锻件的需要。这样可以使锻件的飞边很均匀，也会填充的好，减轻了模膛的磨损同时还节省了材料。计算毛坯图可以用来表示飞边的体积、热锻件的分配情况，包含了直径图还有截面变化图。

锻件总长度就是计算毛坯的长度。计算毛坯是假设情况，基于平面应变。在模锻时，金属流动在轴线垂直的平面。由此可得，锻件的飞边的剖面积加上热锻件上各个位置相应的剖面积就是各横截面的面积

A

计=A

锻

＋2ηA

飞

A

计

——指的是计算毛坯的截面积

A

锻

——指的是在相应位置时锻件的截面积

η——指的是充满系数，它的取值范围是0.4~0.8，取0.5

A

飞

——指的是在相应位置时飞边槽的截面积，查《锻压手册》表3-2-3得2t锻锤飞边截面积为176mm2

计算毛坯图的绘制步骤如下

（1）画出热锻件图，需要画出主视图和俯视图，对称图形可以绘制一半。

（2）在锻件上选取很多截面记性计算，变化比较大的地方需要多取一些，距离相对小一些，变化小的地方可以距离大一些。并且将所取截面进行编号。对截面面积进行描点得出截面变化图。

（3）需要会绘制出直径图，经过以下公式计算

d

计=（4A

计

/π）?

将各剖面直径也描点绘制出来。

根据热锻件图利用proe软件绘制出立体实型，利用很多平面截出锻件所需要的截面图，根据Excel绘制出截面面积图。需要注意的是需要加上2ηA

飞

得到的才是截面变化图。

下图是计算毛坯图的过程第三列是锻件各个截面的面积，第四列是加上2ηA

飞

所得的数值。

截面编号

截面间距

/mm

截面面积

/103mm2

计算毛坯

截面/103mm2

计算毛坯直径

/mm

1 0 0 0.18 15

2 10 2.57 2.82 60

对于计算毛坯图，为了保证金属顺利流动，对有孔的地方进行简化，使减少的部分等于增加的体积，经过修正后的毛坯图还是所需要的毛坯图。计算得平均计算毛坯截面面积为3.37×103mm2，平均计算毛坯直径为61mm。

5.2 计算毛坯图的分析利用

由以前的数学知识容易的，截面变化图的曲线和横坐标中间的面积就是计算毛坯的体积，称为V

计

γ/[100(1+δ)]3

计算毛坯的质量为G=V

计

V计——指的是计算毛坯的体积

γ——指的是材料密度

δ——指的是终锻温度下金属的收缩率

经过计算得G=863988×7.82/[100(1＋1.5%)]3=6.5kg

6 坯料的尺寸确定

6.1坯料体积和重量

计算毛坯时利用PROE绘制出了热锻件，如下图所示

根据PROE图可以得到热锻件的体积为8.51×104mm3

分模面处周长为652.5mm

坯料体积由下式计算：

V p=(V d＋V f)(1＋δ)

式中V d——指的是锻件体积

V f——指的是飞边体积

δ——指的是烧损率

经过计算得V

飞

=652.5×176=114840mm2

通过查《锻压手册》表3-2-4取加热方式为室内煤气炉，所以取δ=2.5% V p=（850563＋114840)(1＋2.5%）得V p=989538mm3

锻件密度为7.82g/cm3，所以坯料重量为G=989.538×7.82=7738g=7.7kg

6.2坯料规格的确定

长轴类锻件成形过程的共同特点是自坯料开始，长度逐步增大，除头部范围外，横截面减小。头部范围横截面经滚压工步可能有所增大，但幅度有限。因此，坯料横截面至少需要大于平均截面积，或取头部平均截面积，才能满足锻件要求。

因为此锻件用拔长和滚压联合制坯，则根据《锻造工艺与模具设计》得

A 0=k A

均

式中，A

——坯料截面积 k——扩大系数

A均——计算坯料平均截面积

k=1.05~1.20 一头一杆锻件应选用较大值，取k=1.2 计算得A

=4044mm2本设计采用圆形棒料，经过计算得直径为70mm

毛坯的长度为L

坯 =V

坯

/A

=240mm

根据模锻的生产实践可以得到，锻件的相对长度越长还有其头部相对尺寸越大，需要轴向转移的距离则需要更大，还有需要体积聚集量也就更多。[2]这些可以用繁重系数来表达，如下式

α=d max/d均β=L/d均

式子中α——指的是金属流入头部的繁重系数

β——指的是金属沿轴向流动的繁重系数

L——指的是计算毛坯的总长度

d max——指的是计算毛坯的最大直径

d均——指的是计算毛坯的平均直径

由表格可以得到最大直径处计算毛坯截面面积为6040mm2，所以d max=90mm，所以α=80÷61=1.3 β=240÷61=3.9

根据α和β的值查《锻造工艺和模具制造》图6-42得应该采用拔长加滚压制坯。

7模锻工步选择

坯料在经过加热后在设计出的各种模膛中逐步变形，从而称为锻模。模锻工步指的是坯料在锻模的每一个模膛中的变形过程。

选择模锻工步需要遵循以下的几个原则

（1）材料需要消耗的尽量少

（2）需要使坯料在好的变形条件下进行成形，从而容易获得良好质量的锻件。

（3）生产效率要尽量的高

（4）操作必须安全方便

选择模锻工步的依据有以下几点

（1）工人的操作技术和习惯以及生产的批量

（2）锻件的工艺特性

（3）设备的条件和生产的条件

因为此连杆是直长轴锻件，轴线较长，截面沿轴线要有较大变化。所以坯料的长度比锻件短，经常要采用抜长滚压工步。

根据《锻压手册》可以得到当锻件长度和坯料长度之差不大于下列数值时，可以只用滚压模膛。参考本设计，因为本设计用的是2t的锻锤，所以参考2t锻锤，差值为20~35mm，易得差值大于20mm，所以需要进行拔长工步。

采用滚压工步的主要的目的是将材料聚在一起，当坯料的截面面积小于锻件的最大的截面面积的时候，则需要使坯料局部截面增大而且保证锻件充满的同时，采用滚压工步。采用滚压工步的优点是，可以使坯料的表面很光滑，使坯料金属分配更均匀，而且避免产生褶皱，也能很好的将氧化皮去除。而且通过计算毛坯查阅资料得，毛坯应先进行拔长加滚压制坯。然后进行预锻和终锻。

综上所述，该锻件的模锻工步为拔长工步、滚压工步、预锻工步、终锻工步。

按下式确定拔模宽度

B=1.5d p d p——原坯料直径（mm）所以B=105mm

(5)拔长平台的设计

在坯料被拔长部分的原始长度很短的这种情况下，基本上拔长模膛很难将坯料咬住，导致操作起来特别困难，所以这时可以可以采用拔长平台进行拔长。

宽度B B=（1.4~1.6）d p 所以B=98~112mm 取B=100mm

圆角R R=0.25d p 得R=17.5mm