锻造偏心轴课程设计说明书

编号课程设计说明书

题目偏心轴锤上模锻工艺及模具设计

二级学院材料科学与工程学院

专业材料成形及控制工程

班级111090103

学生姓名窦靖学号5

指导教师夏华职称教授

时间2014.05-2014.06

目录

绪论 ....................................................................................................错误！未定义书签。

1零件分析及工艺方案确定 (1)

1.1零件分析 (1)

1.2工艺方案的确定 (1)

2锤上模锻件设计 (2)

2.1选择分模面 (3)

2.2确定模锻件加工余量及公差 (3)

2.3确定锻件模锻斜度 (4)

2.4确定锻件圆角半径 (4)

2.5确定模锻件的技术要求 (5)

2.6绘制锻件图及计算锻件基本数据 (5)

3锤用锻模设计 (5)

3.1选择飞边槽 (5)

3..2 确定钳口 (6)

3.3终锻形槽设计 (7)

3.4滚挤型槽的确定 (8)

3.5切断型槽设计 (9)

4锤上模锻工艺设计 (10)

4.1确定模锻锤的吨位 (10)

4.2确定毛边槽尺寸 (11)

4.3绘制计算毛坯图 (12)

4.4计算繁重系数，选择制坯工步 (13)

4.5确定坯料尺寸 (14)

5锻模结构设计 (15)

6锻前加热锻后冷却及热处理要求的确定 (16)

6.1确定加热方式，及锻造温度范围 (17)

6.2确定加热时间 (17)

6.3确定冷却方式及规范 (18)

6.4确定锻后热处理方式及要求 (18)

7确定模具材料及热处理的要求 (18)

8模锻工艺流程确定 (19)

9参考文献 (20)

绪论

锻造是一种借助工具或模具在冲击或压力作用下加工机械零件或零件毛坯

的方法。与其它加工方法相比，锻造加工生产率高；锻件的形状 , 尺寸稳定性好，并具有最佳的综合力学性能。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。

锻造生产根据使用工具和生产工艺的不同而分为自由锻、模锻和特种锻造。自由

锻造：一般是指借助简单工具，如锤，砧，型砧，摔子，冲子，垫铁等对铸锭或棒材进行镦粗，拔长，弯曲，冲孔，扩孔等方式生产零件毛坯。加工余

量大，生产效率低；锻件力学性能和表面质量受生产操作工人的影响大，不易保证。这种锻造方法只适合单件及极小批量或大锻件的生产；不过，模锻的制坯工步有时也采用自由锻。

特种锻造：有些零件采用专用设备可以大幅度提高生产率，锻件的各种要求

也可以得到很好的保证，特种锻造有一定的局限性，特种锻造机械只能生产某一

类型的产品，因此适合于生产批量大的零部件。

模锻：模锻是指将坯料放入上下模块儿的型槽间，借助锻锤锤头，压力机滑

块或液压机活动横梁向下的冲击或压力成形为锻件。锻模的上下模块分别紧固在锤

头和底座上。模锻件余量小，只需少量的机械加工（有的甚至不加工）。模锻生产

效率高，内部组织均匀，件与件之间的性能变化小，形状和尺寸主要靠模具保证，受操作人员的影响小。

锻造应用范围广，几乎所有的运动的受力部件都由锻造成形，大到飞机轮船

小到我们生活中的日常用品，锻造是现代工业的重要组成部分，同时也推动现代

工业的不断向前发展。

在现代工业生产中，模具是生产各类产品的重要工艺装备，它以其特定的形状通过一定的方式使原材料成形。采用模具生产零部件，具有生产效率高、质量好、成本低、节省能源和原材料等一系列优点，在锻造、冲压、塑料模制品等行

业中得到了广泛应用，成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。模具工业

对国民经济和社会的发展，起着越来越重要的作用。

模具工业的快速发展，不断对模具制造提出更高的要求。世界上一些发达国家，模具制造技术发展非常迅速，模具制造的水平制约这模具设计的的发展，同时也制约这整个模具行业的发展。模具制造水平的高低，已经成为衡量一个国家

机械制造水平的重要标志之一。

时至现在，计算机水平的飞速发展，CAD、CAE 已广泛应用在设计制造中，这就使线切割，电火花等现代加工手段成为现实，基本上使模具设计脱离了模具

制造水平的制约，同时也模具设计提供了一个广阔的平台。

1零件分析及工艺方案确定

锻件工艺分析包括技术和经济两个方面的内容。在技术方面，根据锻件图纸，主要分析该模锻件的形状特点、尺寸大小、精度要求和材料性能等因素是否符合

锻造工艺的要求；在经济方面根据锻件的生产批量，分析产品成本，做到在不影响零件使用的前提下，用最简单最经济的方法生产出来。

一、对锻件的形状精度分析

本次设计工件是转向杆。外形较为复杂，是由杆类件和弯曲件特征组成，杆类特征部分和弯曲类特征部分成一定的角度，相对复杂的锻件外形就决定了比较复杂的型腔，这对模具制造和模具寿命还是造成了一定的不利影响。本锻件精度等级不是特别的高，属半精密级（用于普通锻件和半精锻工艺锻压），但由于锻件的外表面大部分区域锻造成形不需要进一步加工，相对来说要求也比较高。

二、对锻件的经济性分析

所谓经济性，就是以最小的耗费取得最大的经济效果。在锻造生产中，保证产品质量，完成产品数量、品种计划的前提下，产品的成本越低，说明你设计的

模具经济效果越大。

降低制造成本的措施：

1、降低模具费用，是降低成本的有效措施；

2、工艺合理化可以降低模具费、节约加工工时、降低材料费用；

3、多个工件同时加工成形，可使模具费、材料费和加工费降低；

4、锻造过程的自动化及高速化，可以降低加工费用和提高材料利用率；

5、提高材料利用率，降低材料费。

常用的模锻方式有：曲柄压力机上模锻、螺旋压力机上模锻、锤上模锻。故在此有三中方案供选择：

一、曲柄压力机上模锻

曲柄压力机行程和压力不可以随意调节，不易进行拔长、滚挤等制坯操作；对于一些主要靠压入方式成形的锻件不得不采用多型槽模锻，增加了模具和工序；造价比较昂贵，一次性投资大。

二、螺旋压力机上模锻

螺旋压力机上模锻不能进行多型腔锻造，需要时，需要进行单独制坯。效率比较低，造价比较高。

三、锤上模锻

1、工艺灵活，适应行好，可以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，也可以多型槽模锻；可单件模锻，还可以多件模锻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成形，因锤头运动速度快，金属流动有惯性，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。

此偏心轴采用第三种方案模锻即锤上模锻。

2锤上模锻件设计

表 4-1 锻件图设计的步骤和原则

序号步骤原则

确定分模位锻件的分模线形状分为：平直分模线、对称弯曲分模线、

置和形状不对称弯曲分模线。良好的分模面应达到如下要求： 1.

保证锻件容易脱模，一般应以最大投影面作为分模面。

1 2. 分模面应易于检验上下模膛的相对位移。 3. 分模线应

尽可能选用直线，使锻模加工简单。但对头部尺寸较大

且上下不对称的锻件，则易取折线分模，以保证成形充

满。 4. 圆饼类锻件的高度小于直径时，应取径向分模。

5. 应保证锻件有合理的金属流线分布[2] 。

确定锻件公各生产厂应根据所用锻造和加热设备的精度，模锻件的2差和机械加形状和材料，零件设计对锻件尺寸的要求和锻件订货、工余量验收所涉及的问题等，确定锻件的公差和加工余量。

确定模壁斜度大模锻后锻件易于从模膛中取出，但模壁斜度3模锻斜度越大，所需的充模压力也越大。

确定锻件的锻件外形和内腔轮廓拐角处的圆角半径对金属流动有

圆角半径很大的影响，过小的圆角半径，使金属流动受到很大的4阻力而不易充满模膛，消耗较多的能量并造成模具相应

部位严重磨埙，因此在允许的情况下应将此类圆角半径

加大。

2.1确定分模位置

确定分模面位置最基本的原则是保证锻件形状尽可能与零件形状相同。使锻件容易从锻模型槽中取出，因此锻件的侧表面不得有内凹的形状，并且使模膛的宽度大而深度小。锻件分模位置应选在具有最大水平投影尺寸的位置上。应使飞边能切除干净，不至产生飞刺。对金属流线有要求的锻件，应保证锻件有最好的纤维分布。

根据偏心轴形状，采用上下对称的直线分型模

2.2确定公差和加工余量

1 、估算锻件质量，由表查出碳钢类密度为7.83g / cm3 , 计算锻件重量为

1.943kg 。锻件为 45 号钢。材质系数为M1。

2、锻件材质系数 0.65%c 长、宽、高外表面尺寸的正负偏差大致按 +2/3 和

-1/3, 的比列分配。

3.锻件复杂系数：

3圆柱体的最大长度为140mm，最大低面直径为60mm，所以体积为 248214mm。

S=248214/395640=0.627，为二级，复杂系数S2 查有关手册得，高度公差为

1.4

mm；长度公差2.81.9

mm；宽度公差与高度公差一致。零件需磨削加工，

2.0 0 .60.9

加工精度为 F2，有参考文献差得高度及水平尺寸的单边余量约为 1.7~2.2mm，取2mm。外表面加工余量：查有关手册直径方向为 2.0~2.5mm 取 2.0mm；水平方向为为2.0~2.5mm 取 2.0mm。锻件的复杂系数按下表 1-4 查得。

表4-4锻件形状复杂程度等级

级别代号形状复杂系数值形状复杂程度

ⅠS10.63 ～1简单

ⅡS20.32 ～0.63一般

ⅢS30.16 ～0.32较复杂

ⅣS4≤ 0.16复杂

2.3模锻斜度

零件图上的技术条件已注明模锻斜度为5o。

2.4圆角半径

锻件上的圆角可使金属容易充满模膛，起模方便和延长模具使用寿命。圆角半径太小会使锻模在热处理或使用中产生裂纹或压塌变形，在锻件上也容易产生折纹。同时为了加工方便同一锻件圆角的选取要与铣刀相配。

为了使金属易于流动和充满型槽，提高锻件质量并延长锻模寿命，模锻件上的所有转接出都用圆弧连接。

r= 余量 +零件相应处圆角半径或倒角

外圆角半径 r=2+ 零件相应处圆角半径或倒角，内圆角半径 =（2～3）r ，其余部位的圆角半径取 1.5mm。

2.5技术条件

（1）图上未标注的模锻斜度5o；

（2）图上未标注的圆角半径R3；

（3）允许的错移量 0.6mm；

（4）允许的残留毛边量0.7mm；

（5）允许的表面缺陷深度0.5mm；

（6）锻件热处理 : 调质 HB230— 260；

（7）锻件表面清理 : 为便于检查淬火裂纹 , 采用酸洗。

根据余量和公差,绘制锻件图。

热锻件图

2.6计算锻件的主要参数

利用 CAD求出锻件的基本数据如下：

2

(1)锻件在平面上的投影面积为6464mm;

(2)锻件周边长度为353mm ;

3

(3)锻件体积为297367.7mm;

(4)锻件质量为1.943kg。

3锤用锻模设计

3.1 选择飞边槽

在开式模锻中一般要设置飞边槽，飞边槽的作用如下：造成足够大的水平方向阻力，迫使金属充满型槽，保证锻件尺寸准确；容纳多余的金属，在金属完全

充满型槽之后，尚有多余金属需要排出，这时靠毛边仓部来容纳多余的金属；锻造时飞边起缓冲作用，减弱上下模的打击，防止模具的压塌和开裂。

图 6-6飞边槽结构图（形式I ）

3.2确定钳口

按表 13-6 选择钳口尺寸 B=90mm，h=40mm，R0 =15mm。按表 13-7 查得，钳口颈尺寸a=1.5mm，b=8mm，l=16mm。

具体尺寸如图 5.2：

图5.2 钳口

表13-6 钳口尺寸

钳口夹头直径 d/mm B/mm h/mm R0/mm ＜ 18502010

18~28602510

28~35703010

35~40803515

40~50904015

50~551004515

55~601105015

60~651205515

65~751306015

75~851406520

85~901507020

95~1051607520

105~1151708020

表 13-7钳口颈尺寸

锻件质量 /kg b/mm a/mm l/mm ＜0.251l ≥ 0.5F 0

0.2~26 1.5

—锻件外壁最小厚度S

2~3.572

3.5~58 2.5

5~6.5103

65~8012 3.5

80~100144

3.3确定终锻型槽

终锻形槽是各种型槽中最重要的型槽，用来完成锻件最终成型，终锻件图

按热锻件图加工和检验，所以设计终端形槽须先设计热锻件图。

1.热锻件图的设计

热锻件图以冷锻件图为依据，但又有所区别。首先热锻件的尺寸标注，高度方向尺寸标注以分模面为基准，以便于锻模机械加工和准备检验样板。其次考虑到金属的冷缩现象，热锻件图上的所有尺寸应计入收缩率，按下列公式计算：

L l 1

式中L —热锻件尺寸；

l—冷锻件尺寸；

—终锻温度下的金属收缩率，取 1.5%；

特别注意无坐标圆角半径，不加放收缩率。所以终锻形槽及热锻件图见装配图的画法

终锻型槽

3.4滚挤型槽设计

滚挤型槽设计：采用闭式滚挤。

1.型槽高度 h kd计，计算的结果列于表中，按截面的高度绘制滚挤型槽

纵剖面外形，然后用圆弧或直线光滑连接，并适当简化。

2.毛刺槽的尺寸的确定，根据锻模设计手册，选取毛刺槽尺寸如下：

表5-1 毛刺槽尺寸

参数a(mm)C(mm)b(mm)R3R4

数值62540106

3.夹钳口尺寸的确定：

n0.2d060.270620mm(5.2.1)

m(1 ~ 2) n30mm(5.2.2)

R0.1d0 6 0.1 70 6 13mm

(5.2.3)

制胚模膛

3.5切断型槽设计

由于采用单件模锻（一件坯料锻制一件模锻件的模锻方案），需要设计切断模膛，切掉单件模锻时在棒料上留下的锻钳夹头。锻钳夹头在切边时作为废料和飞边一起切掉。

切断型槽位于模具一角，斜度为15度

切断型槽

4锤上模锻工艺设计

锤上模锻工序包括三类公步：模锻公步、制胚公步、切断公步。其中制胚公

步为最主要的任务，而计算毛坯为解决问题的关键。

4.1确定模锻锤的吨位

总变形面积为锻件在平面图上的投影面积与毛边面积之和，按 1t~2t 锤毛边

2

槽尺寸考虑，假定毛边乔部宽度为25mm，总面积 F=6464+353*25=15289mm按双作用模锻锤吨位确定的经验公式G=（ 3.5~6.3 ） k*F 确定段位吨位因销轴生产量大，需生产效率高故去交大的系数 6.3 取 k=1，于是：

G=6.3*1*152.9=963.2 KN选用1t锤。

4.2确定毛边槽尺寸

飞边槽尺寸的确定方法有吨位法和计算法，采用计算法，准确性好。

桥

0.093

0.01Q

（）， Q 为锻件质量（ kg ）；则有，

h 2 Q mm

h桥0.0923 Q0.01Q0.09 23 2.750.01 2.75 2.6825mm 。

查《锻造工艺学与模具设计》第129 页，表 4-15按桥部高度 h 确定的飞边槽

尺寸（参见图 3-6) 选定飞边槽尺寸为

H桥=1.6mm，h1=4mm ，b=8mm,b1=25mm,r=1.5mm,F max=126mm2,V飞

3

=353X0.7X126=31134.6mm

表 4-15按桥部高度 h 确定的飞边槽尺寸（参见图6-6 ）高度尺圆角 R1/mm宽度尺寸 /mm

寸入口处型槽深一、镦粗成型二、压入成型三、形状复杂/mm

h h1<2020~4>40b b1Fmax/m b b1Fmax/m b b1Fmax/m

222 m m m

0.311 1.5618526206182274 6

0.31 1.5 1.5620697227792588

8

1.31 1.5

2.072280825911028104 0

1. 3.1 1.5

2.08221029251131130155 65

2.4 1.5 2.0 2.592513610281531232177 0

3.5 1.5 2.0 2.512820112322331438278 00

4.62 2.5 3.113026814383441642385 01

5.72 2.5 3.113234315404341846506 02

6.8 2.5 3.0 3.513543516425302050642 03

7.103 3.5 4.013860118467452255902 04

8.123 3.5 4.0140768205098825601208 05

注：表中 Fmax为飞边槽截面积。

4.2绘制计算毛坯图

由于偏心轴结构简单，毛坯尺寸可直接估算出。为了精确只取 6 个截面即可。

长轴类锻件终锻前，最好先将等截面的原材料沿轴向预制成近似锻件各截面

面积不等截面的中间毛坯，使中间毛坯上的每一横截面面积等于带毛边锻件的相

应截面积，以保证终锻时，锻件各处充填饱满，毛边均匀，从而节省金属，减轻

模锻型槽的磨损。按上述要求计算的坯料，通常称为计算毛坯。计算毛坯可用计算毛坯截面图与计算毛坯直径图表示。

计算毛坯的依据是，假定轴类件在模锻时属平面应变状态，因而计算毛坯

的长度与锻件长度相等，而轴向各截面面积与锻件上相应截面面积和毛边截面积

之和相等，即：

F i计F i锻 2 F i飞

式中 F i计——第i个截面的计算毛坯截面积(mm2 ) ；F i

——锻件上第i个截面的面积( mm2)；

锻

F i飞——锻件上第i个截面处毛边的截面积(mm2 ) ；

——充满系数，形状简单的锻件取0.3~0.5，形状复杂的取0.5~0.8，

常取 0.7。

i=1，2，3 ??

1、选择适当的缩尺比M，求出代表各截面面积F i计的高度 h i计，即：

F

i计

h

，

i计

M

缩尺比 M通常选用 20~50mm2/ mm，此锻件缩尺比取了100 mm2/ mm。

2、计算毛坯的体积V计

V计=V 锻 +V飞 =297367+31134.6=328501.6mm3

3、计算毛坯的平均截面积F平

=328501\144=1451mm2

4、计算毛坯的平均截面边长d平

39.14mm

5、计算毛坯的各截面S计

F计F锻2F飞见表

6、、计算毛坯各截面直径d 计

断面号

1 2 3 4 5 6 7

计算毛坯图

表 10-2毛坯计算出来的数据

F锻 2 F飞F计=F锻d计= F计/ mm2/ m m2+2 F飞/ mm

/ mm2

017617615 1661247190849 1661247190849 3215247346266 1017247126440 1017247126440 017617615

4.3计算繁重系数，选择制坯工步

材料变形过程中的繁重系数与与材料本身的材质系数相关。

根据公式：

α=d max/d 均 =66/39.14=1.68

β=L 计 /d 均 =144/39.14=3.68

K=d拐 -d min/L 计 =53.74-15/144=0.269

式中—金属流向头部的繁重系数；—金属沿轴向流动的繁重系数；k —杆部

斜率；

d max—计算毛坯的最大直径,72.3(mm) ；

d min—计算毛坯的最小直径25.6(mm)；

d拐—杆部与头部转接处的直径，又称为拐点处直径62.14(mm);

L杆—计算毛坯的杆部长度, 167.5(mm)

其中 , d 拐 1.13 h拐 M ，h拐根据计算毛坯截面图求出为151.mm.[3]

值越大，表明金属流到头部的金属体积愈多；值愈大，则轴向流动的距

离愈长；K 值愈大，表明杆部锥度大，小头一端的金属愈为过剩；锻件质量G愈大，表明金属量大，制坯更困难。因此繁重系数代表了制坯时需转移金属量的多少，金属转移时的难易程度，作为选择制坯工步的依据。

模锻时，坯料按照锻件的复杂程度和具体生产条件，在锻模的一系列模膛中逐

步变形，最后成为锻件。坯料在每一模膛中的变形过程叫做模膛工部，而工部的

名称与所用模膛的名称是相应一致的。此锻件长度与截面相差较大，为长轴类锻件，查表确定制坯工步为拔长，滚挤，模锻工步为终锻。

拔长后进行滚压，使坯料表面光滑，氧化皮去处干净，金属分配准确，防止

锻件产生折叠，终锻模膛布置在锻模打击中心上以减少错移。根据以上所算数据，

查表确定制坯工步为滚挤，模锻工步为终锻。

4.5确定坯料尺寸

F坯—毛坯截面积; F max—计算毛坯头部最大尺寸处截面积

2

F 坯=0.8F 最大 =0.8X3462=2769.6mm

根据坯料的制坯工步采用圆形坯料

其直径查表取标准直径 D 坯=50mm。

查表取烧损率=3%，在室内电炉中加热。

钳头长度 L钳=（1～1.5）×D坯=70mm

所以坯料长度 L坯：L坯V坯 / F坯L钳=152.53mm，取160mm。

5锻模结构设计

（1）型槽布置方式：

模锻此摇臂的 1t 模锻锤机组，加热炉在锤的右方，故滚挤型槽布置在锻模

左边，终锻模膛布置在中间，切断模膛布置在右上角。

（2）模块尺寸的选择：

2

①承击面：查教材表4-29 得，1 吨锤的最小承击面为300cm , 承击面积为模块在分模平面上的面积减去各型槽，毛边槽，锁扣和钳口所占面积。经计算符合要求。

②模块尺寸规格：模块高度根据型槽最大深度和锻锤的最小闭合高度确定。

这是由于上下模块的最小闭合高度应不小于锻锤允许的最小闭合高度。

考虑到锻模翻修的需要，锻模总高度 H模 = （1.35 ～1.45 ）H min=580mm；

模块长度 L=560mm；模块宽度 B=500mm。

（3）燕尾槽、键槽和起重孔等尺寸按标准选取，具体数据见表5-2 。

表5-2 锤锻模燕尾

b/mm h/mm b1/mm d×S(mm×mm)

300

65.575

×

60 30

燕尾槽、其重孔等尺寸按标准选取，具体见装配图。锁扣的设计：（根据有关手册按标准选取）

锁扣高度h=锻件分模面的落差高度 =21mm

锁扣的厚度 b 1.5h 1.5 3331.5mm

锁扣的斜度a5

锁扣间隙 1.5mm

锁扣非导向侧面间隙14mm

锁扣沿分模面非打击面上的间隙2 1.5mm

锁扣内圆角

R10.150.15333

h

锁扣的外圆角 R2R2mm 426mm [3]