長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計說明書
長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計說明書,長安,汽車,萬向節(jié),鍛造,鑄造,工藝,設計,說明書,仿單
I摘要模具行業(yè)在我國現(xiàn)階段機械制造行業(yè)中扮演著極為重要的角色,無論是在塑料模具、鈑金模具還是鍛造模具等各模具行業(yè)中,其總體設計框架是千篇一律的。鍛模行業(yè)經過了幾年的發(fā)展,在某些技術上已經取得了較大的突破,但是畢竟還屬于傳統(tǒng)制造業(yè),還依然存在機械加工的詬病,比如說機加工精度達不到要求,粗糙度控制不好,模具設計時的種種不合理導致的脫膜不便。對此本論文以長安汽車萬向節(jié)叉終鍛模具為例詳細介紹了模具在鍛造行業(yè)中的實際應用,意在解決當前傳統(tǒng)機械加工方面的精度問題及模具設計問題,尤其為了后面的實際鍛造,做了有效的有限元分析,以保證模具鍛造精度達到要求,是綜合了 CAD/CAE 模具技術的應用。在設計的整個過程中,結合本科所學的專業(yè)知識并運用了 SolidWorks2016 軟件對鍛件零件進行三維建模,創(chuàng)建模具的上下模及配套的零件、運用 Auto-CAD2014 軟件進行二維圖繪制,標注好詳細的公差尺寸要求、運用 Workbench 15.0 有限元軟件進行鍛件溫度場及應力場分布分析,為接下來的加工做好的鋪墊。同時在設計的同時也考慮了外協(xié)加工工廠的實際加工設備,因此為該鍛件制定了配套加工的工藝路線。為了適用當前社會的機械行業(yè)發(fā)展需要,在設計的同時也進行了適應于現(xiàn)代化工業(yè)加工生產設備的配套工藝方案。顯然,現(xiàn)代的模具行業(yè)普遍追求更高精度、更簡易的工藝流程、更先進的設計方案,為適應社會之所需,結合本行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀,雖然本論文只是針對該鍛件的鍛模進行了一系列設計仿真,但是通過這一例程,在往后的工作學習中舉一反三,能夠做到理論與實踐的結合應用,更能加強自己對模具行業(yè)的認識。關鍵詞: CAD/CAE 模具 萬向節(jié)叉 熱應力IAbstractThe mold industry plays a very important role in the machine manufacturing industry at the present stage in our country. The overall design framework of the mould industry is the same as the plastic mold, the sheet metal die or the forging die industry. After several years of development, forging die industry has made a great breakthrough in some technology, but it still belongs to the traditional manufacturing industry, still still exists the criticism of mechanical processing, for example, the machining accuracy is not up to the requirements, the roughness control is not good, the mold design is not reasonable caused by the inconvenience of the film removal. Taking the final forging die of Changan automobile Cardan fork as an example, the practical application of die in the forging industry is introduced in detail in this paper. It is intended to solve the problems of the precision of the traditional machining and the design of the die. In particular, the effective finite element analysis is made for the actual forging in the rear, so as to ensure the precision of the die forging. The requirement is to integrate the application of CAD/CAE mold technology. In the whole process of the design, combined with the professional knowledge of the undergraduate, SolidWorks2016 software is used to build the 3D modeling of the forging parts, the upper and lower dies and the supporting parts are created, the Auto-CAD2014 software is used to draw the two-dimensional map, the detailed requirements of the tolerance dimension and the application of Workbench 15 finite element software are marked. The temperature field and stress field distribution of forgings are analyzed to lay a good foundation for the subsequent processing. At the same time, at the same time, the actual processing equipment of the processing plant was also considered, so the processing route for the forging was developed. In order to meet the development needs of the machinery industry in the current society, a matching process plan adapted to modern industrial processing equipment was also designed. IObviously, the modern mold industry is generally pursuing higher precision, more simple process flow and more advanced design scheme. In order to adapt to the needs of the society and combine the development of the industry, this paper is only a series of design simulation for the forging die of the forgings, but through this example, it is in the future work. Learning from others can help us to integrate theory with practice and enhance our knowledge of the mold industry. Keywords: CAD/CAE mould universal; joint fork; thermal stress目 錄1 緒論1.1 課題研究的目的及意義(1)1.1.1 鍛造模具的研究目的(1)1.1.2 模具 CAD/CAM的研究意義(1)1.2 國內外研究現(xiàn)狀(2)1.3 本課題研究內容(3)2 長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計2.1 零件結構分析(4)2.2 零件工藝分析(6)2.3 鍛件鍛模總體設計方案的確定(7)2.3 鍛件及其鍛模的設計(8)3 長安汽車萬向節(jié)叉鍛模設計3.1 鍛件及其鍛模的設計(8)3.1.1 確定鍛件的分型面及分型線(8)3.1.2 制定鍛件的機加工余量及公差(9)3.1.3 鍛模生成及凸凹模分割(11)3.2 鍛造模具設計圖(13)3.3 鍛模飛邊槽的設計(14)3.4 模架總體設計(15)3.5 鑲塊設計(16)4 萬向節(jié)叉有限元分析41 有限元分析前置參數(shù)設置(18)4.2 鍛件溫度場及應力分布分析(19)4.3 鍛件溫度場及應力分布分析(21)5 鍛前加熱、鍛后冷卻及熱處理要求的確定5.1確定加熱方式,及鍛造溫度范圍(23)5.2 加熱時間及冷卻方式的確定(23)結 論(25)致 謝(26)參考文獻(27)11.緒論1.1課題研究的目的及意義1.1.1鍛造模具的研究目的現(xiàn)如今,塑料模具、鍛造模具及其所配套的 CAD/CAM 技術在機械行業(yè)中出于領軍地位,鍛造模具的地位尤為重要。它簡化了傳統(tǒng)金屬零件的加工生產流程。它同時也是傳統(tǒng)模具的關鍵生產技術。它需要協(xié)同計算機軟進行輔助設計及配合各種機械設備進行加工生產。使加工人員能進行更方便的生產自己想要的產品。在工程師們的不斷研究中,鍛造模具行業(yè)逐漸偏向于設計優(yōu)化、流程優(yōu)化生產優(yōu)化的理念進行研發(fā)。鍛造生產能夠顯著地減少機械零件的生產加工周期 1。提高了產品的質量并且簡化了工藝流程。更為重要的是減輕了工人的勞動強度,縮減了公司的制造成本。鍛造模具同塑料模具一樣是用來進行產品成型的。它大體可以劃分為動模和定模兩部分,或稱途模和凹模,在工作過程中的開合來進行產品的擠壓成型。鍛造的過程也分為初鍛和終鍛兩方面,往往終.在產品成型的過程中,氣壓、沖頭等一系列外部構件把外力傳遞給動模和定模,上下模具框架為擠壓產生的力起了緩沖作用。因為鍛造模具在實際的加工生產中對生產效率有明顯的提高并且能夠節(jié)約生產原料,提高了生產效率,因此在全國眾多工廠中得到了廣泛的應用。針對鍛造模具,本文以長安汽車萬向節(jié)叉零件為例進行了模具設計、零件受熱應力場及溫度場模擬分析,簡要描述了模具在實際生產過程中的應用。1.1.2模具 CAD/CAM 的研究意義隨著機械 CAD/CAM 行業(yè)蓬勃發(fā)展,現(xiàn)模具能夠實現(xiàn)三維軟件自動分?;蛴萌S設計軟件手動輔助分模,大大縮短模具研發(fā)設計時間。目前甚至未來模具行業(yè)趨向于設計與制造智能化、一體化發(fā)展。此次設計是針對長安汽車萬向節(jié)叉的鍛造中終鍛部分模具的設計,涉及三維產品設計、模具分模設計、二維工程圖及 ANSYS溫度場應力場分析仿真,總體涵蓋了鍛模的設計及應用,完全與工廠實際設計生產需求接軌 2。 終鍛模是零件進行模具鍛造時使毛坯料擠壓成型而獲得產品的模具。設計之初重要的是選擇鍛件的材料,按照工廠所給圖紙的要求即選擇了 45 鋼。終鍛之前需先將鍛件進行加熱,以達到終鍛所需的溫度要求,接著將預熱的初鍛件放置在鍛造設備上,按照要求施加壓力,迫使鍛件因其自身的塑性變形發(fā)生內部分子流動,進而成型獲得終鍛件 3。所設計的鍛造模具在實際應用中既要承受鍛錘的高速沖擊及負2載壓力,并且還要耐受在鍛件成型過程中的急冷、急熱和冷熱交變狀態(tài),對于模具的材料需要其滿足高耐磨及強度剛度。 1.2國內外研究現(xiàn)狀經過了幾代機械行業(yè)乃至模具行業(yè)科研人員的不斷挖掘發(fā)展,目前模具行業(yè)及其配套的 CAD/CAM/CAE在整個行業(yè)起了不可替代的位置,基本上國內大小公司都離不開這三方面聯(lián)合設計模具的應用,并一直刷新行業(yè)應用記錄,比如更高的模具制造精度及更優(yōu)化的鍛造方案,有卓越的貢獻。尤其在近幾年模具行業(yè)借助 Ansys等CAE軟件配合進行實際工況產品應力場及溫度場的模擬分析,可謂是模具行業(yè)質的突破 4。同時更多的科研人員進行在 SolidWorks 和 UG 軟件平臺上針對模具設計的二次開發(fā)軟件,更加方便了設計人員開發(fā)模具,直接縮短了設計流程。升級傳統(tǒng)模具制造生產的關鍵技術方案是進行模具 CAD/CAM/CAE聯(lián)合研究開發(fā),它作為當今機械行業(yè)高水平發(fā)展的方向一直被廣泛的應用 5。此技術借助計算機軟件給設計者提供了很好地工作平臺,提高了模具設計效率,提高了模具的制造精度及使用的安全系數(shù)。通過有限元軟件分析能夠優(yōu)化模具結構、模具生產工藝、鍛件成型工藝等。鍛造模具行業(yè)的 CAD/CAM/CAE 的發(fā)展狀況符合總體機械類相關軟件的發(fā)展進程,基本上設計軟件每升級一版本,模具行業(yè)的科研進度也跟上一個版本。目前相關的軟件發(fā)展情況基本如下所述:CAD 從前幾年的僅僅能夠二維平面圖形設計、三維實體造型設計、自由曲面造型設計、參數(shù)化設計、特征造型設計等,到近些年隨著互聯(lián)網的廣泛應用,此類設計軟件基本結合了當今熱門的智能化、集成化等新關鍵詞進行開發(fā)軟件,進而發(fā)展為新的技術特點。進而 CAD 技術能夠具備更好地協(xié)同開發(fā)、簡化設計流程等優(yōu)點。CAM 行業(yè)一直處于并接軌于高精度機床編程、以更好地工藝進行工件的加工生產,盡可能的縮短工廠的生產效率,并通過軟件的編程基本減少了實際數(shù)控機床及加工中心的離線編程,使編程人員面對三維實際模型更好地更方便的編寫 G 代碼程序 6。CAE 技術也在近幾年得到了廣泛的普及,對件及具結構進行有限元分析計算,進而得到鍛件在不同工作狀態(tài)下(溫度場)的位移和應力分布情況。最終是為模具的優(yōu)化設計和合理改進提供更有效的理論依據(jù) 6。雖說我國的 CAD/CAM/CAE 的研究應用的近幾年發(fā)展迅速,為此感到可喜可賀,但是相對于其他的工業(yè)發(fā)達國家如日美韓德等國相比還有較大差距,此述的差距大體在:(1)CAD/CAM 的應用集成化程度較低,很多企業(yè)的應用仍停留在繪圖、NC 編程等單項技術的應用上。 (2)CAD/CAM 系統(tǒng)的軟、硬件均依靠進口,自主版權的軟件較少。 (3)缺少設備和技術力量,有些企業(yè)盡管引進 CAD/CAM 系統(tǒng),但3其功能沒能充分發(fā)揮。1.3 本課題研究內容此次設計是綜合機械類常用的 CAD 設計軟件及 CAE 分析軟件進行的。SolidWorks 是位于美國馬薩諸塞州的達索公司(Dassault Systemes S.A)專門為了從事機械設計行業(yè)人員研發(fā)的視窗應用軟件,它擁有強大的非標設備設計功能及較為完善的模具分模一體化設計功能。本設計用該軟件進行鍛件的三維設計并且對其進行分模,以分出凸模具和凹模具,并用其他內嵌于 SolidWorks 的模具輔助外掛軟件設計模架、頂針、導向柱等模具必須零件。設計完長安汽車萬向節(jié)叉鍛件,將其導入 ANSYS Workbench 15.0 正確應用瞬態(tài)傳熱分析的初始條件進行溫度場及應力場分析。通過分析可以清晰看出鍛件在不同溫度下的應力分布及變化情況。為了方便工廠工人加工,用二維 CAD 軟件出模具總裝工程圖及凹模、凸模工程圖,方便實際組裝及加工。通過機械類多軟件綜合的設計分析充分發(fā)揮了 CAD/CAE 在模具行業(yè)的應用。在設計過程中我走訪了某鍛件鍛造加工廠,親臨了加工廠實際生產,跟工廠師傅交流了鍛造的工藝要求,也體驗了鍛造設備的使用,因而本設計充分貼近工廠生產之所需。由于本人學術水平有限,因此本論文難免有學術不妥之處,還請老師們及同行們批評指正。42.長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計2.1零件結構分析先進行零件結構分析,所設計的零件為長安汽車萬向節(jié)叉如圖 2-1 所示,萬向節(jié)叉是叉形件。萬向節(jié)叉用在主動軸與從動軸中,用來控制之間的角度。因其作為連接件,使被連接的零件間存在規(guī)定范圍內的角度變化,在整個汽車傳動結構中起著至關重要的作用,故萬向節(jié)叉需承受的扭轉矩較大剛度需求較高,同時其在實際工況中環(huán)境不同,有時需承受的載荷較大。主動軸的將轉矩通過萬向節(jié)叉?zhèn)鬟f給從動軸,在不平行情況下主要起連接主動軸和從動軸的作用。當然,萬向節(jié)叉這類零件應用范圍較為廣泛,不僅僅用在汽車傳動行業(yè)方向上,也用于機械行業(yè)非標件設計過程中,甚至民用傳動設備的生產制造過程中。大體上,可用于如下場所:兩軸不同心、兩軸間平行但不相交或空間平行且相交、兩軸的空間夾角在運動過程中經常變化等場所 7。分析長安汽車萬向節(jié)叉的整體形體尺寸及表面粗糙度等公差要求,容易看出:該零件整體體積較小,各種圓角較多,但圓角尺寸不大,形狀不是很復雜,因其是連接件,非傳動件,故其精度要求不高,但為了保證連接位置的精度配合要求,也需要通過鍛壓機如圖 2-2所示,初鍛終鍛兩步鍛造成型。頂部頭端的設計較為麻煩,內孔需在終鍛后用加工中心繼續(xù)加工,并且在設計過程中需要考慮其脫膜的角度,防止不易脫膜及卡模等現(xiàn)象出現(xiàn),包括初鍛及終鍛過程只能鍛造其大體形狀,末端的凹槽需要數(shù)控機床進行加工,在鍛造的過程中,因其材料內部分子聚集加強,使其組織更為緊密,碳化物分布及流線分布更為合理,故能夠提高鍛件整體熱處理性能及提高其強度及使用壽命。若企業(yè)要求加工花鍵或滑槽,則按實際工藝進行設計零件。按照工廠要求選取鍛件的材料為熱軋鋼 45 鋼,此材料擁有相對較好的金屬材料穩(wěn)定性,較高的強度,并方便后期機加工。具體該鍛件的工藝方案及材料相關屬性如下表及相關數(shù)據(jù)所述,零件預期設計的實物圖如圖 2-3 所示。5圖 2-1 長安汽車萬向節(jié)叉零件圖圖 2-2 鍛壓機實體圖6圖 2-3 萬向節(jié)叉的預期實物圖2.2 零件工藝分析圓筒類零件在終鍛之前都要先進行預鍛,但包括預鍛和終鍛過程都在鍛壓機里完成。預鍛后沿原鍛料毛坯截面軸向剪裁制成模樣近乎鍛件的中間毛坯,從而保證鍛件進行最后的終鍛時使鍛件各處充分填充金屬并且有均勻毛邊,進而降低了模槽的磨損損耗,延長其使用壽命。計算毛坯在整個設計中起到了關鍵的作用,對于鍛件的結構特性,本文首先就選擇采用 45 熱扎鋼。所選定的毛坯具體參數(shù)如下:鍛件毛坯截面積: S 坯 = (1.021.05)S 均 =1.031841600=1841680mm鍛件毛坯截面尺寸: A 坯 =60mm 鍛件毛坯長度: L 坯 =V 坯 / S 坯 =1841680/23021.53=80mm具體鍛造工藝流程如表 2-1 所示。長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計材料代號 45GBT699-1999工序號 工序和工步 工序(工步內容)與要求 設備名稱 工具名稱1 下料 冷剪切按“鍛件毛坯小料手冊” 250t剪床 切刀、卡尺2 加熱 按“鍛件毛坯加熱守則”爐溫1250C,料溫 1200C 加熱爐3 拔長 3t模鍛錘4 滾擠 3t模鍛錘5 預鍛 3t模鍛錘6 終鍛 自檢:表面缺陷、厚度尺寸、 錯差 3t模鍛錘7 熱切邊 切邊溫度 5001250C 1.6t壓力機 切邊模8 磨毛刺 要求殘留毛邊不大于 1mm 砂輪機 砂輪片9 熱處理 對模槽進行淬火、回火處理 熱處理爐10 清除氧化皮11 檢查鍛件質量表面缺陷 尺寸200、100、16、61.8 錯差 殘 卡尺、500 臺稱7表 2-1長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝卡對于鍛模來說,其種類有很多,單純按照模膛數(shù)量分為單模膛模和多模膛模;按照鍛件的成形過程機理可分成閉式鍛模及開式鍛模;按照鍛件的加工工序又可分為制坯模、預鍛模、終鍛模、彎曲模等。按鍛件制造方法可分為整體模和組合模;大多數(shù)公司中按照鍛造設備來區(qū)分鍛模種類,可分為胎模、錘鍛模、機鍛模、平鍛模、輥鍛模等。各種各樣的模鍛件滿足了機械行業(yè)非標準零件的需求,相應配套的模鍛件是完全處于凸凹模間進行鍛壓成型得到的。通過翻閱相關書籍、查閱相關互聯(lián)網資料,定義本設計的鍛件為普通鍛件,并且歸類于柱形鍛件。同時,萬向節(jié)叉鍛件通常是小規(guī)模同標準批量生產,方便機械流程化、工藝流程化及自動生產化,本設計采用了開式單型槽熱模鍛,并且選用熱鍛模曲柄壓力機進行模鍛。通過上述圖紙分析及工藝流程的確定,我們可以進一步對其進行模具鍛模設計及后續(xù) CAE 分析并且可以進行圖紙設計。2.3鍛件鍛模總體設計方案的確定了解了零件的屬性及材料,我們現(xiàn)在可以選擇合適的鍛模方式設計該鍛件的模具,鍛模設計的步驟如下:1) 用三維設計軟件 SolidWorks,根據(jù)所給二維圖紙的尺寸要求相應畫出終鍛件模型,倒好規(guī)定位置的圓角,同時最重要的是注意選擇合適的拔模斜度,使其順利出模。2) 根據(jù)鍛件的精度、形狀及工廠的實際生產條件確定好模具分型面、分型線及加工余量公差,借助于軟件的評估功能,查看鍛件體積 V0和鍛件質量 m0,再查閱相關資料制定較為完善的鍛造參數(shù),如分型面周邊長度 L0等參數(shù)。3) 開始分模,插入切削分割,進而使模具生成型心和型腔塊(又稱凸模凹模) 。根據(jù)之前生成的三個曲面實體: 一個型心曲面實體、一個型腔曲面實體、以及一個分型面實體。運用切削分割命令生成鍛件的模具及相同零件的多個實例,但本設計要求一模具一產品,因此生成了一個實例。4) 查閱鍛造設計手冊,考慮飛邊槽充滿參數(shù)、鍛壓力噸位、鍛件質量設計終鍛模膛,著重設計飛邊槽及鉗口留毛邊 重量85) 原材料規(guī)格根據(jù)制坯模膛的要求給出,下料毛坯形狀大小依據(jù)坯料總體積和加熱中的損耗及工藝余塊,料夾頭等方面確定。6) 本設計中的萬向節(jié)叉其結構不復雜,為了節(jié)約工時,因此只需在鍛模型槽中一次鍛壓成形即可,即不考慮預鍛制坯工序,只要求終鍛這一工步即可。7) 講鍛件導入 Workbench 15.0進行分析鍛件的溫度場模擬,分析在不同的鍛造溫度下及環(huán)境外界溫度下,鍛件的溫度場的分布情況,以及鍛件的應力分布情況,進而用 SolidWorks 完善鍛模裝配總圖8) 繪制出二維 CAD圖紙,制定相應的說明書。93. 長安汽車萬向節(jié)叉鍛模設計3.1鍛件及其鍛模的設計3.1.1確定鍛件的分型面及分型線終鍛件在凸凹模間的型槽中擠壓成型,且凸凹模具的接觸面(又稱成型面)將其稱為分型面(分模面) 。分型面與終鍛件的交線稱為分型線。分模之處就是要首先確定此鍛件的分型面及分型線。確定好后才可以進行下一步,這是最為基礎的一步,且必須準確無誤判斷出相應位置。分型面的制定原則根據(jù)脫模過程是否容易脫模、成型面是否完好、平衡側的壓力情況、承受力的一面受壓情況及強度、盡量簡化鍛造工藝等條件進行確定 8。同樣分型線也有其自身的確定規(guī)則,分型線盡量平直并且與分型面盡可能在一個平面內。在折分型線確定時,用兩個或兩個以上不同平面的分型面與鍛件相交形成的分型線作為折分型線,將同時含直線及曲線的分型線稱為彎曲分型線。更為重要的是判斷分型線是否合適時,需要考慮鍛件的脫膜過程、制造成本及后續(xù)毛坯料利用率等方面考量。選擇合適的分型線的同時,還應滿足其分型線有利于鍛件外形美觀,即流線型外觀較好,對于高度較高的鍛件,應選擇盡量靠近中間部位,這樣能夠保證鍛件不發(fā)生錯?,F(xiàn)象。此外還應該考慮鍛件的非加工面,對于加工面應該盡量減少孔洞及槽的機加工余量 9。鍛件分模線合適與否,關系到鍛件質量、鍛造操作、模具制造和材料利用率等一系列問題。為了提高鍛件質量、保持生產過程的穩(wěn)定性和獲得最低的成本,在滿足上述分模原則的基礎上,對于開式模鍛確定分模線位置時還應考慮以下幾個因素:(1)在鍛件的高度方向上選擇分模位置時,應盡量選取中間部位,這樣能確保鍛件自由出模,對金屬沖填型槽也有利,同時還便于發(fā)現(xiàn)錯?,F(xiàn)象;(2)有利于鍛件獲得理想的流線方向;10(3)對于盤類鍛件( H D ) ,應取徑向分模,而不宜取軸向分模;(4)應有利于鍛出零件的非加工表面,對加工表面也應盡量減少鍛件凹槽和孔等的機械加工余量;根據(jù)本論文所涉及的鍛件來說,綜合上述分型理論及其鍛件形狀獨特性制定的分型面及分型線如圖 3-1、圖 3-2 所示:圖 3-1 長安汽車萬向節(jié)叉終鍛件分型面彎曲分模線圖 3-2 長安汽車萬向節(jié)叉終鍛件分型線3.1.2 制定鍛件的機加工余量及公差鍛件在終鍛過程中會因溫度高下成型使其自身表面氧化、粗糙不平,因此在需要鍛造后機加工的部位一定要流出足夠的加工余量,這對于連接件的后續(xù)應用極為重要 10。當然加工余量主要由機加工設備的加工精度及鍛件質量等屬性確定。為了得到零件的質量屬性,需要首先定義其材質,定義好后,再在 SolidWorks軟件中在建模模塊中點擊質量屬性按鍵,使軟件自動估算鍛件質量,得到該萬向節(jié)叉的質量11屬性如圖 3-3所示。圖 3-3 鍛件質量屬性依照工廠的實際加工條件及鍛件的用途,進行半精密級(用于普通模鍛或半精鍛工藝鍛壓)鍛造,制定主要工作表面粗糙度為 Ra=6.3um 確定該零件的精度屬于普通級。鍛造過程鍛件會因根據(jù)鍛造溫度或模具損耗量產生誤差,故要考慮鍛造的工藝及加熱方法等因素。選擇該鍛件類屬于低碳低合金含量鋼的 45 熱軋鋼。外輪廓包容體質量為 1 千克。則根據(jù)鍛件形狀復雜系數(shù) S是鍛件質量 Mf與相應的鍛件外廓包容體質量 MN之比,即:S= Mf / MN=0.76,計算鍛件的形狀復雜系數(shù) S。 根據(jù) S值的大小,鍛件形狀復雜系數(shù)分為 4級:S1級(簡單): 0.63S1S2級(一般): 0.32S0.63S3級(較復雜):0.16S0.32S4級(復雜): 0S0.16根據(jù)上述,因此該萬向節(jié)叉鍛件的復雜系數(shù)簡單級 S1。通過查公差表確定鍛件最大極限尺寸及最小極限尺寸如圖 3-4 所示。進而通過求差計算確定鍛件的尺寸公差和形狀公差的。鍛件萬向節(jié)叉對于其外形尺寸的要求極為嚴格,因為外形尺寸直接影響到外徑和連接件的配合要求,外形尺寸過大與過小都能導致連接軸連接后致使軸不同心。因此根據(jù)工廠的實際需要及設計時考慮的加工因素,我在設計萬向節(jié)叉的外圍外型圓柱周長最大極限尺寸為 200.5mm、最小的極限尺寸為 200mm,最大最小極限尺寸的差值 0.5mm 作為該鍛件的最外形公差。12圖 3-4 公差示意圖3.1.3 鍛模生成及凸凹模分割本論文所設計的萬向節(jié)叉鍛件因其外圍大體為對稱的圓柱圖形,為了方便設計凸凹鍛模,在 Solid Works軟件中以上一步為基礎選用模具的切削分割命令對零件鍛件進行分模處理,得到如圖 3-5所示的凸凹模。易看出,成對稱分布關系,同時為了考慮出模方便即鍛件容易從模膛中脫膜,為此考慮了鍛件與模膛接觸的地方必須有適當?shù)陌文P倍龋I(yè)內稱為出模斜度) ,對于拔模斜度的要求要根據(jù)實際出模需要以及工廠的實際鍛造要求制定,斜度不能過大,過大使其脫膜極易導致無法鍛造出合適的形狀,如果過小使其在脫模時脫模極難,導致零件外表及內部接觸部分摩擦受損,因此對于拔模斜度的制定在鍛模設計的整個過程中顯得尤為重要。鍛件在冷卻收縮時離有離開模具側壁的趨勢,應考慮外模鍛斜度用 表示,按照鍛件的自身高度 H和自身寬度 B或通過外形輪廓長度 L與自身寬度的比值即H/B、L/B 確定拔模斜度。同時,內模鍛拔模斜度 一般比外模鍛斜度 值加大2或 3,具體的取值還需根據(jù)工廠實際工藝需求及工人經驗制定。13圖 3-5 凸凹鍛模圖通過 SolidWorks軟件設計了三維設計鍛件的凸凹鍛模后,通過“從零件/裝配體制作工程圖”命令將三維圖轉化為二維圖。而鍛模的總裝圖則在萬向節(jié)叉鍛件分模完成后在裝配體中調入零件模具方向導柱及配套導套、底板、上頂板等零件,投影好相關的視圖后最后將文件保存至 Dwg格式如圖 2-7所示,用 CAD打開進行編輯如圖 3-6,圖 3-7,圖 3-8所示,在 CAD軟件中對所導入的圖紙進行基本外輪廓尺寸標注,并且標注好形位公差、尺寸公差,確保車間加工時能達到好的公差要求,當然考慮到外協(xié)工廠的實際加工設備,CAD 圖中標注的實際公差范圍盡量要求低一些,因為該工廠的設備能力有限,且工藝流程不是很完善。圖 3-6 SolidWorks轉換二維圖圖 3-7 上鑲模塊 CAD二維圖14圖 3-8 下鑲模塊 CAD二維圖3.2 鍛造模具設計圖鍛造模具設計圖如圖 3-9所示。15圖 3-9 模具設計三維圖3.3 鍛模飛邊槽的設計終鍛模作為錘上模鍛鍛模中的重要組成部分,其必須要設計在終鍛型槽周圍。在實際鍛件鍛造中,它能夠增加液體金屬在模膛里面的流通阻力,并且包含余下的金屬,使其充滿模膛。當然飛邊槽的尺寸和設計方案直接影響到鍛件的成型特征及質量,因此飛邊槽在整個鍛模設計中尤為重要 11。查閱相關資料得知在終鍛模設計中,模鍛的飛邊槽基本上機械行業(yè)內基本上有下面如圖 3-10 所示的三種形式:圖 3-10 飛邊槽三種設計方式16圖 3-11 二維 CAD圖中的飛邊槽設計(如上圖中的箭頭所示)接下來再根據(jù)萬向節(jié)叉的形狀大致沿軸線對稱,并且考慮到萬向節(jié)叉鍛件在鍛造時,流體阻力對類似圓柱形狀的零件在成型時的作用力比較小,而飛邊槽的作用是包含盡可能多的金屬,因此此鍛件鍛造時采用的飛邊槽設計,選用第二種方案。設計二維圖如圖 3-11 所示。飛邊槽有其自身的尺寸衡量標準,對于其槽高度 H、入口圓角半徑 R、槽寬 B 的選用規(guī)則如下表 3-1 所示,它們之間的關系是:當 B 變小,H 增大時,則在流動阻力(水平方向)會減小,同時減小了鍛模的磨損量 12。并且本設計所用的鍛造設備噸位是 1.6 萬千牛,但在實際的應用中還需考慮眾多影響因素比如環(huán)境、加熱溫度的影響,選用時要根據(jù)情況適當擴大或減小飛邊槽的個別尺寸??傮w根據(jù)鍛壓機的噸位(kN)結合下表中的數(shù)據(jù)選用 H=2.1mm,B=6mm,H 1=6mm,R=20mm R1=1.8mm。表 3-1 飛邊槽尺寸鍛壓機噸位(kN)H/mm B/mm H1/mm R/mm R1/mm6 30010 00016 00020 00025 00031 50040 0001.01.51.52.02.02.52.53.02.53.03.54.04546566668566686881515202020250.51.01.01.51.52.02.03.03.03.54.0173.4 模架總體設計鍛造過程中錘鍛過程要求速度低且平穩(wěn),所以鍛模不需要或少量受到沖擊,為了減輕本方案的設計難度,盡量不考慮鍛模的打擊面。本文設計的鍛件結構簡單,又是旋轉結構,采用了單工位矩形鑲塊緊固結構,此種模架結構簡單,通過 T形螺栓及壓板可以方便的調整鑲塊。模架是組合結構,設置有下頂出機構并兩側設置有導向柱及配套的導套,起導向作用,進行上下分模導向,一次出一個鍛件產品,緊固壓板是為了更好地固定下模座,據(jù)此選用了單腔鍛模。具體的總體框架如圖 3-12所示: 1上模座,2上墊板,3上模鑲塊,4下模鑲塊,5下模座,6下墊板,7導向裝置,8緊固壓板圖 3-12 模具框架總體結構圖18圖 3-13 模具總體結構的二維 CAD圖3.5鑲塊設計鑲塊在整個模具設計中也尤為重要,它直接通過與鍛件接觸直接影響了鍛件的形狀及成型質量。有鑲塊存在的地方就必然會涉及到鑲塊貼合面,而模具約復雜鑲塊的貼合面越多,配合精度越高,其加工越不易。其外形尺寸與模腔的尺寸及模架閉合高度相關。在設計時,應考慮鑲塊底部厚度 h必須大于 0.60.65 倍模架的閉合高度 H??紤]了鑲塊在實際鍛件成型中的關鍵作用及承力的大小,應該校核它的受力面。使其壓力機的公稱壓力 P小于 1KMPa。通過計算:p = P / S 200 MPa 1000 MPaP 施加鍛造壓力值 16000(kN)S 鑲塊實際承壓面積 80(mm 2)明顯看出鑲塊的設計是合理的。4 萬向節(jié)叉有限元分析19為了適應工業(yè)發(fā)展,ANSYS 公司每隔一段時間會推出 ANSYS經典版(Mechanical APDL)及其配套的可視化并方便操作的 Workbench軟件 13。在不斷地優(yōu)化升級過程中,軟件的功能也逐漸強大,此軟件占據(jù)了國內工業(yè) CAE分析的半壁江山,很好地解決了各企業(yè)的實際對于不同產品不同方案的模擬分析。本論文設計的萬向節(jié)叉協(xié)同熱應力分析便采用了較為成熟的 Workbench15.0版本。為了清楚看到鍛件在實際鍛造過程中因不同溫度而對鍛件不同位置的溫度分布影響,并且直觀地展現(xiàn)其相應的應力分布范圍,對此進行了有限元熱應力分析 14。有限元分析的操作流程大致分為:1、 通過三維設計軟件或 Workbench軟件進行萬向節(jié)叉三維模型設計。2、 確定模型的材質,并在 Workbench前置處理器,進行材質屬性配置,要著重注意材料的熱屬性及彈性模量及相關的參數(shù)。3、通過計算或查閱相關資料,確定網格劃分方案,進行網格劃分。4、在 Workbench軟件中使用 Steady-State Thermal進行熱力學設置,涉及到外界溫度、施加溫度、冷卻速率等參數(shù)設置,參數(shù)設置好后進行溫度場分析。5、將 Steady-State Thermal分析結果導入 Static Structral模塊的 Setup進行熱應力分布分析。6、導出 Static Structral體系中 Results結果進行查看分析。4.1不同溫度下 45鋼的性能變化在不同溫度下碳鋼 45的導熱系數(shù)是不同的。0攝氏度: 52.34100攝氏度: 48.85200攝氏度: 44.19300攝氏度: 41.87400攝氏度: 34.89 單位都是:KW/(m.)千瓦每米.攝氏度如圖 3-1所示,首先設置碳鋼的終鍛溫度約在鐵一碳平衡圖 A,線以上2575。中碳鋼的終鍛溫度位于奧氏體單相區(qū),組織均勻,塑性良好,完全滿足終鍛要求。低碳鋼的終鍛溫度雖處在奧氏體和鐵素體的雙相區(qū),但因兩相塑性均較好,不會給鍛造帶來困難。高碳鋼的終鍛溫度是處于奧氏體和滲碳體的雙相區(qū),在20此溫度區(qū)間鍛造時,可借助塑性變形,將析出的滲碳體破碎呈彌散狀,而在高于Acm線的溫度下終鍛將會使鍛后沿晶界析出網狀滲碳體。圖 4-1 碳鋼材料溫度平衡圖4.2有限元分析前置參數(shù)設置進入 Workbench軟件中先建立總體邏輯體系如圖 3-2所示,保證分析的時整體完整性。正確接連關系映射線,保證上一步結果對應著下一步的設置,并且保證兩步的模型及材料屬性共享。圖 5-2 前置邏輯體系建立在體系頁面中單擊 Geometry模塊,進入 MD系統(tǒng)。將用 Solidworks軟件已經建模完成的鍛件三維圖導入至 Geometry模塊中并生成模型。在 Engineering Data模塊中對其材料進行定義設置,如圖 3-3所示。21圖 4-3 模型材料參數(shù)設置用 Workbench的 mesh模塊對導入的鍛件進行網格劃分,根據(jù)其形狀采用三角面網格劃分形式并且采用 patch conforming算法,同時為了簡化流程采用自動劃分網格。因為鍛件基本為封閉模型且精度要求較高,但不應該忽略諸如倒角,小孔等一些小細節(jié),對此采用了 patch conforming算法,如圖 3-4所示,并且設置網格的最大邊長為 2mm,在保證電腦性能及分析運行時間的基礎上盡可能細分網格,這樣會提高分析結果的準確性。網格劃分完成后的模型如圖 3-5所示。最后設置鍛件在不同環(huán)境溫度下的溫度屬性如圖 3-6所示,是鍛件在冷卻水為 10度時的鍛件模型,如圖 3-7所示,是鍛件在空氣溫度為 22度時的鍛件模型 15。圖 4-4 網格劃分設置22圖 4-5 網格劃分后模型接下來確定流體對流:圖 4-6 冷卻水為 10度時的鍛件模型23圖 4-7空氣溫度為 22度時的鍛件模型4.3鍛件溫度場及應力分布分析求解熱應力先理解其概念,非剛形體受外力沖擊載荷或者受外界變化影響會或多或少因其塑性變形或引起應力應變的變化。確定對應的溫度場,尤其確定好依規(guī)定時間變化范圍內的隨時間變化的溫度分布及引起的非定常應力分布。熱應力的求解步驟:由熱傳導方程和邊界條件(求非定常溫度場還須初始條件)求出溫度分布;再由熱彈性力學方程求出位移和應力。鍛造過程中,加熱后的液體金屬流動性高,相應的對鍛件材質的各性能比如說熱穩(wěn)定性、高溫強度、耐熱疲勞性等要求就較高,不可金屬的材質屬性、截面溫差、熱處理等參數(shù)都能直接或間接影響熱應力的大小及分布,尤其對于是終鍛件材料的橫截尺寸、輪廓尺寸,厚度都能直接影響熱應力 16。完成鍛件有限元網格劃分及相應環(huán)境溫度及熱鍛溫度的設置,接下來選擇合適的求解器進行分析求解。得到不同溫度下的鍛件熱應力分布。熱應力的大小與金屬的性質、截面溫差有關,而截面溫差取決于金屬的導溫性、截面尺寸和加熱速度若金屬導溫性差、截面尺寸大、加熱速度快,則溫差大,熱應力也大。反之,熱應力就小。要明確,鋼料在室溫至 500-550范圍內的彈性狀態(tài)時,開裂可能最大。模擬萬向節(jié)叉鍛件在不同溫度下的溫度場模擬,分析不同鍛造溫度以及不同環(huán)境外界溫度下鍛件的溫度場分布情況如圖 3-8所示,以及鍛件的應力分布情況 17。在 Steady-State Thermal體系中的 Setup模塊中設置外界溫度參數(shù)及相應的鍛件800至 900度鍛造溫度,并且設置好不同溫度下的冷卻速率及對流系數(shù)。24圖 4-8 鍛件的溫度場及應力分布通過溫度場云圖分析結果看以看出,該鍛件的最小溫度值出現(xiàn)在其側壁上,最高溫度值出現(xiàn)在掛耳處,且該溫度場關于 YZ平面對稱。通過熱應力計算結果分析易看出萬向節(jié)叉鍛件的應力大小及分布范圍總體在理想范圍內。255.鍛前加熱、鍛后冷卻及熱處理要求的確定5.1確定加熱方式,及鍛造溫度范圍本文前面已經確定了制造終鍛模的總體方案并且對鍛件進行了對應的有限元分析,得出了鍛件在不同溫度下的熱應力表現(xiàn)及溫度場分布。鍛造件在正式機加工之前都需要進行熱處理,以便利于機加工時切削,同時也是細化晶格消除內應力以延長鍛件的使用壽命。下面將針對萬向節(jié)叉鍛件進行熱處理要求設計。在整個鍛造過程中,鍛造毛坯料熱處理的目的是在鍛造時減小變形量、提高金屬塑性以致液體金屬能更好的在模腔內流動成型,以使終鍛后的鍛件獲得好的金屬力學性能。金屬毛坯件的可以通過通電加熱或者燃料辦連續(xù)加熱爐加熱,本論文設計的鍛件是采用半連續(xù)加熱爐加熱。為了保證金屬在理論的鍛造溫度范圍里獲得更好的力學性能,查閱了相關熱處理資料,熱軋鋼 45#鋼是碳鋼且屬于含碳量在0.42%0.50%之間的中碳鋼,根據(jù)圖 4-1可知設計選用鍛件的初始鍛造溫度為1050,終鍛溫度為 850。圖 5-1 常見金屬材質鍛造溫度5.2 加熱時間及冷卻方式的確定26這里所指的加熱時間是自毛坯進入加熱爐內加熱時到從加熱爐取出的整個過程所消耗的時間,它包含整個過程的升溫和保溫兩個過程。 加熱時間是坯料裝爐后從開始加熱到出爐所需的時間,包括加熱個階段的升溫時間和保溫時間。加熱時間可以按照 D計算,其中 D表示毛坯的直徑(cm) , 表示 45鋼的金屬化學影響系數(shù),一般取值為 0.11(h/cm) 。模具熱疲勞會導致疲勞失效,這種失效現(xiàn)象尤其體現(xiàn)在凸凹模成型面上,甚至會順著裂紋逐漸擴大,模具經過反復的受熱受冷刺激后其內部多少會有些疲勞變形。為了盡可能避免模具生產后的疲勞破壞等問題,這里需要著重保證其熱處理工藝,比如在壓鑄之前模具本身必須進行充分的高溫加熱,并盡可能保持一定的高溫。根據(jù)實際生產需要,常規(guī)的冷卻的方式有氣冷、水冷、爐內冷卻等方式,其中爐內冷卻因隔絕空氣使其冷卻速度最慢,這里我們選擇常規(guī)的在空氣中冷卻。27總結本論文以長安汽車萬向節(jié)叉鍛件為例,詳盡的闡述了鍛件終鍛鍛造的工藝流程、鍛造模具設計、模具毛坯選取以及鍛件有限元溫度場應力分析。更好地把機械設計學科知識相融合,更肯定了模具行業(yè) CAE方向的廣闊前景。作為大學生的我們,理應當跟隨時代的腳步,不斷接觸機械行業(yè)的創(chuàng)新知識,傳統(tǒng)行業(yè)的機械加工需要當今社會高科技設備的輔助,更是離不開計算機三維設計及虛擬樣機仿真的功勞。與其說是時代的進步,不如說是機械行業(yè)工程師們的不斷創(chuàng)新挖掘,想到這里,我由衷對我過機械行業(yè)現(xiàn)代化進步如此極快感到欣慰,我過尚處在高速發(fā)展階段,我相信在不斷的將來,一定會超越世界上先進國家的制造水平,畢竟我們也在不斷創(chuàng)新進步。在本文設計過程中使用了當今機械行業(yè)廣泛應用的三維設計軟件和 CAE輔助分析軟件,更好地結合模具行業(yè)實際需求,完成本論文的創(chuàng)作。本畢業(yè)設計歷時近 5個月的時間,伴隨著指導老師的指導才使我的論文達到預期的效果,雖然本文設計的鍛件比較簡單,但是我們可以以小見大,映射出更復雜的模型對其進行這一系列的建模、分析、出圖等。當然鍛造的過程也不是很難,但是為了追求更高的精度及更好地可靠性,我們需要更努力的去考察其他工廠的鍛造流程及工藝。在實際的論文撰寫中,我深刻地體會到了理論與實踐相結合的重要性,當然了,更重要的是要注重創(chuàng)新的精神,用新思維考慮設計方案。如今,機械行業(yè)正在蓬勃發(fā)展,更是離不開我們大學生的努力,我要學的知識還有很多,這只是冰山一角。我們要將理論付諸于實踐,無論是看教學書還是聽老師講課我們都應該把理論的知識搬移到實際工作中,在工作中,我們更應該勤思考,更深入的理解所學知識。本文在撰寫的過程中遇到了不少的技術難題,但我們應該積極地去面對,而不是逃避,找出問題所在,逐個攻破,問題迎刃而解。28致謝本次畢業(yè)設計能夠順利的結題,離不開老師同學們的幫助,并在設計過程中得到了很多同學和老師的幫助和關懷,并提出了許多寶貴的意見,使我能夠在規(guī)定的時間內順利完成畢業(yè)設計。我的指導老師何斌鋒老師能夠在百忙中指導我,為此我深表感激。值此結束之際,我真誠地向各位幫助過我的老師和同學表示衷心的感謝,感謝你們的親切關懷和悉心指導。感謝我的指導老師在這段時間給予我的耐心指導和幫助。感謝舍友及同學給予的支持和關心。29參考文獻1 . 黃榮學,范洪遠.我國模具工業(yè)發(fā)展概述及展望J. 機械工程師. 2007(05)2 . 李付國,蔡軍,耿健.鍛模型腔表面熱負荷分析J. 鍛壓裝備與制造技術. 2007(01)3 . 鄭涌.模具行業(yè)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢J. 科技信息. 2007(04)4 .王先逵主編 機械制造工藝學,北京,機械工業(yè)出版社,1997.105.陳鵬.汽車萬向節(jié)傳動軸的選擇和布置J. 汽車維修. 2011(05)6.陳宏鈞,方向明,馬素敏主編 典型零件機械加工生產實例,北京,機械工業(yè)出版社,2005.1 7.曾立平,唐進元 ,江波.汽車萬向傳動中間軸的模糊優(yōu)化設計J
收藏
編號:369910
類型:共享資源
大?。?span id="24d9guoke414" class="font-tahoma">16.71MB
格式:ZIP
上傳時間:2018-07-04
15
積分
- 關 鍵 詞:
-
長安
汽車
萬向節(jié)
鍛造
鑄造
工藝
設計
說明書
仿單
- 資源描述:
-
長安汽車萬向節(jié)叉鍛造工藝設計說明書,長安,汽車,萬向節(jié),鍛造,鑄造,工藝,設計,說明書,仿單
展開閱讀全文
- 溫馨提示:
1: 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
2: 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權益歸上傳用戶所有。
3.本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網頁內容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
4. 未經權益所有人同意不得將文件中的內容挪作商業(yè)或盈利用途。
5. 裝配圖網僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內容負責。
6. 下載文件中如有侵權或不適當內容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
裝配圖網所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網友學習交流,未經上傳用戶書面授權,請勿作他用。